--- title: "Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione…" description: "Scopri in che modo gli acciai ottenuti mediante metallurgia delle polveri differiscono per struttura, composizione, lavorazione e norme ASTM e ISO…" canonical: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi language: it robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/steel-families/powder-metallurgy-steels.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/skupiny-ocelí/oceli-vyráběné-práškovou-metalurgií-normy-návrh-slitin-pórovitost-a-karbidy.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/pulvermetallurgische-stähle-normen-legierungsdesign-porosität-und-karbide.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/familias-de-aceros/aceros-de-pulvimetalurgia-normas-diseño-de-aleaciones-porosidad-y-carburos.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/aciers-de-la-métallurgie-des-poudres-normes-conception-des-alliages-porosité-et-carbures.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/acélcsaládok/porkohászati-acélok-szabványok-ötvözettervezés-porozitás-és-karbidok.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/staalgroepen/poedermetallurgische-staalsoorten-normen-legeringsontwerp-porositeit-en-carbiden.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/grupy-stali/stale-wytwarzane-metodą-metalurgii-proszków-normy-projektowanie-stopów-porowatość-i-węgliki.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/famílias-de-aço/aços-de-pulvimetalurgia-normas-conceção-de-ligas-porosidade-e-carbonetos.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/группы-сталей/порошковые-стали-стандарты-проектирование-сплавов-пористость-и-карбиды.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/çelik-grupları/toz-metalurjisi-çelikleri-standartlar-alaşım-tasarımı-gözeneklilik-ve-karbürler.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/钢材分类/粉末冶金钢-标准-合金设计-孔隙率与碳化物.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼種の分類/粉末冶金鋼-規格-合金設計-気孔率-炭化物.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/مجموعات-الفولاذ/فولاذ-تعدين-المساحيق-المعايير-وتصميم-السبائك-والمسامية-والكربيدات.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강종-계열/분말야금강-표준-합금-설계-기공률-및-탄화물.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/famílias-de-aços/aços-da-metalurgia-do-pó-normas-projeto-de-ligas-porosidade-e-carbonetos.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/स्टील-समूह/पाउडर-धातुकर्म-इस्पात-मानक-मिश्रधातु-अभिकल्पना-रंध्रता-और-कार्बाइड.md content_hash: sha256:3df637e8a9901c7c94bfc5309fae6dfa64cf72f2bcbf20c81fc6fff72ddbbda8 generated: 2026-09-26 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi > Canonical URL: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. 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[Progettazione, ispezione e analisi dei cedimenti](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#progettazione-ispezione-e-analisi-dei-cedimenti "Progettazione, ispezione e analisi dei cedimenti") - [Come leggere una designazione di acciaio da metallurgia delle polveri](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#come-leggere-una-designazione-di-acciaio-da-metallurgia-delle-polveri "Come leggere una designazione di acciaio da metallurgia delle polveri") - [Vantaggi, limitazioni e luoghi comuni](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#vantaggi-limitazioni-e-luoghi-comuni "Vantaggi, limitazioni e luoghi comuni") ## Che cosa sono gli Acciai prodotti mediante Metallurgia delle Polveri ### Definizione di acciaio prodotto mediante metallurgia delle polveri L’acciaio prodotto mediante metallurgia delle polveri è un materiale ferroso ottenuto attraverso un processo di lavorazione delle polveri, anziché mediante la colata di un grande lingotto e la sua successiva laminazione o forgiatura per ottenere materiale semilavorato. Il termine descrive una famiglia di processi e materiali. Non identifica una singola composizione chimica, una singola microstruttura o un unico livello di densità. #### Sequenza tipica dei processi di metallurgia delle polveri 1. **Produzione delle polveri** La polvere di ferro o di acciaio legato viene prodotta e classificata. 2. **Miscelazione** Possono essere combinati elementi di lega, grafite, rame, nichel, molibdeno e lubrificanti. 3. **Compattazione** La miscela viene pressata per ottenere un componente sagomato allo stato verde. 4. **Sinterizzazione** Il riscaldamento sviluppa legami tra le particelle e modifica il sistema dei pori. 5. **Lavorazioni secondarie** Possono seguire calibratura, ricompattazione, infiltrazione, lavorazione meccanica, cementazione, tempra, rinvenimento o densificazione. Un ciclo tipico inizia con la produzione di polvere di ferro o di acciaio legato, seguita dalla classificazione e dalla miscelazione delle polveri, dalla compattazione e dalla sinterizzazione. Il compatto può quindi essere sottoposto a calibratura, ricompattazione, infiltrazione, lavorazione meccanica, cementazione, tempra, rinvenimento o a un’altra operazione di densificazione e trattamento termico. Ogni fase modifica il rapporto tra composizione, struttura dei pori, dimensioni e comportamento meccanico. *A-Z of Powder Metallurgy* di Randall German tratta la produzione delle polveri, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione, la microstruttura e la porosità come parti interconnesse della materia, non come denominazioni intercambiabili dell’acciaio finito. La polvere stessa costituisce la prima fonte di variabilità. Le polveri atomizzate, ridotte e di altro tipo differiscono per forma delle particelle, distribuzione dimensionale, ossido superficiale, porosità interna e comportamento allo scorrimento. Queste caratteristiche influenzano il modo in cui le particelle si dispongono nello stampo, la quantità di lubrificante necessaria, la trasmissione della pressione attraverso il compatto e il modo in cui le particelle si legano durante la sinterizzazione. Una miscela di polveri può inoltre contenere particelle prelegate, aggiunte elementari, particelle di leghe madri, grafite, rame, nichel, molibdeno o lubrificanti di processo. Di conseguenza, due componenti descritti genericamente come acciaio PM possono presentare distribuzioni degli elementi di lega diverse già prima dell’inizio della fase in forno. \[1\] \[1\] [**Ferrous Powder Metallurgy**](https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy). ScienceDirect Topics. ScienceDirect Topics, 2024. La composizione rimane importante, ma non agisce da sola. La metallurgia delle polveri ferrose utilizza comunemente rame, nichel e molibdeno come aggiunte di lega, mentre il carbonio viene spesso introdotto mediante grafite o una polvere contenente carbonio. Secondo il riferimento *Ferrous Powder Metallurgy* pubblicato da ScienceDirect Topics nel 2024, le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi prodotti mediante metallurgia delle polveri. Tale dato descrive un importante gruppo compositivo, non una definizione di tutti gli acciai PM. #### Perché la densità rientra nella descrizione del materiale I pori residui riducono la sezione resistente ai carichi e possono fornire siti di innesco delle cricche. Anche la forma, la dimensione e la connettività dei pori influenzano le lavorazioni successive e le prestazioni meccaniche. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi da metallurgia delle polveri mediante composizione chimica, densità, carico di snervamento allo stato sinterizzato e resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Strong evidence ASTM B783-24 mostra perché il nome di un grado o un’etichetta generale del processo non siano sufficienti. La norma classifica i materiali strutturali ferrosi prodotti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. La densità non è soltanto un dato da riportare: i pori residui riducono la sezione resistente e possono fornire siti di innesco delle cricche, mentre forma, dimensione e connettività dei pori influenzano il risultato delle lavorazioni successive. Una specifica deve quindi identificare più degli elementi aggiunti al ferro. Anche ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali metallici sinterizzati, compresi ferro sinterizzato, acciaio, acciaio legato e materiali strutturali in acciaio inossidabile. Il suo campo di applicazione riflette l’ampiezza della categoria. “Acciaio PM” può indicare un materiale strutturale sinterizzato con porosità residua controllata, un componente forgiato da polvere con densità molto più elevata oppure un acciaio per utensili prodotto mediante metallurgia delle polveri, la cui caratteristica principale risiede nella popolazione e nella pulizia dei carburi. La microstruttura può differire da quella di un materiale analogo prodotto mediante metallurgia dei lingotti, pur a fronte di una composizione nominale simile. Gli acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri possono sviluppare strutture di carburi fini, arrotondate e più uniformi, oltre a consentire livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. La solidificazione rapida durante la produzione della polvere limita la segregazione associata a un grande lingotto colato; la successiva consolidazione e il trattamento termico determinano quanta parte di tale vantaggio rimanga nel prodotto finito. Il risultato non è automaticamente superiore né inferiore. È il prodotto di una storia metallurgica diversa. ![Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi](/images/uploads/4af4d880-7b39-4720-9603-79172debcc39/wiki-inline-a-labeled-process-schematic-comparing-press-and-sinter-powder-forging-hot-isosta-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/4af4d880-7b39-4720-9603-79172debcc39/wiki-inline-a-labeled-process-schematic-comparing-press-and-sinter-powder-forging-hot-isosta-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi")Powder-based routes share feedstock concerns but differ in consolidation physics and thermal history. ### Processi di pressatura e sinterizzazione, forgiatura da polvere e processi correlati I cicli degli acciai prodotti con polveri differiscono per compattazione, storia termica, densificazione e formazione dei difetti. | Ciclo | Meccanismo primario di consolidamento | Caratteristica distintiva tipica | |---|---|---| | Pressatura e sinterizzazione | Compattazione in matrice seguita da sinterizzazione in forno | Porosità residua controllata e formatura quasi a forma finita | | Forgiatura delle polveri | Preforma sinterizzata seguita da forgiatura a caldo | Maggiore riduzione dei pori e deformazione da forgiatura | | Pressatura isostatica a caldo | Temperatura e pressione elevate | Chiusura dei pori interni | | Stampaggio a iniezione dei metalli | Stampaggio, rimozione del legante e sinterizzazione | Materia prima in polvere fine e geometrie complesse | | Produzione additiva | Fusione o coalescenza strato per strato | Percorso utensile digitale e storia termica strato per strato | Componente allo stato verde **Componente allo stato verde** Un compatto sagomato ma non sinterizzato, la cui resistenza temporanea deriva principalmente dall’incastro tra le particelle e dalla pressione di compattazione. Il processo convenzionale PM di pressatura e sinterizzazione inizia con una miscela di polveri dosata. Uno stampo e dei punzoni compattano la miscela formando un componente “allo stato verde”, la cui forma è mantenuta dall’interbloccaggio delle particelle e dalla pressione di compattazione. Il compatto allo stato verde viene quindi riscaldato al di sotto dell’intervallo di fusione della lega, consentendo la diffusione e la crescita dei colli tra le particelle. La sinterizzazione rafforza la rete di particelle, modifica le dimensioni e arrotonda o contrae alcune porzioni del sistema di pori. Non elimina necessariamente tutta la porosità. La distribuzione della pressione nello stampo, l’attrito contro la parete dello stampo, lo scorrimento della polvere e la geometria del componente possono produrre gradienti di densità. La sinterizzazione può causare un ritiro o, a seconda della composizione e delle condizioni iniziali di impaccamento, una crescita dimensionale. Questi cambiamenti devono essere considerati insieme alle caratteristiche delle particelle della polvere e al trattamento termico previsto. Un trattamento di cementazione, per esempio, agisce su un materiale il cui accesso del carbonio e la cui risposta alle trasformazioni sono influenzati dai pori, dalla distribuzione degli elementi di lega e dalla microstruttura sinterizzata. I componenti strutturali prodotti con questo processo sono spesso specificati allo stato sinterizzato oppure dopo una determinata operazione secondaria. La calibratura può migliorare il controllo dimensionale; la ricompattazione può aumentare la densità in regioni selezionate; l’infiltrazione può riempire i pori interconnessi con un altro materiale; e l’indurimento per sinterizzazione può combinare il raffreddamento in forno con le trasformazioni di indurimento. Nessuna di queste operazioni trasforma ogni componente pressato e sinterizzato in acciaio completamente lavorato per deformazione plastica. Il processo di fabbricazione rimane parte della sua identità. \[2\] \[2\] [**ISO 13947:2024**](https://www.iso.org/standard/85818.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2024. La forgiatura da polvere aggiunge una fase di consolidamento meccanico. Un preformato viene prima compattato e sinterizzato, quindi riscaldato e forgiato per ridurre la porosità e conferirgli una forma forgiata. La sua storia produttiva differisce quindi sia da quella di un componente sinterizzato convenzionale sia da quella di un componente forgiato ottenuto da un semilavorato colato. Il controllo delle inclusioni è importante in questo processo: ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polvere. La norma chiarisce che le inclusioni possono essere valutate nella fase della polvere, pur rimanendo rilevanti per il componente consolidato. La pressatura isostatica a caldo è un altro processo di consolidamento delle polveri, che utilizza temperatura e pressione elevate per chiudere i pori interni, mentre lo stampaggio a iniezione dei metalli combina polvere metallica fine con un sistema legante, stampaggio, rimozione del legante e sinterizzazione. Questi processi non devono essere assimilati alla normale produzione mediante pressatura e sinterizzazione. Le loro polveri, il comportamento del corpo verde, i cicli termici, le variazioni dimensionali e le geometrie ottenibili sono differenti. Anche la fabbricazione additiva inizia con polvere metallica in molti sistemi, ma non è metallurgia delle polveri convenzionale semplicemente perché è presente della polvere. Un laser o un fascio di elettroni fonde o fonde parzialmente in modo selettivo regioni successive secondo un percorso utensile digitale; il componente sviluppa una storia termica strato per strato, anziché essere compattato come forma completa in uno stampo. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla fabbricazione additiva di acciai e [acciai inossidabili](/it/categorie/acciai-inossidabili "acciai inossidabili"), pubblicato da NIST nel 2020, identifica la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico post-produzione come fattori centrali nei componenti in acciaio fabbricati con tecniche additive. Tali aspetti si sovrappongono a quelli della metallurgia delle polveri, ma i meccanismi di formazione dei difetti e i gradienti termici non sono gli stessi di quelli di un compatto pressato che attraversa un forno di sinterizzazione. ### Perché il termine non identifica un singolo grado Una designazione dell’acciaio rimanda normalmente a un intervallo di composizione chimica specificato e a una norma relativa al prodotto o all’applicazione. “Acciaio prodotto mediante metallurgia delle polveri” non fa questo di per sé. Identifica un processo abbastanza ampio da includere acciai strutturali, acciai inossidabili, acciai per utensili, materiali destinati a cuscinetti e sistemi di leghe progettati per la forgiatura da polvere o la fabbricazione additiva. \[3\] \[3\] [**ISO 4957:2018**](https://www.iso.org/standard/70646.html). International Organization for Standardization. ISO standard, 2018. Le norme dimostrano questa distinzione. ASTM B783-24 tratta i materiali strutturali ferrosi prodotti mediante metallurgia delle polveri attraverso diversi criteri collegati, anziché mediante un unico grado universale. ISO 5755:2022 riguarda ferro sinterizzato, acciaio, acciaio legato e materiali strutturali in acciaio inossidabile. ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, nonché ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Pertanto, un acciaio per utensili PM può ancora essere identificato mediante una designazione riconosciuta per gli acciai per utensili, mentre il processo di fabbricazione ne spiega la struttura dei carburi, il profilo di segregazione, lo stato dei pori e i controlli richiesti. La descrizione significativa è quindi stratificata: composizione chimica della polvere, morfologia e distribuzione dimensionale delle particelle, metodo di compattazione, densità del compatto allo stato verde, ciclo di sinterizzazione, densità finale, morfologia dei pori, popolazione delle inclusioni, variazione dimensionale e trattamento termico. La modifica di uno solo di questi livelli può cambiare il materiale finito, anche quando la designazione nominale della lega rimane invariata. Per questo motivo, l’acciaio PM non dovrebbe essere considerato un acciaio ordinario ridotto in polvere. È una famiglia di materiali la cui composizione e storia di lavorazione determinano congiuntamente la microstruttura finale. Il nome del grado fornisce soltanto una parte di tale storia. ## Il quadro normativo per i materiali ferrosi da metallurgia delle polveri Gli acciai prodotti mediante metallurgia delle polveri non sono definiti esclusivamente dalla produzione della polvere. La loro classificazione dipende dalla composizione chimica del compatto di polvere, dalla densità raggiunta durante la lavorazione, dalla struttura dei pori conservata dopo la sinterizzazione e dalla condizione meccanica nella quale il componente viene sottoposto a prova. Una specifica può quindi identificare una famiglia di materiali senza descrivere ogni operazione necessaria per produrre un componente finito. La distinzione è importante perché due componenti con contenuti nominali simili di ferro, carbonio, rame, nichel o molibdeno possono presentare proprietà diverse quando differiscono la distribuzione granulometrica delle polveri, le pressioni di compattazione, i cicli di sinterizzazione, le velocità di raffreddamento o i trattamenti successivi alla sinterizzazione. Il testo *A-Z of Powder Metallurgy* di Randall German (2005) tratta la produzione e la miscelazione delle polveri, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione, la microstruttura e la porosità come parti interconnesse di un unico ciclo di lavorazione. Le norme suddividono questi argomenti in requisiti gestibili, ma non fanno scomparire le relazioni tra di essi. ### Logica di classificazione della norma ASTM B783-24 La norma ASTM B783-24, pubblicata da ASTM International nel 2024, classifica i materiali strutturali ferrosi da metallurgia delle polveri in base a quattro attributi principali: composizione chimica, densità, carico di snervamento allo stato sinterizzato e resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Il suo campo di applicazione riguarda i componenti prodotti mediante pressatura e sinterizzazione. Si tratta di un sistema di classificazione per materiali strutturali ferrosi da metallurgia delle polveri, non di un sistema universale di denominazione per ogni acciaio prodotto a partire da polveri. La composizione chimica stabilisce la famiglia della lega e i contenuti ammessi di elementi quali carbonio, rame, nichel e molibdeno. Le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi da metallurgia delle polveri, secondo la voce *Ferrous Powder Metallurgy* in ScienceDirect Topics (2024). Altri sistemi utilizzano nichel, molibdeno, cromo, manganese o combinazioni di tali aggiunte per modificare la temprabilità, la resistenza, la risposta dimensionale o il comportamento alla corrosione. La composizione indicata in un requisito relativo al materiale deve comunque essere interpretata insieme alla condizione del componente; il contenuto degli elementi, da solo, non specifica la porosità né le prestazioni meccaniche. La densità costituisce un asse di classificazione distinto. In un componente pressato e sinterizzato, la densità esprime la quantità del compatto occupata dal metallo solido anziché da pori interconnessi o chiusi. Una composizione nominale della lega può quindi presentarsi a diversi livelli di densità, ciascuno caratterizzato da una diversa area efficace portante e da una diversa risposta alla lavorazione meccanica, alla fatica, all’urto o al trattamento termico. La norma ASTM B783-24 riconosce tale distinzione, invece di considerare la densità un risultato incidentale della fabbricazione. Anche le categorie meccaniche distinguono due diverse condizioni del materiale. Il carico di snervamento allo stato sinterizzato descrive il componente dopo il ciclo di pressatura e sinterizzazione, senza fare affidamento su un successivo trattamento di indurimento per stabilire la condizione dichiarata. La resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico si riferisce alla resistenza raggiunta dopo il trattamento termico specificato per la classificazione applicabile. Questi due valori non sono intercambiabili. Un acciaio che soddisfa una categoria relativa al carico di snervamento allo stato sinterizzato non soddisfa automaticamente una categoria relativa alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico, e un disegno deve indicare quale condizione disciplina l’accettazione. Le norme riguardano diversi livelli di identificazione, collaudo e controllo del prodotto. | Quadro di riferimento | Oggetto principale | Cosa non stabilisce di per sé | |---|---|---| | ASTM B783-24 | Materiali strutturali ferrosi da metallurgia delle polveri | Specifica completa del componente | | ISO 5755:2022 | Materiali strutturali in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile sinterizzati | Un unico grado universale per la metallurgia delle polveri | | ISO 4957:2018 | Requisiti per gli acciai per utensili nei diversi cicli di produzione | Microstrutture identiche tra i diversi cicli | | ISO 13947:2024 | Inclusioni non metalliche nelle polveri e nei componenti forgiati da polveri | Grado della lega, densità o condizione a trazione | La norma ASTM B783-24 fornisce quindi un quadro per confrontare i materiali sulla base di assi definiti, ma tale quadro non costituisce una specifica completa del componente. Non elimina la necessità di indicare tolleranze, geometria, condizioni superficiali, orientamento della prova, campionamento, variazioni dimensionali, requisiti di impregnazione o infiltrazione e il ciclo termico esatto, quando tali fattori influenzano le prestazioni in servizio. Né un’etichetta di classificazione descrive completamente la morfologia della polvere, la scelta del lubrificante, l’attrezzatura di compattazione, l’atmosfera di sinterizzazione o la morfologia dei pori. ### ISO 5755:2022 e i materiali strutturali sinterizzati La norma ISO 5755:2022 opera a un livello correlato, ma distinto. Nell’ambito della classificazione ISO ICS 77.160, essa specifica i requisiti per i materiali metallici sinterizzati, inclusi i materiali strutturali in ferro sinterizzato, acciaio sinterizzato, acciaio legato sinterizzato e acciaio inossidabile sinterizzato. La formulazione è importante: il documento tratta i materiali strutturali sinterizzati come una classe, anziché presentare la metallurgia delle polveri come un unico grado convenzionale di acciaio. “ Sinterizzato” definisce inoltre una condizione di processo, non semplicemente un’identità chimica. Un compatto viene formato a partire dalla polvere, riscaldato al di sotto del proprio punto di fusione e trasformato attraverso fenomeni di legatura, ritiro, evoluzione dei pori e modificazione microstrutturale. La polvere può essere elementare, prelegata o costituita da una miscela contenente aggiunte di lega e ausiliari di processo. Dopo la sinterizzazione, il componente può essere sottoposto a calibratura, coniatura, lavorazione meccanica, trattamento a vapore, infiltrazione, carburazione, tempra e rinvenimento oppure a un’altra operazione di densificazione o trattamento termico. L’eventuale inclusione di una determinata operazione nei requisiti del materiale deve essere indicata separatamente. La norma ISO 5755:2022 è pertanto utile per i requisiti applicabili ai prodotti in ferro e acciaio sinterizzati, mentre un disegno del prodotto o una specifica di acquisto deve identificare la designazione e la condizione richieste per il materiale. Un requisito può prescrivere un intervallo di composizione chimica, una densità, una proprietà a trazione, una durezza o un metodo di prova. Non prescrive necessariamente il ciclo completo mediante il quale il fabbricante deve ottenere tale risultato. Al contrario, una specifica di processo può richiedere un tipo di polvere, una sequenza di compattazione, un’atmosfera di sinterizzazione, una velocità di raffreddamento o un trattamento termico, anche quando la norma relativa al materiale non fornisce tali dettagli. Questa separazione diventa particolarmente importante per i materiali PM in acciaio inossidabile. “Acciaio inossidabile” identifica una famiglia di leghe resistenti alla corrosione in base ai requisiti chimici applicabili; non indica se il componente sia stato prodotto mediante pressatura e sinterizzazione, stampaggio a iniezione di metallo, pressatura isostatica a caldo o produzione additiva. Tali processi producono strutture dei pori diverse e possono richiedere prove di accettazione differenti. La norma ISO 5755:2022 non deve essere interpretata come una dichiarazione secondo cui tutti i componenti in acciaio inossidabile a base di polveri condividano una stessa microstruttura o una stessa storia di lavorazione. ### Come le norme differiscono dalle designazioni dei gradi Una designazione di grado denomina o organizza un materiale secondo un determinato sistema. Una norma può definire tale sistema, specificare i limiti, stabilire i metodi di prova o fornire categorie di classificazione, ma i due concetti restano distinti. Il “grado” indica, in termini generali, quale materiale viene identificato. Una norma indica ciò che deve essere controllato, misurato o riportato affinché tale identificazione sia valida. La norma ASTM B783-24 illustra la differenza attraverso l’uso combinato di composizione chimica, densità, carico di snervamento allo stato sinterizzato e resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Una designazione basata su tale struttura contiene più informazioni di una semplice etichetta chimica, ma non sostituisce comunque il disegno del componente. Il disegno può stabilire la densità in funzione della posizione, le tolleranze dimensionali dopo la sinterizzazione, la deformazione ammissibile, la porosità connessa alla superficie e la direzione di prelievo dei provini a trazione. ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti ottenuti con la metallurgia delle polveri, nonché ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Strong evidence Lo stesso principio si applica agli acciai per utensili. La norma ISO 4957:2018 applica esplicitamente i requisiti relativi agli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, così come ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Questa norma comune non rende tali prodotti metallurgicamente identici. Gli acciai per utensili da metallurgia delle polveri possono sviluppare strutture di carburi fini, arrotondate e relativamente uniformi, nonché livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. Il ciclo di fabbricazione resta parte dell’identità del materiale, anche quando una norma comune per gli acciai per utensili fornisce i requisiti relativi alla composizione chimica o alle proprietà. Le inclusioni costituiscono un altro limite tra designazione del materiale e controllo del processo. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e consente di applicare il metodo ai componenti in acciaio forgiato da polvere. La prova delle inclusioni può evidenziare contaminazioni o particelle non metalliche che influenzano l’innesco della fatica, ma un risultato relativo alle inclusioni non definisce di per sé il grado della lega, la densità o la condizione di trattamento termico. \[4\] \[4\] [**Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels**](https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels). National Institute of Standards and Technology. ASM Handbook, 2020. Anche la porosità deve essere trattata con la stessa attenzione. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), analizza la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico successivo alla costruzione come fattori significativi nei componenti in acciaio prodotti mediante fabbricazione additiva. Tali problematiche si sovrappongono a quelle della metallurgia delle polveri convenzionale, ma la fabbricazione additiva non deve essere confusa con la metallurgia delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione: differiscono la materia prima in polvere, la formazione degli strati, la storia termica, la formazione dei difetti e lo stato delle tensioni residue. Una corretta indicazione del materiale combina quindi la norma applicabile, il grado o la classificazione, la forma del prodotto, la condizione relativa alla densità o alle proprietà e i requisiti di processo che influenzano l’accettazione. Le norme stabiliscono un linguaggio controllato. Non cancellano la storia della polvere dell’acciaio. ## Produzione delle Polveri e Variabili della Materia Prima La polvere non è un sostituto neutro di una barra, di un billette o di una massa fusa atomizzata. La forma delle particelle, la distribuzione granulometrica, la struttura interna, le condizioni superficiali e la storia chimica determinano il modo in cui la materia prima riempie uno stampo, reagisce alla compattazione, sinterizza e sviluppa pori e inclusioni. *A-Z of Powder Metallurgy* di Randall German (2005) considera queste caratteristiche come variabili di processo interconnesse: la produzione della polvere influenza la compattazione; la compattazione stabilisce la struttura dei pori del compatto a verde; la sinterizzazione modifica tale struttura e la microstruttura circostante; la successiva densificazione e il trattamento termico non possono cancellare completamente ogni decisione precedente. \[5\] \[5\] [**ASTM B783-24**](https://store.astm.org/b0783-24.html). ASTM International. ASTM standard, 2024. Questa distinzione è importante quando si confronta un acciaio PM con un grado lavorato apparentemente simile. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Anche ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati di ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Nessuno dei due standard considera la polvere una forma di fornitura incidentale. La materia prima fa parte del percorso di produzione del materiale. ![Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi](/images/uploads/313b3c15-83f6-41a4-8d7f-ac2936bdb0a0/wiki-inline-a-macro-view-of-mixed-atomized-and-reduced-iron-alloy-powder-particles-showing-s-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/313b3c15-83f6-41a4-8d7f-ac2936bdb0a0/wiki-inline-a-macro-view-of-mixed-atomized-and-reduced-iron-alloy-powder-particles-showing-s-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi")Particle shape and size distribution influence flow, packing, compaction, and sintering. ### Morfologia delle Particelle e Distribuzione Granulometrica La morfologia delle particelle descrive la forma esterna delle singole particelle e, in alcuni casi, la loro porosità interna. Le polveri atomizzate a gas e ad acqua sono spesso irregolari in misura variabile, mentre l’atomizzazione a gas può produrre particelle più arrotondate. Le polveri ottenute per riduzione conservano comunemente forme angolari, spugnose o porose, che riflettono la riduzione di un ossido o di un altro precursore. Queste descrizioni non sono intercambiabili. Una particella arrotondata può scorrere facilmente, ma stabilire un numero minore di contatti meccanici durante la fase iniziale della compattazione; una particella irregolare può incastrarsi e opporsi al movimento, creando al contempo una rete di pori del compatto a verde differente. #### Caratteristiche della polvere da distinguere - **Distribuzione granulometrica** Registra l’intervallo e la proporzione delle dimensioni delle particelle. - **Densità apparente** Descrive la massa contenuta in un volume definito di polvere sfusa. - **Scorrevolezza** Descrive il tempo o le condizioni necessari affinché la polvere attraversi un’apparecchiatura di prova. - **Compressibilità** Mette in relazione la pressione di compattazione applicata con la densità allo stato verde. La terminologia di German distingue diverse misure spesso riunite nell’espressione vaga “qualità della polvere”. La distribuzione granulometrica registra l’intervallo e la proporzione delle diverse dimensioni delle particelle, mentre la densità apparente descrive la massa contenuta in un volume definito di polvere sfusa. La scorrevolezza descrive il tempo o le condizioni necessarie affinché una quantità specificata attraversi un’apparecchiatura di prova. La comprimibilità riguarda la relazione tra la pressione di compattazione applicata e la densità a verde. Queste proprietà interagiscono, ma nessuna può sostituire le altre. Distribuzione granulometrica **Distribuzione granulometrica** L’intervallo e la proporzione relativa delle dimensioni delle particelle in un lotto di polvere. Una distribuzione ampia può consentire alle particelle più piccole di occupare gli spazi tra quelle più grandi, modificando la densità apparente e la struttura dell’impaccamento prima della pressatura. Le stesse particelle fini possono aumentare l’area di contatto, l’attrito, la formazione di polvere o la tendenza ad agglomerarsi. Le particelle sovradimensionate possono ostacolare il riempimento dello stampo o lasciare differenze locali di densità. Durante la pressatura, l’attrito alle interfacce particella–particella e particella–utensile influenza il modo in cui la pressione si trasmette attraverso la colonna di polvere. Tale pressione non è perfettamente uniforme; pertanto, un componente può uscire dallo stampo con gradienti di densità anche quando la composizione nominale è costante. La morfologia influenza anche l’espulsione. Le particelle altamente irregolari possono aumentare l’incastro meccanico e l’attrito contro le pareti; le particelle arrotondate possono ridurre parte della resistenza, ma possono produrre un compatto meno coerente se la formulazione e il programma di pressatura non tengono conto di tale comportamento. I lubrificanti modificano l’attrito contro le pareti dello stampo e l’espulsione, ma non eliminano l’influenza della forma delle particelle o della rugosità superficiale. Né il diametro medio delle particelle indicato è sufficiente a descrivere l’intera distribuzione che controlla il riempimento e l’impaccamento locale. Le conseguenze proseguono durante la sinterizzazione. L’area di contatto tra le particelle, la distanza attraverso i canali dei pori e la connettività della porosità aperta influenzano il ritiro, il trasporto dei gas, la diffusione e la formazione dei colli di sinterizzazione. La morfologia dei pori è quindi una registrazione sia della materia prima sia della storia di processo. Un valore finale di densità può nascondere pori allungati, isolati, interconnessi o collegati alla superficie, con effetti differenti sul trattamento termico e sul comportamento meccanico. ### Polveri Atomizzate, Ridotte e Miscelate L’atomizzazione inizia con una lega fusa e suddivide il flusso in goccioline mediante gas, acqua o un altro fluido. La solidificazione può produrre particelle con segregazione interna, satelliti, gas intrappolato o pellicole superficiali, a seconda della lega e delle condizioni di atomizzazione. Le particelle atomizzate a gas sono generalmente più sferiche di quelle atomizzate ad acqua, ma la sola morfologia non stabilisce la pulizia, la comprimibilità o l’idoneità a uno specifico percorso di produzione dell’acciaio. La polvere deve essere caratterizzata come materia prima, non identificata soltanto in base al nome del metodo di produzione. Le polveri ridotte sono ottenute rimuovendo chimicamente l’ossigeno da un ossido o da un precursore correlato. La riduzione può produrre una particella porosa con un’ampia superficie reattiva e una forma ereditata dal materiale di partenza. Una polvere di questo tipo può compattarsi in modo diverso rispetto a una polvere atomizzata di composizione nominalmente simile. L’ossigeno residuo, il materiale non ridotto e le variazioni delle condizioni superficiali rimangono rilevanti, poiché influenzano le reazioni di sinterizzazione e i gas rilasciati durante il riscaldamento. Le polveri miscelate combinano una polvere di ferro o di lega di base con polveri elementari, polveri di lega madre, grafite, rame, nichel, molibdeno, lubrificanti o altre aggiunte controllate. In un sistema miscelato, gli elementi di lega iniziano come particelle separate o aggiunte localizzate. La loro distribuzione durante il riempimento dello stampo, la compattazione e la sinterizzazione dipende dalle dimensioni delle particelle, dalla densità, dalla morfologia, dalla diffusione e dal ciclo termico. “Miscelata” non significa che le particelle di polvere abbiano la stessa composizione in ogni loro parte. Le polveri prelegate si distinguono perché gli elementi di lega sono incorporati in ciascuna particella durante la produzione a partire dalla massa fusa. Ciò conferisce a ogni particella una composizione chimica nominale più uniforme, ma può anche modificare la durezza, la comprimibilità, la risposta alla sinterizzazione e l’equilibrio tra resistenza a verde e densità raggiungibile. Le aggiunte elementari o di lega madre possono fornire una risposta di processo diversa e consentire la formazione della lega per diffusione durante la sinterizzazione. La distinzione è metallurgica, non semplicemente una questione di terminologia commerciale. Le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM, secondo il riferimento *Ferrous Powder Metallurgy* ospitato da ScienceDirect Topics (2024). Tale prevalenza non rende equivalenti tutte le materie prime ferro–rame–carbonio: il rame può essere presente come polvere separata, costituente prelegato o altra aggiunta controllata, e ciascun percorso influenza la miscelazione, la segregazione, la variazione dimensionale e la chimica locale. La stessa cautela si applica alle aggiunte di nichel e molibdeno. Per gli acciai per utensili, la storia della polvere ha conseguenze strutturali ancora maggiori. La solidificazione rapida e la successiva consolidazione possono produrre carburi fini, arrotondati e distribuiti in modo più uniforme. Il riferimento *Steel Powder Metallurgy* di ScienceDirect (2024) osserva che nei materiali per utensili PM è possibile produrre livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. ISO 4957:2018 applica esplicitamente i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, nonché ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. La designazione comune non implica una popolazione di carburi o una storia di processo comuni. ### Ossidi Superficiali, Pulizia e Manipolazione #### Avvertenza di processo Non considerare l’analisi chimica globale come una descrizione completa della pulizia della polvere. Ossidi superficiali, umidità, idrocarburi e particelle estranee possono interferire con la formazione dei legami, la rimozione del lubrificante e le reazioni di sinterizzazione. Ogni particella di polvere presenta una superficie esposta all’ossigeno, all’umidità, agli idrocarburi, alle apparecchiature di manipolazione e all’atmosfera circostante. Gli ossidi superficiali possono essere sottili e continui, discontinui oppure associati a contaminanti e inclusioni. La loro quantità e composizione chimica influenzano il legame tra le particelle durante la sinterizzazione, le reazioni di riduzione, la rimozione del lubrificante e i gas che devono fuoriuscire dal compatto. La composizione chimica della polvere misurata globalmente, pertanto, non può descrivere da sola le condizioni superficiali. La pulizia comprende aspetti che vanno oltre il basso contenuto di ossigeno. Le inclusioni non metalliche, i frammenti refrattari, le particelle estranee, i satelliti aderenti e gli agglomerati possono agire come difetti locali o interrompere i contatti tra le particelle. ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e consente di applicare il metodo ai componenti in acciaio forgiati da polvere. La sua esistenza ricorda che le inclusioni sono una problematica della materia prima prima di diventare una caratteristica dell’acciaio consolidato. La conservazione e il trasferimento possono modificare la polvere. Le vibrazioni possono segregare le particelle per dimensione o densità; l’aria umida può aumentare l’ossidazione o l’agglomerazione; il trasporto ripetuto può alterare il contenuto di particelle fini e introdurre detriti provenienti dalle apparecchiature. Contenitori, setacci, strumenti di miscelazione e lubrificanti devono quindi essere considerati possibili fonti di contaminazione. La storia della manipolazione appartiene alla documentazione del materiale. La metallurgia delle polveri PM mediante pressatura e sinterizzazione deve inoltre rimanere distinta dalla produzione additiva. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), tratta la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico successivo alla costruzione, ma uno strato fuso su letto di polvere non è un compatto a verde pressato. Le variabili della polvere si sovrappongono; la fisica della consolidazione no. Nella metallurgia convenzionale delle polveri, le condizioni della materia prima si combinano con il riempimento dello stampo, la compattazione, la sinterizzazione e ogni successiva densificazione per determinare la struttura finale dei pori e delle inclusioni. La chimica avvia la specifica. Non la conclude. ## Progettazione delle Leghe nella Metallurgia delle Polveri Ferrose La progettazione delle leghe nella metallurgia delle polveri ferrose comincia con un vincolo che non si applica nello stesso modo agli acciai ordinari lavorati per deformazione: la composizione deve funzionare durante la produzione delle polveri, la miscelazione, la compattazione, la sinterizzazione e qualsiasi successiva densificazione o trattamento termico. La composizione chimica nominale costituisce solo una parte del materiale. La forma delle particelle, la distribuzione granulometrica, gli ossidi superficiali, il contenuto di lubrificante, la morfologia dei pori e la posizione di ciascun elemento di lega influenzano la struttura finale. Per questo motivo, un acciaio PM non dovrebbe essere considerato come un grado convenzionale semplicemente prodotto a partire da polveri. La norma ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi PM in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato di sinterizzazione e alla resistenza ultima a trazione dopo il trattamento termico. Anche la norma ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati di ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Queste norme riflettono un sistema materiale nel quale la storia di processo è direttamente legata alla composizione e alle proprietà. ### Sistemi ferro–rame–carbonio Il sistema ferro–rame–carbonio è la famiglia di leghe più nota nell’ambito della metallurgia delle polveri ferrose strutturali. Un riferimento del 2024 di *ScienceDirect Topics* afferma che le composizioni ferro–rame–carbonio costituiscono circa la metà dei componenti ferrosi PM. Si tratta di una stima generale di riferimento tecnico, non di una regola universale applicabile a ogni Paese, classe di prodotto o periodo di rilevazione. Essa indica tuttavia l’importanza di questa modalità di legatura. Il rame viene comunemente introdotto sotto forma di polvere elementare miscelata o, in alcune formulazioni, mediante una polvere di ferro prelegata. Durante la sinterizzazione, il rame fonde a una temperatura inferiore rispetto al consueto intervallo di sinterizzazione dei componenti a base di ferro e forma una fase liquida transitoria. Il liquido può distribuirsi attraverso i contatti tra le particelle e favorirne il riarrangiamento, mentre il rame entra anche nella matrice di ferro per diffusione. Il risultato è spesso una crescita dimensionale anziché un semplice ritiro, sebbene la direzione e l’entità della variazione dimensionale dipendano dal contenuto di rame, dalle condizioni della polvere, dalla pressione di compattazione, dalla densità a verde, dalla geometria, dalla temperatura di sinterizzazione e dall’atmosfera del forno. Questa risposta dimensionale non rappresenta una correzione di scarsa importanza. Il progettista deve bilanciare il contributo del rame alla resistenza e alla temprabilità con i suoi effetti sulle tolleranze e sui gradienti di densità. La polvere di rame può inoltre ridurre la compattabilità rispetto a una base di ferro pulita e altamente comprimibile, in particolare quando la miscela contiene quantità significative di particelle dure o irregolari. I lubrificanti migliorano l’espulsione e riducono l’attrito contro le pareti della matrice, ma occupano volume e durante il riscaldamento lasciano prodotti carboniosi o gassosi. La loro selezione influisce quindi sia sulla resistenza a verde sia sulle prime reazioni di sinterizzazione. Il carbonio viene generalmente fornito sotto forma di grafite, sebbene il suo ruolo sia più complesso di una semplice percentuale finale in un’analisi chimica. La distribuzione della grafite controlla il potenziale locale di carbonio durante la sinterizzazione e il contenuto di carbonio della matrice di ferro dopo la diffusione. Una miscelazione insufficiente può lasciare regioni ricche e povere di carbonio, determinando un comportamento di trasformazione eterogeneo durante il raffreddamento o il trattamento termico. Il carbonio modifica inoltre la risposta al rame: insieme, queste aggiunte possono produrre regioni ferritiche, perlitiche, bainitiche o martensitiche a seconda della velocità di raffreddamento, della densità e della concentrazione locale degli elementi di lega. I pori rimangono parte della microstruttura. Anche quando rame e carbonio producono una matrice adeguata, i pori interconnessi o angolari riducono l’area effettiva portante e agiscono da concentratori di tensione. La loro dimensione, forma e connettività sono controllate dalla compattazione e dalla sinterizzazione tanto quanto dalla selezione della lega. Un’ulteriore densificazione, compresi la ricompressione, la calibratura o la forgiatura di polveri ove prevista, può modificare queste caratteristiche e cambiare la risposta al successivo trattamento termico. ### Aggiunte di nichel e molibdeno Il nichel viene utilizzato quando sono richieste una temprabilità, una tenacità o un rafforzamento della matrice superiori a quelli ottenibili con una semplice miscela ferro–rame–carbonio. Nelle formulazioni PM convenzionali ottenute per miscelazione, le particelle di nichel diffondono nel ferro durante la sinterizzazione, ma la diffusione può non essere completa. Ciò può lasciare aree ricche di nichel accanto a regioni relativamente povere. Tale segregazione chimica rappresenta una preoccupazione caratteristica del processo: dopo il raffreddamento o la tempra, la microstruttura può contenere diversi prodotti di trasformazione all’interno dello stesso compatto. Il nichel non fonde durante la normale sinterizzazione a base di ferro come avviene per il rame e pertanto non fornisce lo stesso riarrangiamento in fase liquida. La sua posizione nella miscela, la granulometria, lo stato degli ossidi e il ciclo di sinterizzazione