settembre 7, 2021
Nonostante non fossero proprio duri come il diamante, questi carburi erano comunque più duri della maggior parte dei materiali duri noti all’epoca. Sembrò pertanto logico produrre utensili e componenti estremamente resistenti in carburo di tungsteno, che in termini di durata utile superavano di gran lunga persino i componenti in acciaio. Il successo di quest’invenzione non fu immediato perché i prodotti in carburo di tungsteno erano troppo fragili dato che i carburi giunti a fusione solitamente contenevano cavità e precipitazioni di grafite. Ed è per questo che Henri Moissan ricevette il premio Nobel per la chimica non per aver scoperto i carburi, ma per l’analisi e l’isolamento dell’elemento fluoro – come anche per l’introduzione del forno ad arco elettrico che da lui prese il nome.
Dunque la breve storia dei carburi era già giunta al termine? Niente affatto, perché nel 1914 Hugo Lohmann e Otto Voigtländer riuscirono a produrre dei pezzi resistenti all’usura. A tal scopo ridussero in polvere estremamente fine il carburo di tungsteno fuso, che poi pressarono e sinterizzarono. Anche qui, però, si ripresentò il problema: il materiale era troppo fragile! Furono aggiunti come leganti metalli ferrosi, cromo e titanio per migliorarne la tenacità.
Il passo decisivo verso il successo avvenne però solo nel 1923. Grazie a Karl Schröter della Osram-Studiengesellschaft per l’illuminazione elettrica arrivò la svolta nello sviluppo dei metalli sinterizzati. A tal fine, Schröter mischiò la polvere di monocarburo di tungsteno (formula chimica WC) con il 5-10% di polvere di cobalto e riscaldò i pezzi pressati che risultavano da questa miscela, portandoli quasi al punto di fusione del cobalto. Cosa successe? Avvenne una fusione eutettica perché il carburo di tungsteno si dissolve nel cobalto. Il materiale fuso copre i cristalli di carburo di tungsteno sotto forma di saldante duro contraendoli in uno spazio minimo. Mediante questo processo di contrazione si crea un corpo molto denso con valori di resistenza fino ad allora mai raggiunti. Finalmente il metallo duro consolidò la sua presenza sul mercato e la sua validità fu confermata dal primo brevetto rilasciato il 30 marzo 1923.
Nel corso di quasi 100 anni si sono registrati molti progressi nel campo dello sviluppo: dai tempi del pionierismo, dunque, verso la finitura? Difficile da dire, perché in realtà “il metallo duro” non esiste. Il concetto di metallo duro descrive generalmente un gruppo di materiali che si distingue per elevata durezza e proprietà metalliche da altri materiali duri come ceramica, corindone o diamante. Il metallo duro è dunque un materiale a due fasi, prodotto mediante la metallurgia delle polveri e composto da una fase in materiale duro e una fase metallica legante.
Immagine al microscopio
Nel caso del metallo sinterizzato, i fragili e duri carburi di tungsteno sono combinati con metalli relativamente teneri ma tenaci (come cobalto, nichel o ferro) in una sorta di materiale composto. A questo scopo, nel processo di sinterizzazione la polvere di carburo con dimensioni grana da 0,1 a 20 μm viene mescolata e successivamente aggiunta e addensata con leganti tenaci a temperature comprese fra 1.300 e 1.500 °C e valori di pressione di fino a 100 bar. Il volume originario si riduce così del 50%.
Al contrario del materiale fuso puro, non tutti i materiali di base sono fusi, quanto piuttosto “legati” gli uni agli altri mediante calore. Il legante occupa lo spazio fra i grani di metallo duro creando un effetto di “brasatura” fra i carburi. La struttura che ne risulta è molto simile al calcestruzzo, in cui alcune particelle dure come ad esempio i ciottoli vengono collegati saldamente con del cemento.
I metalli duri sono diventati una specie di multitalento indispensabile in qualsiasi situazione in cui utensili e componenti sono esposti a sollecitazioni estreme. Elevata durezza, resistenza all’usura e tenacità, in combinazione con altre proprietà di elevate prestazioni che in gran parte possono essere adattate, rendono il metallo duro il materiale ideale per numerose applicazioni. Sono disponibili oltre cento qualità di metallo duro diverse con le più varie composizioni per applicazioni specifiche, quali ad esempio la lavorazione dell’acciaio, la laminazione a caldo o lo stampaggio a iniezione, tanto per nominarne alcune.
