Rivestimenti resistenti all'usura: tipologie e come scegliere quello giusto

Guida ai rivestimenti resistenti all'usura

Ogni macchina ha un punto di rottura. Negli ambienti industriali, questo punto viene spesso raggiunto a causa dell'usura. L'usura superficiale è causata da abrasioni, grippaggio ed erosione. La superficie alla fine diventa inutilizzabile e la produzione si arresta. Anche i costi aumentano. L'usura meccanica è la principale causa di guasti nei settori manifatturiero, petrolifero e del gas e aerospaziale. Il danno di solito inizia lentamente, ma una volta avviato peggiora rapidamente.

La protezione delle superfici è la soluzione. I rivestimenti antiusura creano una barriera che protegge la superficie della macchina da qualsiasi forza che tenti di danneggiarla. Il rivestimento giusto prolungherà la durata di qualsiasi componente sottoposto a vibrazioni costanti o esposto a sostanze chimiche aggressive. Sono disponibili numerose opzioni di rivestimento, dai rivestimenti duri di anodizzazione ai sistemi al carburo per macchinari industriali pesanti.

Boda Tech aiuta ingegneri e team di approvvigionamento a trovare soluzioni di protezione delle superfici adatte alle loro condizioni operative lavorazione dei metalli personalizzata servizi. Questa guida spiegherà le differenze tra spruzzatura termica e nichelatura chimicaoppure aiutarvi a scegliere quello giusto per i vostri utensili soggetti a forte usura.

Che cos'è un rivestimento resistente all'usura?

Tubazioni e valvole industriali

I rivestimenti antiusura proteggono i componenti delle macchine dai danni causati da attrito, urti e aggressioni chimiche. Questi rivestimenti modificano solo lo strato esterno e non il materiale di base. Sono in grado di aumentare la durezza, ridurre l'attrito o migliorare la resistenza chimica senza alterare la forma o le proprietà meccaniche fondamentali del componente.

Fa molto di più che semplicemente rallentare il tasso di guasto. Modifica le prestazioni della superficie. Riduce l'attrito e aumenta la resistenza alla corrosione. Permette ai componenti di funzionare in modo affidabile in ambienti che altrimenti li usurerebbero rapidamente. Il materiale di base continua a sopportare il carico strutturale, mentre il rivestimento si occupa delle sollecitazioni superficiali.

Come funzionano i rivestimenti resistenti all'usura?

A seconda della composizione, diversi rivestimenti proteggono una varietà di meccanismi. I rivestimenti duri, come l'ossido di tungsteno o il carburo di cromo, creano una superficie più dura del materiale con cui entrano in contatto, impedendone l'asportazione. I rivestimenti a basso attrito, come il PTFE e il DLC, riducono il trasferimento di energia durante lo scorrimento, diminuendo l'usura adesiva. I rivestimenti barriera, come quelli epossidici o a base di ossidi ceramici, bloccano agenti chimici e umidità.

È inoltre importante considerare come verrà applicato il rivestimento. I processi di spruzzatura termica utilizzano particelle fuse per creare un rivestimento spesso e ben aderente. I processi PVD e CVD depositano rivestimenti su scala atomica per un controllo preciso e un'elevata adesione. I processi elettrochimici, come l'anodizzazione o la placcatura chimica, creano strati superficiali mediante reazioni chimiche controllate.

Qual è la differenza tra resistenza all'usura, all'abrasione e alla corrosione?

I termini vengono usati in modo intercambiabile, ma hanno significati diversi. La resistenza all'usura è la resistenza generale ai danni superficiali causati dal contatto meccanico. I rivestimenti resistenti all'abrasione proteggono dai danni causati da particelle dure o superfici ruvide che sfregano contro un componente. Questo è comune nei sistemi di estrazione mineraria, fresatura e trasporto. I rivestimenti resistenti alla corrosione sono progettati per proteggere dai danni elettrochimici e chimici, come ruggine, ossidazione e attacco chimico da parte di fluidi e gas.

