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Ceramiche tecniche nella pratica – Viti in ceramica, cuscinetti in ceramica e cuscinetti ibridi
Le ceramiche tecniche sono ceramiche utilizzate in applicazioni tecniche specializzate. Grazie alle loro proprietà speciali, come la resistenza alle alte temperature e ai prodotti chimici, sono spesso la scelta migliore in applicazioni determinate rispetto ai componenti in metallo, ad esempio. Questo articolo mostra alcune delle applicazioni possibili e illustra la composizione dei materiali e la produzione di ceramiche tecniche.
Cosa sono le ceramiche tecniche?
Le ceramiche tecniche, chiamate anche ceramiche speciali o ceramiche ad alte prestazioni, sono ottimizzate per applicazioni tecniche. Si differenziano dalle ceramiche convenzionali, ad esempio per la purezza, i processi di cottura e la granulometria tollerata.
Standardizzazione delle ceramiche tecniche
Le ceramiche tecniche sono soggette a vari standard. Ad esempio, esistono gli standard seguenti per le ceramiche a base di ossido:
- DIN EN 60672: Definisce la classificazione del gruppo, i termini e le procedure di test. Sono specificati anche i requisiti minimi per le proprietà, come la resistenza alla piegatura.
- DIN 40680: Definisce le tolleranze generali per i componenti ceramici nel campo dell’ingegneria elettrica.
- DIN EN 14232: Tratta di ceramiche ad alte prestazioni ed elenca i termini, comprese le definizioni.
- ISO 15165: Contiene un sistema di classificazione della ceramica ad alte prestazioni.
Anche alcuni metodi di test sono standardizzati. DIN EN 725 contiene, ad esempio, specifiche per impurità e densità, tra le altre cose per polveri ceramiche ad alte prestazioni.
Materiali per ceramiche tecniche
Ceramica è un termine generico per vari materiali inorganici non metallici. Come regola, una miscela di polvere ceramica, legante organico e liquido viene usata per generare un composto grezzo, che successivamente deve essere indurito (per esempio in un processo di sinterizzazione a temperature elevate). Le ceramiche possono essere suddivise in tre categorie principali: terracotta ceramica, ceramica sinterizzata e composti ceramici speciali. Le ceramiche tecniche sono uno dei composti ceramici speciali. In generale le ceramiche tecniche possono essere suddivise in ceramiche ossidiche e non ossidiche, in cui vengono usate più frequentemente le ceramiche ossidiche come l’ossido di alluminio. Le ceramiche ossidiche sono costituite da ossidi metallici e sono caratterizzate da stabilità chimica, resistenza e capacità di isolamento elettrico. Le ceramiche non ossidiche presentano un’elevata resistenza all’usura (resistenza all’abrasione), conducibilità termica e resistenza al carico meccanico possibilmente migliori. Inoltre sono suddivise in:
- Ceramiche al nitruro: Le ceramiche al nitruro contengono azoto. Il nitruro di silicio, ad esempio, ha un’elevata resistenza agli shock termici e all’usura. Il boritride ha una buona lubrificazione.
- Ceramiche in metallo duro: Le ceramiche in metallo duro contengono carbonio. Sono particolarmente dure, con il metallo duro di boro come uno dei materiali più duri. Il carburo di silicio ha un punto di fusione elevato (circa 2700 °C) ed è chimicamente stabile.
- Ceramiche di silice: Le ceramiche di silice sono a base di biossido di silicio. Esempi includono porcellana e steatite. La steatite ha buone proprietà dielettriche ed è utilizzata spesso come isolante nell’ingegneria elettrica.
La tabella seguente riporta una panoramica della classificazione dei diversi tipi di ceramica:
| Ceramica | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PGrès porcellanato | PMateriale sinterizzato in ceramica | PComposti ceramici speciali, ad es. composti speciali elettrotecnici e per alta temperatura | ||||||||
| Ceramiche da costruzione | Ceramiche ignifughe | Grès vario | Grès | Porcellana | Ceramiche tecniche (ceramica di silicato/ceramica di ossido/ceramica non di ossido) | |||||
| Mattoni, tegole, ecc. | Pietre Schamoth, magnesite, ecc. | Grès | Ceramica | Grès grossolano | Grès porcellanato | Porcellana dura | Porcellana morbida | Ceramiche tecniche tradizionali | Ceramiche ad alte prestazioni | |
| Articoli per la tavola, ecc. Piastrelle | Vasi per fiori, terracotta, ecc. | Clinker, piastrelle, tubi fognari, ecc. | Piastrelle, piatti, articoli sanitari, attrezzature chimiche, ecc. | Piatti per uso domestico e decorativi | preferito per la plastica decorativa | Porcellana chimica, ceramiche resistenti al fuoco, isolanti | Ceramiche funzionali | Ceramiche strutturali e ingegneristiche | ||
| Sensori e ceramiche protettive, ceramiche biomedicali e medicali, elettroceramica, ceramiche da taglio | Parti caricate meccanicamente con durezza e resistenza all’usura elevate come: guarnizioni, cuscinetti, boccole, componenti strutturali | |||||||||
Processi di produzione per ceramiche tecniche
Esistono vari processi di produzione per ceramiche tecniche. La pressatura isostatica a caldo (HIP), chiamata anche sinterizzazione ad alta pressione, viene utilizzata per produrre ceramiche ad alta densità e bassa porosità.
