Il carburo di tungsteno come lega emergente nella produzione additiva

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Il carburo di tungsteno è utilizzato in numerosi settori grazie alle sue proprietà di durezza superiori rispetto all'acciaio per utensili e alla sua tenacità superiore rispetto alla ceramica tecnica. Tenendo presenti queste proprietà superiori, il carburo di tungsteno è più comunemente associato agli utensili utilizzati nelle applicazioni di taglio dei metalli come segatura, fresatura e tornitura. Molti sono sorpresi nello scoprire che il carburo di tungsteno è spesso utilizzato anche nelle applicazioni di erogazione o flusso di fluidi grazie alla sua durata superiore se esposto a usura erosiva. Le migliori prestazioni antiusura del carburo di tungsteno aumentano la durata dei componenti di articoli come gli ugelli in settori diversi come il taglio a getto d'acqua, petrolio e gas ed elettronica. Mentre i vantaggi del carburo di tungsteno sono chiari a molti ingegneri che progettano questi componenti, le sfide legate alla fabbricazione di una parte in carburo di tungsteno sono meno conosciute.

Per cominciare, va spiegato che carburo di tungsteno è il nome utilizzato per un'ampia categoria di leghe composte da carburo di tungsteno vero e proprio insieme a leganti metallici insieme ad altri carburi aggiunti (ad esempio TiC e TaC). I due leganti metallici più comuni sono il cobalto e il nichel. I leganti metallici influenzano le proprietà di durezza, tenacità e compatibilità chimica. Il contenuto di legante metallico può variare dal 3 al 20% del materiale finito a seconda delle proprietà desiderate.

Componente di controllo del flusso

La polvere Ready to Press viene prodotta combinando polvere di carburo di tungsteno (WC), legante metallico e un legante organico in un solvente e quindi facendo evaporare il solvente dalla miscela utilizzando un processo di essiccazione a spruzzo. La polvere viene poi compattata in una pressa che crea una parte verde che ha all'incirca la consistenza di un pezzo di gesso. Sebbene fragile, la parte verde può essere lavorata utilizzando le tradizionali tecniche di tornitura, fresatura e foratura. È necessario prestare attenzione quando si calcola la geometria poiché la parte verde si restringerà fino al 20% durante il processo di sinterizzazione. Inoltre, durante il processo di sinterizzazione (2.500-2.700 °F), quando il legante metallico si scioglie, la parte diventa relativamente morbida e le aree con spessore di parete sottile potrebbero collassare. Una volta rimossa dal processo di sinterizzazione, la parte si trova nel suo stato indurito. Inoltre, a causa dei tassi di ritiro, non è possibile creare caratteristiche precise durante la formatura a verde, il che significa che è necessario aggiungere caratteristiche geometriche complesse e precise alla parte indurita dopo la sinterizzazione.

A differenza di un componente in acciaio, nel suo stato indurito il carburo di tungsteno non può essere tornito, forato, fresato o saldato convenzionalmente. Ci ritroviamo invece con processi di rettifica ed elettroerosione che richiedono molto tempo, sono costosi e hanno una capacità limitata di creare determinate geometrie.

Rotore della pompa progressivo

È qui che le tecniche additive come il binder jetting e la FDM possono aggiungere valore al cliente creando geometrie precedentemente impossibili nel carburo di tungsteno. Sebbene esistano sfide nella creazione di polveri adatte alla stampa rispetto alla pressatura, si stanno facendo progressi per apportare vantaggi additivi ben noti al mondo dei materiali duri.

Un esempio di questo tipo sono i rotori delle pompe a cavità progressiva (principio di Moineau) che hanno una geometria che sarebbe impossibile da modellare in una parte grezza o macinare in una parte finita. Con le tecniche additive, i progettisti di pompe hanno a disposizione un altro materiale nel loro arsenale nella lotta contro l'usura abrasiva durante il pompaggio di liquidi impegnativi.

Ugello

Un altro esempio è la creazione di ugelli o diffusori monopezzo utilizzati nell'erogazione di fluidi in cui si preferirebbero percorsi di fluido curvi. Solo pochi anni fa queste geometrie sarebbero state ritenute impossibili nel carburo di tungsteno, costringendo gli ingegneri a scegliere materiali non ottimali o geometrie meno efficienti, che lasciano entrambi i clienti con costi di manutenzione continui.

Collaborando con Precision Solutions di Hyperion su geometrie di parti complesse, i clienti ricevono il vantaggio della competenza di Hyperion sui materiali duri, ma anche il vantaggio di tecniche di fabbricazione all'avanguardia applicate nel modo giusto per fornire geometrie precedentemente impossibili.