Nelle applicazioni reali, i rivestimenti devono essere in grado di gestire più fluidi contemporaneamente. In un impianto chimico, un componente di una pompa potrebbe essere esposto sia a fluidi abrasivi che a liquidi corrosivi. Ha bisogno di un rivestimento in grado di proteggerlo da entrambi.

Comprendere i tipi di usura

Rivestimento ceramico per una maggiore resistenza all'usura.

Prima di scegliere un rivestimento, è fondamentale identificare correttamente il tipo di usura che interessa il componente. Un rivestimento che indurisce la superficie potrebbe non risolvere il problema dei micromovimenti e delle vibrazioni che causano danni reali. Ogni tipo di usura presenta sintomi specifici e richiede una soluzione specifica.

fretting

L'usura da sfregamento è la rimozione lenta di materiale da due superfici a contatto che subiscono piccoli movimenti di andata e ritorno, in genere dovuti a vibrazioni. Può lasciare residui ossidati e corrosione localizzata. L'usura da sfregamento è comune nelle testate dei cilindri, nelle piste di rotolamento dei cuscinetti a sfera e sulle superfici di giunzione dei bulloni. I prodotti anti-sfregamento agiscono aumentando la durezza superficiale delle superfici e riducendo il micro-scorrimento tra di esse.

• Rivestimenti in carburo di tungsteno sulle superfici dei cuscinetti e delle piste di rotolamento
• I rivestimenti delle testate dei cilindri sono resistenti all'usura termica e meccanica.
• Le superfici di contatto che richiedono tolleranze ristrette possono essere cromate dure o nichelate chimicamente.

Irritante

Il grippaggio si verifica quando due superfici che scorrono l'una contro l'altra si attaccano e poi si separano sotto l'alta pressione. Ciò provoca il trascinamento di materiale da una superficie all'altra. Alluminio, acciaio inossidabile e titanio sono particolarmente soggetti a questo problema. Questa corrosione è comune nei cilindri e nelle boccole idrauliche.

I rivestimenti antigrippaggio possono prevenire questo fenomeno creando uno strato intermedio duro o liscio.

• I rivestimenti in carburo di tungsteno offrono la massima durezza superficiale
• Leghe di ottone e bronzo per il rivestimento di superfici metalliche più tenere
• Rivestimenti polimerici a base di PTFE per contatto di scorrimento a basso attrito

Usura erosiva

Particelle solide o gocce di liquido che colpiscono ripetutamente una superficie possono causare usura erosiva. Questo è un problema comune nei settori della stampa, dell'industria mineraria e del petrolio e del gas, dove i fluidi contengono materiali abrasivi. I rivestimenti resistenti all'erosione aumentano la durezza della superficie per assorbire gli impatti senza perdere materiale.

Un buon esempio è rappresentato dalla riparazione dei rulli inchiostratori delle macchine da stampa. I rivestimenti a spruzzo termico con carburo ripristinano la geometria superficiale dei rulli, soggetti a continui impatti di fluidi e particelle, e ne aumentano la durata.

Usura abrasiva

Quando particelle dure o superfici ruvide sfregano o tagliano materiali più morbidi, provocano usura abrasiva. Questo è il tipo di usura più comune nei processi di produzione e lavorazione meccanica. I rivestimenti resistenti all'abrasione interpongono un materiale duro tra l'abrasivo, il substrato e l'abrasivo stesso, proteggendo metalli come alluminio, rame e nichel.

Tra gli esempi si possono citare i rulli di taglio e piegatura utilizzati nella stampa, i taglienti degli utensili impiegati nella lavorazione meccanica e le superfici soggette a scheggiature dovute a carichi ripetuti. È importante mantenere le dimensioni il più precise possibile e rallentare l'asportazione del materiale.

Tipi di rivestimenti

Spray per rivestimento resistente all'usura 

Il passo successivo, una volta determinato il tipo di usura, consiste nell'abbinare la composizione chimica del rivestimento al metodo di applicazione. Di seguito sono elencati i tipi più comuni di rivestimenti resistenti e le relative applicazioni ottimali.

