RICERCA INDUSTRIALE

Rivestimenti antiusura più sostenibili? Incoraggianti i nuovi test

Foto di Gerd Altmann da Pixabay
Uno studio svolto da Il Sentiero International Campus, MBN Nanomaterialia e l’Università di Modena e Reggio Emilia ha individuato una nuova composizione per un rivestimento antiusura. Anche se non può ancora sostituire i compositi attualmente utilizzati, che sono performanti ma nocivi e a rischio di approvvigionamento, potrebbe candidarsi in futuro come un’alternativa green. La ricerca è stata pubblicata nella rivista scientifica “Wear”.

Grazie ad alcuni test su nuovi rivestimenti antiusura, sono emersi alcuni risultati interessanti che portano ad un passo in avanti verso l’individuazione di materiali più sostenibili e di più sicuro approvvigionamento.

Uno studio, a cui hanno partecipato Il Sentiero International Campus, MBN Nanomaterialia e l’Università di Modena e Reggio Emilia, ha portato all’individuazione di un nuovo materiale composito costituito da carburo di titanio in lega nichel-cromo. Potrebbe in futuro sostituire il carburo di tungsteno in lega cobalto-cromo, il composito ceramico-metallico più largamente utilizzato per i rivestimenti antiusura e corrosione, il quale presenta una serie di problematiche legate all’approvvigionamento e alla nocività.

Infatti, è stato dimostrato che il nuovo composito, anche se per ora limitatamente ad alcune condizioni molto specifiche, ha una resistenza a usura molto vicina e una resistenza a corrosione maggiore rispetto al concorrente.

Occorre sottolineare che non è ancora in grado di sostituire i materiali standard; eppure, i risultati sono migliori di altri test precedenti e aprono la strada a ulteriori ricerche per mettere a punto alternative ecosostenibili.

La ricerca è stata svolta da Il Sentiero International Campus, l’Università di Modena e Reggio Emilia e MBN Nanomaterialia.

Lo studio, riguardante i test di usura sul rivestimento, è stato pubblicato nella prestigiosa rivista scientifica “Wear dedicata allo sviluppo delle conoscenze, di base e applicate, nel campo dell’usura dei materiali.

Il Sentiero International Campus ha contribuito in particolare con le attività di caratterizzazione dei materiali, soprattutto sull’usura e corrosione, ambiti nei quali il Centro di Ricerca ha sviluppato competenze specifiche anche tramite la realizzazione di banchi prova ed esecuzione di test ad hoc, come ad esempio in questo recente progetto.

Il microscopio metallografico utilizzato per i testi sui rivestimenti antiusura
Il microscopio metallografico è stato utilizzato per l’analisi microstrutturale dei rivestimenti.

Le premesse della ricerca

La ricerca è stata avviata con l’obiettivo di studiare composizioni per rivestimenti antiusura e corrosione prive di tungsteno e cobalto, ad oggi i principali elementi utilizzati per i rivestimenti antiusura e anticorrosione applicati con la tecnologia di termospruzzatura.

I motivi sono legati alla criticità e alla nocività, come spiega Giovanni Bolelli, Ricercatore del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” dell’Università di Modena e Reggio Emilia che ha coordinato le attività di caratterizzazione e test in laboratorio dei campioni rivestiti.

«Da un lato, tungsteno e cobalto sono materie prime critiche per l’EU, per la loro rilevanza tecnica combinata al rischio approvvigionamento –chiarisce Bolelli–. Infatti, sono interamente estratte all’esterno dell’UE e importate esclusivamente da poche fonti. Ridurre la dipendenza dei vari settori economici e industriali da questi materiali è quindi di particolare importanza. Dall’altro, il cobalto metallico è stato recentemente classificato come sostanza cancerogena. Pertanto, il suo utilizzo dovrebbe essere ridotto quanto più possibile, per minimizzare il rischio di esposizione sia durante i processi industriali di fabbricazione, sia durante l’utilizzo di prodotti che lo contengono».

Individuare alternative che possano garantire le medesime prestazioni in termini di resistenza ad usura e corrosione è non solo necessario, ma un dovere per preservare le risorse disponibili e la salute dei lavoratori.

A maggior ragione per il fatto che i rivestimenti antiusura e anticorrosione sono oggi ampiamente utilizzati per migliorare le performance e allungare la durata dei componenti in settori industriali quali l’aerospazio, l’automotive, la produzione di energia, l’oil & gas e non solo.

