Gli strati di conversione

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Quando si tratta di proteggere i componenti metallici dalla corrosione o dall’usura in genere viene spontaneo pensare a qualche tipo di rivestimento, ovvero a uno strato resistente e tenace di un materiale avente caratteristiche adeguate, come una grande resistenza all’attacco chimico e/o una elevata durezza. Il settore dei riporti superficiali è in forte espansione e vede utilizzate tecnologie sempre più evolute e sofisticate. Si va dalle semplici deposizioni galvaniche, economiche e sempre largamente impiegate, ai sistemi PVD (con passaggio dallo stato gassoso a quello solido, per condensazione di vapori), CVD (con formazione di composti per combinazione chimica ad alta temperatura di sostanze fornite inizialmente sotto forma di gas) alle varie tecnologie al plasma e via dicendo.

foderi anodizzatiA differenza di quanto accade per i riporti, con lo strato di conversione non viene deposto uno strato di materiale sulla superficie dei componenti. È invece lo stesso substrato a subire una trasformazione, reagendo chimicamente con una sostanza liquida o gassosa con la quale viene messo a contatto per un tempo adeguato e in condizioni adatte. Tale sostanza può essere anche semplicemente l’ossigeno. Talvolta inoltre è fondamentale l’impiego di una corrente elettrica.

Lo strato che si forma dunque è “integrale” con il componente, le cui dimensioni cambiano, aumentando leggermente. I procedimenti impiegati industrialmente sono chimici o elettrochimici, a seconda dei casi. I film superficiali che si ottengono, oltre ad avere una funzione protettiva, possono anche essere eccellenti “fondi” per una successiva verniciatura dei pezzi.

Molti strati di conversione sono costituiti da ossidi, e possono formarsi anche naturalmente, per semplice esposizione all’aria. Ciò accade ad esempio per l’alluminio, sulla cui superficie si forma un velo sottilissimo (lo spessore è nettamente inferiore al micron) di Al2O3, ovvero allumina, che protegge efficacemente dalla corrosione il metallo sottostante. Per il ferro e le leghe ferrose (ghisa e acciaio, purché non inox) la situazione è diversa; lo strato di ossido si forma ma non funge da barriera protettiva. L’attacco chimico continua e si propaga anche al di sotto dello strato superficiale, letteralmente “mangiando” il materiale. La ruggine, che a lungo andare può diventare passante, ovvero interessare tutto lo spessore del componente, non è altro che idrossido di ferro.

La fosfatazione, largamente impiegata soprattutto nel caso dell’acciaio, dà luogo alla formazione di uno strato superficiale di fosfati, cristallino e poroso, e quindi dotato di una ottima capacità di ritenzione dell’olio, caratteristica molto vantaggiosa per diverse applicazioni motoristiche (i componenti interessati sono soprattutto gli alberi a camme). Lo spessore del film va da un paio a qualche decina di micron. Di rilievo la recente adozione della fosfatazione per i pistoni destinati ad alcuni motori di Formula Uno.

Anche la cromatazione dà luogo alla formazione di uno strato superficiale di conversione, il cui spessore in genere è di alcuni micron soltanto, in grado di offrire una eccellente protezione nei confronti della corrosione. Si impiega in particolare per componenti realizzati in metalli come il magnesio. Prevede l’impiego di una soluzione contenente composti del cromo esavalente, cioè la forma più critica dal punto di vista ecologico di tale metallo. Per questa ragione oggi il suo impiego è notevolmente minore rispetto ad alcuni anni fa.

Il processo di gran lunga più noto, nel campo degli strati di conversione, è senza dubbio l’anodizzazione, largamente utilizzata per i componenti in lega di alluminio, che si effettua per via elettrochimica, facendo cioè ricorso al passaggio di corrente elettrica attraverso una opportuna soluzione, con il pezzo da trattare che costituisce l’anodo.

Ruota moto corsa MgbassaL’anodizzazione estetica comporta la formazione di uno strato di ossido (Al2O3, nel caso dell’alluminio) avente uno spessore che generalmente è compreso tra due e 25 micron. La microporosità che lo contraddistingue consente agevolmente di colorare la superficie, con eccellenti risultati visivi. I componenti in lega di alluminio anodizzata vengono largamente utilizzati in campo edilizio; si tratta di serramenti, pannelli, profilati, etc… La resistenza alla corrosione è eccellente e risulta di gran lunga superiore a quella offerta dal velo di ossido che si forma naturalmente. Lo strato che si ottiene è costituito da allumina amorfa idrata.

L’anodizzazione dura, detta anche a spessore, viene impiegata per la sua grande resistenza all’usura e quindi trova interessanti applicazioni in campo meccanico. La struttura dello strato di conversione in questo caso è notevolmente più compatta e i pori sono di dimensioni ancora minori; di conseguenza la durezza è nettamente più elevata, raggiungendo valori che in genere sono compresi tra 400 e 900 punti Vickers. Lo spessore può andare indicativamente da 25 a 125 micron, ma non mancano casi nei quali raggiunge i 250. Un interessante esempio di impiego in campo motoristico si ha nelle campane e nei mozzi delle frizioni a secco delle moto da competizione. In certi pistoni destinati a motori diesel sovralimentati il cielo viene anodizzato anche per realizzare una autentica “barriera termica”.

Procedimenti innovativi, il PEO
Pistone per motore da competizione, forgiato in lega e fosfato.Di recente ha iniziato ad affermarsi in maniera prepotente un procedimento innovativo, denominato PEO (Plasma Electrolytic Oxidation), che consente di ottenere strati di conversione dalle caratteristiche eccezionali, e che sta sollevando un grande interesse tra i tecnici operanti in campo meccanico. In questo caso si impiegano campi elettrici più forti e lo sviluppo dello strato viene assistita da scariche con elevatissime temperature localizzate e generazione di plasma. In pratica la zona superficiale viene attraversata da milioni di piccoli “fulmini” e lo strato di ossido subisce trasformazioni che portano alla formazione di ossidi cristallini (Al2O3 nelle forme alfa e gamma, nel caso delle leghe di alluminio). Lo strato di conversione in genere ha uno spessore di poco inferiore ai 50 micron (il campo va da 10 a 300 micron) e può raggiungere durezze molto elevate, dell’ordine di 1600 – 2000 punti Vickers. Gli strati di conversione ottenuti con questa tecnologia (detta anche MAO, ovvero micro arc oxidation, o anche spark discharge anodizing) hanno una straordinaria resistenza alla usura abrasiva e da strisciamento. Oltre che per le leghe di alluminio, il procedimento risulta assai adatto per quelle di magnesio e per quelle di titanio.

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