Trattamenti termici e superficiali delle valvole
Rivestimenti superficiali per valvole e metalli leggeri alternativi
Quando si tratta di selezionare leghe leggere, la maggior parte degli ingegneri non si allontana molto dalle leghe di Al, Mg e Ti. Tuttavia, questo articolo esplora gli usi e i vantaggi di alcune di queste leghe leggere meno utilizzate, come Zirconio, Tantalio e Afnio.
Gli sviluppi nella scienza dei materiali e la ricerca sui rivestimenti superficiali hanno portato le leghe leggere a diventare alcuni dei metalli più utilizzati in ambienti operativi difficili. Dalle forti pressioni dell'industria petrolifera e del gas, ai componenti mobili leggeri ma resistenti degli aeromobili, le leghe leggere sono estremamente diffuse. Anche i settori medico e della difesa non sono contrari all'uso di leghe leggere.
La maggior parte degli ingegneri e degli scienziati dei materiali si rivolgono ai metalli leggeri, alluminio, magnesio e titanio, come soluzione alle loro impegnative sfide ingegneristiche. Ma ci sono altri metalli leggeri alternativi che hanno proprietà specifiche che li rendono adatti per applicazioni ad alte prestazioni molto specifiche. Alcuni di questi sono meno noti, ma meritano di essere tenuti sotto i riflettori come le loro controparti più note.
I metalli delle valvole includono elementi come zirconio e tantalio e sono noti per la loro elevata resistenza alla corrosione, alle temperature estreme, con proprietà dielettriche e superconduttive. Alcuni metalli delle valvole non assorbono neutroni e sono quindi ampiamente utilizzati nella generazione di energia nucleare a zero emissioni.
Analogamente ai metalli leggeri più noti, come l'alluminio e il magnesio, le proprietà dei metalli delle valvole possono essere migliorate mediante rivestimenti superficiali.
Quali sono i vantaggi dei metalli alternativi per le valvole?
I metalli delle valvole centrali sono ampiamente utilizzati in molti settori industriali. La maggior parte è utilizzata in una gamma di leghe di acciaio e metallo leggero per introdurre ulteriore resistenza e resistenza alla corrosione, insieme ad altre caratteristiche. E le comuni proprietà di resistenza al calore e alla corrosione significano che i metalli, le loro leghe e gli ossidi sono utilizzati in una gamma di apparecchiature di laboratorio e chimiche.
Poiché non assorbe neutroni ed è resistente al calore e alla corrosione, le leghe di zirconio si trovano spesso nelle tubazioni delle centrali nucleari, nei rivestimenti delle barre di combustibile e nei componenti strutturali. Le sue proprietà di resistenza al calore significano che si trova nei veicoli spaziali, nei motori a reazione e nelle parti delle turbine a gas. Gli zirconi sono anche noti come pietre semipreziose che assomigliano ai diamanti: la zirconia cubica è anche molto, molto più economica.
Il niobio è utilizzato anche in applicazioni spaziali e aerospaziali. In questa forma, si trova nei materiali strutturali per l'edilizia, nelle piattaforme offshore e negli oleodotti e nei collettori. Grazie alle sue proprietà superconduttive, il niobio è ampiamente utilizzato nell'elettronica e nei magneti utilizzati nelle apparecchiature di imaging medico come gli scanner NMR e MRI, spesso in combinazione con lo zirconio.
Il suo ossido consente alle lenti degli occhiali di essere più sottili aumentando l'indice di rifrazione del vetro. Essendo fisiologicamente inerti e ipoallergenici, dispositivi come pacemaker e altri impatti medici contengono leghe di niobio. I rivestimenti superficiali possono essere utilizzati per creare uno strato superiore poroso che aiuta con la velocità e il successo dell'osteointegrazione.
Lo strato di ossido dielettrico che si forma sulla sua superficie e la sua capacità di essere rivestito sottilmente su altri componenti, consente al tantalio di essere un condensatore altamente efficace e di piccolo volume. In questa forma, è utilizzato nei telefoni cellulari e in altri dispositivi elettronici. E condivide le stesse caratteristiche di rafforzamento di altri metalli per valvole, quindi è stato spesso utilizzato nei coni anteriori degli aerei Concorde, negli ugelli dei razzi e nelle pale delle turbine. Il tantalio si trova anche negli impianti chirurgici, poiché non è tossico e non provoca alcuna risposta immunitaria nei mammiferi.
Tecnologie di ingegneria delle superfici per metalli delle valvole
Nonostante le loro caratteristiche prestazionali generalmente impressionanti, i metalli delle valvole presentano alcuni punti deboli. Ad esempio, le leghe di zirconio in condizioni di temperatura elevata, superiori a 900 gradi centigradi, reagiranno con l'acqua per creare gas idrogeno e degradare il rivestimento delle barre di combustibile nucleare.
Le caratteristiche uniche del niobio gli consentono di funzionare in così tante applicazioni altamente impegnative. Tuttavia, quando sottoposto a temperature superiori a 400 gradi centigradi, si ossida e diventa fragile. Altamente inerte e quindi resistente alla maggior parte degli acidi e degli alcali, il tantalio può essere corroso da alcali riscaldati, acido solforico caldo e acido fluoridrico.
Allo stesso modo in cui vengono migliorati i metalli leggeri più comuni, questi difetti chimici e meccanici mostrati dai metalli delle valvole possono essere facilmente affrontati. I rivestimenti superficiali possono proteggere da specifiche sostanze corrosive, fornire ulteriore protezione dal calore e possono essere seminati con additivi che forniscono altri miglioramenti delle prestazioni.
Un approccio consiste nell'applicare una tecnologia di rivestimento superficiale avanzata, come l'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO). Utilizza un bagno elettrolitico e plasma per formare un rivestimento simile alla ceramica sia sui metalli leggeri più noti che sui metalli delle valvole. Il rivestimento derivato dal PEO ha molte proprietà benefiche che il metallo originale e la lega metallica e i loro rivestimenti di ossido di base non hanno. I ricercatori di Jewellok hanno una vasta esperienza quando si tratta di sviluppare rivestimenti unici nel loro genere che migliorano in modo unico le prestazioni di tutti i metalli delle valvole.