ITTO20090313A1

ITTO20090313A1 - Contrappeso per il bilanciamento di un corpo rotante o per appesantire un corpo, e suo procedimento di fabbricazione

Info

Publication number: ITTO20090313A1
Application number: IT000313A
Authority: IT
Inventors: Andrea Lorenzi; Davide Massarotto; Angelo Montenero
Original assignee: Univ Parma
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-10-22

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Contrappeso per il bilanciamento di un corpo rotante o per appesantire un corpo, e suo procedimento di fabbricazione"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un contrappeso o elemento zavorrante, comprendente un corpo ad alta densità.

È noto che per il bilanciamento delle masse rotanti in dispositivi animati da moto rotatorio si usano contrappesi, tipicamente costituiti da un corpo di metallo o di materiale composito, realizzato a partire da polveri ad alta densità, quali polveri metalliche, polveri di ossido (di piombo, titanio e/o bario), oppure polveri di vetro, imbibite in resine epossidiche o altre resine che reticolano mediante radiazione UV.

L’uso di corpi metallici ad alta densità, come il piombo o lo zinco, benché comporti vantaggi dal punto di vista della tecnologia di produzione, può essere sgradito in quanto ritenuto dannoso da un punto di vista ambientale. Ad esempio, in DE-103 43 042-A1 è stato proposto un particolare contrappeso d'acciaio, proprio allo scopo d'evitare l’impiego di metalli eccessivamente inquinanti.

Se vengono utilizzate polveri ad alta densità legate mediante una resina epossidica, oltre a problemi di oggettiva complessità della tecnologica di fabbricazione, può insorgere il rischio di formazione di bolle all’interno del corpo del contrappeso, con la conseguente riduzione della densità del contrappeso.

Nel caso dei contrappesi di materiale composito, che presentano una densità inferiore ad 1, il loro volume è necessariamente grande, per cui è possibile che essi non possano essere impiegati per bilanciare corpi piccoli, o comunque sprovvisti di uno spazio sufficiente a permettere la loro collocazione.

Lo scopo principale della presente invenzione è quello di proporre un contrappeso o elemento zavorrante ad alta densità, la cui fabbricazione ed uso determinino un impatto ambientale relativamente ridotto rispetto a quello dei contrappesi metallici noti, e che sia inoltre relativamente facile da produrre.

Tale scopo viene raggiunto dall'invenzione grazie a un contrappeso o elemento zavorrante che comprende un corpo ad alta densità di materiale ceramico, composto prevalentemente da un ossido di uno o più elementi del gruppo dei lantanidi, essendo inoltre sostanzialmente privo di metalli nello stato di ossidazione 0.

L’uso di ossidi di lantanide permette di raggiungere valori elevati di densità, evitando l’impiego di metalli che potrebbero essere dannosi per l’ambiente e la salute. Inoltre, gli ossidi di lantanide sono caratterizzati da un’elevata stabilità chimica e da un costo relativamente limitato, il che li rende particolarmente adatti per la fabbricazione di contrappesi o elementi zavorranti.

Forma inoltre oggetto dell’invenzione un procedimento per la fabbricazione di un contrappeso o elemento zavorrante, in cui il procedimento comprende un processo di sinterizzazione secondo la tecnica ceramica in cui viene utilizzato come componente principale di partenza una polvere di uno o più elementi del gruppo dei lantanidi, e dal fatto che i componenti di partenza sono privi di metalli nello stato di ossidazione 0.

Modi particolari d'attuazione dell’invenzione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, fornita a puro titolo d'esempio non limitativo e riferita ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è un grafico che illustra una serie di valori di densità riferiti a diversi campioni di materiale ceramico a base di ossido di erbio;

- la figura 2 è un grafico che riporta la densità di una serie di campioni nei quali sono stati utilizzati materiali fondenti prevalentemente a base di bentonite oppure di vetro; e

- la figura 3 è un grafico che illustra l’andamento della densità in funzione della temperatura massima di cottura per tre diverse serie di campioni di materiale ceramico a base di ossido di erbio.