sono quindi di grande importanza. Un’omogeneizzazione incompleta può essere utile o dannosa a seconda della struttura desiderata, ma rende meno diretto il rapporto tra composizione nominale e durezza locale. Il trattamento termico può aumentare la resistenza di un componente contenente nichel, ma il risultato dipende dalla morfologia dei pori e dalla distribuzione di nichel, carbonio e delle altre aggiunte. Il molibdeno viene aggiunto in piccole quantità rispetto alla matrice di ferro ed è apprezzato soprattutto per l’aumento della temprabilità e per la sua influenza sul comportamento di trasformazione. Può inoltre favorire progettazioni di leghe destinate a formare strutture martensitiche o bainitiche dopo il raffreddamento dalla sinterizzazione o dopo un trattamento termico separato. Le polveri contenenti molibdeno possono essere prodotte mediante miscelazione, legatura per diffusione o prelegatura. Questi procedimenti non producono compatti equivalenti. Una polvere atomizzata prelegata contiene molibdeno all’interno di ciascuna particella, mentre una polvere miscelata dipende dalla diffusione allo stato solido tra le particelle e può conservare differenze locali di composizione. Il molibdeno influisce anche sulla comprimibilità. Quando gli elementi di lega vengono disciolti nella polvere di ferro prima della compattazione, la polvere può diventare più dura e meno comprimibile rispetto a una base di ferro elementare. Un contenuto maggiore di lega può quindi rendere più difficile raggiungere un’elevata densità a verde a una determinata pressione di compattazione. Il compromesso consiste nel fatto che la prelegatura può migliorare l’uniformità chimica e ridurre l’arricchimento locale marcato associato alle aggiunte miscelate grossolane. La strategia di legatura deve tenere conto anche dell’atmosfera di sinterizzazione. Gli ossidi presenti sulle superfici delle polveri di ferro, nichel, molibdeno o di altri materiali possono ritardare il legame tra le particelle, mentre le atmosfere contenenti carbonio possono modificare le reazioni superficiali e il trasferimento di carbonio. Il ciclo del forno determina se la diffusione produce una matrice ragionevolmente uniforme o lascia zone chimicamente distinte. In un compatto convenzionale pressato e sinterizzato, la chiusura dei pori è limitata; pertanto, una lega che risponde bene in una barra lavorata per deformazione e completamente densa può non mostrare lo stesso comportamento di trasformazione in un componente PM poroso. ### Composizioni prelegate rispetto a quelle miscelate In una composizione miscelata, le polveri elementari o di lega madre vengono miscelate con la polvere di ferro prima della compattazione. Questo metodo consente di regolare con flessibilità le quantità di rame, nichel, molibdeno, grafite e altre aggiunte e può preservare l’elevata comprimibilità di una base di ferro relativamente tenera. Il suo limite è di natura spaziale: le particelle miscelate non sono chimicamente identiche e la sinterizzazione deve fornire la diffusione necessaria per avvicinarsi alla composizione prevista. La segregazione delle particelle durante la movimentazione può aggiungere un’ulteriore fonte di variabilità, soprattutto quando le polveri costituenti differiscono notevolmente per densità o dimensioni. La strategia di lega modifica la compressibilità della polvere, la chimica locale e la risposta alla sinterizzazione. | Strategia di lega | Posizione degli elementi di lega prima della sinterizzazione | Principale implicazione di processo | |---|---|---| | Miscelata | Particelle separate di elementi puri o di lega madre | Chimica flessibile, ma maggiore dipendenza dalla miscelazione e dalla diffusione | | Prelegata | Elementi di lega incorporati in ciascuna particella | Maggiore uniformità chimica da particella a particella, ma spesso minore compressibilità | | Legata per diffusione | Elementi aderenti alle particelle di ferro o parzialmente diffusi al loro interno | Compromesso intermedio tra compressibilità e controllo della segregazione | La polvere prelegata contiene i principali elementi di lega all’interno delle particelle di ferro già prima della compattazione. Per produrre tali polveri si ricorre comunemente all’atomizzazione a gas o ad acqua e, di conseguenza, la composizione delle particelle è più uniforme da una particella all’altra. Ciò può migliorare la costanza della temprabilità e ridurre la presenza di grandi isole ricche di lega. Il prezzo da pagare è spesso una minore comprimibilità, poiché le particelle legate sono più dure, oltre alla maggiore necessità di controllare la forma delle particelle, le pellicole di ossido e la pressione di compattazione. Per ottenere un’elevata densità a verde può essere necessario selezionare accuratamente il lubrificante e progettare adeguatamente la matrice, anziché limitarsi ad aumentare la pressione. Le polveri legate per diffusione occupano una posizione intermedia. Gli elementi di lega sono fissati alle particelle di polvere di ferro o parzialmente diffusi al loro interno, preservando una parte maggiore della comprimibilità della polvere di base rispetto alla prelegatura completa e riducendo al contempo la segregazione rispetto a una miscela libera di elementi. La loro risposta alla sinterizzazione dipende comunque dal contatto tra le particelle di lega e il substrato di ferro. Queste scelte determinano la microstruttura finale. Un compatto convenzionale ferro–rame–carbonio può sviluppare una matrice contenente ferrite e perlite con regioni ricche di rame, mentre le progettazioni contenenti nichel o molibdeno possono produrre strutture più temprabili dopo un raffreddamento controllato o un trattamento termico. Gli acciai per utensili PM estendono ulteriormente questo principio: mediante la lavorazione delle polveri è possibile ottenere strutture di carburi fini, arrotondate e quasi isotrope, nonché livelli di carburi difficili o impossibili da raggiungere con la metallurgia convenzionale dei lingotti. La norma ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti realizzati mediante metallurgia delle polveri, oltre che ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Il controllo delle inclusioni rientra nella stessa discussione progettuale. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polveri. Analogamente, il capitolo del 2020 dell’ASM Handbook, pubblicato da NIST e dedicato alla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, identifica la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico successivo alla costruzione come variabili importanti; tuttavia, la produzione additiva non deve essere confusa con la metallurgia delle polveri convenzionale mediante pressatura e sinterizzazione. In entrambi i casi, il percorso di processo modifica il significato della composizione nominale della lega. ## Compattazione: trasformare la polvere in un componente verde La compattazione è la fase in cui una miscela di polveri dosata diventa un componente sagomato, ma ancora fragile. L’operazione di pressatura non crea la microstruttura finale dell’acciaio. Ridistribuisce le particelle, riduce una parte del volume dei pori originario e conferisce al compatto una resistenza temporanea sufficiente per la manipolazione prima della sinterizzazione. Questo corpo temporaneo è il **componente verde**. Il suo comportamento dipende da più fattori oltre alla composizione nominale della lega. La distribuzione granulometrica, la forma delle particelle, gli ossidi superficiali, la densità apparente, la scorrevolezza, il contenuto di lubrificante e la progettazione dello stampo influenzano tutti il modo in cui la polvere entra nella cavità e il modo in cui il compatto reagisce alla pressione. Per questo motivo, *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) di Randall German tratta la compattazione insieme alla produzione delle polveri, alla sinterizzazione, alla densificazione, alla microstruttura e alla porosità: la storia della pressatura rimane visibile nelle fasi successive del processo. ### Compattazione uniaxiale nello stampo Nella pressatura uniaxiale convenzionale, la polvere viene introdotta nella cavità di uno stampo e livellata o dosata fino a raggiungere un’altezza di riempimento controllata. Un punzone inferiore sostiene la carica; successivamente, uno o più punzoni si muovono lungo l’asse dello stampo per applicare la pressione. Inizialmente, le particelle scivolano e ruotano, riempiendo i vuoti più grandi. All’aumentare della pressione, le asperità si deformano, le particelle fragili si fratturano quando applicabile e le aree di contatto aumentano. Il compatto acquista resistenza attraverso l’incastro meccanico e i legami locali, sebbene non sia ancora legato metallurgicamente come un componente sinterizzato. La miscela di polveri può contenere polveri di lega, grafite e un lubrificante. La metallurgia delle polveri ferrose utilizza comunemente aggiunte di rame, nichel e molibdeno, mentre le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi realizzati con la metallurgia delle polveri, secondo il riferimento *ScienceDirect Topics* sulla metallurgia delle polveri ferrose (2024). Un lubrificante come lo stearato di zinco o un lubrificante organico aggiunto internamente riduce l’attrito tra la polvere e l’attrezzatura e diminuisce la forza necessaria per espellere il compatto. Aiuta inoltre a prevenire l’adesione della polvere sulle superfici dei punzoni e sulle pareti dello stampo. Tuttavia, una quantità eccessiva di lubrificante occupa un volume che non può trasformarsi in acciaio e può generare gas durante il riscaldamento; pertanto, la sua quantità e il programma di rimozione influenzano sia la densità a verde sia la sinterizzazione. Il legante è una questione distinta. Alcune miscele richiedono un legante per migliorare la resistenza dei granuli, la scorrevolezza o la manipolabilità, soprattutto quando la polvere presenta una scarsa coesione o quando viene preparato un feedstock sagomato mediante un’altra tecnica. Nella normale produzione di acciaio mediante pressatura e sinterizzazione, lubrificante e legante non sono termini intercambiabili. Qualsiasi aggiunta organica deve essere rimossa in una fase controllata di rimozione del legante o di riscaldamento iniziale; in caso contrario, il carbonio residuo, lo sviluppo di gas o le reazioni che formano porosità possono modificare il componente. La pressatura può utilizzare un singolo punzone mobile, punzoni contrapposti oppure più punzoni disposti a quote diverse. La scelta è determinata dall’altezza del componente, dalle variazioni della sezione trasversale e dalla distribuzione del materiale richiesta. Un sistema di stampaggio per un anello relativamente semplice differisce da quello per un mozzo a gradini con diverse superfici funzionali. L’attrezzatura non si limita a riprodurre un disegno. Determina la direzione in cui la polvere viene spostata e le sollecitazioni applicate durante l’estrazione. ![Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi](/images/uploads/dc83cd40-7af6-4d8f-b76e-065534acc35b/wiki-inline-a-labeled-cross-section-of-a-uniaxially-compacted-green-steel-part-showing-punch-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/dc83cd40-7af6-4d8f-b76e-065534acc35b/wiki-inline-a-labeled-cross-section-of-a-uniaxially-compacted-green-steel-part-showing-punch-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi")Uniaxial pressing can create local density differences that affect sintering and final properties. ### Densità a verde e gradienti di densità La densità a verde è la massa del compatto divisa per il suo volume esterno prima della sinterizzazione. È il risultato di un processo, non una costante fissa del materiale. Un valore medio dichiarato può nascondere variazioni locali sostanziali. Nelle vicinanze di un punzone mobile, le particelle ricevono un carico diretto; più lontano, la forza viene trasmessa attraverso una massa granulare che perde pressione a causa dell’attrito contro la parete dello stampo. Ne deriva un gradiente di densità lungo la direzione di pressatura. L’attrito contro le pareti dello stampo è fondamentale per questo effetto. Quando il punzone superiore scende, l’attrito ostacola il movimento verso il basso delle particelle lungo la parete. La porzione vicina al punzone sottoposto al carico può compattarsi più intensamente rispetto a una regione lontana, mentre una configurazione con punzoni contrapposti può ridurre la differenza applicando il carico da entrambe le estremità. La lubrificazione modifica il coefficiente di attrito, ma non elimina il problema. Compatti più alti, cavità strette e brusche variazioni dello spessore della sezione rendono generalmente più difficile ottenere una compattazione uniforme. La densità varia anche attorno a fori, spigoli, nervature e zone di transizione. La polvere deve fluire verso queste regioni, anziché limitarsi a comprimersi sul posto. Una flangia sottile collegata a un mozzo spesso può raggiungere una densità locale diversa, anche quando entrambe sono sottoposte alla stessa forza nominale della pressa. Le zone a bassa densità si ritirano successivamente in modo diverso rispetto alle zone ad alta densità, perché la velocità di sinterizzazione dipende dalla struttura dei pori, dal contatto tra le particelle e dalla composizione locale. La variazione dimensionale, la distorsione e la porosità residua iniziano quindi dal modello di riempimento e di pressatura. Per questo motivo, le norme identificano fattori ulteriori rispetto alla sola composizione chimica. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Nessuna delle due norme trasforma una miscela di polveri in una qualità indipendente dalla sua densità e dalla sua storia di lavorazione. I pori di un componente verde sono spazi interconnessi e irregolari lasciati tra le particelle; la loro forma e interconnessione successive influenzano la rimozione del lubrificante, la sinterizzazione, l’infiltrazione e qualsiasi successiva densificazione. La compattazione può ridurre il volume dei pori, ma non può garantire una rete porosa uniforme. La metallurgia delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione deve inoltre rimanere distinta dalla fabbricazione additiva. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla fabbricazione additiva degli acciai e degli acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), collega la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico post-processo agli strati depositati e ai loro cicli termici, non al riempimento uniaxiale di uno stampo. ### Espulsione, criccatura e limiti geometrici Dopo la pressatura, i punzoni devono ritirarsi e il componente deve lasciare lo stampo senza perdere la propria forma. L’espulsione è meccanicamente impegnativa perché il compatto si è leggermente espanso contro la parete dello stampo e deve superare l’attrito statico. La forza necessaria può generare tensioni di trazione all’interno del componente verde, soprattutto quando la densità non è uniforme o quando il componente presenta una lunga superficie di appoggio. Un compatto può apparire integro subito dopo la pressatura e criccarsi mentre risale attraverso lo stampo. Le cricche possono formarsi anche durante la compressione. Un legame insufficiente tra le particelle, l’aria intrappolata, una quantità eccessiva di lubrificante, gli spigoli interni acuti e grandi differenze nella densità locale aumentano tutti il rischio. La delaminazione è un difetto caratteristico in cui all’interno del compatto si sviluppano separazioni deboli, approssimativamente planari, spesso associate all’aria intrappolata o al rilascio delle tensioni durante lo scarico. La scheggiatura dei bordi è comune quando una sezione sottile non è in grado di sopportare la manipolazione o il ritiro del punzone. La geometria deve quindi essere adatta alla direzione di pressatura. I fori passanti paralleli al movimento dei punzoni sono generalmente gestibili, perché un’asta anima può rimanere fissa o muoversi insieme ai punzoni. I sottosquadri, le caratteristiche rientranti e i fori laterali richiedono un’attrezzatura mobile, lavorazioni meccaniche secondarie o un’altra tecnica produttiva. Uno stampo non può liberare una caratteristica che blocca meccanicamente il componente in posizione. Anche le filettature, le scanalature trasversali profonde e le variazioni severe dello spessore delle pareti possono superare i limiti pratici dell’attrezzatura o dell’espulsione. Le variazioni dello spessore della sezione meritano particolare attenzione. Un’anima sottile può compattarsi ed essere espulsa in modo diverso rispetto a una sezione spessa adiacente, per poi ritirarsi a una velocità diversa durante la sinterizzazione. Gli spigoli acuti concentrano le tensioni e ostacolano il flusso della polvere; i raccordi offrono alle particelle e alle tensioni un percorso più graduale. La progettazione del componente verde è quindi un problema predittivo che si estende fino al forno. La forma pressata deve sopportare la manipolazione, consentire la rimozione del legante o del lubrificante e compensare le variazioni dimensionali prodotte dalla chiusura dei pori e dallo sviluppo dei legami tra le particelle. Per gli acciai ottenuti mediante metallurgia delle polveri, la compattazione non è una scorciatoia neutra per la sagomatura. Essa stabilisce il campo di densità spaziale, la geometria dei pori e gran parte del rischio meccanico trasferito alla sinterizzazione. Queste caratteristiche interagiscono con le inclusioni e con la distribuzione degli elementi di lega; ISO 13947:2024 specifica persino la determinazione delle inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio ottenuti mediante forgiatura di polveri. Il compatto verde è incompleto, ma la sua storia è già diventata parte del materiale. ## Sinterizzazione e densificazione La sinterizzazione è il consolidamento termico di una polvere compattata. Una pressa forma la polvere miscelata in un compatto verde sagomato, ma in questa fase le particelle sono tenute insieme soltanto da un incastro meccanico. La sinterizzazione riscalda il compatto al di sotto della sua principale temperatura di fusione, consentendo agli atomi di diffondere attraverso i contatti tra le particelle, ai legami di svilupparsi, ai pori di modificare forma e dimensione e al componente di acquisire una resistenza utile. Il processo non è semplicemente una fase di essiccazione né una versione in forno della produzione convenzionale dell’acciaio. Il risultato dipende dalla composizione chimica della polvere, dalla forma delle particelle, dalla densità del compatto, dalla rimozione del lubrificante, dall’atmosfera del forno, dalla velocità di riscaldamento, dalla temperatura di picco, dal tempo di mantenimento, dal percorso di raffreddamento e dalla risposta dimensionale della specifica composizione. Le norme riflettono questa storia del processo. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Nessuna delle due norme considera l’“acciaio ottenuto mediante metallurgia delle polveri” come un’unica qualità. La sinterizzazione trasforma uno specifico compatto in un materiale la cui composizione e struttura dei pori devono essere considerate congiuntamente. ### Legame allo stato solido e crescita dei colli Colletto di sinterizzazione **Colletto di sinterizzazione** Ponte solido che cresce tra particelle di polvere a contatto durante la sinterizzazione, mentre gli atomi diffondono verso il punto di contatto. All’inizio della sinterizzazione, i punti di contatto tra particelle adiacenti diventano sedi di trasporto atomico. La curvatura superficiale crea una differenza di potenziale chimico: gli atomi si allontanano dalle regioni a elevata curvatura e si spostano verso il contatto, dove cresce un ponte solido, o collo, tra le particelle. Inizialmente il collo è piccolo, ma la sua area di sezione aumenta con il procedere della diffusione. Il compatto acquista resistenza prima di raggiungere un’elevata densità, perché questi ponti creano una rete continua capace di sostenere i carichi. #### Meccanismi di trasporto durante la sinterizzazione - **Diffusione superficiale** Ingrandisce i contatti e i colletti tra le particelle con ritiro limitato. - **Diffusione ai bordi di grano** Sposta il materiale lungo i bordi e può contribuire alla densificazione. - **Diffusione reticolare** Trasporta gli atomi attraverso il reticolo cristallino e favorisce la riduzione dei pori. - **Flusso liquido** Può diventare predominante quando un costituente della lega forma una fase liquida transitoria. Possono operare contemporaneamente diversi percorsi di diffusione. La diffusione superficiale può ampliare i colli senza produrre un ritiro significativo. La diffusione lungo i bordi di grano e la diffusione reticolare possono spostare il materiale negli spazi dei pori e contribuire più direttamente alla densificazione. L’evaporazione e la condensazione sono rilevanti per alcuni sistemi, mentre il flusso viscoso o liquido può dominare quando un’aggiunta di lega forma una fase liquida transitoria. Il meccanismo varia quindi in funzione della temperatura, delle dimensioni delle particelle, dei costituenti della lega e della distribuzione dei pori. Le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi prodotti mediante metallurgia delle polveri, secondo la voce *Metallurgia delle polveri ferrose* di ScienceDirect Topics (2024). Il rame può diffondere nel ferro durante il riscaldamento e, a seconda della composizione e delle condizioni del forno, durante la sinterizzazione può formarsi una fase liquida ricca di rame. Questa fase liquida bagna parte dello scheletro di ferro e può accelerare il riarrangiamento e il riempimento dei pori, ma può anche causare rigonfiamenti o altre variazioni dimensionali. Il carbonio influisce sulla fase ferrosa, sulle reazioni di sinterizzazione e sulla microstruttura finale; non è semplicemente un’aggiunta che aumenta la durezza. Anche il nichel e il molibdeno sono aggiunte comuni negli acciai ferrosi per metallurgia delle polveri. La loro dissoluzione, velocità di diffusione e distribuzione spaziale influenzano la temprabilità locale e la composizione delle regioni circostanti i pori. Le polveri prelegate contengono gli elementi di lega all’interno di ogni particella, mentre le polveri premiscelate lasciano alcune aggiunte distribuite tra le particelle di ferro prima della sinterizzazione. Questi percorsi possono produrre velocità di omogeneizzazione e microstrutture locali differenti, anche quando la composizione chimica nominale complessiva è simile. Il ritiro è una conseguenza della riduzione dei pori, ma non è uniforme per ogni composizione o geometria. Un compatto può contrarsi in una direzione, espandersi in un’altra oppure mostrare variazioni dimensionali locali causate dalla gravità, dall’attrito, dal movimento della fase liquida o da una densità allo stato verde non uniforme. Anche la matrice e la direzione di compattazione lasciano un’impronta del processo. Le regioni che inizialmente presentavano una densità allo stato verde inferiore dispongono di un volume maggiore di pori da chiudere e possono ritirarsi in modo diverso rispetto alle regioni altamente compattate. Il controllo dimensionale inizia quindi prima del forno. Gli acciai per utensili prodotti con la metallurgia delle polveri possono sviluppare popolazioni di carburi più fini, più arrotondate e distribuite più uniformemente rispetto ai cicli convenzionali da lingotto. Strong evidence La struttura dei carburi offre un ulteriore esempio del motivo per cui la storia di sinterizzazione è importante. Gli acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri possono sviluppare popolazioni di carburi fini, arrotondate e distribuite più uniformemente, compresi livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale del lingotto, come descritto da ScienceDirect Topics (2024). La norma ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili sia ai prodotti ottenuti mediante metallurgia delle polveri sia a quelli ottenuti mediante laminazione a caldo, forgiatura, trafilatura a freddo e laminazione a freddo. La norma comune non rende identiche le microstrutture; riconosce che il processo produttivo fa parte dell’identità del materiale. ### Atmosfera, temperatura e tempo L’atmosfera del forno controlla le reazioni sulle superfici delle particelle e all’interno dei pori aperti. L’idrogeno può ridurre determinati ossidi superficiali, mentre il vuoto abbassa la pressione parziale dei gas reattivi. L’azoto, il gas endotermico, l’ammoniaca dissociata e altre atmosfere controllate possono essere selezionati in base alla composizione dell’acciaio e al potenziale di carbonio richiesto. L’ossigeno o il vapore acqueo possono ossidare le superfici delle polveri, interferire con la formazione dei colli, alterare il tenore di carbonio e lasciare pellicole di ossido intrappolate ai bordi delle particelle. Le atmosfere contenenti carbonio possono aggiungere carbonio; condizioni decarburanti possono rimuoverlo. Il controllo dell’atmosfera è quindi un’operazione chimica, non soltanto una protezione contro la formazione visibile di scaglia. #### Avvertenza sul ciclo del forno I gas di decomposizione di lubrificanti e leganti devono fuoriuscire attraverso pori connessi. Una velocità di riscaldamento o un percorso del flusso di gas non adeguati possono causare rigonfiamenti, residui trattenuti o pressione interna anomala. La rimozione del lubrificante deve avvenire prima o durante la fase iniziale del ciclo ad alta temperatura. La decomposizione del legante o del lubrificante produce gas. Se tali gas non riescono a fuoriuscire attraverso i pori interconnessi del compatto, possono creare bolle, residui trattenuti o pressioni interne anomale. La velocità di riscaldamento e il percorso del flusso gassoso sono particolarmente importanti nei componenti di grandi dimensioni o fortemente compattati, nei quali l’esterno può diventare relativamente impermeabile prima che l’interno abbia rilasciato i prodotti della decomposizione. La temperatura determina quali meccanismi di trasporto sono attivi e se i costituenti della lega rimangono solidi o formano una fase liquida. Una temperatura più elevata aumenta generalmente le velocità di diffusione, ma il ciclo utile è limitato dalla crescita dei grani, dalla distorsione, dalle reazioni superficiali, dall’essudazione della fase liquida e dalle interazioni indesiderate tra l’acciaio e le attrezzature interne del forno. Il mantenimento a temperatura consente la crescita dei colli, l’arrotondamento dei pori, la ridistribuzione degli elementi di lega e la trasformazione di fase. Non garantisce l’eliminazione completa dei pori. Quando i pori diventano isolati all’interno dei grani o vengono racchiusi da bordi di grano convergenti, la pressione del gas e lo scheletro solido in contrazione possono rallentarne l’ulteriore chiusura. Anche il raffreddamento fa parte del ciclo di sinterizzazione. A seconda del carbonio, degli elementi di lega, della velocità di raffreddamento e di eventuali trattamenti termici successivi, le trasformazioni di fase possono produrre ferrite, perlite, bainite, martensite o miscele di queste strutture. Un segmento di raffreddamento rapido può conservare una struttura diversa da quella ottenuta con un lento raffreddamento in forno, anche quando la temperatura di picco era la stessa. Le proprietà finali dipendono quindi dall’intero percorso termico e non soltanto dalla temperatura massima. L’atmosfera di sinterizzazione e le inclusioni devono essere considerate congiuntamente. Pellicole di ossido, particelle non metalliche e residui possono interrompere il legame tra le particelle o fungere da siti di permanenza dei pori. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polveri. Tale campo di applicazione è significativo: il controllo delle inclusioni inizia con la produzione e la manipolazione della polvere e prosegue attraverso la compattazione, la sinterizzazione e qualsiasi operazione di forgiatura. Un forno pulito non può correggere ogni difetto introdotto prima che il compatto vi entri. ### Evoluzione della porosità e densificazione secondaria Porosità residua **Porosità residua** Il volume dei vuoti interconnessi o isolati che rimane dopo la sinterizzazione o un’altra operazione di consolidamento. La porosità cambia continuamente durante la sinterizzazione. Inizialmente, i pori sono spazi irregolari tra le particelle e sono spesso collegati all’esterno. La crescita dei colli divide e arrotonda questi spazi; il ritiro ne riduce il volume; la diffusione può spostarli verso i bordi di grano o farli diventare isolati. Le dimensioni, la forma, l’interconnessione e la posizione dei pori risultanti influenzano il comportamento a fatica, l’innesco della frattura, la permeabilità ai fluidi, la risposta al trattamento termico e la stabilità dimensionale. Due componenti con la stessa densità complessiva possono quindi comportarsi diversamente se uno contiene pori fini, arrotondati e chiusi, mentre l’altro contiene pori allungati e interconnessi. La porosità residua può rimanere intrinseca nei materiali pressati e sinterizzati, perché il compatto iniziale contiene vuoti e lo scheletro solido non sempre riesce a collassarli completamente. Gas intrappolato, pellicole rigide di ossido, pressione locale insufficiente, aggiunte di lega e pori isolati ostacolano tutti la chiusura finale. Anche la pressatura in matrice impone limiti alla densità che può essere raggiunta uniformemente, soprattutto nelle forme complesse. La sinterizzazione convenzionale riduce e rimodella la rete dei pori; non produce automaticamente una struttura completamente simile a quella di un materiale lavorato per deformazione plastica. Le operazioni secondarie modificano densità, dimensioni o struttura dei pori in modi differenti. | Operazione | Azione sul componente | Limitazione principale | |---|---|---| | Ricompattazione | Applica un’ulteriore fase di compattazione dopo la sinterizzazione | Può essere selettiva anziché volumetrica | | Calibratura | Corregge determinate dimensioni in una matrice | Non rimuove la porosità nell’intero componente | | Infiltrazione | Introduce un altro materiale nei pori connessi | Richiede connettività dei pori e bagnabilità adeguate | | Forgiatura delle polveri | Applica una deformazione a caldo a una preforma sinterizzata | Aggiunge deformazione di forgiatura, variabili di attrezzaggio e dimensionali | I processi di densificazione secondaria affrontano tale limitazione attraverso diverse famiglie di processi. La ripressatura applica un’ulteriore fase di compattazione dopo la sinterizzazione, spesso per chiudere i pori e ripristinare l’accuratezza dimensionale. La calibratura è un’operazione correlata che forza un componente sinterizzato ad attraversare una matrice per correggere determinate dimensioni, sebbene non elimini la porosità nell’intero volume. L’infiltrazione introduce nei pori interconnessi un costituente a punto di fusione inferiore, riempiendo parte dello spazio vuoto e modificando la struttura del composito. Il risultato dipende dall’interconnessione dei pori e dal rapporto di bagnabilità tra infiltrante e acciaio. La forgiatura da polveri combina una preforma porosa con una deformazione a caldo sostanziale. La deformazione applicata chiude i pori in modo più marcato rispetto al normale processo di pressatura e sinterizzazione e può modificare il flusso dei grani e l’allineamento delle inclusioni. Rimane distinta dalla sola sinterizzazione. Anche altri percorsi ad alta pressione, tra cui la compattazione a caldo moderato e sequenze specializzate di densificazione a caldo o a freddo, modificano l’equilibrio tra chiusura dei pori, distorsione e sviluppo microstrutturale. La produzione additiva non dovrebbe essere inclusa in questa descrizione soltanto perché anch’essa inizia con una polvere metallica. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato dal NIST (2020), considera la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico post-produzione problematiche centrali, ma la sua storia di fusione e solidificazione strato per strato differisce da quella della compattazione convenzionale in matrice seguita dalla sinterizzazione. Gli acciai per metallurgia delle polveri sono definiti dall’interazione tra polvere, compatto, ciclo del forno e qualsiasi percorso di densificazione specificato. I pori che rimangono e i legami che si formano attorno a essi fanno parte di tale storia. ## Microstruttura: pori, fasi e carburi L’acciaio prodotto mediante metallurgia delle polveri non può essere valutato basandosi esclusivamente sulla composizione chimica nominale. Due materiali con lo stesso tenore di carbonio, cromo, molibdeno o nichel possono comportarsi in modo diverso se differiscono per tipo di polvere, pressioni di compattazione, cicli di sinterizzazione, gradienti di densità, reti di pori, inclusioni o trattamenti termici. Il materiale rilevante non è soltanto un sistema di lega. È un sistema di lega sottoposto a una particolare sequenza di produzione e miscelazione delle polveri, pressatura, sinterizzazione, eventuale densificazione e trattamento termico. Questa distinzione si riflette nelle norme. ASTM B783-24 classifica i materiali ferrosi strutturali prodotti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico, anziché in base alla sola composizione chimica. Anche ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Queste classificazioni riconoscono che la densità e la storia di lavorazione fanno parte della descrizione del materiale. La microstruttura registra tale storia. Essa comprende la matrice a base di ferro, i prodotti di fase formatisi durante il raffreddamento o il trattamento termico, i carburi di lega, le inclusioni e i pori rimasti tra o all’interno delle particelle compattate. Ogni elemento influenza gli altri. La migrazione del carbonio durante la sinterizzazione modifica l’equilibrio locale delle fasi; le aggiunte di lega alterano la temprabilità e la formazione dei carburi; i pori interrompono l’area portante e forniscono superfici da cui possono propagarsi le cricche. La designazione di un grado costituisce quindi un punto di partenza, non una previsione completa del comportamento. ![Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi](/images/uploads/bf66b345-9a09-4316-8aee-13a1b8e4cf86/wiki-inline-a-metallographic-micrograph-comparing-fine-rounded-powder-metallurgy-tool-steel-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/bf66b345-9a09-4316-8aee-13a1b8e4cf86/wiki-inline-a-metallographic-micrograph-comparing-fine-rounded-powder-metallurgy-tool-steel-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi")Powder processing can produce a finer, more evenly distributed carbide population. ### Morfologia dei pori e risposta meccanica La porosità è la distinzione strutturale più evidente tra molti acciai PM ottenuti mediante pressatura e sinterizzazione e gli acciai completamente lavorati per deformazione plastica. Durante la compattazione, le particelle di polvere si riordinano, si deformano e formano contatti, ma il compatto conserva normalmente vuoti interconnessi o isolati. La sinterizzazione rafforza i legami tra le particelle e arrotonda alcuni spigoli dei pori, mentre il ritiro, la disposizione locale delle polveri e le condizioni del forno determinano la popolazione finale dei pori. I processi di densificazione possono ridurre o chiudere i pori, sebbene la loro efficacia dipenda dal processo adottato e dal compatto di partenza. Il volume dei pori è importante, ma lo è altrettanto la loro geometria. Un poro piccolo, arrotondato e isolato genera un campo di tensione diverso da quello di un vuoto affilato e allungato. Quest’ultimo si comporta come un concentratore locale di tensione più intenso, perché la sua estremità stretta amplifica la tensione locale di trazione o di taglio. Una catena di pori a contatto può formare un percorso preferenziale per una cricca anche quando la densità media appare accettabile. Dimensione, forma, continuità e posizione dei pori rispetto alla superficie o a una sezione sottoposta a carico devono pertanto essere considerate congiuntamente. La posizione modifica la risposta. I pori comunicanti con la superficie espongono una regione più ampia all’ossidazione, alla corrosione e al danneggiamento meccanico, mentre i pori vicini a un bordo o a un intaglio fortemente sollecitato possono interagire con il campo di tensione dell’intaglio. I pori interni possono avere un’influenza minore in alcune forme di carico monotono, ma diventare importanti sotto carico ciclico, quando si accumulano ripetute plasticizzazioni locali o aperture all’apice della cricca. La sensibilità alla fatica è quindi legata ai difetti più grandi e nelle posizioni più sfavorevoli, non semplicemente a un valore medio di porosità. Anche la direzione di compattazione può lasciare una traccia strutturale. Il riordinamento delle particelle e i gradienti di densità possono variare attraverso la forma pressata, in particolare nelle sezioni con variazioni di spessore o con geometrie che rendono non uniforme il flusso della polvere e la trasmissione della pressione. La sinterizzazione può ridurre tali differenze, ma non elimina ogni variazione locale. Una sezione metallografica prelevata parallelamente a un asse può quindi rivelare una distribuzione dei pori diversa da quella osservata in una sezione perpendicolare. Anche il controllo delle inclusioni rientra nella stessa discussione. Le particelle non metalliche possono agire come concentratori di tensione indipendenti oppure associarsi a pori e bordi delle particelle. ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e consente di applicare il metodo ai componenti in acciaio forgiati da polvere. La norma non trasforma la misurazione delle inclusioni in un sostituto dell’esame microstrutturale; rafforza invece la necessità di identificare caratteristiche del materiale che le misurazioni della composizione chimica e della densità possono non rilevare. Un processo affine basato sulle polveri non deve essere confuso con la metallurgia convenzionale delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione. Il capitolo del 2020 dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST, identifica porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento termico successivo alla costruzione come fattori importanti nei componenti prodotti additivamente. Questi aspetti si sovrappongono a quelli della metallurgia delle polveri, ma la deposizione degli strati, la solidificazione del bagno di fusione e gli effetti della direzione di costruzione creano una storia di processo diversa da quella della pressatura e della sinterizzazione. ### Ferrite, perlite, bainite, martensite e carburi di lega #### Costituenti comuni della matrice Ferrite Fase di ferro a tenore di carbonio relativamente basso, generalmente più tenera dei prodotti di trasformazione più duri. Perlite Costituente formato da ferrite e cementite, generato da una trasformazione diffusiva. Bainite Prodotto di trasformazione con un equilibrio di durezza e tenacità distinto da quello della perlite grossolana o della martensite completamente trasformata. Martensite Prodotto di trasformazione duro che si forma quando l’austenite viene raffreddata abbastanza rapidamente da sopprimere la trasformazione diffusiva. La matrice di ferro può contenere ferrite, perlite, bainite, martensite o miscele di questi costituenti. Le loro proporzioni e distribuzioni dipendono dall’attività del carbonio, dalle aggiunte di lega, dalla velocità di raffreddamento, dall’atmosfera di sinterizzazione, dalle dimensioni della sezione e dal successivo trattamento termico. La stessa composizione nominale può quindi produrre strutture della matrice diverse quando cambiano le condizioni di raffreddamento o di tempra. La ferrite contiene relativamente poco carbonio ed è generalmente più tenera dei prodotti di trasformazione più duri. La perlite è costituita da ferrite e cementite alternate, la cui scala e distribuzione sono influenzate dalle condizioni di trasformazione. La bainite si forma attraverso un diverso percorso di trasformazione e può offrire una combinazione di durezza e tenacità distinta sia da quella della perlite grossolana sia da quella della martensite completamente trasformata. La martensite si forma quando l’austenite viene raffreddata abbastanza rapidamente da sopprimere la trasformazione diffusiva; la sua durezza dipende quindi fortemente dal carbonio, dagli elementi di lega, dal rinvenimento e dall’austenite residua. Questi termini descrivono fasi o costituenti, non valori garantiti delle proprietà. Un acciaio PM può contenere una matrice ferritica attorno ai pori e alle regioni ricche di lega, oppure una matrice martensitica la cui continuità è interrotta da pori residui e carburi. Il trattamento termico può modificare la durezza della matrice lasciando in gran parte invariata la geometria dei pori. Può inoltre modificare le tensioni residue e lo stato dei bordi delle particelle. Per questo motivo, un acciaio PM trattato termicamente non è semplicemente il materiale allo stato sinterizzato con un valore di durezza più elevato. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni negli acciai ferrosi PM. Il riferimento tecnico citato sulla metallurgia delle polveri ferrose riporta che le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM. Il rame può contribuire alla variazione dimensionale e al rafforzamento della matrice; il nichel e il molibdeno influenzano la temprabilità e il comportamento di trasformazione. I loro effetti dipendono dal modo in cui vengono introdotti: sotto forma di polveri elementari, particelle prelegate, polveri legate per diffusione o altre formulazioni di polvere. La distribuzione prima della sinterizzazione influenza la distanza di diffusione e l’uniformità chimica della matrice finale. I carburi aggiungono un ulteriore livello strutturale. La cementite è il carburo di ferro associato alla perlite e ad altri prodotti di trasformazione, mentre i carburi di lega possono contenere cromo, vanadio, tungsteno, molibdeno o combinazioni di questi elementi. Le loro dimensioni, la composizione chimica, la frazione volumica e la spaziatura influenzano la resistenza all’usura, la durezza, la tenacità e la propagazione delle cricche. Grandi agglomerati irregolari di carburi possono essere più dannosi di una quantità analoga di carburi distribuita sotto forma di particelle fini. Una sezione lucidata può evidenziare direttamente questa differenza, mentre un’analisi chimica globale non è in grado di farlo. Gli acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri sono particolarmente importanti sotto questo profilo. Possono presentare livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti, perché le particelle di polvere atomizzate solidificano rapidamente e possono limitare la segregazione grossolana che si osserva in un lingotto di grandi dimensioni. La successiva consolidazione conserva una distribuzione molto più fine di quella che può offrire la normale lavorazione dei lingotti. ISO 4957:2018 applica esplicitamente i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, oltre che ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Il fatto che siano disciplinati dalla stessa norma non significa che questi processi produttivi generino microstrutture identiche. ![Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi](/images/uploads/e621bde3-65d8-4ac4-be22-eeefbba55287/wiki-inline-a-labeled-cross-sectional-illustration-showing-isolated-rounded-pores-elongated-1920x1920.jpg)[](/images/uploads/e621bde3-65d8-4ac4-be22-eeefbba55287/wiki-inline-a-labeled-cross-sectional-illustration-showing-isolated-rounded-pores-elongated-1920x1920.avif "Ingrandisci immagine — Acciai da metallurgia delle polveri: norme, progettazione delle leghe, porosità e carburi")Pore shape, size, connectivity, and location can matter as much as average density. ### Strutture fini e arrotondate di carburi isotropi Struttura isotropa dei carburi **Struttura isotropa dei carburi** Distribuzione dei carburi con allineamento direzionale relativamente limitato rispetto alle strutture di carburi allungate o disposte in stringhe. La caratteristica tipicamente rivendicata per gli acciai per utensili PM non consiste semplicemente nel fatto che contengano “più carburi”. La loro struttura distintiva è costituita da una popolazione fine, arrotondata e relativamente isotropa di carburi dispersa nella matrice. In questo contesto, “isotropo” indica una distribuzione meno fortemente allineata con la direzione di lavorazione rispetto ai reticoli o alle bande di carburi comunemente associati ai prodotti di lingotto sottoposti a intensa lavorazione. La forma delle particelle è importante perché gli spigoli affilati dei carburi e le lunghe bande di carburi producono concentrazioni locali di tensione più intense rispetto alle particelle piccole e arrotondate. I carburi fini riducono inoltre la lunghezza delle caratteristiche fragili ininterrotte. Ne risulta una microstruttura nella quale la spaziatura e l’orientamento dei carburi possono differire sostanzialmente da quelli di un acciaio colato e lavorato per deformazione plastica convenzionale con composizione chimica nominale simile. Ciò non elimina i rischi di frattura o di fatica; modifica la scala dei difetti e i percorsi disponibili per una cricca. Il processo basato sulle polveri non è automaticamente sufficiente. La pulizia della polvere, la distribuzione granulometrica delle particelle, il contenuto di ossigeno e di inclusioni, l’uniformità della compattazione, la sinterizzazione, la densificazione e il trattamento termico determinano se la struttura di carburi prevista si sviluppi effettivamente. Un’eccessiva segregazione all’interno delle particelle, superfici delle polveri contaminate, un legame incompleto o un trattamento termico inadeguato possono compromettere la matrice anche quando l’analisi della lega è corretta. La valutazione microstrutturale dovrebbe pertanto abbinare l’analisi chimica alla misurazione della densità, alla caratterizzazione dei pori, all’esame delle inclusioni, all’identificazione delle fasi e alla morfologia dei carburi. Una specifica può identificare una famiglia di materiali, ma sono i pori e le fasi a spiegare come tale materiale sopporterà il carico. Negli acciai PM, la storia di processo fa parte della metallurgia. ## Proprietà meccaniche e relativa specificazione L’acciaio da metallurgia delle polveri (PM) non presenta un unico profilo di proprietà meccaniche. Il comportamento misurato dipende dalla composizione chimica della polvere, dalla forma delle particelle, dalla pressione di compattazione, dal ciclo di sinterizzazione, dalla struttura dei pori, dalle variazioni dimensionali e da qualsiasi successiva densificazione o trattamento termico. Un risultato di trazione è pertanto una descrizione relativa a una specifica condizione del materiale e a un determinato provino, non una descrizione completa di ogni componente realizzato con la stessa composizione nominale. La norma ASTM B783-24 fornisce un quadro utile perché non classifica i materiali strutturali ferrosi PM basandosi esclusivamente sulla composizione chimica. La norma utilizza la composizione chimica, la densità, il carico unitario di snervamento allo stato sinterizzato e la resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Tale impostazione distingue due condizioni materialmente diverse: le proprietà ottenute dopo pressatura e sinterizzazione e quelle ottenute dopo un ciclo di trattamento termico specificato. La norma ISO 5755:2022 riguarda i materiali metallici sinterizzati, inclusi i materiali strutturali in ferro sinterizzato, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Il suo campo di applicazione rafforza la necessità di identificare il materiale sinterizzato e la sua condizione, anziché trattare l’“acciaio PM” come un’unica designazione di qualità. Gli acciai ottenuti mediante forgiatura da polvere, infiltrazione, pressatura isostatica a caldo o fabbricazione additiva possono richiedere specifiche diverse e non dovrebbero essere associati a un risultato di pressatura e sinterizzazione in assenza di dati