Vantaggi generali del metallo duro in sintesi:
È impossibile limitare i metalli duri a un unico campo d’applicazione: sono troppo versatili. Infatti, dove altri materiali falliscono, i componenti in metallo duro hanno un grande successo: in termini di antiusura, durata utile, durezza e anche affidabilità. Nell’asportazione truciolo diventano delle vere e proprie superstar grazie alla loro ampia gamma di durezza, resistenza all’usura e tenacità: pur essendo il materiale più duro che esista, il diamante ha però una bassa resistenza alla rottura, di conseguenza in molte applicazioni non è economicamente vantaggioso o è addirittura inservibile. L’enorme flessibilità del metallo duro è dovuta alla sua composizione che, in base all’applicazione, può essere più tenace oppure più resistente all’usura.
L’immagine mostra la discrepanza fra i due parametri della resistenza all’usura e della tenacità sulla base di leggi fisiche. Se esistesse il materiale da taglio ideale (ma per ora esiste solo in teoria) sarebbe posizionato in alto a destra, con la massima resistenza all’usura e anche la massima tenacità.
Quando un materiale è soggetto a sollecitazioni esterne, siano esse statiche o dinamiche, si verificano inevitabilmente tensioni meccaniche. Durante l’applicazione, soprattutto con carichi dinamici, vanno considerate la resistenza e la deformabilità del materiale. Queste due proprietà rappresentano la base del concetto della tenacità, ovvero la resistenza contro la rottura o la dilatazione di una scheggiatura. Con l’aumento del contenuto di legante e della dimensione grana incrementa anche la tenacità.
Di conseguenza le differenze in termini di tenacità dei vari metalli duri sono piuttosto grandi e derivano dalla loro microstruttura: i metalli duri a basso contenuto di legante e grana piccola tendono al fenomeno della formazione molto critica di crepe che può risultare nella frattura spontanea del componente (dovuto alle crepe stesse).
In metalli duri ad alto contenuto di legante e dimensione grana grossa, invece, le scheggiature nella struttura del legante vengono deviate oppure la dilatazione delle scheggiature viene fermata completamente. Questo prende il nome di “formazione subcritica di crepe” e normalmente impedisce la rottura spontanea dei componenti o almeno riesce a rallentare notevolmente questo processo.
Per questi casi esistono qualità di metallo duro caratterizzate dalla massima resistenza alla rottura utilizzate ad esempio per martelli di fucinatura. Lavorano il pezzo con forze elevate e devono resistere a una costante sollecitazione all’urto senza rompersi. Con riferimento alla composizione del metallo duro, questo significa un contenuto di cobalto di fino al 30% con una dimensione grana di 10 µm.
Grafico sulla resistenza alla rottura: confronto di qualità di metallo duro con varie dimensioni grana
Per determinare la resistenza meccanica del rispettivo metallo duro spesso viene effettuata una prova di resistenza alla flessione. Una rottura normalmente è dovuta ai difetti nella struttura e superficie del componente. Pertanto sono indispensabili una struttura omogenea del metallo duro e l’assenza di difetti sulla superficie.
Quando è richiesta un’elevata resistenza alla flessione si usano qualità di m.d. con un contenuto medio di cobalto e dimensione grana piccola o media, come ad esempio per micro-punte per circuiti stampati. A volte sono più sottili di un capello umano e durante la foratura sono esposte a elevate forze di flessione. Per assicurare che le micro-punte resistano a queste forze, si usano qualità di m.d. con un contenuto di cobalto dell’8,5% circa e una dimensione grana WC <0,5 µm.
Grafico sulla resistenza alla flessione: confronto di qualità di metallo duro con varie dimensioni grana
Corrosione – un incubo per qualsiasi capannone di produzione. Quando un metallo reagisce con il suo ambiente, ciò comporta inevitabilmente un’alterazione misurabile del materiale. Di conseguenza, nella maggior parte dei casi la funzione del componente in metallo è compromessa e può arrivare al fallimento totale, con conseguenze fatali per l’intero processo.
I metalli duri non rappresentano un’eccezione in tal senso. La corrosione in soluzioni acquose acide (pH <7) impoverisce la superficie del legante, lasciando sulla superficie stessa solo uno “scheletro” di carburo. Questa perdita di cobalto o “cobalt leaching” indebolisce il legame tra grani di carburo adiacenti aumentando il livello di degradazione. Minore è il pH, maggiore sarà la tendenza alla corrosione.