Un contrappeso del tipo descritto nel seguito può presentare una forma qualsiasi, tale da essere adattata ad una specifica esigenza d'impiego. In particolare, e con riferimento ai contrappesi utilizzati comunemente per il bilanciamento di ruote di autoveicoli, una forma tipica è quella descritta in DE-103 43 042-A1, secondo cui il corpo di un contrappeso presenta una forma a barretta, eventualmente provvista di fori o di scanalature trasversali d'indebolimento per agevolarne la piegatura e/o la rottura in vista dell'impiego. Il contrappeso descritto in DE-103 43 042-A1 può essere applicato ad un corpo da bilanciare mediante un adesivo, o fissato meccanicamente. Nonostante la forma e le modalità di applicazione del contrappeso della presente invenzione possano essere uguali o analoghe a quelle descritte in DE-103 43 042-A1, esse non sono tuttavia essenziali ai fini dell'invenzione.

Il corpo ad alta densità del contrappeso della presente invenzione è di materiale ceramico ed è composto prevalentemente da un ossido di uno o più degli elementi del gruppo dei lantanidi. In altre parole, l’ossido di lantanide costituisce la frazione in peso prevalente del corpo ad alta densità, ovvero almeno il 40% del suo peso.

Inoltre, il corpo ad alta densità è sostanzialmente privo di metalli nello stato di ossidazione 0 (ovvero privo di metalli allo stato elementare), a meno di impurità.

L’uso di ossidi di lantanidi permette di raggiungere valori elevati di densità. I lantanidi (noti anche come "terre rare") costituiscono una famiglia di elementi nei quali le differenze di proprietà chimiche e fisiche sono molto piccole, grazie alla loro tipica configurazione elettronica. Il gruppo dei lantanidi comprende i seguenti elementi:

Lantanio, La

Cerio, Ce

Praseodimio, Pr

Neodimio, Nd

Promezio, Pm

Samario, Sm

Europio, Eu

Gadolinio, Gd

Terbio, Tb

Disprosio, Dy

Olmio, Ho

Erbio, Er

Tulio, Tm

Itterbio, Yb

Lutezio, Lu

Tutti questi elementi presentano una densità relativamente elevata, che varia fra 5,24 g/cm<3>per l’europio, e 9,74 g/cm<3>per il lutezio. Alcuni di questi elementi sono relativamente comuni in natura, ed in taluni casi essi vengono utilizzati in ambiti industriali per produrre articoli relativamente poco costosi, ad esempio nell’industria vetraria. Anche i loro ossidi presentano una densità elevata (come si può vedere dalla Tabella 1 seguente), il che, insieme alla loro stabilità chimica ed al costo accessibile, li rende particolarmente interessanti ai fini dell'ottenimento di contrappesi ad alta densità, ovvero con densità ben superiore al valore di 1 g/cm<3>.

Tabella 1

Densità Densità Ossido Ossido

(g/cm<3>) (g/cm<3>) CeO27,650 Tb2O37,910 Ce2O36,200 Dy2O37,810 Pr2O36,900 Ho2O38,410 Nd2O37,240 Er2O38,640 Sm2O37,600 Tm2O38,600 Eu2O37,420 Yb2O39,200 Gd2O37,070 Lu2O39,410

Il corpo ad alta densità del contrappeso o elemento zavorrante secondo l’invenzione, è prodotto utilizzando come componente principale di partenza una polvere di uno o più ossidi di lantanidi.

Secondo un procedimento di fabbricazione preferito, il suddetto corpo ad alta densità è prodotto utilizzando una tecnica di tipo ceramico, e comprende le fasi di seguito menzionate.

Dapprima si procede con la dosatura del componente principale di partenza e di almeno un fondente, sotto forma di polveri. Questi materiali vengono mescolati in modo da ottenere una miscela uniforme.

Si aggiunge gradualmente alla miscela un liquido con funzione di legante, tipicamente acqua, e si lavora la miscela in modo tale da ottenere un impasto uniforme e modellabile.

L’impasto viene quindi sottoposto a formatura, ad esempio in stampi, in modo da ottenere un pezzo avente una sagoma predeterminata (ovvero il corpo ad alta densità del contrappeso o elemento zavorrante). I pezzi formati vengono poi sottoposti ad essiccamento durante il quale il liquido legante evapora sostanzialmente.

Infine, i pezzi essiccati vengono cotti in forno, ad una temperatura generalmente superiore a 1000°C.

I corpi ad alta densità così ottenuti possono poi essere sottoposti ad ulteriori fasi di lavorazione (ad esempio accoppiati a strisce di materiale adesivo o ad elementi d'ancoraggio meccanico), allo scopo di ottenere un contrappeso o elemento zavorrante finito con le caratteristiche desiderate, in particolare con riferimento alla sua possibilità di accoppiamento o di fissaggio al corpo da zavorrare.