Rivestimenti a spruzzo termico

Il termine "spruzzo termico" comprende diversi processi, tra cui la spruzzatura al plasma, la spruzzatura HVOF, la spruzzatura ad arco e la spruzzatura a fiamma. Tutti questi processi proiettano particelle fuse o semifuse su una superficie al fine di creare un rivestimento denso e aderente. Tali rivestimenti offrono un'eccellente protezione contro l'usura, la corrosione e l'erosione nei settori aerospaziale, petrolifero e del gas, nonché nella produzione di energia.

Il processo HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) produce rivestimenti estremamente densi e a bassa porosità. Questo tipo di rivestimento è ampiamente utilizzato per i carrelli di atterraggio aeronautici, i componenti delle turbine e le giranti delle pompe. La spruzzatura al plasma può essere impiegata anche per rivestire ceramiche e cermet. Questi materiali sono in grado di svolgere sia funzioni di protezione dall'usura che di barriera termica.

Rivestimenti in carburo

I rivestimenti più difficili da applicare sono quelli al carburo. Tra questi, il carburo di tungsteno e il carburo di cromo. Per la loro applicazione si utilizzano la spruzzatura termica (principalmente HVOF) o il plasma. Offrono protezione contro abrasioni, erosione, usura da sfregamento e grippaggio. Questi rivestimenti sono ampiamente utilizzati in settori quali quello petrolifero e del gas, minerario e aerospaziale, dove i componenti sono costantemente esposti a usura estrema e a forti sollecitazioni meccaniche.

I seguenti composti di carburo sono comunemente utilizzati:

• Il carburo di tungsteno (WC-Co) presenta la massima durezza in condizioni di abrasione estreme.
• Carburo di tungsteno con cobalto/cromo: resistenza alla corrosione e protezione dall'usura.
• Nichel/cromo e carburo di cromo: la scelta migliore per applicazioni ad alta temperatura fino a circa 900 gradi Celsius.
• Carburo di tungsteno, nichel e cobalto: ideali per ambienti corrosivi dove il cobalto potrebbe non essere adatto.

Rivestimenti in ceramica

Materiali come zirconio, titanio e ossido di alluminio vengono utilizzati nei rivestimenti ceramici. Questi rivestimenti proteggono da abrasioni, attacchi chimici e usura da scorrimento. Possono essere applicati tramite spruzzatura al plasma, cannoni a detonazione o altri metodi. Tra le applicazioni pratiche più comuni si annoverano i rivestimenti barriera termica sulle pale delle turbine dei motori a reazione, i rivestimenti resistenti all'usura nelle pompe industriali e gli strati protettivi sugli impianti ortopedici, dove la biocompatibilità e la durata sono di fondamentale importanza.

Questi rivestimenti possono essere utilizzati su componenti automobilistici, impianti medicali e utensili da taglio. L'inerzia chimica garantisce resistenza ai liquidi corrosivi e la durezza permette di sopportare l'usura abrasiva. È possibile aggiungere sigillanti per offrire resistenza alla corrosione anche negli ambienti più aggressivi.

Rivestimenti DLC (carbonio simile al diamante)

I rivestimenti DLC si comportano come i diamanti naturali. Sono estremamente duri, a basso attrito e resistenti agli agenti chimici. Rappresentano una scelta eccellente per applicazioni che richiedono basso attrito ed elevata resistenza all'usura.

I principali utilizzatori sono i componenti del settore automobilistico, come i componenti del sistema di distribuzione, le fasce elastiche dei pistoni e i dispositivi medici. Il basso attrito e la durezza riducono la perdita di energia dalle parti in movimento, prevenendo al contempo l'affaticamento superficiale e l'usura adesiva.