Con un contenuto basso di legante, lo scheletro di carburo è più pronunciato; di conseguenza tali qualità di metallo duro sono caratterizzate da una resistenza leggermente maggiore all’usura e alla corrosione rispetto a metalli duri con un contenuto di legante più alto. Nelle applicazioni pratiche questo effetto invece non è sufficiente per aumentare in modo significativo la durata. Data la loro limitata resistenza alla corrosione, i metalli duri puri di WC-Co, quindi, spesso non sono idonei ai campi d’applicazione in difficili condizioni di corrosione. La soluzione che rimane è rinunciare ai leganti puri di cobalto e usare invece materiali come Co/Cr, Co/Ni oppure Ni/Cr.
In sostanze fortemente basiche (a partire da pH 11) la fase che contiene carburo ovvero carburo di tungsteno, viene asportata uniformemente a causa della corrosione. Di conseguenza la percentuale di distruzione aumenta leggermente, il che diventa evidente anche dall’usura maggiore del componente.
Confronto tra qualità di m.d. standard e qualità resistenti alla corrosione (immagini al microscopio)
Ormai non esistono quasi più le applicazioni standard; quasi tutte le applicazioni richiedono un approccio individuale. E qual è la situazione dei metalli duri? È così anche per loro, perché in base all’applicazione alcune proprietà sono più importanti di altre. Per questo all’inizio occorre sempre scegliere la qualità di metallo duro giusta; e grazie all’ampia gamma disponibile, si trova sempre la qualità che fa per l’applicazione scelta.
La qualità del metallo duro deve essere molto elevata: porosità, proprietà della struttura e difetti nella microstruttura hanno un impatto fortemente negativo sulle caratteristiche meccaniche. Per ottenere un risultato ottimale conviene affidarsi all’esperienza e al know-how specifico dei produttori di metallo duro premium. È solo così che possono essere ottenute le caratteristiche desiderate, ad esempio mediante l’aggiunta di leganti che migliorano la resistenza al calore o alla corrosione del metallo duro.
Come per tutti i metalli duri, la fase dura di WC fornisce al carburo di tungsteno la sua elevata durezza, resistenza al calore e all’usura, mentre il legante metallico provvede a una buona tenacità del materiale. Grazie al modulo di elasticità estremamente alto, il metallo duro non si deforma quasi per niente quando è sottoposto a sollecitazioni. Questa combinazione di proprietà rende il carburo di tungsteno adatto a numerose applicazioni. Però il vantaggio maggiore è che le proprietà possono essere variate in un range molto ampio, per cui i metalli duri possono essere usati per applicazioni molto diverse: sia quando è richiesta la resistenza all’urto sia quando è necessaria la resistenza alla flessione o all’usura.
I metalli duri di gran lunga più usati sono quelli a base di WC e Co. Non vengono solamente usati nella lavorazione per asportazione truciolo (gruppo di applicazione ISO K), ma anche per la lavorazione di legno e pietra e per parti antiusura. Oltre ai metalli duri a base di WC-Co esistono metalli duri con carburi misti che contengono inoltre carburi di titanio, tantalio o niobio. Vengono usati per la lavorazione per asportazione truciolo di acciaio (gruppo di applicazione ISO P) e anche per il taglio del metallo.
Le numerose qualità di m.d. necessarie per le varie applicazioni si distinguono in base a tre punti fondamentali: dimensione grana WC media (fase α), contenuto di legante (fase β) e contenuto di altri leganti metallici (fase γ). Usando questi tre parametri, in particolare la dimensione grana WC e il contenuto di legante, è possibile variare le proprietà del materiale.
Il metallo duro deve il suo straordinario successo soprattutto all’equilibrio fra durezza/resistenza all’usura e tenacità. Le proprietà esatte vengono determinate dalla composizione del metallo duro. Il fattore decisivo in questo contesto è la scelta della dimensione grana. Più piccoli i grani, maggiore è la durezza e dunque la resistenza all’usura.
• Nanometrica <0,2 μm
• Ultrafine 0,2 – 0,5 μm
• Micrograna 0,5 – 0,8 μm
• Grana Fine 0,8 – 1,3 μm
• Normale 1,3 – 2,5 μm
• Grana Grossa 2,5 – 6,0 μm
• Extragrossa >6,0 μm
Esempio micrograna: queste qualità di metallo duro normalmente vengono usate per materiali abrasivi che tendono alla formazione di taglienti di riporto e quindi a elevata usura. Raggiungono la massima stabilità dei taglienti e hanno una bassa tendenza all’incollamento. Le qualità con dimensione grana normale costituiscono il compromesso ideale fra tenacità e resistenza all’usura, senza essere semplicemente un tappabuchi: vengono usate frequentemente per metalli non ferrosi e acciaio.