Secondo una variante del procedimento sopra descritto, la quantità di liquido legante aggiunta alle polveri è molto piccola, ad esempio dell'ordine di pochi punti percentuali in peso rispetto al peso dei materiali di partenza, ed ha la funzione di legare solo temporaneamente le polveri per permettere di compattare la miscela umida così ottenuta. In questo caso la miscela viene sottoposta ad una fase di pressatura e poi ad una fase di cottura in forno ad una temperatura generalmente superiore a 1000°C, in un processo di sinterizzazione che permette di ottenere un pezzo ad alta densità di una forma prestabilita.

Naturalmente, anche in questo caso il pezzo può essere sottoposto ad ulteriori fasi di lavorazione per ottenere il contrappeso o elemento zavorrante finito.

Sono state condotte una serie di prove sperimentali utilizzando ossido di erbio, scelto particolarmente perché il suo costo è ritenuto accettabile e la sua reperibilità è al momento garantita. A causa della stretta somiglianza delle proprietà chimiche e fisiche dei vari elementi del gruppo dei lantanidi, quanto discusso nel seguito è comunque estensibile a tutti gli altri ossidi del gruppo.

Nell’esempio seguente, si è prodotta una serie di campioni di corpi ad alta densità a partire da polveri di ossido di erbio ed utilizzando la tecnica ceramica.

Esempio

Inizialmente, sono stati dosati sia l’ossido di erbio Er2O3in polvere, sia uno o più materiali in polvere con funzione di fondente. In particolare, sono stati utilizzati come fondenti bentonite, ossido di calcio, ossido di sodio vetro sodico-calcico o ossido di ferro, oppure loro miscele.

In ciascun caso, la polvere dell'ossido e la

polvere del fondente, ovvero dei materiali di

partenza, sono state mescolate fino ad ottenere una

miscela uniforme.

In generale, fra i materiali di partenza

utilizzati per produrre i vari campioni, la

percentuale in peso dell’ossido di lantanide era

compresa fra il 70% circa ed il 90% circa. Nella

seguente Tabella 2 sono rappresentate le

proporzioni in peso dei materiali di partenza di

alcuni dei campioni realizzati.

Tabella 2

# Er2O3Bentonite CaO Fe2O3mpione (% in peso) (% in peso) (% in peso) (% in peso)

1 80 - 20 -2 85 15 - -3 90 10 - -4 80 5 15 -5 80 10 10 -6 90 5 5 -7 90 5 5 -8 90 - 5 5 9 88 4 4 4 10 90 5 - 5

Per produrre il corpo ad alta densità nel caso

dei campioni #1-6 e #8-10, è stata adottata la

procedura seguente:

1) alla miscela includente l'ossido di lantanide ed il fondente è stata gradualmente aggiunta acqua come liquido legante, e la miscela ottenuta è stata lavorata fino ad ottenere un impasto uniforme e modellabile;

2) l’impasto così ottenuto è stato poi sottoposto ad essiccamento in forno a muffola a 40°C, per ottenere un cosiddetto “green”;

3) l’impasto essiccato è stato infine cotto in forno, applicando una rampa di riscaldamento fino ad una temperatura massima di 1400°C.

Nel caso del campione #7 è stata invece adottata una procedura di sinterizzazione:

1’) alla miscela includente l'ossido di lantanide ed il fondente è stata aggiunta una quantità piccola d'acqua con funzione di legante, dell'ordine di pochi punti percentuali in peso rispetto al peso dei materiali di partenza;

2’) la miscela umida è stata sottoposta a pressatura applicando una pressione di circa 100 MPa;

3’) l’impasto pressato è stato infine successivamente sottoposto a cottura in forno, ad una temperatura di 1400°C.

Nel grafico riportato nella figura 1 è rappresentata la densità dei campioni ottenuti

partendo dalle composizioni corrispondenti a quelle

indicate nella Tabella 2. Come si può osservare,

per i campioni #5-7 e #9-10 sono state raggiunte

densità assai elevate, ovvero superiori a 7 g/cm<3>.

Nella Tabella 3 che segue sono rappresentate

le proporzioni in peso dei materiali di partenza di

una serie di altri campioni, per i quali è stato

utilizzato un procedimento di fabbricazione analogo

a quello dei campioni #1-6 e #8-10 della Tabella 2.

