Appunti I esonero Tecnologia Meccanica 2 (TM2)

La struttura cristallina

La struttura che si viene a definire è stabile quando gli anioni che circondano un catione sono tutti in contatto con quel catione; il numero di coordinazione (numero di anioni immediatamente vicino ad un catione, i più comuni sono 4 - 6 - 8) dipende dal rapporto r / r e per uno specifico numero di coordinazione esiste un rapporto critico o minimo per il quale si stabilisce se la configurazione è stabile o instabile e si definisce una diversa struttura geometrica.

In base al numero e alla combinazione di cationi e anioni si possono avere varie tipologie di strutture cristalline:

• Di tipo AX: quando si hanno lo stesso numero di cationi e anioni (blenda di zinco, cloruro di sodio, ossido di magnesio);
• Di tipo A X: quando anioni e cationi hanno cariche diverse (fluorite);
• Di tipo A B X: quando si hanno diversi tipi di cationi (titanio di bario).

Esistono anche ceramici formati da silicati (silicio e ossigeno) per i quali per caratterizzare la struttura cristallina.

Piuttosto che basarsi sulla cella elementare, è più conveniente vedere le diverse posizioni che può assumere il tetraedro carico negativamente SiO che può assumere disposizioni mono-, bi- etridimensionali.

Nei silicati uno, due o tre atomi di ossigeno del tetraedro sono condivisi da altri tetraedri per dar luogo a strutture piuttosto complesse; ci sono silicati in cui questa condivisione porta ad un'altra unità ripetitiva astratta che diviene elettricamente neutra combinandosi a composti adiacenti a base di alluminio come il caso dell'argilla che viene definita silicato stratiforme, in particolare la caolinite che è un argilla bianca composta da silicato di alluminio con strati alterni di ioni di silicio e alluminio debolmente legati, e con l'aggiunta di acqua diventa idroplastica (scivolosa e plastica).

Tra i principali ceramici ingegneristici troviamo: gli ossidi ceramici (alluminia e zirconia), i carburi e i nitruri (sialon), i...

cermet (metalloceramici), la silice e i nanoceramici.

4.2.1 Allumina

L'allumina, chiamata anche corindone o smeriglio, è l'ossido di alluminio molto utilizzata sia in forma pura che come materia prima da miscelare con altri ossidi; è caratterizzata da un'elevata durezza a caldo e da un'ottima resistenza elettrica e all'abrasione con resistenza e tenacità moderate utilizzata soprattutto per utensili da taglio, abrasivi ed isolante elettrico e termico. Nella sua forma naturale contiene spesso impurità che compromettono l'uniformità di proprietà e quindi l'affidabilità del materiale, pertanto è quasi completamente prodotta in maniera sintetica a partire dalla bauxite: la bauxite viene fusa in forni elettrici insieme a limatura di ferro e coke, in seguito il prodotto ottenuto viene frammentato e separato con vagli in funzione delle dimensioni del grano. I componenti realizzati con allumina sono in

genere ottenuti compattando a caldo e sinterizzando i grani di ossido di alluminio ottenendo così ceramiche bianche;

aggiungendo all'ossido di alluminio in polvere altri ceramici in piccole quantità (ossido di titanio, carburo di titanio) si ottengono altri materiali definiti mullite e spinello le cui proprietà migliorano soprattutto per l'impiego ad alte temperature (mattoni refrattari).

4.2.2 Zirconia

La zirconia è l'ossido di zirconio, di colore bianco, ha buone caratteristiche di tenacità e resistenza all'usura, agli shock termici e alla corrosione ma una scarsa conducibilità termica e un basso coefficiente di attrito. È una sostanza cristallina poliforma: fino a 1170°C presenta una struttura cristallina monoclina, da 1170°C a 2370°C presenta una struttura tetragonale, oltre i 2370°C presenta una struttura cristallina cubica con una T di 2680°C. Durante il riscaldamento da monoclina a tetragonale

Avviene una contrazione volumetrica del 5% mentre durante il raffreddamento inverso avviene un'espansione di volume.