Confronto delle varie dimensioni grana (immagini al microscopio)
La fase legante metallica della maggior parte dei metalli duri consiste di cobalto. Il cobalto varia dal 4% al 30% della massa totale (nelle qualità di m.d. per applicazioni dell’asportazione truciolo fino al 12%) e migliora notevolmente la resistenza alla rottura rispetto al carburo di tungsteno. Nella storia della ricerca del metallo duro, vari metalli sono stati testati per usarli come fasi leganti, ma è stato il cobalto ad affermarsi. Forma i legami più forti con il carburo di tungsteno coprendolo molto bene, dato che entrambi i materiali si solidificano in una struttura esagonale.
I grani di WC hanno diametri compresi tra 10 µm e 0,5 µm, i grani piccoli migliorano sia la durezza sia la tenacità. Hanno una forma prismatica e tra di essi si trova la matrice in cobalto. Nel caso ideale la struttura è formata esclusivamente da carburo di tungsteno e cobalto. Se il carbonio presente nel materiale è insufficiente, si forma la fase eta, un carburo che riduce la tenacità (formula Co3W3C). Una quantità eccessiva di carbonio, invece, porta alla presenza di carbonio elementare (grafite) che riduce anch’esso la tenacità. Una parte del carbonio e del tungsteno è dissolta nel cobalto.
Le applicazioni speciali, anche nel caso del metallo duro, richiedono un trattamento speciale. Ad esempio, aggiungere elementi leganti a volte comporta delle ottimizzazioni piccole ma estremamente utili che danno la spinta decisiva per l’applicazione in questione. A volte si aggiungono piccole quantità di carburo di vanadio (VC, fino allo 0,8 %), carburo di cromo (Cr3C2) o carburo di tantalio e niobio (entrambi fino al 2 %) perché comportano una struttura a grana fine.
Il metallo duro è un prodotto davvero versatile che offre in assoluto la migliore resistenza all’usura per diversi tipi di industrie: dalla formatura, al taglio del metallo, alla foratura, alesatura e fresatura, taglio a getto d’acqua, produzione di profilati e spianatura, formatura e colatura, frantumazione e taglio a ultrasuoni, al metallo duro ottimizzato per applicazioni specifiche non si scappa.
Esiste un’ampia gamma di prodotti in metallo duro estremamente resistenti all’usura che comprendono a loro volta numerosi componenti diversi per vari settori. Nella lavorazione del legno e della pietra, ad esempio, il metallo duro viene usato sotto forma di dentelli per lame circolari e placchette per punte per la foratura del cemento armato. Nel settore automobilistico, i componenti a bassa usura vengono prodotti in metallo duro per i sistemi Common Rail. Nell’industria petrolifera e del gas, invece, i componenti in metallo duro minimizzano i tempi morti nelle condotte e nelle operazioni di esplorazione di perforazione.
Che si tratti di stampaggio, piegatura, punzonatura, formatura dei metalli o taglio di finitura, con i nostri componenti attivi otterrete una resa e quantità elevate per produrre parti in serie in modo economico. Lo assicurano l’ottimizzata stabilità dei taglienti degli utensili per stampaggio e tranciatura insieme alla loro affidabilità e stabilità del processo, maggiore resistenza alla flessione e resistenza alla trazione in combinazione con una ridotta tendenza alla corrosione e inferiore velocità di corrosione.
Oggi, però, vengono prodotti in metallo duro anche casse di orologi antigraffio, parti per la formatura del metallo e la costruzione di utensili, ugelli a getto d’acqua, bersagli sputtering per la realizzazione di rivestimenti DLC ("diamond-like carbon" – carbonio simile al diamante), utensili ad alta pressione per la produzione di diamanti sintetici o grezzi per creatori e per rulli da taglio. Le qualità di m.d. speciali approvate dall’ente statunitense preposto al controllo di alimenti e medicinali (Food and Drug Administration, FDA) vengono persino usate nei sistemi medicali e nell’industria alimentare.
Il metallo duro riveste un ruolo estremamente importante nell’asportazione truciolo perché offre una resistenza all’usura notevolmente maggiore rispetto all’acciaio rapido (HSS), resiste a temperature di lavoro maggiori e può essere adattato ottimamente alle esigenze di vari processi. Inoltre il suo costo è inferiore rispetto ad esempio a utensili in PCD (diamante policristallino).
Anche se oggi non è più come nella fase iniziale della ricerca, lo sviluppo e la produzione dei metalli duri continuano a rappresentare un settore molto ampio con numerose opzioni ancora inesplorate. Aziende innovative lavorano tutti i giorni per poter offrire i metalli duri ottimali per applicazioni specifiche.
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