Rivestimenti a base polimerica

I rivestimenti polimerici sono disponibili in una varietà di materiali, tra cui miscele di PTFE e FEP, PVDF, poliuretani epossidici e miscele di fluoropolimeri di xilano. I rivestimenti polimerici, come il PTFE, offrono un'eccellente resistenza alla corrosione e all'usura, ma la loro resistenza all'usura è spesso inferiore a quella di rivestimenti più duri come il carburo o il DLC.Questi prodotti sono ideali per nastri trasportatori e attrezzature per la lavorazione degli alimenti. Funzionano bene anche su cuscinetti e altre superfici che richiedono resistenza chimica.

Il PTFE ha un'elevata resistenza alle alte temperature ed è il rivestimento originale. Il FEP ha caratteristiche simili al PTFE con una maggiore resistenza all'abrasione. I sistemi epossidici offrono una solida resistenza agli urti e rappresentano un'opzione economica per la prevenzione della corrosione e dell'abrasione in ambienti meno esigenti.

Nichelatura chimica

Per la nichelatura chimica non è necessaria corrente elettrica per depositare uno strato uniforme di nichel-fosforo su superfici complesse. Questa uniformità è ideale per componenti con forme intricate, caratteristiche interne o fori. L'elettrodeposizione, al contrario, può essere difficile da eseguire in modo uniforme.

Il rivestimento offre buona durezza, resistenza alla corrosione e lubrificazione naturale. È particolarmente efficace su titanio e alluminio. È meno dannoso per l'ambiente e non provoca infragilimento da idrogeno, che può verificarsi su componenti ad alta resistenza.

Cromatura dura e anodizzazione

La cromatura dura offre resistenza alla corrosione e all'usura, riducendo al contempo l'attrito. Viene utilizzata su cilindri idraulici e steli di pistoni, nonché su rulli industriali che necessitano di mantenere tolleranze dimensionali ristrette per una lunga durata.

Il trattamento superficiale più comune per l'alluminio è anodizzazione a rivestimento duroIl rivestimento duro di tipo III crea uno strato denso e spesso di ossido di alluminio che aumenta la durezza superficiale e la resistenza all'usura. Puoi scegliere il livello di protezione migliore conoscendo le differenze tra anodizzazione di tipo II vs. tipo IIIIl tipo II è ideale per le parti in alluminio soggette a usura reale. Il tipo III, invece, offre una protezione generale contro la corrosione.

Rivestimento di conversione all'alodina

Rivestimento Alodine Si tratta di un rivestimento di conversione al cromato per alluminio. Protegge dalla corrosione e offre un'ottima superficie per l'adesione di vernici o primer. Ha una resistenza all'usura inferiore rispetto alla spruzzatura termica o all'anodizzazione, ma protegge bene dagli agenti chimici senza alterare le dimensioni del pezzo. Questo lo rende ideale per contenitori elettronici e componenti aerospaziali, dove la precisione dimensionale è fondamentale.

Qual è la differenza tra un rivestimento migliorativo e un rivestimento resistente all'usura?

Il termine "rivestimenti migliorati" si riferisce a qualsiasi tipo di rivestimento che migliora le prestazioni superficiali di un componente. Comprende miglioramenti termici, elettrici e decorativi, oltre alla resistenza all'usura. Questo rivestimento è un tipo di rivestimento migliorato che protegge da danni meccanici e tribologici.

Confronto di diversi tipi

Nella scelta del rivestimento migliore, è necessario considerare diversi fattori. Questa tabella confronta le tipologie di rivestimento più diffuse.

Applicazioni per settori specifici

Rivestimento resistente all'usura 

I rivestimenti più resistenti all'usura e alla corrosione potrebbero non essere i più adatti a tutte le applicazioni.

Industria automobilistica

I rivestimenti termici e DLC riducono l'attrito nei componenti del motore, come pistoni e parti del sistema di distribuzione. Questi rivestimenti sono inoltre resistenti all'usura, anche ad alte temperature. Rivestimenti in teflon sull'acciaio inossidabile I componenti vengono utilizzati nel sistema di alimentazione, nei corpi farfallati e in altre aree in cui è richiesta resistenza chimica.

