La ricerca globale per una durata estrema
Nel mondo manifatturiero, minerario e aerospaziale, niente è più prezioso di durabilità . Ogni volta che una punta del trapano si spezza, la pala di una turbina si erode o un cuscinetto si usura, ciò costa tempo, denaro ed efficienza. Per decenni, gli ingegneri hanno inseguito il sogno di un materiale con la resistenza di un metallo ma la durezza tagliente di un diamante.
Questa ricerca ha potato allo sviluppo di carburi cementati , una classe rivoluzionaria di materiali compositi che costituiscono il cuore dei moderni superstrumenti. Il punto di partenza per quasi tutti questi materiali è un ingrediente finemente sintonizzato: Polvere composita di carburo .
Cos'è esattamente la polvere composita di carburo?
Un metallo semplice o un materiale ceramico puro raramente possiede la perfetta combinazione di proprietà necessarie per applicazioni ad alto stress. I metalli sono duri e resistono alla frantumazione, ma sono spesso morbidi e si consumano rapidamente. La ceramica, come i carburi puri, è estremamente dura ma tipicamente fragile.
Polvere composita di carburo è una miscela ingegnerizzata che combina il meglio di entrambi i mondi, seguendo il principio “composito” secondo cui il materiale finale è superiore ai suoi componenti.
Le due fasi essenziali
La polvere è una miscela microscopica di due componenti distinti, ciascuno dei quali svolge un ruolo vitale:
1. La fase dura: il grano di carburo
Questa fase fornisce il materiale leggendario durezza e resistenza all'usura. È costituito da particelle microscopiche di un carburo metallico, più comunemente Carburo di tungsteno (WC) . Il carburo di tungsteno è un composto ceramico che si colloca appena sotto il diamante nella scala di durezza. Questi grani rigidi e spigolosi sono i cavalli da lavoro che eseguono il taglio, la foratura e la rettifica. Altri carburi, come il carburo di titanio (TiC) o il carburo di cromo (CrC), vengono talvolta utilizzati per migliorare proprietà specifiche come la resistenza alla corrosione.
2. La fase legante: la colla metallica
I grani di carburo duro sono tipicamente mescolati con una polvere metallica Cobalto (Co) , ma a volte Nichel (Ni) o Ferro (Fe). Questo è il legante —la “colla” che tiene insieme le particelle ceramiche. Senza di esso, il carburo sarebbe troppo fragile e si frantumerebbe sotto l'impatto. Il raccoglitore fornisce il cruciale tenacità e resistenza alla fratturazione.
Il rapporto tra il carburo duro e il legante metallico più morbido è controllato con precisione per creare diversi gradi di materiale. Una maggiore quantità di legante significa un materiale più tenace che resiste meglio agli urti, mentre una minore quantità di legante e grani di carburo più piccoli producono un materiale più duro e resistente all'usura.
Dalla polvere allo strumento: il processo di sinterizzazione
Come fa questa polvere sciolta a trasformarsi in un oggetto solido capace di tagliare l'acciaio? Il processo è chiamato sinterizzazione , una forma di metallurgia delle polveri.
1. Miscelazione e pressatura (lo stato "verde")
Innanzitutto, il Polvere composita di carburo viene accuratamente miscelato, spesso con un coadiuvante di pressatura organico, e quindi compattato ad alta pressione nella forma desiderata. Questo oggetto pre-sinterizzato, chiamato “compatto verde”, è fragile e simile al gesso.
2. Sinterizzazione e cementazione
Il compatto verde viene quindi posto in un forno ad alta temperatura e ad atmosfera controllata. Viene riscaldato ad una temperatura superiore al punto di fusione del legante (cobalto) ma inferiore al punto di fusione del carburo (carburo di tungsteno). Il legante si scioglie e scorre attraverso la struttura, sciogliendo e quindi precipitando nuovamente i grani di carburo, cementandoli insieme dopo il raffreddamento. Questo forma un materiale denso e solido in cui i grani di carburo duro sono circondati e supportati dal legante metallico: il materiale finale, incredibilmente resistente carburo cementato or metallo duro .
Le applicazioni indispensabili dei compositi in metallo duro
Il materiale risultante è caratterizzato da un'eccezionale combinazione di elevata durezza, elevata resistenza alla compressione e buona tenacità, che lo rendono vitale per innumerevoli lavori industriali:
- Utensili da taglio: Gli inserti e le punte da taglio utilizzati nelle lavorazioni ad alta velocità (torni, frese) sono quasi esclusivamente realizzati in metallo duro. Consentono ai produttori di tagliare, modellare e rifinire i metalli duri molto più velocemente rispetto ai tradizionali utensili in acciaio.
- Estrazione mineraria e perforazione: Le perforatrici da roccia, gli inserti per alesatrici di tunnel e le punte per perforazione di petrolio e gas si affidano a punte in metallo duro per resistere all'abrasione estrema e all'impatto del taglio della roccia e della terra.
- Parti soggette ad usura: Ovunque le parti sfreghino l'una contro l'altra sotto carico elevato, come cuscinetti, guarnizioni, componenti della pompa e ugelli, sono protette dal carburo cementato.
- Rivestimenti superficiali: Le polveri composite di carburo vengono anche spruzzate su componenti metallici (ad esempio, carrello di atterraggio di aerei, pale di turbine) utilizzando tecniche come la spruzzatura di combustibile ad ossigeno ad alta velocità (HVOF) per creare rivestimenti protettivi estremamente duri che resistono all'erosione e alla corrosione.
Fornendo un materiale equilibrato che offre la nitidezza di una ceramica e la resilienza di un metallo, Polvere composita di carburo dà davvero all’industria il vantaggio indistruttibile di cui ha bisogno per costruire il mondo moderno.
