IT201800020827A1 - Codeposito nichel e carburo di silicio - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Premessa

Nella pratica industriale e in particolare nella fabbricazione di valvole di tipo industriale destinate a impianti, dove è importante la resistenza all’usura, determinata ad esempio dall’utilizzo di gas con alte percentuali di sabbia, si è imposto l’uso di depositi estremamente duri ma che sfortunatamente non possiedono un’elevata resistenza alla corrosione. Da qui nasce la necessità di utilizzare un rivestimento caratterizzato da un’elevata durezza ed ottima resistenza all’abrasione , che sia allo stesso tempo in grado di mantenere proprietà di elevata resistenza alla corrosione.

Il codeposito Nichel Chimico - Carburo di Silicio assicura al particolare da esso rivestito quest’ultime caratteristiche. Queste qualità permettono di utilizzare il codeposito Nichel Chimico – Carburo di Silicio come più che valida alternativa a molti altri rivestimenti usualmente impiegati, come il Cromo o il Carburo di Tungsteno.

Il deposito ottenuto tramite il processo, di seguito descritto nel dettaglio, presenta un’elevata durezza e un basso coefficiente d'attrito limitando lo spessore in confronto ai depositi convenzionali.

Descrizione dettagliata

La presente invenzione si riferisce a un processo basato su una riduzione del nichel (sale nichel solfato) in presenza di un agente riducente (sodio ipofosfito) in una soluzione acquosa con disperse particelle submicroniche di carburo di silicio. Questo porta alla formazione di una lega depositata di nichel/fosforo, detta matrice, nella quale le particelle di carburo di silicio sono disperse con una percentuale che varia dal 10% al 30% in peso.

Sospendendo in soluzione particelle sub microniche di Carburo di Silicio in un bagno di Nichel Chimico si ottiene un deposito in cui una matrice ENP ingloba delle particelle finemente disperse di Carburo di Silicio. Il risultato è un codeposito con elevata durezza superficiale, grazie alla presenza delle particelle di Carburo di Silicio affioranti, che allo stesso tempo continua a esercitare l’effetto protettivo proprio del deposito ENP. Questo porta ad avere depositi caratterizzati da un’elevata resistenza all’usura e alla corrosione.

Nello specifico il codeposito Nichel – Carburo di Silicio è basato sullo stesso principio del processo di deposizione di nichel chimico ad alto fosforo, si tratta cioè di una deposizione per via chimica mediante reazione di ossidoriduzione, senza l’ausilio di corrente elettrica; non sono quindi necessarie le normali apparecchiature richieste per i depositi galvanici e la deposizione si può ottenere su qualsiasi substrato o geometria, in questo modo lo spessore che si otterrà sarà costante, escludendo di conseguenza qualsiasi operazione di rettifica dopo il trattamento di deposizione. A differenza, ad esempio, dei depositi effettuati con carburo di tungsteno, il rivestimento è continuo e omogeneo su tutte le superfici “bagnate” oltre a presentare le medesime caratteristiche su tutta la sua estensione, al contrario dei depositi ceramici che sono limitati dalle geometrie dei particolari da trattare, da fenomeni di tipo Gabbia di Faraday, da sotto squadra e parti interne o fori ciechi.

Il processo consiste nell’immersione dei particolari in soluzioni di ENP in cui è disperso il SiC. Il pezzo, immerso nel bagno, ne esce con un rivestimento di Ni “pigmentato” con particelle di SiC.

La durezza del SiC è superiore ai 2000Hv, pertanto la durezza del deposito risultante è molto elevata, attestandosi a circa 1150-1400Hv (questa è la durezza del pacchetto e non delle particelle affioranti le quali determinano la resistenza all’abrasione/erosione).

Prima di iniziare il trattamento vero e proprio, in funzione del tipo di metallo di cui è costituito il particolare da trattare, sono necessarie delle fasi di preparazione al trattamento.

Quando la superficie metallica presenta contaminazioni di calamina o forti ossidazioni, oppure alla presenza di materiale tipo ghisa o pressofusioni di alluminio, può rendersi necessaria una microsabbiatura per l'asportazione degli ossidi e per l'apertura dei micropori del materiale.