Industria aerospaziale

I rivestimenti del carrello di atterraggio, delle pale e dei componenti strutturali devono garantire resistenza alla corrosione e alla fatica. Il carrello di atterraggio è rivestito con carburo di tungsteno o di cromo applicato mediante spruzzatura termica HVOF. L'anodizzazione dura e altri rivestimenti vengono utilizzati per proteggere i componenti in alluminio della cellula. L'impiego di rivestimenti ceramici a barriera termica sulle pale delle turbine contribuisce a prolungarne la durata in ambienti di combustione ad alta temperatura.

Industria petrolifera e del gas

Tubazioni, pompe e valvole sono esposte a condizioni aggressive, abrasive e chimiche. I rivestimenti termici in carburo proteggono dall'effetto erosivo dei fluidi di processo. La combinazione di ceramica e sigillanti può fornire resistenza all'abrasione e alla corrosione nelle aree esposte a entrambi gli agenti.

Produzione e lavorazione

Gli utensili da taglio rivestiti in DLC, DLC Ceramic o carburo mantengono più a lungo il filo. Ciò migliora la qualità e riduce i tempi di inattività. Per le superfici degli stampi, la scelta migliore è rappresentata dal cromo duro o dal nichel chimico. 

La protezione dei componenti dei sistemi di trasporto, delle superfici dei rulli e di altre superfici dall'esposizione continua a materiali abrasivi viene effettuata con polimeri e carburi. I rivestimenti antiusura sono sempre più considerati parte integrante dei processi di lavorazione dei metalli personalizzati, anziché un elemento aggiuntivo.

Medico e dentale

Le due opzioni principali sono il DLC e il nitruro di titanio. Il DLC e il nitruro di titanio sono i due ioni principali. Questi materiali sono chimicamente e fisicamente inerti e possono quindi resistere ai cicli di sterilizzazione.

Come scegliere il cappotto resistente all'usura più adatto

La scelta di un rivestimento non dovrebbe basarsi esclusivamente sul prezzo. Esistono molte opzioni. Un rivestimento più economico, ma che si deteriora in sei mesi, costerà di più di uno di qualità superiore che dura cinque anni.

I fattori chiave per la selezione

Prima di prendere una decisione definitiva, tenete conto di questi fattori.

• Tipo di abbigliamento: identificare la principale modalità di guasto, come l'abrasione o l'erosione.
• Ceramica e cermet I rivestimenti possono resistere alle alte temperature; i rivestimenti polimerici sono meno resistenti.
• Ambiente chimico: I fluidi corrosivi richiedono una forte resistenza chimica, come quella di materiali ceramici, nichel chimico o fluoropolimeri.
• Alluminio, titanio e acciaio Tutti hanno processi di rivestimento diversi, che possono essere compatibili o incompatibili.
• Tolleranza dimensionale: La nichelatura chimica e il PVD sono sottili e uniformi, mentre la spruzzatura termica aggiunge spessore.
• Finitura superficiale: Alcuni rivestimenti richiedono una successiva levigatura, mentre altri possono essere applicati direttamente dalla finitura.
• Cromo duro è motivo di preoccupazione a causa del cromo esavalente; l'anodizzazione e la nichelatura chimica sono alternative migliori.

Riparazione e ripristino dei componenti

Non solo i nuovi componenti vengono rivestiti con vernici antiusura, ma la spruzzatura termica può essere utilizzata anche per ricostruire componenti usurati o danneggiati, che vengono poi rilavorati per riportarli alle dimensioni originali. Questo è il metodo standard per componenti costosi come alberi di turbine e cilindri idraulici. Tale metodo è ampiamente utilizzato nella manutenzione, riparazione e revisione (MRO) dei settori aerospaziale, dei macchinari industriali e della produzione di energia.