Tuttavia è anche possibile stampare componenti realizzati in ceramica tecnica direttamente su una stampante. Il processo LCM (produzione di ceramica basata sulla litografia), per esempio, utilizza un monomero sensibile ai raggi UV e una polvere ceramica come materia prima. Il processo LDM (modellazione a deposizione liquida) prevede l’inumidimento e la compattazione della materia prima ceramica, seguita dall’applicazione di quest’ultimo strato per strato usando una stampante.
Proprietà delle ceramiche tecniche
Le proprietà delle ceramiche tecniche le rendono la scelta preferita nelle applicazioni specializzate. Grazie alla loro resistenza alle alte temperature sono adatti per l’uso in applicazioni ad alte temperature, come la generazione di energia. Non perdono la loro integrità strutturale quando vengono riscaldati. Le ceramiche tecniche sono anche chimicamente più resistenti di altri materiali, poiché possono essere chimicamente inerti.
Tuttavia la durezza e la densità elevate della ceramica sono accompagnate da una resistenza alla rottura ridotta, che deve essere presa in considerazione nella progettazione:
- bordi affilati, angoli e tacche devono essere evitati o almeno ridotti al minimo. Questi possono portare a crepe e sollecitazioni. Per esempio, possono essere utilizzati bordi arrotondati.
- Devono essere evitati accoppiamenti eccessivamente stretti, in quanto anch’essi inducono la formazione di crepe.
- Durante la foratura è necessario utilizzare un raggio sufficientemente grande per evitare sollecitazioni.
- Le ceramiche tecniche isolano l’energia elettrica in modo molto efficace. Il loro utilizzo potrebbe dover essere evitato se non lo si desidera.
Le tabelle seguenti forniscono una panoramica delle varie proprietà delle ceramiche tecniche, in particolare degli ossidi di alluminio, insieme a un confronto con altri materiali:
| Materiali | Colore | Proprietà | ||
|---|---|---|---|---|
| Temperatura ambiente sicura (°C) | Resistenza al volume specifica (Ω * cm) | Resistenza alla flessione Mpa | ||
| Ossido di alluminio 92 / Al2O3 92% | bianco | ~ 1200 | > 1014 | 240~340 |
| Al2O3 / ossido di alluminio 96 / Al2O3 96% | bianco | ~ 1300 | > 1014 | 300 |
| Al2O3 / ossido di alluminio 99 / Al2O3 99.7% | colori naturali | ~ 1500 | > 1015 | 340 |
| Ossido di alluminio 99.5 | bianco | ~ 1200 | < 1014 | 490 |
| Steatite / SiO 2, MgO | bianco | ~ 1000 | > 1014 | 120 |
| Ceramiche lavorabili / SiO2, MgO | colori naturali | ~ 1000 | > 1016 | 94 |
| Proprietà | Unità | Al2O3 / ossido di alluminio 99.5 |
|---|---|---|
| Rapporto di assorbimento dell’acqua | % | |
| Densità | g/cm3 | 3.9 |
| Termoresistenza | ℃ | 1000 ~ 1200 |
| Resistenza alla compressione | kN/cm2 | 363 |
| Resistenza alla flessione | kN/cm2 | 49 |
| Coefficiente lineare di espansione termica | - | 8.0x10-6 (25~700 ℃) |
| Conduttività termica | W/(m x ℃) | 31.4 (20 ℃) 16.0 (300 ℃) |
| Resistenza del volume specifica | Ω x cm | > 1014 (20 ℃) > 1014 (300℃) |
| Costante dielettrica | 1 MHz | 9.8 |
| Resistenza di isolamento | kV/mm | 10 |
| Proprietà fisiche di Al2O3 (valori di riferimento rappresentativi) |
| Acciaio inox 1.4301/X5CrNi18-10 |
Espulsore canale di colata (KCF) (acciaio inossidabile con 5~10 μm di rivestimento in ossido di alluminio come strato isolante) |
Ceramica Al2O3 | Nylon | Bachelite (basato su carta) |
Bachelite (basato su tessuto) |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Resistenza naturale (Ω) | 72x10-6 | 2x108 | 1014 | 5x1012 | 1010 | 1012 |
| Tensione di scarica distruttiva (V) | - | 150 | 104 | 1.9x104 | - | - |
| Resistenza allo strappo (MPa) | 520 | 421 | - | 88 | 80 | 100 |
| Espansione (%) | 40 | 10 | - | 50 | 2 | 2 |
| Resistenza alla flessione (MPa) | - | - | 350 | 103 | 180 | 160 |
| Durezza Vickers (HV) | 200 | in corrispondenza della punta 1300 entro 200 |
1400 | - | - | - |
| Proprietà isolanti | ❌ | buona | eccellente | eccellente | eccellente | eccellente |
| Termoresistenza | buona | buona | eccellente | ❌ | discutibile | discutibile |