Per particolari ottenuti da lamiera o da lavorazione meccanica con conseguente asportazione di trucioli, la sabbiatura non è necessaria. Nel caso in cui alcune zone del particolare non debbano essere rivestite di deposito, queste dovranno essere protette con metodo appropriato. Secondo le caratteristiche geometriche del pezzo, la protezione potrà essere fatta con tappi di PTFE, con adesivi resistenti a temperatura superiore a 110°C o con vernici pelabili. In quest'ultimo caso è indispensabile un ottimo sgrassaggio della superficie, prima della protezione, per garantire un buon ancoraggio della vernice pelabile.

E’ indispensabile in seguito un accurato pre-sgrassaggio chimico dei particolari per eliminare totalmente oli e grassi prima della deposizione. Il ciclo per ottenere un buono sgrassaggio consiste nell'immergere i pezzi in una soluzione alcalina calda seguita da un’attivazione elettrolitica alcalina e calda. Ciò vale per tutti i materiali ferrosi e per le leghe di rame, ma non per l'alluminio e le sue leghe che devono essere invece sgrassati per immersione in soluzioni debolmente alcaline ed esenti da alcali caustici per evitare la corrosione del metallo base.

Per l'attivazione elettrolitica si utilizzerà sia polarità catodica sia polarità anodica secondo i casi.

Il decapaggio degli acciai al carbonio e di quelli legati (debolmente o altamente) deve essere eseguito con soluzioni poco aggressive di acido solforico (concentrazione del 5%) con aggiunta di inibitori per evitare l'infragilimento da idrogeno di acciai al carbonio e debolmente legati nonché la corrosione inter- cristallina degli acciai inossidabili. Poiché gli acciai legati non sono catalitici è necessario un trattamento di nichelatura con bagno tipo Wood con eventuale aggiunta Ag disciolto pari ad almeno 1,5-3gr/lt per ottenere un sottile strato catalitico di nichel che consenta la successiva deposizione. Il rame e le leghe di rame invece richiedono un decapaggio a temperatura ambiente con soluzioni adatte e specifiche dipendenti dal tipo di lega. I tempi di immersione devono essere particolarmente brevi (30 - 60 secondi).

Poiché rame e sue leghe non sono catalitici occorrerà renderli tali con una pre-deposizione, a temperatura ambiente, di uno strato di nichel (spessore 0,2 – 3 um ) da bagni di nichel tipo Wood oppure tramite immersione, anch'essa a temperatura ambiente, in una soluzione di palladio cloruro (circa 5 gr/lt.).

Per quanto riguarda l’alluminio e le leghe di alluminio, il trattamento avviene, a temperatura ambiente e per 1-2 minuti, per immersione in una specifica soluzione scelta in funzione del tipo di lega.

Per le leghe da fusione, dopo il decapaggio, è necessaria una depatinatura per eliminare dalla superficie le tracce di metalli pesanti.

Anche in questo caso occorre rendere le superfici catalitiche immergendole in un bagno alcalino allo zincato, a temperatura ambiente e per 30 - 120 secondi.

A questo punto terminate le fasi preliminari, si procede al trattamento vero e proprio che consiste nell’immersione dei particolari in soluzioni di ENP in cui è disperso il SiC. Il pezzo, immerso nel bagno, ne esce con un rivestimento di Ni “pigmentato” con particelle di SiC la cui dispersione varia da un 10% ad un 30% in peso inglobato nella matrice.

Per ottenere una buona deposizione è indispensabile tenere sotto controllo alcuni parametri operativi, precisamente:

• Temperatura: secondo il tipo di bagno varia da 75°C a 93°C e tale intervallo deve essere regolato tramite un apposito strumento di controllo

• pH: i bagni richiedono un pH compreso tra 4,6 e 5,2. La regolazione del pH avviene automaticamente per mezzo di un pHmetro elettronico, che comanda le pompe dosatrici delle soluzioni di correzione

• Concentrazione del nichel: nei bagni ENP la concentrazione del nichel è compresa fra 5,6 e 6,2 grammi/litro. Il controllo e il dosaggio delle soluzioni di alimentazione sono effettuati automaticamente mediante un’apparecchiatura elettronica che rileva fotometricamente il contenuto in nichel e provvede al dosaggio dei prodotti di alimentazione tramite due pompe dosatrici

• Concentrazione dell’agente riducente: controllo periodico della concentrazione di sodio ipofosfito, che è effettuata per titolazione volumetrica

• Concentrazione delle particelle di carburo di silicio: controllo per pesata del residuo filtrato da un volume noto

Dopo la deposizione è effettuato un trattamento termico, eseguito entro 8 ore dal completamento della deposizione allo scopo di ottenere una durezza del pacchetto superiore a 1000Hv.