Nella sua forma parzialmente stabilizzata (PSZ) ha resistenza e tenacità elevate e prestazioni più affidabili della zirconia; è realizzata drogando la zirconia con ossidi di calcio, ittrio o magnesio. Il drogaggio stabilizza parzialmente la fase tetragonale impedendo così le variazioni di volume e realizza un materiale costituito da particelle fini di zirconia tetragonale in una matrice a reticolo monoclino. Risulta essere un materiale adatto alla realizzazione di componenti per macchine termiche assieme ai componenti in ghisa.

Nella sua forma tenacizzata (TTZ) è migliorata la tenacità delle PSZ grazie ad elementi come ittrio e cerio che sono in grado di stabilizzare completamente la fase tetragonale.

I principali carburi utilizzati sono il carburo di tungsteno (WC), il carburo di titanio (TiC) e il carburo di silicio (SiC).

1. Nitruri

I nitruri si distinguono in particolar per la durezza (nitruro di boro cubico), per il basso attrito (nitruro di titanio) e per la resistenza al creep (nitruro di silicio). Il nitruro di boro cubico è la seconda sostanza più dura dopo il diamante, ha un'elevate resistenza all'ossidazione, si ottiene sinteticamente ed è impiegato in applicazioni speciali come abrasivi (mole di rettifica) e utensili da taglio (in questo caso hanno bisogno di un legame metallico legante). Il nitruro di titanio è principalmente usato per rivestire gli utensili da taglio per prolungarne la durata grazie alle caratteristiche di scarso coefficiente di attrito. Il nitruro di silicio, oltre alla resistenza al creep e alle alte temperature, possiede una dilatazione termica contenuta e un'elevata conducibilità termica che lo rendono resistente agli shock termici. È particolarmente adatto per applicazioni strutturali ad alta temperatura.

4.2.5 Cermet

Il cermet (metalloceramici o ceramici compressi a caldo) sono costituiti da ossidi, carburi e nitruri; hanno un'elevata resistenza all'ossidazione alle alte temperature, agli shock termici e buona duttilità ma risultano un po' fragili e costosi. Possono essere considerati anche tra i materiali composti a matrice metallica e sono impiegati in varie combinazione di ceramici e metalli; oltre ad applicazioni tipiche come utensili da taglio sono adatti per applicazioni ad alte temperature (ugelli per motori a reazione e freni per aerei).

4.2.6 Silice

La silice è un materiale polimorfo cioè

La silice è un materiale ceramico ampiamente utilizzato in diverse applicazioni industriali. Ha una resistenza meccanica e una vita a fatica molto basse, ed è quindi utilizzato per convettori catalitici, rigeneratori e componenti per scambiatori di calore. La silice è anche la materia prima per la produzione di silicio elementare (CFC), che diventa un semiconduttore quando è drogato con altri elementi. Di conseguenza, è ampiamente utilizzato nell'industria elettronica per la realizzazione di microcircuiti elettronici.

I nanoceramici, noti anche come ceramici nano-strutturati, sono costituiti da particelle con raggruppamenti di poche migliaia di atomi. Rispetto ai ceramici convenzionali, presentano una maggiore duttilità alle temperature molto basse e sono più resistenti, più facili da lavorare e hanno una minore incidenza di difetti. Le loro applicazioni sono molto varie, come la realizzazione di componenti di motori a reazione, valvole, rotori di turbocompressori, camice di cilindri, rivestimenti, micro batterie, filtri ottici, celle.

4.3 Proprietà dei materiali ceramici

Rispetto ai materiali metallici i ceramici presentano scarsa duttilità a causa della quale hanno una bassa tenacità all'impatto e bassa resistenza agli shock termici, elevata resistenza alla compressione e durezza alle alte temperature, alto modulo elastico (per i forti legami) e bassa densità, scarse caratteristiche di tenacità (non si hanno grandi possibilità di movimento delle dislocazioni), scarsa dilatazione termica e conducibilità elettrica e termica. Le proprietà meccaniche e fisiche variano in maniera significativa in funzione della composizione e della dimensione dei grani per cui alcune proprietà possono essere facilmente modificate; altri fattori che modificano le proprietà di un ceramico