Nell'ingegneria moderna delle superfici industriali, i rulli rivestiti in carburo di tungsteno sono ampiamente utilizzati in metallurgia, industria cartaria, lavorazione di pellicole e produzione di materie plastiche grazie alla loro elevatissima durezza, alla forte resistenza all'usura e all'eccezionale resistenza alla corrosione. Per le linee di produzione che richiedono lunga durata, elevata stabilità e alta resistenza all'usura, i rulli rivestiti in carburo di tungsteno sono componenti chiave pressoché insostituibili.
Tuttavia, molte aziende, quando vengono a conoscenza dei rulli rivestiti in carburo di tungsteno, si pongono la seguente domanda:
Visto che il carburo di tungsteno è così duro, perché non usare semplicemente polvere di carburo di tungsteno puro per la spruzzatura?
In teoria, il carburo di tungsteno puro, con la sua elevata durezza, l'alto punto di fusione e l'estrema resistenza all'usura, sembra ideale come materiale di rivestimento. Ma questa intuizione è sbagliata. In realtà, la polvere di carburo di tungsteno puro difficilmente può essere utilizzata direttamente nella spruzzatura termica e non viene utilizzata industrialmente inrulli rivestiti in carburo di tungsteno.
Il motivo non è solo di natura tecnica, ma anche una limitazione decisiva imposta dalla struttura del materiale e dal meccanismo del processo di spruzzatura.
Questo articolo vi guiderà attraverso una comprensione sistematica del perché, nella produzione industriale, sia necessario utilizzare polvere composita di carburo di tungsteno contenente una fase legante, anziché polvere di carburo di tungsteno pura.
Perché i rulli di rivestimento in carburo di tungsteno richiedono polvere composita anziché carburo di tungsteno puro?
Prima di comprenderne le ragioni, esaminiamo le caratteristiche principali del carburo di tungsteno:
• Elevato punto di fusione di 2870 °C
• Durezza estremamente elevata (HRA 90+)
• Elevata fragilità
• La resistenza all'ossidazione dipende dall'ambiente termico
• Basso coefficiente di dilatazione termica
Sebbene queste caratteristiche lo rendano resistente all'usura, comportano anche notevoli difficoltà nel processo di spruzzatura.
La produzione di rulli di rivestimento in carburo di tungsteno si basa principalmente su metodi come HVOF (High-Speed Flame Offset), spruzzatura al plasma o spruzzatura esplosiva. Sebbene questi processi comportino temperature elevate, non sono sufficienti a fondere completamente le particelle di carburo di tungsteno puro.
Ciò significa:
• Le particelle di carburo di tungsteno puro sono difficili da fondere.
• Incapacità di formare una struttura di rivestimento efficace.
• Difficoltà nel realizzare un legame metallurgico o un incastro meccanico con il substrato.
Pertanto, a livello industriale, è necessario aggiungere una fase legante metallica per formare una polvere composita fusibile, aderente e depositabile, che rappresenta il fondamento chiave per la produzione di successo di rulli di rivestimento in carburo di tungsteno.
Quali problemi si presentano con la polvere di carburo di tungsteno puro durante la spruzzatura?
Analizziamo ora i dettagli tecnici.
Durante la spruzzatura ad alta temperatura, la polvere di carburo di tungsteno puro presenta i seguenti gravi problemi:
1. La polvere non può sciogliersi completamente
Sebbene la temperatura dell'apparecchiatura di spruzzatura (circa 2600–3000 °C) sia elevata, non è ancora sufficiente a fondere completamente il carburo di tungsteno.
Risultati:
• La polvere impatta sul substrato allo stato solido.
• Densità del rivestimento estremamente scarsa.
• Le particelle di polvere non possono fondersi tra loro.
• Resistenza insufficiente, si stacca facilmente.
Ciò rende pressoché impossibile la formazione di una pellicola di carburo di tungsteno puro nel rivestimento spruzzato.
2. Incapacità di formare una fase di legame tra le particelle
Le strutture di rivestimento richiedono una struttura "splat," ma il carburo di tungsteno puro risulta in:
• Mancanza di adesione tra gli strati
• Numerosi pori
• Rivestimento complessivamente fragile
In definitiva, ciò rende il rullo di rivestimento in carburo di tungsteno completamente inutilizzabile.
Perché la polvere di carburo di tungsteno puro non riesce ad aderire sufficientemente al substrato metallico?
Questo è uno dei motivi principali per cui la polvere di carburo di tungsteno puro non viene utilizzata nell'industria.
La differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra il substrato metallico e il carburo di tungsteno è significativa.