Infine tutti i particolari devono essere sottoposti a una lavorazione di pulitura al fine di eliminare bruniture di trattamento termico, macchie di asciugatura e in generale uniformare l’aspetto.

Il rivestimento così ottenuto presenta caratteristiche di elevata durezza superficiale, resistenza all’usura e alla corrosione. Nella tabella che segue si possono vedere valori di confronto fra tre diversi depositi: Nichel (Ni), Carburo di Tungsteno (WC) e Codeposito di Nichel Carburo di Silicio (Ni SiC).

E’ da considerare inoltre che l’aderenza dei depositi ceramici sul substrato di acciaio al carbonio è:

ENP ≥ 28.000psi

Carburo di Tungsteno ≤ 10.000psi

Cromo duro ≤ 10.000psi

Test di verifica finale effettuati e confrontati con i risultati prodotti dal riporto di WC hanno confermato la validità del processo.

In particolare sono stati eseguiti:

• Controllo uniformità dello spessore: per controllare l’uniformità dello spessore deposto nel processo del Ni chimico, è stato effettuato un test di qualifica su un pezzo con recessi e dimensioni critiche: richiesti 75 µ / realizzati 75 ± 3 µ; in pratica spessore costante.

o Riporto di WC: il riporto non è uniforme; la pratica usuale è quella di depositare spessori di circa 0,3 mm su pezzi rettificati e di effettuare una successiva rettifica per ripristinare le dimensioni originali. Come conseguenza si ha che la rettifica finale del riporto, oltre ad aumentare i costi e i tempi di lavorazione, aggiunge alle sfere un ulteriore problema poiché tale operazione deve essere effettuata centrandosi sullo spessore del riporto stesso per garantire maggiore uniformità allo spessore residuo, riporto che, a fine operazione, non potrà mai essere costante. Infatti, la centratura sul riporto e la non uniformità dello spessore danno come risultato errori aggiuntivi rispetto ai precedenti della prima rettifica (deviazione dell’asse di rotazione) sia per mozzi interni non rivestiti che per mozzi esterni rivestiti e poi rettificati (se si abbandonano i centri della prima rettifica).

o Riporto di Ni SiC: garantisce uno spessore in pratica costante, quindi i particolari trattati non abbisognano di successive operazioni di rettifica. Il riporto ricopre uniformemente anche sottosquadra e recessi.

• Durezza: la misura si effettua normalmente su lamierino campione con scala Hv100; in questo caso però, oltre ad ottenere solo misure “medie”, le stesse escono dal campo di misura e quindi non si ottiene un valore effettivo; contano molto di più le prove di usura.

o Riporto di WC: la durezza è legata alla composizione delle polveri ma la necessità dell’operazione di rettifica tende a limitare a 1100 Hv la durezza di questo riporto allo scopo di non appesantire la rettifica e la lappatura, operazioni tanto più lunghe e costose quanto più alta è la durezza del riporto stesso.

o Riporto di Ni SiC: la durezza è quella delle polveri disperse; il SiC ha una durezza pari a 9 della scala di Mohs > 3.000 Hv (WC = 2800 Hv) e la durezza del deposito ENP trattato è di 950 /-50 Hv; per queste motivazioni è fornita un’indicazione di durezza di >1150Hv del codeposito “pacchetto” per avere un valore di riferimento.

• Aderenza del riporto: si può produrre un lamierino, insieme al particolare campione, da sottoporre a test di aderenza tramite la prova di piega o effettuando uno o più impact test su una zona accettabile del campione rivestito.

o Riporto di WC: non aderisce in pari modo su tutte le superfici; l’adesione è prodotta dalla velocità di proiezione delle particelle e dall’angolo d’incidenza e quindi recessi e presenza di sottosquadra sono critici. Non resiste ad urti con angoli di impatto di 45°.

o Riporto di Ni SiC: l’adesione è costante in tutte le zone.

