Acciaio Inox Potenziato: Come un Rivestimento HVOF Sfida l’Usura ad Alte Temperature

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dei materiali e delle tecnologie che li rendono più forti e duraturi, specialmente quando il gioco si fa… caldo! Parleremo di come possiamo dare una “corazza” super resistente a componenti metallici che devono lavorare in condizioni davvero estreme.

Cos’è l’Usura e Perché Dovremmo Preoccuparcene?

Partiamo dalle basi. Avete presente quando un pezzo meccanico, muovendosi contro un altro, inizia a consumarsi? Ecco, quella è l’usura. Un fenomeno subdolo che, piano piano, rimuove materiale dalla superficie. Lo vediamo nelle guide di scorrimento, nei dischi dei freni, persino tra un bullone e la sua sede quando ci sono vibrazioni. Sembra una cosa piccola, ma l’usura può rovinare la finitura superficiale, alterare le dimensioni di un componente e portare a vibrazioni fastidiose, perdita di efficienza e, nei casi peggiori, a rotture improvvise.

Il problema si amplifica enormemente quando entrano in gioco le alte temperature. Il calore può degradare le proprietà microstrutturali, meccaniche e fisiche dei materiali, rendendoli molto più vulnerabili all’usura. Pensate ai motori a reazione, alle turbine a gas, agli scambiatori di calore: ambienti dove i materiali sono messi a dura prova.

La Soluzione? Un “Vestito” su Misura: I Rivestimenti Superficiali

Come possiamo proteggere questi componenti? Ci sono due strade principali: progettare l’intero pezzo con materiali ultra-resistenti (spesso costoso) oppure, ed è qui che le cose si fanno interessanti, modificare solo la superficie, la parte che “combatte” contro l’usura e l’ambiente esterno. Tecniche come la cementazione, la nitrurazione o, appunto, l’applicazione di rivestimenti speciali permettono di creare uno scudo protettivo.

L’idea è formare una barriera stabile, spesso a base di ossidi, che separi il materiale sottostante (il substrato) dall’ambiente aggressivo. Pensate che circa il 75% dei componenti dei motori a reazione oggi utilizza leghe resistenti all’usura e alla corrosione applicate come rivestimenti!

HVOF: La Spruzzatura che Fa la Differenza

Tra le tante tecniche per applicare questi rivestimenti, una delle più performanti, soprattutto per le alte temperature, è la High-Velocity Oxy-Fuel (HVOF), ovvero la spruzzatura ossidrica ad alta velocità. Immaginate una sorta di “pistola” potentissima che spara particelle di polvere del materiale di rivestimento a velocità supersonica contro la superficie da proteggere. L’impatto ad alta energia cinetica fa sì che le particelle si “schiaccino”, si deformino e aderiscano perfettamente al substrato e tra di loro, creando uno strato estremamente denso, con bassissima porosità (pochi “buchi” interni) e un’adesione eccezionale. Rispetto ad altre tecniche di spruzzatura termica, l’HVOF ci regala rivestimenti più duri e resistenti.

Il Nostro Esperimento: Acciaio Inox SS304L su Superfer800

Nel nostro studio, abbiamo voluto esplorare proprio le potenzialità dell’HVOF. Abbiamo scelto un materiale molto comune e apprezzato per la sua resistenza alla corrosione, l’acciaio inossidabile SS304L, e lo abbiamo “sparato” su un substrato di Superfer800, una superlega a base di ferro usata in applicazioni come molle industriali, turbine a gas e motori aeronautici. Il Superfer800 è ottimo, ma la sua resistenza all’usura, specialmente a caldo, può essere migliorata. L’obiettivo? Creare un rivestimento in SS304L che potesse proteggere il Superfer800, ad esempio, nei rulli incisi per l’industria della stampa su carta, che richiedono precisione dimensionale, durezza e resistenza all’usura a velocità elevate.

Abbiamo preparato le polveri di SS304L (particelle sferiche tra 50 e 90 µm) e, dopo aver preparato la superficie del Superfer800 con sabbiatura, abbiamo usato il nostro sistema HVOF (un HIPOJET 2700) per depositare il rivestimento, ottimizzando i parametri (flussi di gas, velocità della polvere, distanza di spruzzatura) attraverso vari tentativi.

Sotto la Lente: Com’è Fatto il Nostro Rivestimento?

Una volta creato il rivestimento, siamo andati a vedere com’era fatto da vicino, usando tecniche di caratterizzazione avanzate:

• Microscopia Elettronica a Scansione (SEM): Per osservare la morfologia, misurare lo spessore e valutare la porosità.
• Diffrazione a Raggi X (XRD): Per identificare le fasi cristalline presenti nel rivestimento.
• Microdurezza Vickers: Per misurare la durezza del rivestimento.

I risultati sono stati eccellenti! Abbiamo ottenuto un rivestimento con uno spessore medio di circa 294 µm, molto omogeneo e denso. La porosità era bassissima, inferiore al 2%, segno che le particelle si erano fuse e compattate alla perfezione durante il processo HVOF. La rugosità superficiale media (Ra) era di 7 µm. L’analisi XRD ha confermato che le fasi principali erano quelle attese (Fe, FeNi3, Cr), senza la formazione di fasi indesiderate o ossidi significativi durante la deposizione. E la durezza? Impressionante: un valore medio di 1167 ± 54 HV0.3, quasi 6 volte superiore a quella del substrato Superfer800! Abbiamo notato anche una distribuzione uniforme degli elementi (Fe, Cr, Ni, Mn, Si) all’interno del rivestimento grazie all’analisi EDS, fondamentale per garantire buone proprietà meccaniche.