• Substrato metallico (ad esempio, acciaio 45#, acciaio inossidabile): elevato coefficiente di dilatazione
• Carburo di tungsteno: coefficiente di espansione molto basso
Ciò significa che durante la fase di raffreddamento si verificherà uno stress elevato:
• Crepe nel rivestimento
• Scrostamento del rivestimento
• Grave delaminazione
In assenza di una fase legante metallica che regoli lo stress termico, il rivestimento non può aderire in modo stabile.
Le fasi leganti metalliche (Co, Ni, NiCr) possono agire come:
• "Livello buffer"
• "Canale antistress"
• "Ponte di legame"
Creazione di uno strato di transizione stabile tra il rivestimento spruzzato e il substrato.
Perché il carburo di tungsteno puro si ossida facilmente dopo la spruzzatura?
Sebbene il carburo di tungsteno sia resistente al calore, durante il processo di spruzzatura è esposto all'aria, all'ossigeno o ad atmosfere di combustione ad alta temperatura.
Quando la temperatura supera i 600 °C, il carburo di tungsteno:
• Ossidazione in WO₃ e CO₂
• Diventano fragili sulla superficie della particella
• Diminuzione della stabilità strutturale
La polvere di carburo di tungsteno puro è priva di uno strato protettivo e:
• Ossidazione durante il volo
• Ridurre la durezza
• Ridurre la resistenza all'abrasione
• Ingiallimento del colore del rivestimento e calo delle prestazioni
Le fasi leganti metalliche possono formare una barriera protettiva attorno alle particelle, riducendo il tasso di ossidazione e garantendo proprietà chimiche stabili del rullo di rivestimento in carburo di tungsteno.
Qual è esattamente il ruolo della fase legante metallica nel rullo di rivestimento in carburo di tungsteno?
Questa è la questione centrale.
Le fasi leganti comunemente utilizzate includono:
• Co (Cobalto)
• Nichel
• NiCr (Nichel-Cromo)
• CoCr (Cobalto-Cromo)
Nel rivestimento svolgono i seguenti ruoli chiave:
1. Abbassare il punto di fusione, consentendo alla polvere di fondersi parzialmente.
2. Migliorare l'adesione al substrato e prevenire il distacco del rivestimento.
3. Miglioramento della tenacità e riduzione delle fessurazioni del rivestimento.
4. Resistenza all'ossidazione e miglioramento della stabilità superficiale.
5. Formazione di una struttura a strati densa, che aumenta la resistenza complessiva.
Quanto più uniforme è la fase legante metallica, tanto più forte è la resistenza all'usura effettiva delrullo rivestito in carburo di tungsteno.
In che modo la polvere composita di carburo di tungsteno può migliorare la qualità dei rulli rivestiti in carburo di tungsteno?
Le polveri composite di carburo di tungsteno vengono tipicamente prodotte utilizzando:
• Granulazione e sinterizzazione a spruzzo
• Formazione di carburi
• Rivestimento meccanico
Queste polveri sono caratterizzate da:
• Dimensione uniforme delle particelle
• Struttura delle particelle stabile
• Migliore capacità di fusione
• Distribuzione ragionevole della fase legante
• Maggiore resistenza alla pelatura
In definitiva, questo conferisce ai rulli rivestiti in carburo di tungsteno le seguenti caratteristiche:
• Resistenza all'usura superiore
• Durezza stabile (HRA 88–92)
• Bassa porosità (<1%)
• Elevata adesione
• Eccellente resistenza alla corrosione
Tutto ciò si basa in larga misura sulla partecipazione di una fase legante metallica.
Quali difetti strutturali si verificano quando si utilizza carburo di tungsteno puro per la spruzzatura ad alta temperatura?
L'utilizzo di carburo di tungsteno puro per la spruzzatura comporterà i seguenti difetti di rivestimento:
• Numerosi pori (ridotta resistenza all'usura)
• Molte crepe (riduzione della durata utile)
• Delaminazione tra gli strati (inutilizzabile)
• Durezza instabile
• Ossidazione delle particelle
• Struttura ruvida
Questi difetti compromettono gravemente la funzionalità dei rulli rivestiti in carburo di tungsteno.
Come scegliere il rapporto di polvere più adatto per i rulli rivestiti in carburo di tungsteno?
Consigliato per applicazioni industriali generiche:
• WC-10Co-4Cr (combinazione classica)
• WC-12Co (elevatissima resistenza all'usura)
• WC-17Co (resistenza migliorata)
• Serie WC-Ni (principalmente resistenza alla corrosione)
La formulazione in polvere deve soddisfare i seguenti requisiti:
• Requisiti di temperatura
• Tipo di usura (erosione, scorrimento, sfregamento)
• Ambiente di lubrificazione
• Spessore del rivestimento
• Materiale del substrato
Questi fattori, nel loro insieme, influenzano le prestazioni finali dei rulli rivestiti in carburo di tungsteno.