Stato della ricerca sulla tecnologia di rivestimento resistente all'usura a spruzzo termico

1. Stato attuale della ricerca sui rivestimenti metallici

I rivestimenti metallici a spruzzo termico sono tra i rivestimenti resistenti all'usura studiati e applicati per primi. I materiali comunemente utilizzati includono metalli (Mo, Ni), acciaio al carbonio, acciaio a bassa lega, acciaio inossidabile e rivestimenti della serie leghe Ni-Cr. Tecniche come la spruzzatura a fiamma, la spruzzatura ad arco, la spruzzatura al plasma, HVOF (High-Velocity Oxygen Fuel) e la spruzzatura per detonazione sono generalmente impiegate.

Quando si utilizza la tecnologia di spruzzatura al plasma con leghe a base di alluminio per rivestire anelli di pistone, anelli di sincronizzazione e cilindri, i rivestimenti dimostrano una buona resistenza all'usura, un'alta resistenza di adesione e ottime proprietà di resistenza all'usura adesiva. In condizioni lubrificate, mostrano anche buone prestazioni anti-sequestro e anti-scorrimento. Fili in acciaio ad alto carbonio e fili in acciaio inossidabile (tipo Cr13, tipo 18-8, ecc.) sono comunemente utilizzati come materiali di spruzzatura resistenti all'usura e alla corrosione. Questi materiali sono caratterizzati da alta resistenza, buona resistenza all'usura, ampia disponibilità e basso costo. I rivestimenti NiCr offrono una buona resistenza al calore, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura da erosione, rendendoli adatti come rivestimenti protettivi per tubi di superriscaldamento e di riscaldamento secondario nelle caldaie delle centrali elettriche. I metodi di spruzzatura a fiamma e al plasma possono essere utilizzati per preparare rivestimenti metallici NiCr resistenti all'usura con diverse microstrutture, sebbene questi rivestimenti tendano ad avere una maggiore porosità e contenuto di ossidi.

2. Stato attuale della ricerca sui rivestimenti ceramici

Le polveri ceramiche per spruzzatura termica includono ossidi, carburi, boruri, nitruri e silicidi, che sono composti cristallini o amorfi composti da elementi metallici e non metallici. I rivestimenti ceramici sono noti per i loro elevati punti di fusione, alta durezza e eccellente resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e stabilità ad alta temperatura. Tuttavia, il processo di spruzzatura dei rivestimenti ceramici è complesso e costoso, e i rivestimenti sono soggetti a crepe superficiali e hanno una resistenza alla fatica termica inferiore rispetto ai rivestimenti metallici. Inoltre, i rivestimenti ceramici hanno una scarsa tenacità e non sono adatti per applicazioni che comportano carichi d'impatto significativi. I rivestimenti ceramici comunemente utilizzati includono Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 e TiB2, tipicamente preparati utilizzando tecniche di spruzzatura al plasma, spruzzatura a fiamma, HVOF e spruzzatura per detonazione.

Ren Jingri et al. hanno studiato le caratteristiche di attrito e usura dei rivestimenti in polvere ceramica Al2O3-40%TiO2 e Cr2O3 spruzzati al plasma. Hanno scoperto che i rivestimenti in Cr2O3 mostrano una maggiore resistenza all'usura rispetto ai rivestimenti in Al2O3-40%TiO2. Il meccanismo di usura dei rivestimenti in Cr2O3 è principalmente usura abrasiva, con caratteristiche di rottura fragile sotto carichi più elevati. Al contrario, il meccanismo di usura dei rivestimenti in Al2O3-40%TiO2 è principalmente deformazione plastica e delaminazione. Chen Chuanzhong et al. hanno studiato i rivestimenti ceramici compositi Al2O3-TiO2-NiCrAlY, notando che la fusione di TiO2 e Al2O3 forma un certo grado di solubilità reciproca, riducendo la porosità del rivestimento e migliorando ulteriormente la sua resistenza, tenacità e resistenza all'usura.

