Svantaggi dei materiali tradizionali resistenti all'usura
In effetti, i materiali ferrosi sono da tempo comuni opzioni resistenti all'usura, con l'acciaio al manganese, la ghisa bianca e l'acciaio legato come varietà ampiamente utilizzate. Tuttavia, questi materiali presentano alcuni svantaggi. Ad esempio, l'acciaio austenitico al manganese vanta un'eccellente tenacità, ma è piuttosto difficile da lavorare. La ghisa bianca semplice e la ghisa bianca bassolegata offrono buona durezza e resistenza all'usura, ma soffrono di elevata fragilità, limitandosi ad applicazioni che comportano solo carichi leggeri. Mentre la ghisa bianca mediolegata e altolegata ha superato il problema dell'elevata fragilità, è associata a costi di produzione significativamente più elevati.
Usura, corrosione e frattura sono le principali cause di guasti ai componenti delle apparecchiature, ampiamente diffusi in settori come la metallurgia, l'edilizia, l'energia elettrica e i macchinari. Tra questi fattori, l'usura esercita l'impatto più grave sui componenti. Soprattutto per le apparecchiature di trasporto, l'usura dei materiali è responsabile di circa l'80% dei guasti dei componenti, dove i materiali tradizionali resistenti all'usura non sono più in grado di soddisfare i requisiti di servizio in condizioni di lavoro gravose.
Negli anni '80, sono emersi gradualmente diversi materiali ceramici resistenti all'usura, come boruri, carburi e nitruri, e da allora i paesi di tutto il mondo hanno investito ingenti risorse nella ricerca in materia. Con l'approfondimento della ricerca, questi nuovi materiali ceramici resistenti all'usura hanno trovato sempre più applicazione in apparecchiature industriali e condotte grazie alle loro eccellenti prestazioni. Sostituendo i materiali metallici convenzionali, hanno migliorato significativamente la durata utile delle apparecchiature e la capacità di funzionamento continuo.
Proprietà e caratteristiche della ceramica industriale resistente all'usura
I materiali ceramici industriali si sono guadagnati una posizione di rilievo nel settore della resistenza all'usura, principalmente grazie alle seguenti proprietà e caratteristiche chiave:
(1) Elevata durezza e resistenza;
(2) Eccellente resistenza all'usura e lunga durata. I test hanno dimostrato che la sua resistenza all'usura è 180 volte superiore a quella dell'acciaio al manganese e 118 volte superiore a quella dell'acciaio fuso ad alto contenuto di cromo.
(3) Elevata resistenza agli urti;
(4) Resistenza alle alte temperature. Incollaggio saldo ed eccellente resistenza al calore;
(5) Leggero. La densità della ceramica resistente all'usura è di circa 3,6 g/cm³, solo la metà di quella dell'acciaio e del ferro, il che può ridurre significativamente il carico dell'attrezzatura.
(6) Ampia gamma di applicazioni e forte adattabilitàI materiali ceramici industriali di diversi tipi possono essere selezionati in base a requisiti specifici per tutte le apparecchiature meccaniche soggette a usura intensiva in sistemi quali polverizzazione, preparazione del carbone, trasporto di materiali, scarico delle ceneri e rimozione della polvere, ampiamente utilizzati in aziende tra cui centrali termoelettriche, acciaierie, fonderie, miniere e cementifici.
Classificazione delle ceramiche industriali resistenti all'usura
Classificati in base al materiale, i materiali ceramici industriali più comuni e resistenti all'usura includono principalmente ceramiche ossidiche, ceramiche al carburo e ceramiche al nitruro.
(1) Ceramica industriale resistente all'usura dell'ossido
Tra i materiali per la produzione di componenti resistenti all'usura, le ceramiche di allumina si distinguono come tipiche rappresentanti dei materiali ceramici industriali resistenti all'usura. Grazie alla loro elevata durezza, all'eccellente stabilità chimica e alla straordinaria resistenza all'usura, le ceramiche di allumina sono ampiamente utilizzate in settori come la metallurgia, la petrolchimica e l'aerospaziale. Tuttavia, la loro tenacità alla frattura relativamente bassa e la scarsa resistenza agli shock termici ne hanno limitato l'applicazione in settori industriali, in particolare in quelli con requisiti rigorosi per le proprietà meccaniche dei materiali. L'introduzione di una certa quantità di altri composti nelle ceramiche di allumina può effettivamente aumentarne la tenacità, migliorandone ulteriormente la resistenza all'usura. Per questo motivo, le ceramiche composite a matrice di allumina sono diventate attualmente un'importante direzione di ricerca e sviluppo.
(2) Ceramica resistente all'usura al nitruro
Le ceramiche al nitruro hanno avuto un inizio relativamente tardivo e non hanno conosciuto un rapido sviluppo fino agli anni '70. Quasi tutte sono prodotte tramite sintesi artificiale. Oltre a presentare elevata resistenza e durezza, presentano anche eccellenti proprietà elettriche e termiche. Dopo decenni di sviluppo, le ceramiche al nitruro come il nitruro di silicio, il nitruro di alluminio e il nitruro di boro sono state ampiamente utilizzate come componenti meccanici ad alta resistenza, componenti resistenti alla corrosione e parti resistenti all'usura in settori quali l'aerospaziale, la meccanica e la metallurgia.
(3) Ceramica resistente all'usura in carburo
Le ceramiche al carburo di boro presentano proprietà chimiche estremamente stabili e la loro durezza è seconda solo a quella del diamante e del nitruro di boro cubico (CBN), rendendole eccellenti materiali antiusura o antiattrito con ampie prospettive di applicazione in abrasivi, cuscinetti, anelli di tenuta e utensili da taglio. Tuttavia, le proprietà tribologiche delle ceramiche B₄C sono fortemente influenzate da temperatura, carico, velocità di attrito e materiali delle coppie di attrito, pertanto le condizioni di lavoro e i fattori ambientali devono essere attentamente considerati nelle applicazioni pratiche.