Il settore dei trasporti potrebbe beneficiare dei risultati ottenuti dalla ricerca (Foto di Steven Liao da Pixabay).

Le fasi

La ricerca si è svolta in tre fasi:

  • MBN Nanomaterialia ha prodotto la composizione costituita da carburo di titanio e lega nichel-cromo e ha realizzato la sua deposizione tramite la tecnologia HVAF (High Velocity Air Fuel).
  • L’Università di Modena e Reggio Emilia e Il Sentiero International Campus hanno realizzato un’ulteriore deposizione del rivestimento con la tecnologia HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), operativo grazie ad una convenzione tra il Dipartimento di Ingegneria ed Ecor International. La stessa tecnologia, considerata ottimale per gli scopi industriali, è stata utilizzata per depositare il rivestimento concorrente di riferimento, carburo di tungsteno cobalto-cromo.
  • Sempre l’Università di Modena e Reggio Emilia e Il Sentiero International Campus hanno effettuato la caratterizzazione dei rivestimenti innovativi ottenuti con le due tecnologie di deposizione, ovvero ne hanno studiato le proprietà, eseguendo prove di durezza e di corrosione elettrochimica, test di usura, analisi a raggi X, microscopia e spettrometria. Gli stessi test sono stati eseguiti sul rivestimento di riferimento.

I test di deposizione e caratterizzazione eseguiti nelle stesse condizioni su tutti i rivestimenti hanno permesso di paragonare le loro proprietà e comprendere se il rivestimento innovativo fosse idoneo al possibile impiego come alternativa al rivestimento di riferimento.

Il processo di deposizione HVOF del rivestimento.
Il processo di deposizione, con una foto del processo e immagini al microscopio sia della materia prima (a destra-polvere), sia del rivestimento ottenuto (a sinistra)

I risultati

Dalla ricerca sono emersi alcuni risultati incoraggianti, validati da specifici test sui rivestimenti antiusura.

«Uno dei dati più interessanti riguarda la resistenza a usura a temperatura ambiente del composito innovativo (carburo di titanio nichel-cromo), che si avvicina moltissimo a quella del rivestimento tradizionale (carburo di tungsteno cobalto-cromo) -confida Paolo Sassatelli, Ricercatore nel campo dell’Ingegneria delle Superfici de Il Sentiero International Campus-. Questo risultato, misurato con il tasso di usura, è molto importante perché non era affatto semplice individuare un materiale composito con queste caratteristiche e, rispetto alla fase precedente di sviluppo, abbiamo ottenuto un miglioramento di oltre 10 volte. Per questo si candida come un’interessante alternativa green».

In aggiunta a ciò, sono stati ottenuti risultati positivi anche sulla resistenza a corrosione.

«La resistenza a corrosione in acqua di mare della nuova composizione è risultata superiore a quella della composizione carburo di tungsteno cobalto-cromo –aggiunge Sassatelli–. In particolare, i valori di corrente di corrosione misurati con test elettrochimici, che sono indice della velocità di corrosione del campione, sono 10 volte più bassi rispetto alla composizione attualmente utilizzata».

Nei test di usura, a valori più alti di temperatura (400 °C), il rivestimento in carburo di titanio nichel-cromo si è dimostrato più tenace del target di riferimento. Infatti, non si è verificata la frattura di alcune porzioni di rivestimento, condizione che è stata invece riscontrata nell’altro composito e che nelle applicazioni più spinte può comprometterne funzionalità e durata.Ciononostante, è opportuno sottolineare che il valore di resistenza a usura è risultato minore rispetto a quello di riferimento.

L'impianto HVOF per la termospruzzatura di rivestimenti antiusura.
L’impianto HVOF operativo grazie ad una convenzione tra Unimore e Ecor International.

I commenti dei ricercatori

Il risultato è stato possibile grazie ad un lavoro in sinergia di team di ricercatori ed esperti nel campo dei materiali e delle superfici operanti in ambito universitario e industriale. In particolare: i già citati Paolo Sassatelli, (Il Sentiero International Campus) e Giovanni Bolelli (Università di Modena e Reggio Emilia); Luca Lusvarghi, Professore associato del Dipartimento di Ingegneria della medesima Università e responsabile e coordinatore dell’attività di ricerca su Ingegneria delle Superfici e tribologia; Stefania Morelli e Veronica Testa, dottorande; Pietro Puddu, assegnista di ricerca; Enrico Righetti, laureando; Alberto Colella, Direttore Generale di MBN Nanomaterialia.