Altri studi hanno investigato le caratteristiche di attrito e usura dei rivestimenti metallici e ceramici multistrato spruzzati al plasma. La sequenza di spruzzatura prevede prima l'applicazione di un rivestimento di legame in NiCr sul substrato, seguita da strati di transizione con proporzioni variabili di NiCr-Cr2O3, e infine uno strato superficiale al 100% di Cr2O3. È stato riscontrato che un rapporto appropriato di metallo e ceramica nello strato di transizione può migliorare la resistenza all'usura del rivestimento. I principali meccanismi di usura includono frattura fragile, usura abrasiva, adesione e usura ossidativa.

stato attuale della ricerca sui rivestimenti metallico-ceramici

I metalli e le ceramiche hanno ciascuno vantaggi unici e debolezze prestazionali distinte.

I rivestimenti metal-ceramici Cr3C2-NiCr consistono in una fase dura di carburo di cromo refrattario e in una fase di lega di nichel-cromo duttile. Presentano un'elevata durezza a alta temperatura, un'eccellente resistenza all'usura ad alta temperatura, resistenza alla corrosione, resistenza all'ossidazione e alta resistenza di adesione. Questi rivestimenti sono ampiamente utilizzati in componenti che operano in condizioni di usura abrasiva, usura corrosiva e usura erosiva ad alta temperatura (530–900°C), come rulli di forno nelle linee di ricottura continua, rulli di nucleo nelle linee di produzione continua delle acciaierie e anelli e rivestimenti dei pistoni dei cilindri. I rivestimenti metal-ceramici a base di TiB2, con il loro alto punto di fusione, elevata durezza, buone proprietà elettriche e magnetiche e alta resistenza alla corrosione, sono un'alternativa potenziale al Cr3C2 per applicazioni ad alta temperatura e resistenti all'usura. Offrono una resistenza all'usura superiore rispetto a Al2O3, Cr3C2-NiCr e WC-Co.

I rivestimenti metal-ceramici a base di WC sono comunemente utilizzati in condizioni di usura abrasiva ed erosiva al di sotto dei 450°C. Xu Xiangyang et al. hanno studiato il meccanismo di usura da fretting dei rivestimenti WC/18Co spruzzati al plasma. I risultati hanno mostrato che la fase iniziale dell'usura da fretting è dominata dall'usura adesiva, con l'alta durezza del rivestimento e le forti proprietà anti-adesione che portano a un'usura minima. Nella fase stabile, la delaminazione da fatica e il distacco per rottura fragile diventano i principali meccanismi di usura, con la fragilità del rivestimento e la bassa resistenza al legame inter-particellare che portano a un aumento dell'usura. Le inclusioni di ossido all'interno del rivestimento sono la causa principale della resistenza insufficiente all'usura da fretting.

stato attuale della ricerca sui rivestimenti amorfi

I materiali amorfi sono caratterizzati da disordine a lungo raggio e ordine a corto raggio.

Xiang Xinghua et al. hanno utilizzato la spruzzatura al plasma per preparare rivestimenti in lega amorfa a base di Fe (contenenti Si, B, Cr, Ni, ecc.). I rivestimenti hanno mostrato una microstruttura uniforme, alta densità, bassa porosità, contenuto minimo di ossidi e alta durezza, con microdurezza che varia da 530 a 790 HV0.1. I rivestimenti hanno anche mostrato una buona adesione con il substrato.

Altri studi hanno investigato la microstruttura e la resistenza all'usura dei rivestimenti in lega Fe-Cr-B spruzzati per detonazione. I risultati hanno indicato che i rivestimenti hanno un'eccellente resistenza all'usura e alla corrosione. Durante l'usura da scorrimento, un film superficiale amorfo generato dinamicamente ha migliorato significativamente la resistenza all'usura e ridotto il coefficiente di attrito.

In sintesi, l'uso di HVOF, spruzzatura al plasma, spruzzatura ad arco e spruzzatura per detonazione per applicare rivestimenti resistenti all'usura in metallo, ceramica, metallo-ceramica e amorfi può migliorare efficacemente la resistenza all'usura dei materiali di substrato.