| Lavorabilità a macchina | buona | buona | ❌ | buona | buona | buona |
Uso delle ceramiche tecniche
Solitamente le ceramiche tecniche sono utilizzate per esigenze specializzate. Di norma i materiali di ceramica sono resistenti alla corrosione e alla temperatura, elettricamente isolanti e allo stesso tempo relativamente leggeri, resistenti alla compressione e all’usura. Se nella progettazione si tiene conto della maggiore fragilità della ceramica, la resistenza meccanica della ceramica ad alte prestazioni consente non solo risparmi di peso e l’impiego a temperature più elevate, ma anche una generazione minore di calore, una riduzione del rumore di funzionamento e una vita utile prolungata dei cuscinetti. Le parti standard come viti e rondelle sono disponibili anche in ceramica tecnica.
Cuscinetti in ceramica e ibridi
I cuscinetti in ceramica sono resistenti agli agenti chimici e sono adatti per applicazioni a secco senza lubrificazione. Grazie alle eccellenti proprietà di rotolamento dei corpi dei rulli in ceramica, sono estremamente adatti per alte velocità di rotazione. I cuscinetti completamente in ceramica non arrugginiscono e non possono essere influenzati dai campi magnetici, ma sono sensibili a urti e a sollecitazioni da trazione. Le applicazioni includono, ad esempio, apparecchiature per la pulizia, apparecchiature per elettroplaccatura e apparecchiature per incisione.
I cuscinetti in ceramica sono disponibili come cuscinetti completamente in ceramica e ibridi. Nei cuscinetti ibridi sono installati elementi rotanti in ceramica ad alte prestazioni e anche anelli dei cuscinetti realizzati in acciaio per cuscinetti volventi. Di conseguenza un cuscinetto ibrido combina i vantaggi di entrambi i materiali, migliorando così le prestazioni. I cuscinetti ibridi sono adatti per l’uso ad alte velocità di rotazione e in condizioni di lubrificazione difficili. I cuscinetti in ceramica e ibridi sono consigliati anche ad alte temperature fino a 1000 °C, in ambienti che inducono corrosione, in costruzioni leggere (fino al 60% più leggere dei cuscinetti in acciaio) e quando è necessario un isolamento elettrico. Tuttavia, quando si utilizzano i cuscinetti in ceramica, è importante notare che questi si espandono in misura minore rispetto, ad esempio, ai cuscinetti in acciaio. Se per i design esposti a temperature elevate è previsto l’uso di cuscinetti in ceramica, questi non possono essere sostituiti facilmente dai cuscinetti in acciaio.
Viti in ceramica
Oltre alle suddette proprietà per le ceramiche in generale, le viti in ceramica sono particolarmente convincenti anche per le proprietà seguenti: elettricamente isolanti, non magnetiche e leggere, che le differenziano dalle viti metalliche. Possono essere usate, per esempio, in gruppi elettronici o in applicazioni per le quali si desidera evitare un’interferenza magnetica (per esempio, anche nell’elettronica, nelle apparecchiature mediche).
Le viti in ceramica sono disponibili, ad esempio, nelle varianti seguenti:
- Viti in ossido di zirconio: molto dure, resistenti all’usura, resistenti agli urti termici
- Viti in ossido di alluminio: molto dure, resistenti alle temperature
- Viti in nitruro di silicio: particolarmente leggere a causa della bassa densità
Istruzioni per l’installazione
Osservare le note seguenti per garantire che il componente ceramico sia incorporato nella progettazione nel modo migliore possibile:
- I componenti in ceramica sono molto suscettibili agli urti; pertanto è necessario prestare particolare attenzione durante l’installazione.
- Le viti in ceramica devono essere sempre serrate con una coppia. Sono più fragili delle viti metalliche, quindi la coppia deve essere inferiore, ad es. 0,04 per M3, 0,05 per M4, 0,30 per M8 e 0,50 per M10.
- Si raccomanda l’uso di rondelle per una migliore distribuzione del carico.
- L’allineamento è particolarmente importante per i cuscinetti a rulli: Carichi disuguali possono portare a guasti prematuri.