«I risultati di questa ricerca sono di immediata e attuale rilevanza –spiega Bolelli-. Evidenziano, infatti, che i rivestimenti a base di carburo di titanio possono essere considerati alternativi ai convenzionali rivestimenti in carburo di tungsteno cobalto-cromo in tutte quelle applicazioni che richiedano resistenza a corrosione e usura per strisciamento, anche a caldo, come, ad esempio, il settore aeronautico, petrolchimico, cartario, e le macchine automatiche per packaging e per la food & beverage industry. In quest’ultimo ambito, l’assenza di sostanze pericolose come il cobalto e la possibilità di utilizzare matrici metalliche a base ferro-cromo (affini agli acciai inossidabili) può essere di particolare importanza».

«I rivestimenti a base di carburo di titanio possono essere considerati nelle applicazioni che richiedano resistenza a corrosione e usura come il settore aeronautico, petrolchimico, cartario, e le macchine automatiche per packaging e per la food & beverage industry»

Giovanni Bolelli, Ricercatore – Università di Modena e Reggio Emilia

Soddisfazione è stata espressa anche da parte de Il Sentiero International Campus.

«È molto difficile indentificare una composizione di rivestimento che raggiunga le capacità funzionali del carburo di tungsteno cobalto-cromo, nonostante i singoli “ingredienti” possano avere delle proprietà paragonabili –continua Sassatelli-. La composizione carburo di titanio in lega nichel-cromo ha dei vantaggi indubbi: è priva di materie prime critiche e non contiene elementi dannosi per la salute».

«Inoltre -aggiunge Sassatelli-, è più leggera, quindi contribuisce a ridurre l’energia necessaria per il funzionamento dei mezzi e prodotti su cui può essere applicata, come gli aerei, ad esempio, ma non solo. Infine, a parità di peso di materia prima, è possibile rivestire molta più superficie, riducendo i costi in fase di produzione dei componenti. Sebbene sia ancora presto per parlare di un materiale in grado di sostituire quello ad oggi utilizzato, i miglioramenti di questo nuovo sviluppo rispetto alla fase precedente sono considerevoli e le performance promettenti».

«La nuova composizione ha dei vantaggi indubbi: è priva di materie prime critiche, non contiene elementi dannosi per la salute, è leggera e consente di rivestire più superficie a parità di peso».

Paolo Sassatelli, Ricercatore – Il Sentiero International Campus

«La collaborazione ci ha permesso di sviluppare una nuova generazione di polveri nanostrutturate “green” per rivestimenti superficiali termospruzzati evitando l’utilizzo di materiali quali il Cobalto e il Carburo di Tungsteno –conclude Colella di MBN Nanomaterialia-. Le applicazioni prototipali di questi materiali tutt’ora in corso sono rivolte principalmente a rivestimenti anticorrosione e antiusura in componenti meccanici che operano in diversi ambiti industriali anche a sostituzione di trattamenti di cromatura dura». 

Gli studi scientifici pubblicati

  • G. Bolelli, A. Colella, L. Lusvarghi, S. Morelli, P. Puddu, E. Righetti, P. Sassatelli, V. Testa, TiC–NiCr thermal spray coatings as an alternative to WC-CoCr and Cr3C2–NiCr, Wear 450–451 (2020) 203273, https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203273.
  • G. Bolelli, A. Colella, L. Lusvarghi, P. Puddu, R. Rigon, P. Sassatelli, V. Testa, Properties of HVOF-sprayed TiC-FeCrAl coatings, Wear 418–419 (2019) 36-51, https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.11.002.
  • G. Bolelli, L.-M. Berger, T. Börner, H. Koivuluoto, L. Lusvarghi, C. Lyphout, N.Markocsand, V. Matikainen, P. Nylénd, P. Sassatelli, R. Trache, P. Vuoristoc, Tribology of HVOF- and HVAF-sprayed WC–10Co4Cr hardmetal coatings: A comparative assessment, Surface & Coatings Technology, 265 (2015) 125–144, https://www.journals.elsevier.com/surface-and-coatings-technology
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