CUSCINETTO CERAMICO: I MATERIALI CERAMICI NON OSSIDI, NITRURI

Sfere nitruro di silicio

In questo articolo sul cuscinetto ceramico tratteremo i materiali con cui vengono costruiti i cuscinetti full ceramic, i nitruri, materiali ceramici non ossidi.
Si chiamano nitruri i materiali che hanno come elemento fondamentale l’ Azoto (simbolo N, dal latino Nitrogenum). Si possono evidenziare tre gruppi di materiali cosiddetti nitruri:
1) Ceramici a base si Silicio, quali il Nitruro di Silicio
2) Ceramici a base di alluminio, come il Nitruro di Alluminio
3) Nitruri di Boro e di Titanio

Una osservazione obbligata per i nitruri riguarda la sinterizzazione o cottura: tranne per la tecnica della pressatura a caldo, la sinterizzazione dei nitruri necessita dell’aggiunta di ossidi che agevolano il consolidamento, pertanto tecnicamente, spesso non sono nitruri puri ma hanno componenti non trascurabili di altre sostanze che ne influenza le proprietà. Il nitruro di silicio ha due varietà, cosiddette alfa e beta, dove la seconda è più stabile alle alte temperature (la fase beta si forma in maniera irreversibile a 1400 °C).

Il nitruro di silicio è una materiale molto utilizzato nel campo dei cuscinetti ceramici per le sue proprietà quali alta durezza, bassa espansione termica, e resistenza all’abrasione. In particolare il nitruro di silicio viene usato nella fabbricazione di sfere sia per cuscinetti interamente in nitruro di silicio, sia per cuscinetti ibridi in cui gli anelli sono invece fatti in acciaio o altri materiali ceramici come la zirconia. La densità del nitruro di silicio è pari alla metà dell’acciaio e questo garantisce una riduzione delle sollecitazioni e quindi un uso ad altissime velocità rotazionali. Le ottime capacità di isolante elettrico lo rendono un ottimo materiale per ridurre la corrosione specialmente in applicazioni quali i motori elettrici. Inoltre, essendo un materiale non-magnetico, lo rende un ottimo materiale per applicazioni di cuscinetti in cui si deve evitare la interferenza con apparecchiature magnetiche.

Un materiale molto interessante della famiglia dei nitruri misti è il SiAlON, che rappresenta in realtà un gruppo di composti ceramici, sinterizzati a totale densità, e che hanno come base il nitruro di silicio, ma con l’aggiunta di additivi costituiti da ossidi come ossido di yttrio, ossido di alluminio, ossido di silicio. Anche i SiAlON, come i semplici Nitruri di silicio, hanno due forme alfa e beta.

Sia per i nitruri che per i SiAlON, si possono manipolare le quantità relative di fase alfa e fase beta in modo promuovere la crescita di particelle, all’ interno del ceramico, che assumano una forma allungata, caratteristica che imprime al materiale dei notevoli miglioramenti delle proprietà meccaniche.

Negli anni 1970 fu osservato per la prima volta che la resistenza a frattura di nitruri monolitici, fosse troppo alta rispetto alle simulazioni numeriche, questo fu attribuito e successivamente confermato, dalla presenza di particelle allungate all’interno del materiale. Le particelle alfa, in fase di sinterizzazione e di additivo coadiuvante il consolidamento (diventando liquido e accelerando lo scambio di materia), si trasformano in particelle aghiformi in fase beta.

Nella figura seguente viene mostrata a sinistra la struttura ceramica con tutte le particelle di simili dimensioni e forma, mentre a destra si nota la presenza di particelle aghiformi, come un vero e proprio materiale composito rinforzato, e in effetti le proprietà meccaniche sono decisamente superiori.

A sinistra nitruro di silicio con particelle della stessa forma e dimensione, mentre a destra si nota la presenza di particelle aghiformi.

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