La sinterizzazione è il consolidamento di polveri metalliche, ceramiche o miste, in una massa densa e policristallina ad opera del calore.
Durante la sinterizzazione hanno luogo molti fenomeni: per primo avviene una densificazione, ovvero si verifica una diminuzione di porosità con conseguente diminuzione di volume.
I pori, inizialmente presenti nel pezzo compattato, cambiano forma e dimensione e possono in certi casi scomparire completamente. Con il passare del tempo, o con l’aumento di temperatura, i “ grani “ crescono di dimensione.
Energia
La motivazione per la quale le minutissime particelle della polvere diventano grani cristallini risiede nella termodinamica che stabilisce che ogni sistema materiale tende a trasformarsi spontaneamente verso uno stato di minore energia.
La polvere iniziale possiede un’elevata energia superficiale, associata alla elevata superficie totale delle particelle. Perciò molte particelle piccolissime tendono a formarne una più grande con conseguente diminuzione di energia.
La tendenza, da parte delle minutissime particelle, ad acquisire uno stato di minore energia superficiale si traduce in realtà se il solido si trova a una temperatura sufficiente a far superare agli atomi una energia di attivazione e quindi a muoverli all’interno del solido.
Questa energia di attivazione regola la velocità del processo di sinterizzazione. Durante il processo avviene un continuo trasporto di materia all’interno del materiale in cui gli atomi si raggruppano in configurazioni più stabili a minore energia. Il meccanismo in base al quale gli atomi si muovono dentro il solido è dovuto alla diffusione e al flusso plastico.
Diffusione
La diffusione può avvenire all’interno di un solido cristallino essenzialmente in due modi:
- per moti di interstiziali, cioè di atomi che occupano gli interstizi tra le normali posizioni degli atomi nel cristallo
- per moto di vacanze, cioè normali posizioni reticolari prive di atomi.
Il flusso plastico è provocato dalle forze di tensione superficiale che possono spostare gli atomi e provocare una deformazione plastica dell’oggetto, cioè una sua variazione di forma e/o volume non recuperabile, cioè non elastica. In molti casi possono operare contemporaneamente questi e altri meccanismi risultando preponderante quello che ha energia di attivazione più bassa. In ogni processo di sinterizzazione si possono distinguere tre stadi principali in ordine cronologico: il primo stadio riguarda la formazione della saldatura o collo tra le particelle; il secondo è individuato dalla formazione di un sistema tridimensionale di pori intercomunicanti e il terzo stadio inizia allorché i pori da intercomunicanti diventano isolati e piano piano tendono a scomparire.
Parametri che influenzano la sinterizzazione
Caratteristiche fisiche della polvere
La povere di partenza deve essere la più fine possibile e deve essere costituita da particelle di dimensioni omogenee. Tuttavia, una eccessiva finezza della polvere, costituisce un fattore negativo ai fini del processo di sinterizzazione in quanto diminuisce la compattabilità della polvere stessa che dà luogo a un prodotto pressato troppo poroso.
Presenza di impurezze o additivi
La purezza della povere deve essere sempre conosciuta nella fabbricazione dei ceramici speciali dato che alcune sostanze possono compromettere la densificazione, mentre altre hanno l’effetto di facilitarla.
Presenza di una seconda fase, solida o liquida alla temperatura di sinterizzazione
La presenza di particelle, o inclusioni solide, preesistenti o formatesi durante la sinterizzazione, ha in genere l’effetto positivo di ridurre la crescita dei grani, con un conseguente miglioramento delle proprietà meccaniche. Se, invece, si forma una fase liquida gli effetti sono diversi a seconda che quest’ultima bagni o meno il solido. In generale il formarsi di una fase liquida, con conseguente abbassamento della temperatura di sinterizzazione, deve essere limitato al minimo indispensabile per evitare deformazioni del pezzo dovute allo scorrimento dei grani l’uno rispetto all’altro.
Atmosfera del forno
Il tipo di atmosfera, ossidante, riducente, inerte, a umidità relativa controllata ecc., riveste un ruolo primario. Ad esempio, la presenza di ossidi non stechiometrici nei quali la concentrazione delle vacanze o di altri difetti reticolari è influenzata dalla pressione parziale dell’ossigeno. Se in questi composti la diffusione avviene mediante moto di vacanze è evidente che l’atmosfera influisce direttamente nel processo di diffusione e quindi sulla sinterizzazione
Temperatura e tempo di sinterizzazione
Questi due parametri sono quasi sempre collegati nel senso che è importante la velocità con la quale si raggiunge la massima temperatura.
In generale se da un lato l’aumento di temperatura abbassa il tempo di sinterizzazione, dall’altro è modificato il tipo di prodotto ottenuto.
Il processo di sinterizzazione, infatti, procede quasi sempre con la cooperazione di due meccanismi. Ciascuno ha la propria energia di attivazione e un aumento della temperatura favorisce i meccanismi a più alta energia di attivazione.
Per quanto riguarda la durata della sinterizzazione non bisogna spingere il processo oltre un certo limite di tempo. Infatti la porosità intergranulare non potrebbe essere più eliminata, mentre la dimensione dei grani cresce eccessivamente.