Nella tabella seguente sono riportati valori valutati su alcuni riporti ed espressi in psi.

• Resistenza alla corrosione: sono stati utilizzati dei lamierini campione in precedenza rettificati con rugosità pari a 0,1Ra, successivamente rivestiti con un codeposito di 25µ di ENP 1012 e 25µ di Ni-SiC ed in seguito testati in Salt Spray Cabinet in osservanza alla norma ASTM B117. La prova è stata interrotta dopo 300 ore senza che siano comparsi focolai di ruggine rossa.

• Porosità: è possibile solo su substrati di acciaio al carbonio applicando il metodo ferroxyl test, metodo che non può essere applicato su acciai legati. Valori di porosità espressi in % di volume non coperto valutati su alcuni riporti sono espressi nella tabella seguente.

Poiché tali valori indicano la formazione volumetrica di porosità, essi sono da assumere come misura della “compattezza del deposito” ovvero della formazione di porosità attesa.

Il codeposito Ni-SiC è attualmente utilizzato nelle applicazioni, dove è richiesta una grande resistenza all’usura, un basso coefficiente d’attrito ed una buona resistenza alla corrosione; ad esempio nel settore chimico e petrolchimico è impiegato come rivestimento su valvole a tenuta metal-to-metal, siano esse valvole a sfera, gate slab o expanding, saracinesca farfalla.

La rapidità di esecuzione e la totale assenza di lavorazioni meccaniche aggiuntive unite ad un costo assolutamente interessante e soprattutto le qualità proprie del rivestimento hanno contribuito in maniera determinante all’espansione e relativo impiego del processo.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la deposizione di un codeposito su pezzi metallici, basato su una riduzione di sale nichel solfato, in presenza di un agente riducente, sodio ipofosfito, in una soluzione acquosa con disperse particelle submicroniche di carburo di silicio, caratterizzato dalle seguenti fasi: - prima fase di sgrassaggio, in cui i pezzi di ferro e leghe di rame sono immersi in una soluzione alcalina calda a 40/60°C ; e i pezzi di alluminio e sue leghe sono immersi in una soluzione debolmente alcalina; - seconda fase di decapaggio, in cui i pezzi di acciaio al carbonio o legati sono immersi in soluzioni poco aggressive con una concentrazione di acido solforico del 5% con aggiunta di inibitori; cui segue immersione in bagno tipo Wood con eventuale aggiunta di Ag disciolto 3gr/lt, nichel elettrolitico; i pezzi di rame e sue leghe, sono immersi a temperatura ambiente e per un tempo di 30-60 secondi, in soluzioni specifiche, dipendenti dal tipo di lega; cui segue immersione in bagno tipo Wood, oppure immersione in una soluzione di palladio cloruro con concentrazione 5gr/lt; i pezzi di alluminio e sue leghe sono immersi a temperatura ambiente e per un tempo di 1-2 minuti, in specifica soluzione, dipendente dal tipo di lega; cui segue immersione in bagno alcalino allo zincato per 30-120 secondi; - terza fase di deposizione chimica, in cui i vari pezzi sono immersi in una soluzione basata su una riduzione di sale nichel solfato in presenza di un agente riducente, sodio ipofosfito, in una soluzione acquosa con disperse particelle submicroniche di carburo di silicio ad una temperatura compresa tra 75 e 93 gradi C e valori di ph compresi tra 4,6 e 5,2; - quarta fase di trattamento termico, da effettuare entro 0-8 ore dalla fine della terza fase ad una temperatura di 300 o 400°c per 2 o 10 ore.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le particelle di carburo di silicio sono disperse in percentuale tra il 10% e il 30% in peso.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui lo spessore del deposito è compreso tra 0,02 e 0,07 mm.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il deposito è applicato a una temperatura compresa tra 75°C e 93°C.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il valore di adesione è > 25.000 psi/mmq.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la durezza è pari a 1150Hv/1400Hv.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il valore di pH è compreso tra 4,6 e 5,2.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la concentrazione di nichel metallo è compresa tra 5,6 e 6,2 gr/lt.