Rivestimenti versatili in diamante per ottenere maggiore o minore attrito

Dal punto di vista chimico sono la stessa cosa, ma dal punto di vista fisico sono estremamente diversi: da una parte morbida grafite nera, usata come lubrificante o come “punta” per le matite, dall’altra diamante trasparente, il materiale più duro del mondo. La distanza tra questi due estremi è colmata dal cosiddetto carbonio simil-diamante (diamond-like carbon o DLC), che, sotto forma di strati sottili, acquista una sempre maggiore importanza rispetto ai tradizionali rivestimenti duri in nitruro di titanio (TiN), nitruro di titanio e alluminio (TiAlN) o carbonitruro di cromo (CrCN). Questo è dovuto tra l’altro alle molte proprietà che esso consente di attivare attraverso i processi di rivestimento sotto vuoto (PVD o CVD). Si creano infatti strati di atomi di carbonio che abbinano le proprietà strutturali del diamante e della grafite. Il tema dei rivestimenti DLC svolgerà un ruolo importante anche in occasione della prossima fiera internazionale delle tecnologie per il trattamento, la finitura e il rivestimento delle superfici (Oberfllächen und Schichten, O&S) in calendario dal 24 al 26 giugno 2014 a Stoccarda.

Il rapporto tra questi tipi di strutture e le loro proprietà può essere modificato praticamente a piacere nel corso del processo di rivestimento.

Inoltre, le proprietà degli strati possono essere variate incorporando altri elementi chimici: sia non metalli quali ossigeno, azoto, fluoro o silicio, sia l’intera gamma dei metalli. Al riguardo sono particolarmente utili i metalli del sottogruppo da 4 a 6 della Tavola Periodica, quali tungsteno, titanio o cromo, che formano carburi estremamente duri. In generale, ci sono diversi tipi di strati che differiscono per la loro morfologia (stato amorfo o cristallino), per il loro contenuto di idrogeno e per la loro impregnazione. La sorprendente variabilità degli strati ha portato a una enorme gamma di opzioni di rivestimenti DLC anche estremamente differenziati. Una buona sintesi di questo ampio spettro di opzioni è offerta dalla direttiva VDI 2840, intitolata “Strati di carbonio – elementi base, tipi di strati e proprietà”.

 

“Questa varietà di opzioni per la composizione degli strati e delle loro proprietà fa sì che il DLC sia un rivestimento di tipo assolutamente innovativo”, afferma Jochen Brand, Responsabile del Centro di tribologia dell’Istituto Fraunhofer per la tecnologia delle superfici e dei rivestimenti (IST) di Braunschweig. Il grande interesse suscitato dal DLC è dovuto al fatto che, con la moderna tecnologia ecocompatibile degli strati sottili, si possono realizzare prodotti con capacità di carico superficiale decisamente più elevate. Questo offre il vantaggio di consentire la massima libertà di abbinamento tra materiale base e rivestimento, il che consente a sua volta di ottenere una sempre più ampia gamma di applicazioni. Poiché gli strati si formano a temperature relativamente basse, è persino possibile “nobilitare” i materiali. Ai materiali possono così essere conferite proprietà di superficie che essi stessi non posseggono come solidi.

 