comprovanti. ### Densità e carico unitario di snervamento allo stato sinterizzato La densità è una delle prime variabili meccaniche da riportare, poiché i pori residui riducono l’area della sezione trasversale portante e agiscono da concentratori di tensione. Due provini con la stessa lega nominale possono presentare carichi unitari di snervamento diversi se uno possiede una porosità totale maggiore, pori interconnessi più grandi o una forma dei pori meno favorevole. Anche la posizione della porosità è importante. I pori allineati con una direzione principale della tensione possono influire sull’innesco delle cricche e sulla deformazione in modo diverso rispetto a pori piccoli, arrotondati e isolati. \[6\] \[6\] [**A-Z of Powder Metallurgy**](https://books.google.com/books/about/A_Z_of_Powder_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ). Randall German. Book, 2005. La densità indicata per un acciaio PM deve essere intesa come una condizione del materiale, non semplicemente come un valore teorico calcolato a partire dai suoi costituenti di lega. La densità allo stato verde dopo la compattazione, la densità sinterizzata e la densità dopo la densificazione secondaria sono grandezze diverse. La rimozione del lubrificante, il ritiro o l’espansione durante la sinterizzazione, la variazione dimensionale associata al rame e le variazioni locali causate dal riempimento della matrice possono modificare il risultato finale. *A-Z of Powder Metallurgy* di Randall German (2005) tratta la produzione delle polveri, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione, la microstruttura e la porosità come parti interconnesse della sequenza di processo; tale connessione è essenziale nell’interpretazione dei dati di resistenza. Il carico unitario di snervamento allo stato sinterizzato descrive l’inizio della deformazione permanente prima che un trattamento di indurimento abbia modificato la matrice o la struttura dei carburi. È particolarmente rilevante per i componenti utilizzati nella condizione fornita dopo la sinterizzazione, la calibratura, la coniatura o altre operazioni consentite. Il valore può variare in funzione della direzione di prova, poiché la compattazione convenzionale nella matrice può produrre gradienti di densità e contatti tra particelle non identici lungo la direzione di pressatura e trasversalmente a essa. Un provino trasversale e uno longitudinale possono pertanto rappresentare strutture locali diverse, anche se provengono dallo stesso lotto di produzione. Anche la geometria del provino modifica il risultato riportato. Una barra di trazione ricavata per lavorazione meccanica da un compatto di dimensioni maggiori può rimuovere la regione esterna, alterare la densità della sezione calibrata o esporre una popolazione di pori diversa rispetto a una piccola barra di prova pressata nella forma finale. I provini intagliati, le barre di trazione non lavorate e quelle lavorate meccanicamente non misurano la stessa risposta. La lunghezza della sezione calibrata, la misurazione della sezione trasversale, la finitura superficiale, il metodo di afferraggio, la velocità di deformazione e il criterio utilizzato per definire lo snervamento — come un criterio basato sull’offset — devono accompagnare il valore numerico. L’approccio classificativo della norma ASTM B783-24 impedisce di confondere una designazione del carico unitario di snervamento allo stato sinterizzato con una designazione della resistenza a trazione dopo trattamento termico. Tale distinzione è più che amministrativa. Un componente può presentare un comportamento allo snervamento accettabile allo stato sinterizzato, ma reagire diversamente dopo cementazione, tempra e rinvenimento, effetti di precipitazione dovuti alle aggiunte di lega o un altro ciclo termico specificato. ### Resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico I valori delle proprietà meccaniche non sono intercambiabili e richiedono l’indicazione della condizione di prova. | Proprietà | Cosa misura | Condizione o qualificazione richiesta | |---|---|---| | Carico di snervamento allo stato sinterizzato | Inizio della deformazione permanente prima del trattamento di indurimento | Densità, orientamento, geometria del provino e criterio di snervamento | | Resistenza ultima a trazione | Massima tensione ingegneristica in una prova di trazione | Condizione di trattamento termico e metodo di trazione | | Prestazioni a fatica | Risposta a una sollecitazione ripetuta o variabile | Rapporto di sollecitazione, frequenza, superficie, pori e numero di cicli | | Tenacità alla frattura | Resistenza alla propagazione delle cricche in condizioni di carico definite | Geometria dell’intaglio, spessore, orientamento e metodo di prova | | Prestazioni all’usura | Perdita o danneggiamento del materiale in condizioni di contatto | Controfaccia, lubrificazione, carico, velocità, temperatura e morfologia dei carburi | La resistenza ultima a trazione (UTS) è la massima tensione ingegneristica raggiunta durante una prova di trazione. Non è la stessa proprietà del carico unitario di snervamento. Il carico unitario di snervamento indica l’inizio selezionato della deformazione plastica; la UTS comprende gli effetti della deformazione plastica, dell’incrudimento, della strizione e del comportamento a frattura nella barra di prova. La norma ASTM B783-24 utilizza la UTS dopo trattamento termico come una delle variabili di classificazione; pertanto, la condizione di trattamento termico deve essere riportata insieme alla designazione del materiale. #### Avvertenza sul trattamento termico Non trasferire il ciclo di trattamento termico di una barra lavorata plasticallyamente e completamente densa a un componente poroso da metallurgia delle polveri senza una verifica specifica del ciclo. Densità, connettività dei pori, dimensione della sezione, distribuzione della lega e velocità di raffreddamento possono produrre trasformazioni locali differenti. Il trattamento termico può modificare aspetti che vanno oltre la durezza. La temperatura di austenitizzazione, l’atmosfera, la severità della tempra, la temperatura di rinvenimento e la dimensione della sezione influenzano la matrice, l’austenite trattenuta, le tensioni residue e la distribuzione dei carburi. In un compatto poroso, il ciclo termico interagisce inoltre con le superfici interne e con la densità locale. Un ciclo nominalmente identico può produrre proprietà diverse in una sottile barra di trazione e in un componente di produzione spesso, poiché le loro velocità di raffreddamento differiscono. Le aggiunte di lega complicano ulteriormente i confronti. Rame, nichel e molibdeno sono comuni negli acciai ferrosi PM, mentre le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM secondo la voce sulla metallurgia delle polveri ferrose di *ScienceDirect Topics* (2024). È importante il metodo di aggiunta: un elemento di lega prelegato nella polvere non produce necessariamente la stessa temprabilità o comprimibilità di una polvere elementare miscelata. Anche la distribuzione del carbonio, l’atmosfera di sinterizzazione e la segregazione locale possono influire sulla matrice finale. Gli acciai per utensili PM illustrano perché la composizione e la storia di processo non possono essere ridotte a un singolo valore di trazione. Popolazioni fini e arrotondate di carburi possono essere ottenute con livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da conseguire mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. Tali strutture possono modificare la resistenza all’usura, la frattura, la lavorabilità e la risposta al trattamento termico indipendentemente dalla UTS indicata. La norma ISO 4957:2018 include esplicitamente i prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri accanto ai prodotti in acciaio per utensili laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo, ma la norma comune non rende identiche le loro microstrutture o le loro risposte in esercizio. Un confronto valido dovrebbe identificare la densità, l’orientamento, la geometria del provino, la condizione di lavorazione meccanica, il ciclo di trattamento termico, la temperatura di prova, la velocità di deformazione e il metodo di trazione. I risultati ottenuti da un componente completamente denso forgiato da polvere, da un compatto pressato e sinterizzato e da un provino fabbricato mediante produzione additiva non dovrebbero essere inseriti in un’unica graduatoria senza tenere conto delle diverse morfologie dei pori e delle tensioni residue. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla fabbricazione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), identifica la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico post-produzione come fattori determinanti; tali fattori sono rilevanti in generale per i materiali a base di polveri, ma la fabbricazione additiva non segue lo stesso percorso della pressatura e sinterizzazione convenzionali. ### Considerazioni su trazione, fatica, frattura e usura La resistenza a trazione risponde a una domanda circoscritta: come si comporta un determinato provino sottoposto a un carico uniassiale in costante aumento. Non consente di prevedere la durata a fatica. Il danneggiamento per fatica si sviluppa sotto sollecitazioni ripetute o variabili, spesso a livelli di tensione inferiori al carico unitario di snervamento a trazione. Negli acciai PM, pori e inclusioni possono agire da siti interni di innesco delle cricche, mentre pori comunicanti con la superficie, segni di lavorazione meccanica e brusche transizioni geometriche forniscono ulteriori siti di innesco. In un confronto a fatica devono essere specificati la densità, la distribuzione dimensionale dei pori, il rapporto di tensione, la frequenza, la condizione superficiale e il numero di cicli. Il comportamento a frattura richiede dati specifici. Una UTS elevata può coesistere con una tenacità a frattura limitata se pori, carburi grossolani, inclusioni o regioni trasformate fragili consentono a una cricca di propagarsi con una deformazione plastica stabile ridotta. Anche le prove di frattura dipendono dalla geometria dell’intaglio, dallo spessore del provino, dall’orientamento, dalla modalità di carico e dal fatto che la grandezza riportata sia l’energia d’impatto, la tenacità in condizioni di deformazione piana, la velocità di propagazione della cricca o una misura correlata. L’energia d’impatto Charpy non può essere sostituita alla tenacità a frattura, né quest’ultima può essere dedotta dalla sola resistenza a trazione. Il controllo delle inclusioni inizia prima della compattazione. La pulizia della polvere, le condizioni di atomizzazione, la storia della polvere riciclata, i residui di lubrificante e l’atmosfera del forno possono introdurre o conservare particelle non metalliche. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polvere. Tale metodo supporta il controllo di processo, ma la misurazione delle inclusioni non sostituisce le prove di trazione, fatica o frattura sul materiale finito. Le prestazioni in termini di usura sono determinate dalla pressione di contatto, dalla velocità di scorrimento, dalla lubrificazione, dal materiale della controfaccia, dalla temperatura, dalla durezza, dalla morfologia dei carburi, dalla rugosità superficiale e dalla formazione di detriti. Una struttura di carburi fine e uniformemente distribuita può comportarsi in modo diverso rispetto a una rete di carburi grossolana o interconnessa, anche quando entrambi i materiali presentano valori simili di UTS. In un’applicazione, la porosità può trattenere il lubrificante, mentre in un’altra può consentire la penetrazione di fluidi, ridurre il supporto al contatto o accelerare il danneggiamento superficiale. I risultati delle prove di usura devono pertanto specificare la configurazione della prova e il criterio di cedimento. Le prestazioni dimensionali costituiscono un aspetto ancora distinto. Il ritiro o l’espansione durante la sinterizzazione, i gradienti di densità, il ritorno elastico, la calibratura, il sovrametallo di lavorazione e le distorsioni dovute al trattamento termico determinano se un componente mantiene la geometria richiesta. Una barra per prova di trazione può soddisfare la resistenza specificata, mentre un componente di produzione può non rispettare una tolleranza dimensionale dopo la tempra. Di conseguenza, le specifiche meccaniche devono identificare lo stato del materiale e il metodo di prova, mentre la validazione del progetto deve considerare la fatica, la frattura, l’usura, l’impatto e la stabilità dimensionale come requisiti di servizio distinti. ## Trattamento termico degli Acciai prodotti mediante Metallurgia delle Polveri Il trattamento termico non agisce su un corpo di Acciaio completamente denso e omogeneo nello stesso modo in cui agisce su una barra ottenuta da un lingotto. In un Acciaio prodotto mediante Metallurgia delle Polveri (PM), il ciclo termico modifica la matrice, la distribuzione dei Carburi, lo stato delle tensioni residue e, talvolta, la forma e la connettività dei pori. Tali modifiche influenzano la stabilità dimensionale e il comportamento alla frattura, oltre alla durezza e alle proprietà a trazione. Il risultato dipende dalla composizione della polvere, dalla pressione di compattazione, dalla storia di sinterizzazione, dai gradienti di densità, dalla morfologia dei pori e da eventuali processi successivi di densificazione. Per questo motivo, l’Acciaio PM non dovrebbe essere descritto semplicemente come un grado convenzionale prodotto a partire da polvere. La norma ASTM B783-24 distingue i materiali strutturali ferrosi PM in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. La distinzione tra classificazioni allo stato sinterizzato e dopo trattamento termico è significativa: la condizione specificata fa parte della descrizione del materiale e non è un dettaglio produttivo incidentale. Anche la norma ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali in ferro sinterizzato, Acciaio, Acciaio legato e Acciaio inossidabile. Nessuna delle due norme considera il trattamento termico intercambiabile con la sinterizzazione. ### Concetti di tempra, rinvenimento e sinterotempratura #### Sequenza di indurimento e rinvenimento 1. **Austenitizzazione** Riscaldare l’acciaio nell’intervallo dell’austenite e mantenerlo alla temperatura necessaria per la trasformazione richiesta. 2. **Tempra** Raffreddare abbastanza rapidamente da formare la struttura martensitica o mista prevista. 3. **Rinvenimento** Riscaldare nuovamente a una temperatura inferiore per regolare durezza, tenacità e tensioni residue. 4. **Verifica** Controllare durezza, dimensioni, stato delle fasi e, ove richiesto, le proprietà sensibili alla frattura. La tempra convenzionale comporta normalmente il riscaldamento dell’Acciaio fino alla formazione di austenite, il mantenimento per un tempo sufficiente a ottenere la trasformazione richiesta e la tempra in raffreddamento per formare martensite. Il rinvenimento consiste quindi nel riscaldare nuovamente il materiale temprato a una temperatura inferiore, al fine di ridurre le tensioni di tempra e regolare l’equilibrio tra durezza, tenacità e stabilità dimensionale. A seconda della composizione e del trattamento, il rinvenimento può causare la precipitazione di Carburi, il rinvenimento della matrice martensitica e la trasformazione dell’austenite residua instabile. Nell’Acciaio PM si verificano le stesse trasformazioni di fase, ma i pori interrompono il flusso di calore e riducono la sezione resistente. Un poro può essere isolato, con scarsi collegamenti alla rete di pori circostante, oppure interconnesso, consentendo il movimento dei gas e modificando la velocità con cui l’interno scambia calore con l’atmosfera del forno. La porosità aperta può inoltre fornire percorsi per l’ossigeno o per i mezzi di tempra. Di conseguenza, un ciclo nominale del forno non garantisce la stessa storia termica locale in un compatto a bassa densità e in un componente quasi completamente denso. Il rame, il nichel e il molibdeno sono comuni aggiunte di lega nei materiali ferrosi PM, mentre le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM, secondo il riferimento *Ferrous Powder Metallurgy* di ScienceDirect Topics (2024). Queste aggiunte influenzano la formazione dell’austenite, la cinetica di trasformazione, la temprabilità e la risposta al rinvenimento. Il carbonio può essere presente sotto forma di grafite, diffondere durante la sinterizzazione oppure variare localmente a causa della segregazione e dei gradienti di densità. La matrice dopo la tempra può quindi differire da una regione all’altra di un componente. La sinterotempratura è un concetto di processo, non una famiglia distinta di Acciai. Il compatto viene raffreddato abbastanza rapidamente direttamente dopo la sinterizzazione da produrre una trasformazione martensitica significativa, riducendo o eliminando un’operazione separata di tempra. La velocità di raffreddamento deve essere adeguata alla lega, alla geometria del componente, alla densità e alla configurazione del forno. La sinterotempratura non equivale al normale raffreddamento in aria: il componente deve possedere una temprabilità sufficiente affinché il suo interno si trasformi nel modo previsto. Il rinvenimento può comunque essere necessario per ridurre le tensioni residue e controllare l’equilibrio finale delle fasi. Il processo può limitare le operazioni di movimentazione e di riscaldamento successivo, ma i suoi effetti devono essere valutati sull’intero componente. Una regione esterna raffreddata rapidamente può diventare martensitica, mentre un nucleo che si raffredda più lentamente può conservare bainite, perlite o austenite residua. Tali gradienti possono produrre deformazioni locali e risposte alla frattura differenti. Gli Acciai per utensili prodotti mediante Metallurgia delle Polveri presentano un’ulteriore considerazione. Le loro strutture fini, arrotondate e relativamente isotrope di Carburi, nonché livelli o composizioni di Carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la Metallurgia convenzionale dei lingotti, sono determinanti per la loro risposta all’austenitizzazione, alla tempra e al rinvenimento. La norma ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli Acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante Metallurgia delle Polveri, così come ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo; tuttavia, il processo di fabbricazione continua a influenzare la risposta al trattamento. ### Temprabilità ed effetti della sezione La temprabilità descrive la capacità di un Acciaio di formare martensite fino a una determinata profondità in condizioni di raffreddamento specificate; non è equivalente alla durezza superficiale. Nei componenti PM, gli effetti della sezione sono controllati da fattori che vanno oltre lo spessore. La densità, la forma dei pori, la distribuzione della lega, le variazioni di sezione e il contatto con attrezzature o dispositivi di fissaggio influenzano tutti il riscaldamento e il raffreddamento. Una pelle esterna densa che circonda un interno più poroso può raffreddarsi in modo diverso rispetto a una sezione uniforme. I pori interconnessi possono consentire la penetrazione del gas del forno durante il riscaldamento e l’ossidazione, mentre i pori isolati si comportano più come vuoti interni e possono concentrare le tensioni senza costituire un percorso per i gas. I pori grandi o irregolari agiscono inoltre come siti di innesco delle cricche. La tempra può aggiungere tensioni di trasformazione a queste concentrazioni di tensione preesistenti. Un componente che raggiunge l’obiettivo di durezza sulla superficie può comunque contenere un nucleo più tenero, austenite residua o una regione martensitica sensibile alla criccatura in prossimità di un agglomerato di pori. Le aggiunte di lega possono migliorare la temprabilità, consentendo a un raffreddamento più lento di produrre martensite a maggiore profondità nella sezione. Ciò non elimina gli effetti della sezione. Un raffreddamento lento riduce i gradienti termici, ma può consentire trasformazioni indesiderate; un raffreddamento rapido aumenta la probabilità di deformazioni e criccature. L’equilibrio appropriato è quindi una proprietà dello specifico compatto e non una caratteristica universale dell’“Acciaio PM”. I gradienti di densità formatisi durante il riempimento e la compattazione sono particolarmente importanti. Regioni con densità a verde differenti possono ritirarsi in modo diverso durante la sinterizzazione e rispondere diversamente durante la tempra. Le superfici lavorate possono esporre pori che non erano evidenti sulla superficie originaria, modificando sia l’accesso del fluido di tempra sia l’ossidazione locale. Anche la produzione e la miscelazione delle polveri sono rilevanti, poiché inclusioni, agglomerati e particelle di lega segregate possono rimanere come siti locali di trasformazione. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in Acciaio forgiati da polvere; il controllo delle inclusioni è pertanto collegato all’affidabilità del trattamento termico e non soltanto alla pulizia della polvere. ### Deformazione, ossidazione e fasi residue Il trattamento termico può modificare le dimensioni attraverso l’espansione termica, la contrazione durante la trasformazione, il rilassamento delle tensioni e le differenze nella tempistica delle trasformazioni tra le varie regioni. I componenti PM possono mostrare crescita, ritiro, deformazione o variazioni di rettilineità dopo la tempra e il rinvenimento. Tali effetti possono essere amplificati dalla compattazione anisotropa, dai pori interconnessi, dalla densità non uniforme e dal precedente ritiro di sinterizzazione. Dispositivi di fissaggio e superfici di supporto possono limitare il movimento durante il raffreddamento, lasciando tensioni residue che vengono successivamente rilasciate durante il rinvenimento, la lavorazione meccanica o l’esercizio. L’ossidazione richiede particolare attenzione quando la porosità aperta raggiunge la superficie o comunica con l’interno. Le pellicole di ossido possono formarsi sulle pareti dei pori e sulle superfici esterne, consumare localmente gli elementi di lega e indebolire i colli di collegamento tra le particelle. Possono inoltre interferire con le successive operazioni di lavorazione o giunzione. Atmosfere controllate del forno, carico appropriato e condizioni di trasferimento attentamente selezionate riducono l’esposizione; tuttavia, il controllo dell’atmosfera non può compensare una struttura dei pori inadeguata. Il trattamento sotto vuoto, in atmosfera inerte o in atmosfera controllata deve essere selezionato tenendo conto della densità del componente e della sua composizione chimica. L’austenite residua è un’altra fonte di instabilità dimensionale. Se la tempra non trasforma tutta l’austenite, la fase rimanente può modificarsi durante il rinvenimento, l’esercizio o un successivo trattamento criogenico. La sua trasformazione può produrre espansione e tensioni aggiuntive. Una quantità eccessiva di martensite senza un rinvenimento adeguato presenta il problema opposto: elevate tensioni interne e ridotta tolleranza alla frattura, soprattutto nei punti in cui pori o inclusioni non metalliche costituiscono siti di innesco delle cricche. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di Acciai e Acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), identifica porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento termico post-produzione come fattori interconnessi nei componenti in Acciaio prodotti mediante fabbricazione additiva. Il confronto è utile, ma la fabbricazione additiva non deve essere confusa con la Metallurgia convenzionale delle Polveri mediante pressatura e sinterizzazione. La storia termica, la geometria dei pori, la struttura a strati e la popolazione dei difetti sono differenti. Per gli Acciai prodotti mediante pressatura e sinterizzazione, il ciclo di trattamento termico deve essere sviluppato sulla base del compatto e della condizione di sinterizzazione effettivi, quindi verificato mediante misurazioni dimensionali, prove di durezza o esami delle fasi e, ove necessario, prove sensibili alla frattura. ## Acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri Gli acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri (PM) non sono semplicemente qualità convenzionali di acciaio per utensili fornite sotto forma di polvere. Le loro proprietà derivano da una sequenza interconnessa: produzione della polvere, miscelazione, compattazione, sinterizzazione, eventuale densificazione e trattamento termico. Ogni fase influenza quella successiva. L’atomizzazione controlla la composizione chimica e la pulizia delle particelle; la compattazione determina la distribuzione della densità a verde; la sinterizzazione modifica la morfologia dei pori e le interfacce dei carburi; mentre la tempra, il rinvenimento o altri trattamenti termici definiscono la matrice finale e lo stato delle tensioni residue. Questa storia di processo crea una famiglia distinta di materiali. Impedisce inoltre di affermare semplicemente che ogni acciaio per utensili PM sia superiore all’equivalente prodotto da lingotto. Il risultato dipende dalla qualità, dal processo di produzione della polvere, dal metodo di consolidamento, dal trattamento termico e dai requisiti di esercizio. ### Perché il controllo dei carburi è importante I carburi forniscono gran parte della resistenza all’usura negli acciai per utensili ad alto tenore di carbonio e altamente legati, ma la sola frazione volumica dei carburi non determina le prestazioni. Sono altrettanto importanti dimensioni, forma, natura chimica, spaziatura e distribuzione. Un acciaio contenente un’elevata frazione di carburi può presentare una scarsa tenacità se i carburi formano una rete interconnessa o bande segregate. Le particelle grandi e angolari possono agire da iniziatori di cricche, soprattutto quando i carichi di lavorazione, gli urti o i cicli termici impongono tensioni locali di trazione. Nella metallurgia convenzionale dei lingotti, la lega liquida si raffredda attraverso una sezione di colata relativamente grande. Il liquido ricco di soluti viene respinto durante la solidificazione delle dendriti primarie e il liquido rimanente si arricchisce progressivamente di carbonio e di elementi formatori di carburi. Si produce così una microsegregazione. Cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno e carbonio possono quindi concentrarsi nelle regioni interdendritiche, dove si formano carburi eutettici grossolani. La forgiatura e la lavorazione termomeccanica possono frammentare questa struttura, ma non sempre riescono a eliminarne le origini chimiche. Le sezioni di grandi dimensioni e le composizioni altamente legate rendono il problema più grave. La produzione della polvere modifica la scala della solidificazione. L’atomizzazione a gas frammenta la massa fusa in piccole gocce che si raffreddano rapidamente, congelando gli elementi di lega prima che possa svilupparsi il modello di segregazione tipico di un lingotto di grandi dimensioni. Dopo la compattazione e la sinterizzazione, oppure dopo una fase di densificazione assistita dalla pressione, la popolazione di carburi risultante può essere molto più fine. Gli acciai per utensili PM possono produrre una distribuzione di carburi fine, arrotondata e relativamente isotropa, invece delle bande allungate di carburi spesso associate al materiale da lingotto fortemente segregato. Questa morfologia è importante. Le particelle arrotondate riducono le concentrazioni locali di tensione dovute alla geometria acuta. Una distribuzione più uniforme riduce inoltre i lunghi percorsi deboli attraverso la microstruttura, mentre l’isotropia rende la risposta meno dipendente dalla direzione di lavorazione. Si tratta di tendenze metallurgiche, non di garanzie: una densificazione incompleta, un trattamento termico inadatto, la contaminazione della polvere o un eccessivo ingrossamento dei carburi possono comunque produrre difetti e anisotropia. Il processo PM consente inoltre di ottenere livelli e composizioni dei carburi difficili, e in alcuni casi impossibili, da realizzare con la metallurgia convenzionale dei lingotti. I gradi ad alto tenore di vanadio sono un esempio noto della difficoltà progettuale, poiché può essere difficile distribuire uniformemente in un lingotto di grandi dimensioni i carburi desiderati di tipo MC. Altri progetti di lega dipendono da una miscela controllata di tipi di carburi, come i carburi M7C3 ricchi di cromo, i carburi M6C contenenti molibdeno o tungsteno e i carburi MC ricchi di vanadio. L’equilibrio utile non consiste semplicemente nell’avere “più carburi”. Una frazione maggiore può migliorare la resistenza all’abrasione, riducendo però la tenacità, la lavorabilità o la resistenza alla scheggiatura. La pulizia della polvere è parte del controllo dei carburi. Le inclusioni non metalliche possono innescare cricche indipendentemente dalla popolazione di carburi prevista, mentre le pellicole di ossido sulle particelle di polvere possono rimanere ai bordi delle particelle originarie se l’atmosfera o il ciclo di sinterizzazione non sono adeguatamente controllati. ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e consente di applicare tale metodo ai componenti in acciaio forgiati da polvere. La verifica delle inclusioni rientra quindi nella specifica del materiale e nel sistema di controllo del processo, non soltanto nell’analisi finale dei cedimenti. La porosità aggiunge un’ulteriore variabile. I prodotti pressati e sinterizzati mantengono pori interconnessi o chiusi, a meno che un’operazione di densificazione non li riduca. I pori diminuiscono l’area effettiva portante e possono fungere da siti di nucleazione delle cricche. Le loro dimensioni, forma e posizione sono più importanti del solo valore nominale della densità. La pressatura isostatica a caldo, la forgiatura da polvere o altri processi di densificazione possono modificare questa condizione, ma cambiano anche il costo, il comportamento dimensionale e la microstruttura finale. ### ISO 4957:2018 e prodotti in acciaio per utensili PM ISO 4957:2018 è la principale norma internazionale per gli acciai per utensili e include esplicitamente i prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri. Il suo campo di applicazione comprende anche i prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Questo è significativo perché la norma considera la produzione PM come uno dei processi produttivi possibili nel settore degli acciai per utensili, riconoscendo al contempo che la struttura e il processo specifici del metodo possono influenzare il materiale fornito con una determinata designazione. La norma non deve essere interpretata come se rendesse metallurgicamente intercambiabile ogni forma di prodotto. Un prodotto PM e un prodotto forgiato possono condividere la designazione della qualità o i limiti di composizione chimica, pur differendo per distribuzione dei carburi, porosità, pulizia, storia dimensionale e risposta al trattamento termico. L’acquirente o il progettista deve quindi identificare la forma del prodotto e la condizione di fornitura pertinente, senza basarsi soltanto sul nome della qualità. ISO 4957:2018 tratta i requisiti degli acciai per utensili, ma non è l’unica norma pertinente agli acciai lavorati mediante polveri. ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali metallici sinterizzati, inclusi i materiali strutturali sinterizzati a base di ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi PM in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico, e riguarda i componenti prodotti mediante pressatura e sinterizzazione. Tali documenti riguardano ambiti correlati, ma ASTM B783-24 non sostituisce i requisiti per gli acciai per utensili stabiliti da ISO 4957:2018. La distinzione è importante perché molti prodotti ferrosi PM non sono acciai per utensili. Le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM, secondo il riferimento *Ferrous Powder Metallurgy* pubblicato da ScienceDirect Topics nel 2024. Tali materiali strutturali utilizzano la PM per ottenere densità controllata, comportamento dimensionale o forme quasi nette economicamente vantaggiose; le loro priorità progettuali differiscono da quelle di un acciaio rapido, di un acciaio per utensili da lavorazione a freddo o di una qualità PM ad alta resistenza all’usura. Una specifica per l’acciaio per utensili PM deve inoltre tenere conto delle caratteristiche delle particelle di polvere, della pressione di compattazione, dell’atmosfera di sinterizzazione, della variazione dimensionale, della morfologia dei pori, delle inclusioni e del trattamento termico. Queste variabili interagiscono tra loro. Per esempio, una polvere con un’analisi chimica adeguata può comunque produrre componenti non uniformi se la distribuzione granulometrica provoca gradienti di densità durante la pressatura. Una temperatura di sinterizzazione corretta può causare un’eccessiva crescita dei grani o un ingrossamento dei carburi se il tempo di mantenimento e l’atmosfera non sono adatti. Il trattamento termico agisce quindi sulla struttura preesistente; non può eliminare ogni difetto creato nelle fasi precedenti. ### Confronto con la metallurgia convenzionale dei lingotti Il vantaggio più evidente della PM è il controllo della segregazione e della morfologia dei carburi. Gli acciai per utensili prodotti da lingotto possono essere forgiati, ricotti e rifusi per migliorare l’omogeneità, e molte qualità convenzionali garantiscono prestazioni eccellenti. Anche i loro processi produttivi sono ben consolidati, con un’ampia disponibilità di dati relativi a forgiatura, lavorazione meccanica e trattamento termico. La PM non li sostituisce automaticamente. La PM diventa tecnicamente più interessante all’aumentare del contenuto di lega e della quantità di carburi richiesta. La solidificazione rapida consente di ottenere una struttura iniziale più fine, mentre il consolidamento preserva una distribuzione più uniforme di quella che può essere ottenuta da un grande lingotto colato. Ciò può favorire combinazioni di resistenza all’usura e tenacità difficili da ottenere mediante fusione e forgiatura convenzionali. Il beneficio è tuttavia specifico della qualità. Un acciaio per utensili moderatamente legato può trarre scarsi vantaggi dal processo aggiuntivo delle polveri se la lavorazione convenzionale garantisce già una pulizia e un controllo dei carburi adeguati. I principali limiti della PM sono la sensibilità al processo e il rischio di porosità. Il materiale pressato e sinterizzato può non raggiungere la densità prossima a quella piena dell’acciaio lavorato per deformazione plastica e la variazione dimensionale durante la sinterizzazione deve essere controllata. I processi di densificazione completa riducono i pori, ma aggiungono lavorazioni termiche e meccaniche. La produzione della polvere può inoltre introdurre pellicole di ossido o inclusioni, mentre la manipolazione e la miscelazione possono creare segregazione tra le particelle anche quando la massa fusa era chimicamente uniforme. La produzione additiva non deve essere confusa con la PM convenzionale mediante pressatura e sinterizzazione. Entrambe iniziano con polveri metalliche, ma la fusione o l’unione strato per strato introduce cicli termici, tensioni residue, condizioni superficiali e meccanismi di difetto differenti. Il capitolo del 2020 dell’ASM Handbook, pubblicato da NIST, sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili identifica la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico post-produzione come fattori principali nei componenti in acciaio prodotti additivamente. Tali problematiche si sovrappongono a quelle della PM, ma le storie di processo non sono le stesse. I confronti tra cicli sono significativi solo quando sono specificati grado, densità, forma del prodotto e trattamento termico. | Asse di confronto | Ciclo della metallurgia delle polveri | Ciclo convenzionale da lingotto | |---|---|---| | Struttura iniziale | Particelle di polvere solidificate rapidamente | Grande lingotto o billetta colata | | Scala della segregazione | Potenzialmente ridotta dalla solidificazione di particelle piccole | Stabilita durante la solidificazione di una grande sezione | | Morfologia dei carburi | Può essere fine, arrotondata e relativamente isotropa | Può comprendere strutture di carburi grossolane o allineate | | Porosità | Può rimanere dopo la lavorazione mediante pressatura e sinterizzazione | Generalmente ridotta mediante consolidamento per deformazione plastica | | Produzione della forma | Può consentire componenti quasi a forma finita | Di solito richiede una maggiore asportazione di materiale o una maggiore formatura | Il confronto corretto non è quindi tra “PM e acciaio convenzionale” in astratto. È un confronto tra qualità e processi specificati: composizione chimica e pulizia della polvere rispetto all’omogeneità del lingotto; dimensioni e distribuzione dei carburi rispetto alla struttura forgiata; popolazione dei pori rispetto alla densità del materiale lavorato per deformazione plastica; e storia completa del trattamento termico rispetto al carico di esercizio. Gli acciai per utensili PM sono materiali distinti perché queste variabili vengono progettate congiuntamente. ## Inclusioni, Pulizia e Acciaio Ottenuto per Forgiatura di Polveri ### Inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche Pori, inclusioni, carburi e bordi tra particelle originarie sono caratteristiche microstrutturali distinte. | Caratteristica | Definizione | Significato tipico | |---|---|---| | Poro | Vuoto nella struttura metallica | Riduce l’area resistente ai carichi e può concentrare le tensioni | | Inclusione | Fase solida non metallica o chimicamente distinta | Può interrompere i legami o innescare cricche | | Carburo | Fase dura contenente carbonio | Può migliorare la resistenza all’usura, ma influire su tenacità e lavorabilità | | Bordo tra particelle originarie | Interfaccia ereditata dai contatti tra le particelle di polvere | Può conservare ossidi o regioni debolmente legate | Le inclusioni non metalliche sono fasi solide estranee o chimicamente distinte presenti all’interno di una particella di polvere metallica o tra le particelle. Non sono la stessa cosa dei normali pori della metallurgia delle polveri. Un poro è un vuoto: una regione contenente gas o vuoto dopo la lucidatura e la preparazione. Un’inclusione è costituita da materiale, come un ossido, un silicato, un nitruro, un carburo, una particella derivata da scoria o un altro composto non metallico, che occupa una parte della polvere o della microstruttura consolidata. La distinzione è importante perché la produzione delle polveri crea numerose possibilità di contaminazione e di reazione superficiale. L’atomizzazione può produrre pellicole di ossido o materiale refrattario trascinato. La manipolazione, la vagliatura, la miscelazione e il trasferimento della polvere possono introdurre particelle provenienti dalle apparecchiature o dall’atmosfera circostante. Una particella di polvere può inoltre presentare un ossido superficiale che, dopo la compattazione, appare come uno strato sottile ricco di inclusioni. La composizione chimica dell’acciaio non descrive completamente questa condizione. Due lotti con lo stesso tenore nominale di carbonio, cromo, molibdeno o nichel possono comportarsi in modo diverso se le loro inclusioni differiscono per dimensioni, composizione chimica o posizione. Questo problema è particolarmente importante nei materiali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri, perché la superficie della polvere fa parte della microstruttura iniziale. La compattazione porta le particelle a contatto, mentre la sinterizzazione sviluppa colli di sinterizzazione e consente la diffusione attraverso tali contatti. Un’inclusione situata al confine tra particelle può interrompere il legame in modo più grave rispetto a un’inclusione racchiusa all’interno di una particella. Una sottile pellicola di ossido può rimanere come un confine discontinuo, mentre una particella piccola e isolata può essere circondata dall’acciaio durante la sinterizzazione. L’effetto finale dipende dall’inclusione e dalla storia termica e meccanica successiva. La più ampia famiglia di materiali resiste inoltre a una classificazione semplicistica come acciaio convenzionale trasformato in polvere. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al limite di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico, includendo i componenti prodotti mediante pressatura e sinterizzazione. ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Nessuna delle due classificazioni sostituisce l’esame della pulizia della polvere. Una designazione può stabilire la composizione e le proprietà richieste senza spiegare se una frattura abbia avuto origine da una pellicola di ossido, da un poro, da un agglomerato di carburi o da un’interfaccia tra questi elementi. La progettazione della lega aggiunge un ulteriore livello di complessità. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni agli acciai ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri e, secondo il riferimento citato di *ScienceDirect Topics* (2024), le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri. Questi elementi di lega modificano la sinterizzazione, la variazione dimensionale, la temprabilità e la formazione delle fasi, ma non fanno sì che un’inclusione di ossido o di silicato diventi parte della lega prevista. Gli acciai per utensili ottenuti mediante metallurgia delle polveri possono inoltre contenere strutture di carburi fini, arrotondate e più prossime all’isotropia, nonché tenori o composizioni di carburi difficili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale del lingotto. Tali carburi non devono essere automaticamente registrati come inclusioni non metalliche: è necessaria l’identificazione della fase. ### Metodo di prova ISO 13947:2024 ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche. Il suo campo di applicazione consente inoltre l’utilizzo per componenti in acciaio ottenuti mediante forgiatura di polveri, rendendolo pertinente anche oltre l’esame della materia prima sfusa. Questa estensione è significativa perché il consolidamento modifica l’aspetto e la distribuzione spaziale di un’inclusione. Un metodo di prova applicato prima del consolidamento risponde a una domanda diversa rispetto allo stesso metodo applicato dopo la forgiatura. La norma dovrebbe pertanto essere considerata un quadro di misurazione, non una classe universale di pulizia. Essa stabilisce come effettuare la determinazione, mentre la specifica relativa a una determinata polvere, a un compatto o a un componente deve stabilire la base di rendicontazione richiesta e gli eventuali criteri di accettazione. Le informazioni disponibili non consentono di assegnare una dimensione massima generale delle inclusioni, una frazione areale, un numero o un limite di accettazione valido per tutti gli acciai ottenuti mediante metallurgia delle polveri. Un limite di questo tipo dovrebbe derivare dalla norma di prodotto applicabile, dalla specifica d’acquisto, dal piano di qualificazione o da un requisito di servizio dimostrato. L’interpretazione dipende inoltre dalla preparazione del campione. Una sezione lucidata presenta un’intercetta bidimensionale attraverso particelle e interfacce tridimensionali. Un’inclusione lunga può apparire come un frammento corto, mentre una pellicola sottile allineata con la sezione può apparire sproporzionatamente continua. Danni di preparazione, distacco di materiale, sbavatura e attacco metallografico possono creare caratteristiche che assomigliano a cricche o particelle non metalliche. L’identificazione dovrebbe quindi combinare il metodo di esame prescritto con un adeguato controllo metallografico e, quando necessario, una conferma chimica o microanalitica. Per l’acciaio ottenuto mediante forgiatura di polveri, anche la posizione di campionamento deve essere registrata con la stessa accuratezza. La polvere prelevata da un contenitore, il compatto esaminato prima della forgiatura e il materiale rimosso da una regione forgiata non rappresentano la stessa popolazione. La forgiatura può rompere, appiattire, ruotare o ridistribuire le inclusioni; può inoltre chiudere i pori vicini e modificare il contrasto utilizzato per distinguere i due tipi di difetto. Un risultato privo dell’indicazione del lotto di polvere, della posizione nel componente, dell’orientamento, della preparazione della sezione e della storia di lavorazione è difficile da confrontare con un altro risultato. ### Effetti delle inclusioni dopo il consolidamento Il consolidamento modifica la geometria delle inclusioni e il significato meccanico di un’inclusione. Durante la pressatura e la sinterizzazione, un’inclusione situata in corrispondenza del contatto tra particelle può impedire la crescita locale del collo di sinterizzazione e lasciare un’interfaccia debole. Durante la forgiatura di polveri, la deformazione può appiattire questa caratteristica trasformandola in una discontinuità simile a uno stringer, frammentare una particella fragile o spingere l’acciaio circostante contro di essa. L’inclusione non è necessariamente scomparsa solo perché è meno evidente in una sezione lucidata. I pori interagiscono con le inclusioni in diversi modi. Un’inclusione può nucleare o preservare una lacuna al confine tra particelle, producendo un’associazione inclusione–poro. Un poro può esporre una superficie maggiore dell’inclusione e creare un intaglio locale acuto. Al contrario, la forgiatura può chiudere il poro lasciando dietro di sé l’inclusione o un’interfaccia ricca di ossidi. Una micrografia può quindi mostrare una regione densa con una discontinuità planare, anche se il difetto originario coinvolgeva sia un poro sia un’inclusione. Definire ogni caratteristica scura come un poro oscura questa storia di lavorazione. La morfologia è fondamentale per l’interpretazione. Le particelle arrotondate e isolate generano generalmente una concentrazione delle tensioni diversa da quella prodotta da particelle angolari, pellicole allungate o detriti agglomerati. Anche la distribuzione è importante: un numero ridotto di inclusioni ampiamente separate non equivale a una banda situata lungo un precedente confine tra particelle di polvere o a un agglomerato ripetuto allineato con la direzione di forgiatura. Anche il legame costituisce una variabile. Un’inclusione strettamente circondata dall’acciaio può avere un effetto diverso da quello di un’inclusione che rimane aderente a un’interfaccia non legata. Queste distinzioni influenzano la frattura a trazione, l’innesco della fatica, la risposta all’urto e i risultati dei trattamenti dimensionali o termici, ma non è possibile stabilire una graduatoria universale senza conoscere la composizione chimica delle inclusioni, la distribuzione dimensionale, la porosità, la microstruttura della matrice, la modalità di carico e l’orientamento. Anche il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), considera porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento termico post-costruzione come fattori interconnessi che influenzano i componenti in acciaio. Tale confronto è utile per l’analisi dei difetti, ma la produzione additiva non deve essere confusa con la metallurgia convenzionale delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione né con la forgiatura di polveri. Una valutazione sostenibile deve quindi collegare i risultati ottenuti secondo ISO 13947:2024 al processo di produzione della polvere, alla pressione di compattazione, al ciclo di sinterizzazione, alla riduzione durante la forgiatura, al trattamento termico, alla densità, alla morfologia dei pori e alla posizione della frattura. *A-Z of Powder Metallurgy* (2005) di Randall German colloca la produzione delle polveri, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione, la microstruttura e la porosità all’interno di un’unica sequenza di processo. Anche le inclusioni appartengono a questa sequenza. La pulizia non è un certificato della polvere separato dal resto del processo; è una caratteristica la cui rilevanza può cambiare mentre l’acciaio viene compattato, sinterizzato, forgiato, lavorato meccanicamente e sottoposto a prova. ## Acciai Ottenuti Mediante Metallurgia delle Polveri Rispetto agli Acciai Prodotti con Fabbricazione Additiva #### La metallurgia delle polveri e la produzione additiva sono cicli differenti La metallurgia delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione compatta la polvere in una matrice prima dell’unione in forno. La produzione additiva costruisce il componente strato per strato mediante fusione o coalescenza localizzata, producendo gradienti termici, meccanismi di difetto, tensioni residue e requisiti di qualificazione differenti. Gli acciai ottenuti mediante metallurgia delle polveri (PM) e gli acciai prodotti con fabbricazione additiva (AM) condividono un punto di partenza: entrambi possono iniziare da una polvere metallica le cui caratteristiche chimiche, dimensione delle particelle, morfologia, pulizia e storia di stoccaggio influenzano il materiale finito. Tuttavia, non seguono lo stesso processo di lavorazione. La metallurgia delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione forma un compatto in uno stampo e successivamente lega le particelle durante la sinterizzazione in forno. La fabbricazione additiva costruisce un componente in modo incrementale, generalmente fondendo selettivamente la polvere o consolidandola in altro modo, strato dopo strato. La materia prima comune non rende intercambiabili i materiali risultanti. La distinzione è importante sia per le norme sia per la metallurgia. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al limite di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico, e il suo campo di applicazione comprende i componenti prodotti mediante pressatura e sinterizzazione. ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Questi documenti descrivono una famiglia di materiali legata a un processo di consolidamento definito. Un componente AM può utilizzare una lega chimicamente simile, ma la sua qualificazione deve tenere conto della macchina, della fonte di energia, della strategia di deposizione degli strati, dell’orientamento di costruzione, dell’atmosfera e della storia termica. Il capitolo dell’ASM Handbook “Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels”, pubblicato da NIST nel 2020, fornisce un utile confronto controllato. Esso considera gli acciai AM come materiali ottenuti mediante lavorazione di polveri, ma pone particolare enfasi su porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento termico post-costruzione. Queste problematiche si sovrappongono a quelle della PM, mentre le loro cause e distribuzioni possono differire nettamente. ### Problematiche comuni delle polveri di alimentazione La polvere non è un ingrediente neutro. L’atomizzazione a gas, l’atomizzazione ad acqua, l’atomizzazione al plasma e altri metodi di produzione generano forme particellari, ossidi superficiali, satelliti, vuoti interni e distribuzioni granulometriche differenti. Per i sistemi a letto di polvere può essere necessaria una polvere sferica e scorrevole, mentre le operazioni di compattazione e sinterizzazione possono utilizzare polveri selezionate in base a comprimibilità, densità apparente, risposta al lubrificante e riempimento della matrice. Una specifica della polvere non può quindi essere valutata separatamente dall’apparecchiatura e dal metodo di consolidamento per i quali è stata sviluppata. La composizione chimica è solo una parte del controllo della materia prima. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni negli acciai ferrosi PM e le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM, secondo la voce *Ferrous Powder Metallurgy* di ScienceDirect Topics, consultata nel 2024. Gli elementi di lega possono essere miscelati sotto forma di polveri elementari o prelegate, con conseguenze diverse per la chimica locale, la comprimibilità, la risposta alla sinterizzazione e la variazione dimensionale. La materia prima per AM è più spesso fornita come polvere prelegata sottoposta a stretto controllo, ma anche in questo caso la manipolazione ripetuta o il riutilizzo della polvere possono alterare la distribuzione granulometrica, il contenuto di ossigeno, l’esposizione all’umidità e la popolazione di particelle parzialmente fuse. Le pellicole superficiali meritano particolare attenzione. Un sottile strato di ossido può ostacolare il legame interparticellare durante la sinterizzazione, interferire con la fusione e la bagnabilità durante l’AM oppure introdurre difetti ricchi di ossigeno. Le inclusioni non metalliche possono entrare nel materiale durante la fusione, l’atomizzazione, la manipolazione o il riciclo. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione a componenti in acciaio ottenuti mediante forgiatura di polveri. Tale campo di applicazione non trasforma il metodo in una procedura automatica di qualificazione per ogni processo AM; dimostra però perché la verifica delle inclusioni debba essere collegata al ciclo della polvere e al ciclo di fabbricazione del componente. La polvere PM viene comunemente miscelata con lubrificanti e, ove necessario, con grafite o altre aggiunte di lega prima della compattazione. Tali aggiunte influenzano la resistenza del compatto a verde, l’espulsione, la distribuzione del carbonio e i gas rilasciati durante il riscaldamento. La polvere AM normalmente entra in un sistema di ricopertura o di alimentazione della polvere senza lo stesso pacchetto di lubrificanti per la compattazione. Una polvere che offre prestazioni accettabili in un ciclo può produrre scarsa scorrevolezza, eccessiva evoluzione di gas, segregazione o consolidamento instabile in un altro. ### Meccanismi di consolidamento differenti La PM mediante compattazione e sinterizzazione applica innanzitutto una pressione macroscopica. Una matrice comprime la polvere formando un compatto a verde, creando il contatto tra le particelle e lasciando al contempo una rete di pori interconnessi. La sinterizzazione riscalda quindi il compatto al di sotto del principale intervallo di fusione, consentendo la diffusione, la crescita dei colli, l’arrotondamento dei pori e il legame metallurgico. L’atmosfera del forno, la velocità di riscaldamento, la temperatura di sinterizzazione, il tempo e la velocità di raffreddamento controllano la perdita di carbonio, l’ossidazione, la variazione dimensionale e la struttura finale dei pori. Le operazioni secondarie possono comprendere calibratura, ricompattazione, infiltrazione, forgiatura di polveri, pressatura isostatica a caldo o trattamento termico. L’AM applica energia localmente e ripetutamente. Nella fusione a letto di polvere mediante laser o nella fusione a letto di polvere mediante fascio elettronico, un fascio focalizzato scansiona uno strato sottile, fonde o sinterizza le regioni selezionate e interagisce quindi con lo strato depositato successivamente. Nella deposizione di energia diretta, la polvere viene alimentata in un bagno di fusione mentre il componente viene formato. Ogni traiettoria e ogni strato subiscono riscaldamento e raffreddamento rapidi, rifusione, solidificazione e nuovo riscaldamento dovuto ai passaggi successivi. La microstruttura risultante è quindi determinata dalla strategia di scansione, dalla densità di energia, dallo spessore dello strato, dalla geometria del bagno di fusione, dall’atmosfera di protezione e dall’estrazione del calore attraverso la piastra di costruzione. Non si tratta semplicemente di una versione più rapida della compattazione e sinterizzazione. Nella PM, la matrice determina la forma del compatto e il forno espone gran parte del componente a un ciclo termico relativamente lungo. Nell’AM, la geometria viene generata strato per strato e i gradienti termici possono essere elevati. Una regione AM densa può contenere celle fini di solidificazione, grani colonnari o caratteristiche dipendenti dalla direzione che non hanno un corrispettivo diretto in un compatto allo stato sinterizzato. Al contrario, la PM può conservare deliberatamente una porosità interconnessa o isolata per funzioni dimensionali, di supporto o di ritenzione dei fluidi, mentre la qualificazione AM considera comunemente la mancanza di fusione non intenzionale e i pori da effetto keyhole come difetti da controllare. Anche la designazione del materiale non può essere trasferita sulla base della sola somiglianza. La ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti realizzati mediante metallurgia delle polveri, nonché ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Tale riconoscimento riguarda i prodotti e i requisiti compresi nella norma; non significa che un componente in acciaio per utensili AM erediti automaticamente le proprietà, la risposta al trattamento termico o i criteri di accettazione di un prodotto ottenuto mediante compattazione e sinterizzazione o di un prodotto lavorato per deformazione. ### Porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento post-costruzione La porosità è presente in entrambe le famiglie di materiali, ma la sua origine e la sua geometria dipendono dal processo. Nella PM, i pori hanno origine dalla disposizione delle particelle e dalla pressione di compattazione, quindi cambiano durante la sinterizzazione attraverso ritiro, diffusione, coalescenza e arrotondamento dei pori. In un compatto pressato possono formarsi gradienti di densità, in particolare quando l’attrito o la complessità della geometria della matrice limitano la trasmissione della pressione. Tali gradienti possono produrre variazioni dimensionali locali e risposte meccaniche differenti dopo la sinterizzazione. La porosità AM è spesso associata a mancanza di fusione, apporto energetico insufficiente, comportamento instabile del bagno di fusione, gas intrappolato, instabilità dell’effetto keyhole o perturbazioni del letto di polvere. I pori possono essere allungati tra le traiettorie, irregolari in corrispondenza dei confini scarsamente fusi oppure più sferici quando il gas rimane intrappolato nella massa fusa. La loro posizione rispetto alla direzione di costruzione e alle superfici libere può influenzare l’ispezione e la risposta a fatica. Un semplice valore nominale di densità non identifica da solo la popolazione dei difetti. Anche le inclusioni dipendono dal ciclo di produzione. Nella PM, le inclusioni possono essere presenti nella polvere originale, essere introdotte durante la miscelazione oppure formarsi attraverso reazioni durante la sinterizzazione. Nell’AM, le inclusioni possono essere ereditate dalla polvere, generate dall’ossidazione o ridistribuite da cicli ripetuti di fusione e solidificazione. Il capitolo dell’ASM Handbook pubblicato da NIST colloca le inclusioni accanto alla porosità perché entrambe possono interrompere la continuità e fungere da siti di danneggiamento, anche quando la composizione globale soddisfa la specifica nominale. La tensione residua è una problematica caratteristica dell’AM, poiché ogni strato si contrae mentre è vincolato dal materiale circostante più freddo e dalla piastra di costruzione. Cicli termici ripetuti possono lasciare tensioni di trazione vicino alle superfici o in regioni geometricamente vincolate, causando deformazioni, cricche o rilascio delle tensioni durante la rimozione dei supporti e la lavorazione meccanica. Anche i compatti PM subiscono tensioni interne dovute alla compattazione e all’espulsione, ma il campo di tensione è prodotto da una sequenza differente e viene successivamente modificato dalla sinterizzazione, dalla calibratura e dal trattamento termico. Il trattamento post-costruzione deve quindi essere descritto in funzione del ciclo di produzione. La PM può prevedere sinterizzazione, cementazione, tempra e rinvenimento, pressatura isostatica a caldo, infiltrazione o calibratura, a seconda del materiale e del componente specificati. L’AM può richiedere distensione, trattamento di solubilizzazione, invecchiamento, tempra e rinvenimento, pressatura isostatica a caldo, lavorazione meccanica o trattamento superficiale. Queste operazioni possono chiudere i pori, modificare la morfologia dei carburi, ridurre le tensioni e migliorare la stabilità dimensionale, ma non cancellano la storia del processo precedente. Gli acciai per utensili ottenuti mediante metallurgia delle polveri illustrano bene questo punto. La loro solidificazione rapida e il ciclo controllato delle polveri possono produrre strutture di carburi fini, arrotondate e relativamente isotrope, inclusi livelli o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. Anche un acciaio AM può sviluppare una struttura di solidificazione raffinata, ma la distribuzione dei carburi e la risposta al trattamento termico devono essere stabilite per quello specifico processo AM. Una designazione di qualità PM, un requisito di densità, un valore di resistenza a trazione o un ciclo di trattamento termico non devono pertanto essere assegnati a un componente AM in assenza di evidenze specifiche del ciclo di produzione. Lo stesso divieto vale in senso inverso. Una composizione chimica della polvere simile non dimostra l’equivalenza di porosità, inclusioni, tensioni residue, microstruttura o stato di qualificazione. ## Progettazione, ispezione e analisi dei cedimenti ### Progettare tenendo conto della densità e dei percorsi di carico Un componente in acciaio ottenuto mediante metallurgia delle polveri dovrebbe essere specificato come una condizione del materiale, non semplicemente come una denominazione nominale della lega. La documentazione di progetto dovrebbe identificare la designazione del materiale, la norma applicabile, la condizione di densità, l’orientamento rispetto alla compattazione, il percorso di sinterizzazione o densificazione, il trattamento termico e le sezioni considerate critiche. “Acciaio” non descrive abbastanza. Un materiale pressato e sinterizzato con porosità interconnessa, un materiale sottoposto a cementazione sotto vuoto e un materiale pressato isostaticamente a caldo possono avere la stessa composizione chimica nominale, pur trasferendo il carico in modi molto diversi. ASTM B783-24 classifica i materiali strutturali ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo il trattamento termico. Questa struttura rappresenta un utile avvertimento per i progettisti: la densità fa parte della definizione del materiale. Anche ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali in ferro sinterizzato, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Un disegno che indichi soltanto una qualità, senza la relativa condizione di densità o la condizione meccanica richiesta, lascia incontrollata una rilevante fonte di variabilità. La porosità modifica sia l’area effettiva portante sia il percorso seguito da una cricca. Pori grandi e irregolari, gruppi di pori e angoli acuti dei pori concentrano le tensioni; pori arrotondati, piccoli e ben distribuiti producono un effetto diverso. La densità può inoltre variare all’interno di un compatto, perché il movimento della polvere e l’attrito impediscono che ogni regione riceva la stessa pressione. Un grosso risalto, una nervatura sottile e un angolo interno profondo possono quindi sinterizzare formando strutture locali differenti, anche se all’origine vi erano una sola miscela di polveri e un solo ciclo di pressatura. Il percorso di carico dovrebbe essere esaminato in tre dimensioni. Le tensioni di trazione che attraversano un gradiente di densità, la flessione in corrispondenza di una variazione di sezione e il taglio ciclico vicino alla direzione di compattazione possono mettere in evidenza debolezze che un semplice calcolo basato sulla resistenza nominale non rileva. I progettisti dovrebbero indicare sul disegno del componente la direzione principale del carico e l’asse di pressatura, quindi identificare le superfici, i fori, le scanalature, le cave per linguette e gli spallamenti nei quali sono importanti le tensioni locali o l’usura. Le caratteristiche che richiedono una densità uniforme lungo tutto il loro spessore possono richiedere una diversa configurazione di compattazione, una densificazione secondaria oppure un componente convenzionale ottenuto per deformazione plastica o per lavorazione meccanica. La metallurgia delle polveri non corrisponde a un’unica famiglia standard di leghe. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni e, secondo il riferimento *ScienceDirect Topics* citato (2024), le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi ottenuti mediante metallurgia delle polveri. Gli acciai per utensili prodotti mediante metallurgia delle polveri costituiscono un caso progettuale distinto: le loro strutture fini e arrotondate di carburi, più isotrope, possono consentire contenuti o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, oltre che ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo; tuttavia, il percorso produttivo deve comunque essere riportato nella specifica e nel piano di ispezione. ### Controllo dimensionale e post-trattamenti Le dimensioni non rimangono invariate dal riempimento dello stampo fino all’ispezione finale. La compattazione produce un compatto allo stato crudo con una forma intenzionale; la sinterizzazione provoca quindi variazioni dimensionali dovute alla formazione dei legami, al ritiro, alla diffusione degli elementi di lega e al rilascio delle tensioni immagazzinate. La direzione e l’entità della variazione dipendono dal tipo di polvere, dal lubrificante, dalla pressione di compattazione, dalla geometria, dall’atmosfera del forno, dalla temperatura, dal tempo e dalle condizioni di supporto. Una tolleranza facile da mantenere dopo la lavorazione meccanica può essere irrealistica allo stato sinterizzato. Al contrario, un progetto basato sulla lavorazione meccanica di tutte le superfici può vanificare i vantaggi economici e geometrici della pressatura. La calibratura è una comune operazione post-sinterizzazione. Una corsa controllata dello stampo può correggere determinate dimensioni, migliorare la ripetibilità o ripristinare un accoppiamento funzionale senza rimuovere molto materiale. La lavorazione meccanica rimane appropriata quando un foro con tolleranza stretta, un riferimento, una filettatura, una superficie di tenuta o una caratteristica complessa non possono essere prodotti mediante la sola pressatura e calibratura. Il taglio dell’acciaio poroso richiede attenzione alla fuoriuscita di materiale dai bordi, al materiale imbrattato, all’usura dell’utensile e alla possibilità che una superficie apparentemente pulita esponga pori interconnessi. L’ispezione dovrebbe distinguere un difetto dimensionale di lavorazione da un poro subsuperficiale o da una variazione di densità correlata alla sinterizzazione. L’unione può avvenire mediante saldatura, brasatura, fissaggio meccanico o assemblaggio con un altro componente, ma la porosità e la composizione della lega influenzano il flusso termico, il rilascio di gas, la bagnabilità e la resistenza del giunto. Una procedura di giunzione dovrebbe quindi essere qualificata sulla condizione reale del componente ottenuto mediante metallurgia delle polveri, anziché essere dedotta da un equivalente ottenuto per deformazione plastica. L’infiltrazione può riempire una parte del volume dei pori con un secondo materiale e aumentare la densità effettiva o modificare il comportamento superficiale; è un percorso progettuale specificato, non una riparazione automatica per una compattazione insufficiente. Analogamente, trattamenti superficiali come cementazione, nitrurazione, placcatura, trattamento a vapore o rivestimento possono migliorare l’usura, la resistenza alla corrosione, l’attrito o la tenuta, ma la profondità e la continuità del trattamento possono variare in funzione della struttura dei pori e della composizione locale. Le operazioni post-sinterizzazione devono essere registrate in sequenza. Un componente calibrato prima del trattamento termico può comportarsi diversamente da uno calibrato successivamente. La lavorazione meccanica prima della cementazione può modificare la geometria dello strato cementato; la lavorazione dopo il trattamento può rimuovere una parte dello strato trattato. La giunzione può introdurre un ciclo termico locale, mentre l’infiltrazione può modificare la massa, le dimensioni e l’interpretazione di una misura di densità. Il piano di ispezione dovrebbe indicare l’operazione, la caratteristica controllata, il metodo di accettazione e la condizione nella quale viene effettuata la misurazione. Le caratteristiche della polvere, la compattazione, la sinterizzazione, la morfologia dei pori, le inclusioni, la variazione dimensionale e il trattamento termico sono variabili di processo interconnesse. *A-Z of Powder Metallurgy* di Randall German (2005) tratta questi argomenti come parti interconnesse della lavorazione delle polveri, anziché come fasi produttive isolate. Questo approccio è essenziale quando una dimensione critica o una frattura non possono essere spiegate dal solo certificato finale della lega. ### Metallografia e analisi della frattura L’analisi dei cedimenti dovrebbe iniziare dalla documentazione, non dal microscopio. Occorre confermare la designazione del materiale e la norma, il lotto di polvere, le aggiunte alla miscela, la direzione di compattazione, la configurazione dell’attrezzatura, il ciclo di sinterizzazione, l’atmosfera, le misure di densità, la densificazione secondaria, il trattamento termico, la lavorazione meccanica, la giunzione e il trattamento superficiale. Quando possibile, il componente ceduto dovrebbe essere confrontato con un componente inutilizzato proveniente dalla stessa condizione produttiva. ASTM B783-24 e ISO 5755:2022 forniscono il quadro di riferimento pertinente per distinguere composizione chimica, densità e condizione meccanica; nessuna delle due consente di sostituire una storia tracciabile con una descrizione vaga come “acciaio PM”. Occorre quindi caratterizzare la densità e i pori. Si deve registrare la densità apparente mediante un metodo appropriato, quindi esaminare i gradienti di densità, la dimensione, la forma, l’orientamento e la connettività dei pori in sezioni prelevate sia dalle regioni cedute sia da quelle non danneggiate. La preparazione metallografica può aprire o imbrattare i pori; pertanto, le sezioni lucidate dovrebbero essere interpretate insieme alle superfici di frattura e, quando necessario, a sezioni seriali o a immagini tridimensionali. Una cricca che segue pori allineati o interconnessi suggerisce una causa diversa rispetto a una cricca che attraversa una regione densa di martensite rinvenuta. La terza fase consiste nell’esame delle inclusioni e delle fasi. Occorre ricercare pellicole di ossido, inclusioni non metalliche, particelle non disciolte, reticoli di carburi, segregazione, decarburazione, ricementazione, martensite non rinvenuta, bainite, ferrite e austenite residua, quando pertinenti al trattamento termico selezionato. ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polvere. Le evidenze relative alle inclusioni dovrebbero essere correlate alla pulizia della polvere e ai documenti di processo, non trattate come prova di un’unica causa senza considerare le tensioni e la geometria. L’analisi frattografica fornisce quindi la sequenza degli eventi. Occorre identificare l’origine, la regione di crescita stabile, la zona di sovraccarico, i segni di fatica, il percorso intergranulare o transgranulare e ogni evidenza di sfregamento o corrosione successiva alla frattura. L’origine deve essere correlata a un gruppo di pori, a un’inclusione, a un segno di lavorazione, a un’interfaccia di giunzione, a una transizione di densità, a uno spigolo vivo o a uno strato trattato. Infine, tale posizione deve essere confrontata con il carico effettivo: flessione, torsione, tensione di contatto, urto, cicli termici o tensioni residue dovute al trattamento termico. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla fabbricazione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato da NIST (2020), evidenzia porosità, inclusioni, tensioni residue e trattamento termico post-produzione; tuttavia, la fabbricazione additiva non deve essere confusa con la metallurgia convenzionale delle polveri pressate e sinterizzate. Le sue considerazioni sulle interazioni tra difetti e tensioni sono utili solo se si mantiene esplicita la diversa storia di deposizione della polvere. Una conclusione solida collega la storia del materiale, la struttura locale, l’origine della frattura e il carico di esercizio. Se manca uno di questi collegamenti, l’analisi rimane una spiegazione plausibile anziché un meccanismo di cedimento dimostrato. ## Come leggere una designazione di acciaio da metallurgia delle polveri Una designazione della metallurgia delle polveri non costituisce una descrizione completa se non viene letta insieme alla relativa norma, allo stato del materiale e ai requisiti di prova. “Acciaio PM” identifica una famiglia di processi, non una composizione chimica né un livello prestazionale garantito. Analogamente, “acciaio inossidabile”, “acciaio per utensili”, “acciaio legato” e “acciaio” sono descrizioni generiche dei materiali. Nessuna di esse, presa singolarmente, indica il processo di produzione delle polveri, la porosità, la densità, il trattamento termico o i criteri di accettazione. #### Come leggere una designazione di acciaio da metallurgia delle polveri - **Norma** Identificare la norma di riferimento. - **Grado** Riportare il grado o la designazione esatti del materiale. - **Composizione chimica** Individuare la composizione chimica specificata. - **Densità** Identificare la condizione di densità. - **Condizione della proprietà** Stabilire se il risultato è allo stato sinterizzato, trattato termicamente, infiltrato o altrimenti modificato. - **Prove** Verificare il metodo di prova e la condizione del provino. - **Operazioni secondarie** Registrare ogni operazione consentita. Una sequenza pratica di lettura è la seguente: 1\. identificare la norma applicabile; 2. trascrivere la designazione esatta del grado o del materiale; 3. individuare la composizione chimica specificata; 4. identificare lo stato di densità; 5. stabilire se le proprietà sono riferite allo stato sinterizzato, trattato termicamente, infiltrato o altrimenti modificato; 6. verificare il metodo di prova e lo stato del provino; e 7. registrare ogni operazione secondaria consentita. Questa sequenza impedisce che il nome di un grado noto venga scambiato per una specifica completa. ### Composizione e classe del materiale La prima domanda è se un documento fornisca una composizione o si limiti a indicare una classe. Un materiale ferro–rame–carbonio, per esempio, è una descrizione composizionale. Non indica la pressione di compattazione, il ciclo di sinterizzazione, la densità finale, la morfologia dei pori o le proprietà a trazione. Secondo la voce *Ferrous Powder Metallurgy* di ScienceDirect Topics (2024), le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi PM, ma tale proporzione non trasforma l’espressione in una designazione di grado. La norma ASTM B783-24 adotta un approccio più controllato per i materiali strutturali ferrosi PM. Classifica i materiali utilizzando la composizione chimica, la densità, il carico di snervamento allo stato sinterizzato e la resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Pertanto, una designazione conforme alla ASTM B783-24 deve essere interpretata alla luce di tutti e quattro gli elementi di classificazione, anziché essere ricondotta a una famiglia di leghe come l’acciaio al rame o l’acciaio al nichel. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni, ma la presenza di uno di questi elementi non è sufficiente per identificare un materiale ai sensi della norma. \[7\] \[7\] [**ISO 5755:2022**](https://www.iso.org/ics/77.160/x/). International Organization for Standardization. ISO standard, 2022. La norma ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali metallici sinterizzati, compresi i materiali strutturali in ferro sinterizzato, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Il suo campo di applicazione rende “acciaio inossidabile sinterizzato” una categoria di materiali disciplinata da requisiti specifici, non un sinonimo di qualsiasi composizione inossidabile ottenuta da polveri. Restano determinanti i limiti chimici, i requisiti di densità e le disposizioni relative alle proprietà riportati nella tabella applicabile. Per l’acciaio per utensili è necessaria un’ulteriore distinzione. La norma ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili sia ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri sia ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Una designazione di acciaio per utensili PM può quindi condividere una composizione nominale con un grado di acciaio per utensili lavorato per deformazione, pur avendo una storia diversa di solidificazione e consolidamento. La lavorazione delle polveri può produrre strutture fini e arrotondate di carburi, relativamente isotrope, comprese quantità o composizioni di carburi difficili o impossibili da ottenere mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. Il solo nome del grado non rivela tale struttura. Considerare la composizione come un solo livello della designazione. Poi chiedersi che cosa il processo di fabbricazione abbia fatto a tale composizione. La produzione delle polveri, la miscelazione, la compattazione, la sinterizzazione, la formazione dei pori, la variazione dimensionale e ogni successiva densificazione o trattamento termico influenzano congiuntamente il materiale. Non sono note a piè di pagina intercambiabili. ### Densità e stato delle proprietà La densità è spesso il termine mancante in una designazione informale. Un componente pressato e sinterizzato non è semplicemente una barra lavorata per deformazione completamente densa con una forma diversa. La sua porosità residua può variare in funzione delle caratteristiche della polvere, della direzione di compattazione, della rimozione del lubrificante, delle condizioni di sinterizzazione e della geometria locale. La densità può influire sulla resistenza, sulla duttilità, sulla risposta a fatica, sulla stabilità dimensionale, sul comportamento termico e sul modo in cui un provino rappresenta il componente finito. Durante la lettura della norma ASTM B783-24, individuare la classificazione della densità prima di confrontare una proprietà dichiarata con quella di un altro materiale. La norma distingue il carico di snervamento allo stato sinterizzato dalla resistenza ultima a trazione dopo trattamento termico. Si tratta di stati e misurazioni differenti. Un requisito relativo al carico di snervamento allo stato sinterizzato non può essere confrontato direttamente con un valore di resistenza ultima a trazione ottenuto dopo tempra e rinvenimento. La stessa cautela si applica alla norma ISO 5755:2022. “Sinterizzato” identifica uno stato consolidato, ma non significa automaticamente che tutti i componenti abbiano la stessa frazione di pori o che non sia consentita alcuna operazione secondaria. Una specifica può richiedere un intervallo di densità, una densità minima o uno stato particolare dopo calibratura, trattamento a vapore, infiltrazione o trattamento termico. Il disegno e la specifica di acquisto devono essere letti insieme alla norma pertinente. Indicare esplicitamente lo stato nelle note: *allo stato sinterizzato*, *calibrato*, *trattato termicamente*, *cementato*, *infiltrato* o altro stato specificato. Se il documento non indica lo stato, il valore riportato è incompleto. Un valore di durezza senza l’indicazione del trattamento termico è un’evidenza particolarmente debole; lo stesso vale per un valore di resistenza a trazione senza densità, orientamento del provino e metodo di prova. Non trasferire automaticamente le ipotesi dalla produzione additiva. Il capitolo dell’ASM Handbook sulla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, pubblicato dal NIST (2020), tratta la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e i trattamenti termici successivi alla costruzione, ma la produzione additiva non è lo stesso processo della metallurgia convenzionale delle polveri mediante pressatura e sinterizzazione. Entrambi sono processi basati sulle polveri, ma differiscono il letto di polvere, la storia termica, la formazione dei pori e i documenti di qualificazione. ### Norma, grado e requisiti specifici dell’acquirente La norma costituisce il quadro di riferimento; il grado identifica il materiale all’interno di tale quadro; il requisito specifico dell’acquirente modifica o completa l’ordine. Questi tre livelli devono essere registrati separatamente. Iniziare riportando la citazione completa, ad esempio ASTM B783-24, ISO 5755:2022, ISO 4957:2018 o ISO 13947:2024. Poi trascrivere la designazione esatta esattamente come compare nel documento. Non sostituirla con un equivalente lavorato per deformazione di uso comune, con un’abbreviazione del fornitore o con un’espressione generica come “acciaio inossidabile PM”. Individuare quindi la tabella che definisce la composizione e le proprietà. Infine, leggere le clausole relative al campionamento, ai provini, alle tolleranze dimensionali, allo stato superficiale e ai processi consentiti. Il metodo di prova è importante quanto il limite numerico. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polvere. Tale riferimento può essere pertinente quando il controllo delle inclusioni costituisce un requisito dell’acquirente, ma non definisce di per sé il grado di acciaio né le sue proprietà a trazione. Registrare la polvere o il componente esaminato, la preparazione del provino, il metodo di valutazione e il limite di accettazione. L’acquirente può inoltre specificare la composizione chimica della polvere, la densità apparente, il comportamento allo scorrimento, la distribuzione granulometrica, i limiti relativi all’ossigeno o ad altre impurità, la densità dopo la sinterizzazione, la variazione dimensionale, la caratterizzazione dei pori, i parametri del trattamento termico o una posizione di prova obbligatoria. Tali requisiti possono essere più rigorosi o più specifici della descrizione generale del materiale. Non devono essere dedotti tacitamente dal nome del grado. L’ultima verifica riguarda i processi consentiti. Chiedersi se la specifica consenta la calibratura, la coniatura, la lavorazione meccanica, l’infiltrazione, la forgiatura da polvere, la cementazione, la nitrurazione, la tempra e il rinvenimento o un’altra operazione. Ciascuna di queste operazioni può modificare dimensioni, pori, tensioni, durezza o resistenza misurata. Una designazione chiara risponde quindi a qualcosa di più di “che acciaio è questo?”. Indica quale norma si applica, quale composizione chimica è richiesta, quale densità e quale stato vengono dichiarati, come sono state misurate le proprietà e quale storia di processo comprende la dichiarazione. ## Vantaggi, limitazioni e luoghi comuni ### Cosa rende possibile la lavorazione delle polveri La metallurgia delle polveri (PM) non consiste semplicemente nel ridurre un acciaio convenzionale in particelle e pressarlo per conferirgli una forma. La produzione delle polveri, la miscelazione, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione e il trattamento termico creano un insieme diverso di variabili, che possono essere utilizzate per modificare sia la composizione sia la microstruttura. Il risultato può essere un acciaio che la lavorazione convenzionale dei lingotti non è in grado di riprodurre, anziché un normale grado prodotto attraverso un percorso meno familiare. L’esempio più evidente è rappresentato dagli acciai per utensili prodotti mediante PM. Durante la solidificazione del lingotto, elementi di lega come cromo, molibdeno, vanadio e tungsteno possono segregare formando grandi reticoli di carburi. La successiva forgiatura e la lavorazione possono ridurre tale struttura, ma le dimensioni, la distribuzione e la composizione chimica finali dei carburi restano vincolate dalla storia originaria di colata. La polvere atomizzata mediante gas solidifica rapidamente in ogni particella. Quando tali particelle vengono consolidate, l’acciaio risultante può sviluppare una popolazione di carburi fine, arrotondata e più prossima all’isotropia. La lavorazione delle polveri può inoltre consentire tenori di carburi o combinazioni di carburi descritti come difficili o impossibili da produrre mediante la metallurgia convenzionale dei lingotti. Questa distinzione influisce sul trattamento termico, sulla risposta all’usura, sulla tenacità, sulla stabilità dimensionale e sull’anisotropia associata a inclusioni allungate o a bande di carburi. Il vantaggio consiste quindi nel controllo microstrutturale, non semplicemente nella produzione della forma. Prima del consolidamento, un produttore di polveri può regolare la composizione chimica delle particelle, la distribuzione granulometrica, la morfologia e il contenuto di ossigeno. Un produttore può miscelare polveri elementari o prelegate, sebbene tali scelte non producano percorsi di diffusione identici durante la sinterizzazione. Rame, nichel e molibdeno sono aggiunte comuni nei materiali ferrosi prodotti mediante PM; secondo il riferimento *Ferrous Powder Metallurgy* pubblicato da ScienceDirect Topics nel 2024, le composizioni ferro–rame–carbonio rappresentano circa la metà dei componenti ferrosi ottenuti mediante PM. Tali composizioni illustrano l’ampiezza del settore, ma non devono essere scambiate per una definizione dell’acciaio prodotto mediante PM. Le norme riflettono questa identità più ampia. La norma ASTM B783-24 classifica i materiali ferrosi strutturali prodotti mediante PM in base alla composizione chimica, alla densità, al carico di snervamento allo stato sinterizzato e alla resistenza ultima a trazione dopo il trattamento termico. Questa combinazione è indicativa: la sola composizione chimica non è sufficiente a identificare il materiale. La densità e la condizione del materiale fanno parte del significato pratico della designazione. Anche la norma ISO 5755:2022 specifica i requisiti per i materiali strutturali sinterizzati in ferro, acciaio, acciaio legato e acciaio inossidabile. Questi documenti riguardano classi definite di materiali sinterizzati, non ogni acciaio che sia semplicemente passato attraverso un processo basato sulle polveri. La lavorazione delle polveri può inoltre ridurre alcune forme di segregazione e consentire la produzione di componenti quasi a forma finita, diminuendo la quantità di lavorazioni meccaniche necessarie per geometrie idonee. Ciò non elimina la necessità di valutazioni ingegneristiche. La forma delle particelle controlla lo scorrimento e l’impaccamento; la dimensione delle particelle influenza l’area superficiale e la risposta alla sinterizzazione; la scelta del lubrificante influisce sull’espulsione e sulla contaminazione residua. I vantaggi derivano dalla gestione di queste variabili interconnesse, non dalla sola parola «polvere». ### Cosa può limitare la porosità residua Il luogo comune più persistente è che l’acciaio prodotto mediante PM sia, per impostazione predefinita, completamente denso. I componenti convenzionali pressati e sinterizzati conservano pori, a meno che un’operazione aggiuntiva di densificazione non li chiuda. I pori possono essere isolati o interconnessi, arrotondati o irregolari, concentrati in prossimità delle superfici oppure distribuiti attraverso la sezione. Le loro dimensioni, forma e posizione dipendono dalle caratteristiche della polvere, dalla pressione di compattazione, dalla geometria degli utensili, dalla rimozione del lubrificante, dall’atmosfera di sinterizzazione, dalla temperatura, dal tempo e dalla storia di raffreddamento. La porosità residua riduce l’area effettiva portante e può agire da concentratore di tensione. Può ridurre la duttilità a trazione, la resistenza a fatica, la tenacità a frattura e la resistenza all’impatto o alla propagazione delle cricche, anche quando la composizione globale appare comparabile a quella di un acciaio lavorato per deformazione plastica. I pori aperti possono inoltre consentire la penetrazione di fluidi e complicare i trattamenti superficiali. I pori interni possono reagire in modo diverso durante la tempra, il rinvenimento, la cementazione o la nitrurazione; pertanto, un ciclo di trattamento termico definito per un prodotto lavorato per deformazione plastica e completamente denso non può essere trasferito automaticamente a un prodotto sinterizzato. La compattazione crea vincoli propri già prima dell’inizio della sinterizzazione. La polvere non trasmette la pressione come un solido continuo. L’attrito contro le pareti dello stampo può produrre gradienti di densità, mentre le sezioni sottili, le geometrie rientranti e le variazioni di spessore possono generare variazioni locali della densità a crudo. L’espulsione può causare cricche o deformazioni. La sinterizzazione provoca poi variazioni dimensionali, poiché i contatti tra le particelle si trasformano in legami metallurgici e la rete dei pori si evolve. Di conseguenza, una quota nominale di disegno è legata agli utensili, al lotto di polvere, al lubrificante, al ciclo del forno e all’atmosfera. La densificazione può modificare sostanzialmente questa condizione, ma non cancella la storia del processo. La pressatura isostatica a caldo, la forgiatura delle polveri, la sinterizzazione in fase liquida e altri percorsi differiscono per pressione, temperatura, deformazione, chiusura dei pori e comportamento delle inclusioni. Un acciaio per utensili prodotto mediante PM e completamente denso, ottenuto attraverso un determinato percorso, non è intercambiabile con un componente strutturale poroso pressato e sinterizzato soltanto perché entrambi sono iniziati sotto forma di polveri. L’espressione «acciaio prodotto mediante metallurgia delle polveri» identifica una famiglia di percorsi, non un unico livello di densità. La qualità della polvere introduce ulteriori aspetti da considerare. Le inclusioni non metalliche possono avere origine nella fusione, nell’atomizzazione, nella manipolazione, nella vagliatura o nella miscelazione. La norma ISO 13947:2024 specifica un metodo per determinare le inclusioni non metalliche nelle polveri metalliche e ne consente l’applicazione ai componenti in acciaio forgiati da polvere. L’analisi delle inclusioni è importante perché una struttura fine dei carburi non compensa la presenza di un ossido nocivo, di una particella di scoria o di un’altra fase estranea situata in una posizione critica. ### Perché il percorso e la specifica determinano la risposta Ogni affermazione relativa a un acciaio prodotto mediante PM deve essere associata a un percorso e a una condizione del materiale. «PM» può indicare la pressatura e sinterizzazione convenzionali, la forgiatura delle polveri, la pressatura isostatica a caldo o un processo correlato di produzione additiva. Questi percorsi non sono intercambiabili. La produzione additiva costruisce il materiale strato dopo strato e introduce cicli termici propri, difetti del bagno di fusione, tensioni residue e requisiti specifici di trattamento post-produzione. Il capitolo dell’ASM Handbook del 2020, pubblicato dal NIST e dedicato alla produzione additiva di acciai e acciai inossidabili, individua la porosità, le inclusioni, le tensioni residue e il trattamento termico successivo alla produzione come fattori centrali. Tale evidenza è pertinente per gli acciai prodotti a partire da polveri, ma la produzione additiva non deve essere confusa con la PM convenzionale basata su pressatura e sinterizzazione. Anche la specifica determina il significato di un confronto. La norma ISO 4957:2018 applica i requisiti per gli acciai per utensili ai prodotti fabbricati mediante metallurgia delle polveri, nonché ai prodotti laminati a caldo, forgiati, trafilati a freddo e laminati a freddo. Ciò non rende equivalenti tutte le forme di un determinato grado di acciaio per utensili. La norma stabilisce requisiti per diversi percorsi produttivi, lasciando però che i fattori dipendenti dal percorso — densità, morfologia dei carburi, inclusioni, struttura dei grani, trattamento termico e dimensioni finali — siano controllati e verificati. Una composizione chimica nominale predice quindi solo una parte del risultato. Due materiali possono avere gli stessi tenori di carbonio e di elementi di lega, ma differire per il contenuto di ossigeno della polvere, la morfologia delle particelle, la densità di compattazione, la morfologia dei pori, l’atmosfera di sinterizzazione, la distribuzione dei carburi e la storia del rinvenimento. Tali differenze possono modificare la lavorabilità, la resistenza all’usura, la tenacità, il comportamento a fatica e la stabilità dimensionale. L’opera di Randall German del 2005, *A–Z of Powder Metallurgy*, tratta la produzione delle polveri, la compattazione, la sinterizzazione, la densificazione, la microstruttura e la porosità come elementi interconnessi proprio per questo motivo. La domanda corretta non è se l’acciaio prodotto mediante PM sia automaticamente più resistente, più tenace o più uniforme dell’acciaio lavorato per deformazione plastica. Occorre chiedersi quale polvere, quale percorso di consolidamento, quale densità, quale specifica e quale condizione di trattamento termico abbiano prodotto il materiale sottoposto a prova. La lavorazione delle polveri può rendere possibili strutture di lega altrimenti inaccessibili. Può anche introdurre pori, inclusioni, gradienti di densità e variazioni dimensionali. Entrambe le affermazioni sono vere, e ometterne una trasforma una famiglia di materiali in una designazione di grado fuorviante. ## Riferimenti 1. \[1\] ScienceDirect Topics. [Ferrous Powder Metallurgy](https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy). ScienceDirect Topics, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-1) https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/ferrous-powder-metallurgy 2. \[2\] International Organization for Standardization. [ISO 13947:2024](https://www.iso.org/standard/85818.html). ISO standard, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-2) https://www.iso.org/standard/85818.html 3. \[3\] International Organization for Standardization. [ISO 4957:2018](https://www.iso.org/standard/70646.html). ISO standard, 2018. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-3) https://www.iso.org/standard/70646.html 4. \[4\] National Institute of Standards and Technology. [Additive Manufacturing of Steels and Stainless Steels](https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels). ASM Handbook, 2020. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-4) https://www.nist.gov/publications/additive-manufacturing-steels-and-stainless-steels 5. \[5\] ASTM International. [ASTM B783-24](https://store.astm.org/b0783-24.html). ASTM standard, 2024. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-5) https://store.astm.org/b0783-24.html 6. \[6\] Randall German. [A-Z of Powder Metallurgy](https://books.google.com/books/about/A_Z_of_Powder_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ). Book, 2005. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-6) https://books.google.com/books/about/A\_Z\_of\_Powder\_Metallurgy.html?hl=de&id=4bxTAAAAMAAJ 7. \[7\] International Organization for Standardization. [ISO 5755:2022](https://www.iso.org/ics/77.160/x/). ISO standard, 2022. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/acciai-da-metallurgia-delle-polveri-norme-progettazione-delle-leghe-porosit%C3%A0-e-carburi#wiki-cite-ref-7) https://www.iso.org/ics/77.160/x/ **Acciaio da metallurgia delle polveri in sintesi** Identità del materiale Una famiglia di processi e materiali Ciclo tipico Produzione delle polveri, miscelazione, compattazione, sinterizzazione ed eventuali lavorazioni secondarie Variabili strutturali principali Densità, porosità, inclusioni, fasi e struttura dei carburi Gruppo compositivo ferroso comune Ferro–rame–carbonio, circa la metà dei componenti ferrosi prodotti con la metallurgia delle polveri [Torna a Famiglie di acciai](/it/wiki/famiglie-di-acciai "Famiglie di acciai — Steel Wiki")