Le leghe di tungsteno (WNiFe / WNiCu) sono utilizzate per la loro resistenza alla corrosione contro il metallo fuso e l’elevata conduttività termica per i processi di pressofusione dell’alluminio, ma anche nella produzione di utensili e per schermare le radiazioni alfa e gamma, il metallo pesante con la sua densità paragonabile all’oro è indispensabile.
Tuttavia, intorno ai 3.400°C, il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti gli elementi chimici ed è quindi molto difficile da lavorare, oltre che per la sua durezza Mohs di 7,5. Di conseguenza, i componenti con forme più complesse, come curve o fori conici, devono spesso essere convertiti in acciaio per utensili per lavorazione a caldo, che è più facile da modellare.
Per consentire l’uso del tungsteno per le geometrie più esigenti e quindi aumentare l’efficienza e la longevità dei componenti, Bayerische Metallwerke GmbH, che appartiene alla Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH di Traunstein, ha sviluppato un nuovo processo di produzione per le leghe di tungsteno WNiFe e WNiCu sviluppate e brevettate all’inizio del 2021. Ciò è caratterizzato dal fatto che la lega a cristalli misti multifase è ottenuta sotto forma di polvere adatta come materiale di partenza per la stampa 3D e i processi di rivestimento.
“Grazie alla sua resistenza alla corrosione e all’erosione dei metalli fusi, nonché alla sua eccellente conduttività termica, il tungsteno è il materiale preferito nel campo della fusione di alluminio”, afferma Nabil Gdoura, ingegnere di ricerca e sviluppo presso Bayerische Metallwerke GmbH. “L’altissima densità di 19,25 g/cm3 nella sua forma pura lo rende anche una buona alternativa al piombo nocivo, che viene ancora utilizzato in medicina, ad esempio, per la schermatura dalle radiazioni”.
Negli stampi di colata, detti anche chill molds, utilizzati nell’ambito della lavorazione dell’alluminio, si ricercano canali di raffreddamento lunghi ma allo stesso tempo molto sottili e talvolta anche di forma conica con diametro inferiore a 1 mm al fine di garantire la più uniforme e rapida dissipazione del calore. In caso contrario, la qualità del materiale del prodotto finale può essere compromessa, ad esempio, dalla formazione di crepe. Forme così precise e talvolta curve sono impossibili da modellare dal metallo duro e pesante, il cui punto di fusione estremamente elevato è compreso tra 3.387 e 3.422 ° C, utilizzando tecniche di lavorazione convenzionali, eccitanti o rimodellanti. Pertanto, per questi componenti complessi per gli scopi menzionati, è stato finora utilizzato acciaio per lavorazioni a caldo,
Nuova lega di tungsteno in polvere adatta alla stampa 3D
Dopo aver completato la fase di sviluppo di due anni, Bayerische Metallwerke ha richiesto un brevetto per il loro nuovo processo di fabbricazione di un prodotto in lega di tungsteno e il suo ulteriore utilizzo all’inizio del 2020, che è stato finalmente concesso nel gennaio di quest’anno.
“La particolarità della nostra lega di tungsteno-nichel-ferro è che la otteniamo sotto forma di polvere prelegata”, spiega il Dr.-Ing. Hany Gobran, responsabile ricerca e sviluppo presso Bayerische Metallwerke e inventore della tecnologia di produzione. “Questo è adatto come prodotto di partenza per i processi di stampa e rivestimento 3D”.
In assenza di un’alternativa, finora è stata utilizzata solo una polvere mista per rendere il tungsteno utilizzabile per componenti con geometrie complesse. Il principale svantaggio di tali miscele, tuttavia, deriva dai diversi punti di fusione del tungsteno (intorno ai 3.400°C) e del nichel e del ferro, che cambiano entrambi il loro stato fisico intorno ai 1.500°C. Di conseguenza, gran parte delle due sostanze aggiunte evapora in modo incontrollato durante il processo di fusione nell’ulteriore processo di lavorazione. Perché il punto di ebollizione del nichel e del ferro è già intorno ai 2.700°C e 3.000°C, rispettivamente. Grazie alla lega madre nel processo sviluppato da Gobran, invece, tutti e tre gli elementi sono combinati come un materiale multifase in ogni singola particella di polvere,
Corrispondentemente alle attuali varianti standardizzate, la nuova lega può essere prodotta con dall’80 al 98,5% in peso di tungsteno, dallo 0,1 al 15% in peso di nichel e dallo 0,1 al 10% in peso di ferro e/o rame. In questo modo si ottiene una densità del prodotto finale da 17 a 18,8 g/cm3, auspicabile per applicazioni nell’industria dell’alluminio, nella produzione di utensili e per la schermatura dalle radiazioni alfa e gamma.
“Maggiore è la percentuale di tungsteno nel prodotto finale, più è resistente all’alluminio fuso e migliore è la sua conduttività termica”, spiega Gobran. “Se, d’altra parte, la buona duttilità e la lavorabilità meccanica giocano un ruolo maggiore, anche la proporzione di tungsteno nella lega può essere ridotta di conseguenza. La composizione può quindi essere sempre adattata alla specifica applicazione e alla rispettiva complessità della forma.”
Durante il processo di frantumazione come parte del processo di produzione, è possibile determinare anche il comportamento del flusso e la granulometria della polvere tra 10 e 200 µm. In questo modo, la lega viene preparata individualmente per il tipo di ulteriore lavorazione desiderato, come i processi di rivestimento al plasma o la produzione additiva.
Il nuovo processo di produzione consente di riciclare i materiali
Se, ad esempio, l’acciaio per lavorazioni a caldo precedentemente utilizzato per canali di raffreddamento sottili e conici negli stampi in fusione di alluminio viene sostituito dalla lega di tungsteno sviluppata da Gobran, l’applicazione beneficia non solo della resistenza del metallo pesante alla corrosione e all’erosione. Rispetto all’acciaio, il tungsteno ha anche il vantaggio di una conduttività termica molto più elevata, in modo che l’usura degli stampi possa essere ridotta in modo massiccio. Grazie alla sua maggiore densità, il prodotto in lega è anche un’alternativa al piombo velenoso, che viene utilizzato non solo per la schermatura dalle radiazioni, ma anche come stabilizzatore, ad esempio nell’industria degli utensili.
“Un’altra caratteristica speciale della nostra lega è che possiamo ricavare la polvere da scarti o trucioli”, aggiunge Gdoura. “Questo è un importante passo avanti da un punto di vista sia economico che ambientale, in quanto ci consente di restituire i prodotti di scarto dei processi convenzionali al ciclo di riciclaggio e di riciclo”.