Attrito e consumo generano costi elevati

Un ambito applicativo importante è quello della riduzione dell’attrito e del consumo, due fenomeni che nella sola Germania vengono a costare ogni anno decine di miliardi, benché si usino enormi quantità di lubrificanti organici come oli e grasso. Peraltro, molti di questi lubrificanti non sono sicuri sul piano ecologico, comportano elevati costi di produzione, ad esempio per la realizzazione di sistemi incapsulati, sono condizionati dalle temperature e hanno durata limitata. È proprio in funzione di questi problemi che i rivestimenti DLC possono essere altamente migliorativi – e sono quindi già adottati per molti prodotti in uso nella vita di tutti i giorni. Proteggono ad esempio i dischi fissi dei computer, le lame dei rasoi elettrici o i componenti dei moderni sistemi diesel a iniezione. Questi esempi dimostrano che è possibile una produzione economica di serie dei rivestimenti DLC malgrado l’elevato costo della tecnologia del sottovuoto. I rivestimenti DLC di recente progettazione aiutano anche i produttori automobilistici a soddisfare i requisiti della normativa EU6 sui gas di scarico. Le soluzioni di rivestimento più innovative garantiscono infatti un minore attrito con una eccellente protezione dall’usura e una elevatissima affidabilità dei componenti. Grazie alla loro struttura amorfa e alla elevata durezza che ne consegue, questo rivestimento è particolarmente adatto per i componenti dei motori ad alta efficienza. Applicazioni tipiche sono in questo senso pistoni, fasce elastiche per pistoni, perni per pistoni, leve oscillanti, punterie e componenti per iniezione. Incidentalmente, va detto anche che le elevate pressioni di oltre 2.000 bar che i sistemi di iniezione a diesel raggiungono oggi sono possibili solo grazie a rivestimenti di questo tipo, che, peraltro, durano per tutta la vita della vettura.

 

Anche un incremento mirato dell’attrito può migliorare i prodotti

Anche efc plasma GmbH, che ha sede a Ingolstadt, in Germania, ha sviluppato una versione dei rivestimenti DLC nella quale tocca un ruolo centrale al diamante. I cosiddetti rivestimenti GRIP® al plasma, che sono praticamente l’opposto dei DLC, sono stati studiati per accrescere l’attrito, consentendo la produzione di strutture leggere e compatte senza limiti nella trasmissione della forza e del momento torcente. I rivestimenti vengono applicati alla superficie del materiale base a pressione atmosferica attraverso un processo combinato che prevede l’innovativa deposizione per evaporazione fisica (PVD) di una miscela di polveri in fase gassosa tramite arco elettrico e polveri ultrasottili. Le polveri sono costituite da particelle di carburo di nichel/diamante o nichel/silicio. Gli strati si formano sul materiale base, e mentre il rivestimento metallico si fonde su di esso o in esso, le particelle dure si legano con la superficie. “L’elevata capacità di resa dei nostri rivestimenti è stata verificata dal Politecnico di Chemnitz”, dice Willy Speth, managing director di efc. “È il primo processo fisico inline-capable al mondo per l’applicazione di rivestimenti Ni-diamond e Ni-SiC che aumentano l’attrito.” Il coefficiente di attrito di varie combinazioni di materiali può essere in alcuni casi addirittura più che quintuplicato con il giusto rivestimento GRIP al plasma.

 

Selezionando le particelle dure e variando la dimensione del grano e la configurazione della superficie, è possibile ottenere il coefficiente di attrito statico superficiale di cui si ha bisogno e adattarlo alla scabrosità della superficie di accoppiamento. L’elenco dei possibili substrati è lungo, e spazia da acciaio e acciaio inossidabile a plastiche rinforzate in fibra di carbonio (CRPs), poliammidi, ghisa, alluminio e leghe di alluminio, ceramica. Un fattore di successo determinante è dato anche dal metodo efc di produzione delle polveri. Le dimensioni del grano delle particelle dure protette in nichel variano tra i 15 e i 55 micron. È possibile rivestire anche parti grandi e dalle forme geometriche complesse. La tecnologia disponibile permette di produrre sia prototipi sia grandi serie, e si adatta anche ad applicazioni mobili sul posto. E le proprietà tecnologiche rimangono immutate per l’intera vita delle parti.

 

I rivestimenti innovativi saranno uno dei temi centrali di O&S, che nel 2014 si terrà per la prima volta abbinata alla fiera leader internazionale per la pulizia industriale di parti e superfici (parts2clean). Sarà così possibile passare in rassegna l’intera offerta delle tecnologie per il trattamento delle superfici – dal pre-trattamento alla pulizia, al rivestimento – e questo richiamerà sicuramente su Stoccarda un’ancor più elevata affluenza di espositori e di visitatori. Nel corso della sua ultima edizione, che si è svolta nel 2012, O&S ha accolto 7.000 visitatori, che hanno passato in rassegna l’offerta di 330 espositori su un’area di circa 7.500 metri quadrati.

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