La Prova del Fuoco: Resistenza all’Usura ad Alte Temperature

Ma la vera domanda era: come si comporta questo super-rivestimento quando viene messo sotto sforzo, specialmente a temperature elevate? Per scoprirlo, abbiamo usato un tribometro “pin-on-disc”. Immaginate un piccolo perno (il nostro campione rivestito o il substrato nudo) che viene premuto con un carico specifico contro un disco rotante (in questo caso, un disco di allumina, Al2O3, molto duro) a una certa velocità e temperatura. Misurando la perdita di volume del perno dopo una certa distanza di scorrimento (3000 metri nel nostro caso), abbiamo calcolato il tasso di usura. Abbiamo variato i carichi (da 20 N a 80 N), le velocità (1 m/s e 2 m/s) e le temperature (25°C, 300°C, 600°C).

I risultati sono stati netti: il rivestimento in SS304L ha mostrato una resistenza all’usura nettamente superiore a quella del substrato Superfer800 in tutte le condizioni testate. La differenza diventava abissale ad alte temperature. Ad esempio, a 600°C e con un carico di 20 N, il tasso di usura del rivestimento era di 0.5 × 10⁻³ mm³/m, circa 16 volte inferiore a quello del substrato nelle stesse condizioni! Anche il coefficiente di attrito del rivestimento è risultato generalmente più basso rispetto a quello del substrato.

Abbiamo osservato che, sia per il substrato che per il rivestimento, l’usura tendeva ad aumentare con l’aumentare del carico. Interessante, invece, l’effetto della temperatura: per il rivestimento, la resistenza all’usura migliorava significativamente a 300°C e 600°C rispetto alla temperatura ambiente. Perché?

I Meccanismi Segreti dell’Usura (e della Resistenza)

Analizzando le superfici usurate al SEM, abbiamo capito meglio cosa succedeva. Il substrato Superfer800, essendo meno duro, tendeva a soffrire principalmente di usura adesiva: il materiale si “incollava” alla controparte (il disco di allumina) e veniva strappato via. Ad alti carichi e temperature, la situazione peggiorava con deformazioni e fratture.

Il rivestimento in SS304L, invece, mostrava un comportamento diverso. A temperatura ambiente, l’usura era prevalentemente abrasiva (graffi causati dalla controparte dura), ma la sua elevata durezza limitava i danni. La vera magia avveniva ad alte temperature (300°C e 600°C). Qui, sulla superficie del rivestimento, durante lo scorrimento si formava uno strato sottile e compatto di ossidi metallici (principalmente ossidi di ferro come Fe2O3 e FeO, e ossido di nichel NiO, come confermato dall’analisi XRD sulle superfici usurate). Questo strato, chiamato “tribo-ossido” o “glaze”, agiva come un lubrificante solido ad alta temperatura! Riduceva l’attrito diretto tra il rivestimento e il disco di allumina, proteggendo il materiale sottostante.

Certo, anche questo strato protettivo ha i suoi limiti. A carichi molto elevati (80 N) e 600°C, abbiamo visto che il tribo-ossido poteva deformarsi e rompersi localmente, portando a un’usura più severa, ma sempre molto inferiore a quella del substrato. L’elevata durezza del rivestimento forniva comunque un ottimo supporto a questo strato protettivo. Abbiamo anche notato che a velocità di scorrimento più elevate (2 m/s), le superfici usurate apparivano leggermente più lisce, forse a causa di una minore azione di “sfregamento” intenso. I meccanismi principali di usura per il rivestimento ad alte temperature erano quindi una combinazione di adesione (dove lo strato di ossido si rompeva) e abrasione.

Perché Tutto Questo è Importante?

I risultati sono chiari: applicare un rivestimento di acciaio inossidabile SS304L tramite la tecnica HVOF su un substrato come il Superfer800 ne migliora drasticamente le proprietà superficiali, in particolare la durezza e la resistenza all’usura, soprattutto in condizioni di alta temperatura. La capacità di formare quegli strati di ossido protettivi e lubrificanti a caldo è la chiave del suo successo.

Questo apre le porte a un utilizzo più ampio e sicuro di questi materiali in applicazioni critiche dove l’usura ad alta temperatura è un problema serio: dai già citati componenti aeronautici e turbine, fino a parti di motori diesel, attrezzature per l’industria chimica e petrolifera, e appunto, rulli industriali ad alte prestazioni.

In Conclusione

Possiamo dire che il nostro “vestito” in SS304L spruzzato con HVOF ha superato brillantemente la prova! Abbiamo ottenuto un rivestimento:

• Denso e omogeneo (porosità < 2%)
• Con ottima adesione al substrato
• Notevolmente più duro del substrato (quasi 6 volte)
• Con una resistenza all’usura eccezionale, specialmente tra 300°C e 600°C (fino a 16 volte migliore del substrato)
• Capace di auto-proteggersi ad alte temperature grazie alla formazione di ossidi lubrificanti.

La combinazione della microstruttura ottimale ottenuta con l’HVOF e la capacità intrinseca dell’SS304L di formare ossidi stabili a caldo si è rivelata vincente. Una dimostrazione affascinante di come l’ingegneria delle superfici possa davvero fare la differenza!

Fonte: Springer