Tabella 3

# Er2O3Bentonite Vetro CaO Na2O ampione (% in peso) (% in peso) (% in peso) (% in peso) (% in peso) 1* 80 18 - 2 -2* 80 16 - 4 -3* 80 14 - 6 -4* 70 27 - 3 -5* 70 24 - 6 -6* 70 21 - 9 -7* 80 18 - - 2 8* 80 16 - - 4 9* 80 14 - - 6 10* 80 - 18 - 2 11* 80 - 16 - 4 12* 80 - 14 - 6 13* 80 - 18 2 -14* 80 - 16 4 -15* 80 - 14 6 -16* 70 - 27 3 -17* 70 - 24 6 -18* 70 - 21 9 Nel grafico della figura 2 è rappresentata la densità dei campioni ottenuti partendo dalle composizioni corrispondenti a quelle indicate nella Tabella 3. Come si può osservare, per i campioni contenenti bentonite sono state raggiunte densità superiori rispetto a quelle dei campioni contenenti vetro.

Nel grafico della figura 3 è riportata la densità dei campioni in funzione della temperatura massima di cottura, per tre diverse serie di campioni, prodotti a partire dalle composizioni #11*, #12* e #13* indicate nella Tabella 3.

I campioni di ciascuna serie sono stati cotti a diverse temperature massime di cottura, in particolare a 1000°C, 1200°C e 1400°C. Come si può rilevare dalla figura 3, si è osservato che per le serie #12* e #13* l’aumento della temperatura massima di cottura aveva un’influenza positiva sulla densità dei campioni.

In generale, sono stati ottenuti campioni di materiale ceramico caratterizzati da una porosità molto bassa e da una durezza elevata.

Affinando le condizioni operative è stato possibile ottenere un prodotto contenente circa l’80% in peso di ossido di erbio, con un trattamento termico in cui la temperatura finale di cottura era pari a 1400°C. La densità del prodotto così ottenuto è di 7,352 g/cm<3>.

Sebbene l’invenzione sia stata descritta principalmente con riferimento ai contrappesi per bilanciare corpi rotanti, è chiaro che essa può essere applicata più in generale alla realizzazione di corpi ad alta densità per la produzione di altri tipi di contrappesi o di elementi zavorranti per appesantire corpi, in particolare corpi cavi.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Contrappeso o elemento zavorrante, comprendente un corpo ad alta densità, caratterizzato dal fatto che detto corpo è di materiale ceramico ed è composto prevalentemente da un ossido di uno o più elementi del gruppo dei lantanidi, essendo inoltre sostanzialmente privo di metalli nello stato di ossidazione 0.
2. Contrappeso o elemento zavorrante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto ossido costituisce una frazione in peso superiore al 40% del peso di detto corpo.
3. Contrappeso o elemento zavorrante secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto ossido costituisce una frazione in peso compresa fra il 70% circa ed il 90% circa del peso di detto corpo.
4. Contrappeso o elemento zavorrante secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto corpo comprende un fondente selezionato fra bentonite, vetro sodico-calcico, ossido di calcio, ossido di sodio ed ossido di ferro, o loro miscele.
5. Procedimento per la fabbricazione di un contrappeso o elemento zavorrante ad alta densità, caratterizzato dal fatto che comprende un processo di sinterizzazione secondo la tecnica ceramica in cui viene utilizzato come componente principale di partenza una polvere di uno o più elementi del gruppo dei lantanidi, e dal fatto che i componenti di partenza sono privi di metalli nello stato di ossidazione 0.
6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di: dosare detto componente principale di partenza ed almeno un fondente in forma di polveri, e mescolarli; aggiungere un liquido legante alla miscela così ottenuta, e lavorare la miscela in modo tale da ottenere un impasto; sottoporre detto impasto a formatura, in modo tale da ottenere un pezzo di una forma prestabilita; sottoporre il pezzo formato ad essiccamento; e sottoporre a cottura il pezzo essiccato.
7. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di: dosare detto componente principale di partenza ed un fondente in forma di polveri, e mescolarli; aggiungere alla miscela così ottenuta un liquido legante secondo una proporzione piccola rispetto al peso dei suddetti materiali di partenza; sottoporre la miscela umida ad una fase di pressatura in modo tale da ottenere un pezzo di una forma prestabilita; sottoporre a cottura il pezzo pressato.
8. Procedimento secondo la rivendicazione 6 oppure 7, caratterizzato dal fatto che la fase di cottura del pezzo è eseguita ad una temperatura generalmente compresa fra 1000°C e 1400°C.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6 a 8, caratterizzato dal fatto che detto fondente è selezionato fra bentonite, vetro sodico-calcico, ossido di calcio, ossido di sodio, ossido di ferro, o da una loro miscela.