Come evitare gli errori più comuni nella scelta di un rivestimento resistente all'usura

Rivestimento anodizzato su parti in alluminio

Anche gli ingegneri più esperti possono commettere errori nella scelta dei rivestimenti. Questi errori possono portare a guasti prematuri, sprechi di denaro o problemi di compatibilità che si manifestano solo in condizioni operative reali. La durezza è importante, ma non è l'unico fattore da considerare nella scelta di un rivestimento. Un rivestimento troppo duro e fragile, applicato a un componente soggetto a carichi d'urto, può creparsi e staccarsi.

La preparazione della superficie è importante: l'adesione dipende dalla qualità della superficie stessa. Superfici contaminate o non adeguatamente preparate daranno luogo a una debole adesione del rivestimento, indipendentemente dalla sua qualità. Ignorando la differenza di dilatazione termica: substrati e rivestimenti si espandono a velocità diverse. Quando un rivestimento ceramico viene applicato all'alluminio, può causare delaminazione in seguito a cicli termici.

Non bisogna confondere la resistenza alla corrosione con la resistenza all'usura. Un rivestimento con un'ottima resistenza alla corrosione potrebbe avere una scarsa resistenza all'usura, e viceversa. È fondamentale specificare entrambi i requisiti. I rivestimenti applicati tramite spruzzatura termica rappresentano un vero e proprio valore aggiunto per il materiale. Se questo aspetto non viene preso in considerazione in fase di progettazione, può causare problemi di accoppiamento e di spazio libero negli assemblaggi di precisione.

Conclusione 

I rivestimenti antiusura possono rappresentare un ottimo investimento per la longevità delle vostre apparecchiature. Esiste una soluzione collaudata per ogni problema, che si tratti di sfregamento sui cuscinetti, usura abrasiva sugli utensili da taglio o erosione nelle apparecchiature di processo. È importante scegliere il rivestimento più adatto al tipo di usura, al substrato e all'ambiente operativo, anziché optare per la soluzione più comune o più economica.

Boda Tech supporta gli ingegneri in questo processo fornendo competenze specifiche sui trattamenti superficiali e servizi di lavorazione dei metalli personalizzati, che tengono conto dei requisiti di rivestimento fin dalle prime fasi. Il team può aiutarvi a trovare la soluzione migliore per la vostra applicazione, che si tratti di scegliere tra i tipi di anodizzazione II e III per componenti aerospaziali in alluminio o di reperire la nichelatura chimica per strumenti di precisione. Contatta Boda Tech Contattateci oggi stesso per discutere delle vostre esigenze in materia di protezione delle superfici.

DOMANDE FREQUENTI

Qual è il rivestimento più resistente all'usura disponibile?

I rivestimenti DLC e in carburo di tungsteno sono le opzioni commercialmente disponibili più dure, raggiungendo valori di durezza pari o superiori a 70 HRC. I rivestimenti in tungsteno-cobalto (WCCo) applicati con la tecnica HVOF sono i più efficaci in condizioni di elevata usura e abrasione.

È possibile rivestire l'alluminio con un rivestimento resistente all'usura?

Sì. Il metodo più comune per proteggere l'alluminio dall'usura è l'anodizzazione a rivestimento duro. Questo processo converte la superficie in uno strato di ossido di alluminio. Un'altra opzione è la nichelatura chimica, che ricopre uniformemente le geometrie in alluminio. La PEO (ossidazione elettrolitica al plasma), un'alternativa più recente, offre una durezza superiore e una buona conformità ambientale.

Quanto dura un rivestimento resistente all'usura?

La durata di un rivestimento dipende dal suo tipo, dalle condizioni operative e dalla manutenzione. I rivestimenti in carburo applicati tramite spruzzatura termica sui rulli di stampa ne prolungano la durata di settimane o mesi. I rivestimenti DLC (Deep Light Carbon) vengono generalmente applicati ai componenti del sistema di distribuzione delle automobili e durano per l'intera vita utile del motore. I rivestimenti in nichel chimico su componenti di precisione possono proteggerli per anni in ambienti corrosivi.