Cermet.

Il termine c., derivato dalla contrazione delle due parole "ceramica" e "metallo" o i termini alternativi cermal o metallo-ceramiche sono impiegati per designare una famiglia di moderni materiali compositi, ottenuti dall'unione di almeno due componenti di cui almeno uno metallico e almeno uno ceramico. Si tratta di materiali dalle caratteristiche molto pregiate, preparati per impieghi particolari nelle tecnologie più avanzate. In questa accezione del termine ceramica si comprende anche una serie di composti che con le ceramiche, intese nel senso tradizionale del termine, hanno poco a che fare; in tal modo vengono inclusi anche boruri, nitruri, siliciuri, carburi e ossidi di diversi metalli, come pure le loro miscele. La preparazione di questi materiali è stata ricercata per ottenere nuovi materiali da costruzione per impieghi speciali, che posseggano caratteristiche intermedie fra quelle delle ceramiche (alte temperature di fusione, resistenza all'ossidazioe, basso peso specifico, ecc.) e quelle dei metalli (duttilità, resistenza agli urti meccanici e termici, ecc.). La miscela intima di due materiali tanto diversi porta alla formazione di materiali completamente nuovi, adatti alle esigenze particolari in certi settori avanzati (come ad es. la missilistica). Generalmente la preparazione di questi composti avviene attraverso i metodi tradizionali della tecnologia delle polveri, cioè partendo da due polveri che vengono mescolate uniformemente e poi compattate per mezzo dell'applicazione di pressione e/o temperatura: la fabbricazione dei c. costituisce un nuovo capitolo della metallurgia delle polveri. ║ Caratteristiche e composizione: secondo la destinazione finale, si chiede ai c. di possedere particolari proprietà, precisamente le seguenti: 1) resistenza all'ossidazione a caldo; 2) resistenza agli urti termici; 3) resistenza al creep (deformazione continua sotto sforzo ad alta temperatura); 4) bassa densità; 5) elevata durezza; 6) elevata duttilità; 7) resistenza all'usura. Naturalmente non tutte queste caratteristiche sono indispensabili tutte insieme per tutte le applicazioni: caso per caso si deve quindi scegliere il tipo di c. che soddisfa meglio alle esigenze specifiche. I c. possono essere classificati in quattro classi principali, secondo le proprietà che sono preminenti nelle loro applicazioni, precisamente: 1) materiali di alta resistenza meccanica e resistenza alla temperatura; 2) materiali con elevata resistenza alla corrosione; 3) materiali di elevata resistenza meccanica e all'abrasione; 4) materiali con speciali caratteristiche elettriche. Un'altra classe che potrebbe essere aggiunta e che sta diventando sempre più interessante è quella dei materiali con speciali caratteristiche nucleari. Le caratteristiche dei c. dipendono ovviamente sia dal tipo di ceramica che dal tipo di metallo impiegato, nonché dal processo di fabbricazione. Gli ossidi, carburi, boruri, nitruri, ecc. impiegati hanno in generale elevata temperatura di fusione, discreto carico di rottura a trazione, elevata resistenza ad alta temperatura, proprietà di isolanti, elevata resistenza alla corrosione e all'ossidazione, ed elevata durezza ma bassa resistenza agli urti termici e meccanici e bassa duttilità. Per contro i metalli posseggono elevata conducibilità elettrica e termica, elevata duttilità, ottima resistenza agli urti termici e meccanici, bassa porosità. Le proprietà delle due classi di composti sono quindi ampiamente complementari; di qui l'idea di creare un materiale composito che assommi in parte le caratteristiche dei due tipi di materiali e ovviamente le migliori di entrambi. Naturalmente le proprietà del materiale risultante dipendono dalla possibilità di reazione e di formazione di nuove fasi che vi è fra i due materiali compattati. Si possono avere diversi tipi di combinazione tra metallo e ceramica durante il processo di fabbricazione. Ricordiamo qui brevemente i principali casi: a) Formazione di miscele eterogenee tra metallo e ceramica, senza nessuna reazione. In questo caso si ha un inglobamento della fase ceramica in quella metallica, più duttile, e un collegamento meccanico delle due, mentre esse mantengono la loro individualità senza trasformazione. È il caso ad es. del c. composito di ossido di magnesio MgO e nichel. b) Reazione superficiale fra metallo e ceramica, con formazione di una nuova fase in forma di uno strato interfacciale che non è solubile né nel metallo né nella ceramica. In questo caso il materiale finito presenta tre fasi, quella metallica, quella ceramica quella nuova all'interfaccia, che separa sempre le due precedenti. Naturalmente le proprietà finali del materiale dipendono in larga misura dalle caratteristiche e dallo spessore di questo strato di interfaccia (e dalla granulometria delle due fasi), il quale dipende a sua volta non solo dal tipo di metallo e di ceramica impiegati ma anche dalla velocità di diffusione, dalla temperatura e dal tempo di reazione nella sintetizzazione. È il caso ad es. del c. costituito da allumina Al₂O₃ e berillio metallico. c) Reazione massiccia fra i due componenti, ceramica e metallo, che porta alla formazione di una nuova fase, che appare come una soluzione solida della ceramica nel metallo o viceversa, caratterizzata dalla comparsa di una nuova struttura atomica. È il caso ad es. del c. formato da carburo di titanio TiC e nichel. Naturalmente per questo tipo di c. è difficile prevedere a priori le caratteristiche finali, ma un notevole lavoro è già stato fatto in questo senso. d) Penetrazione del metallo nella interfaccia fra i cristalli della ceramica (o viceversa) ma senza formazione di strati di interfaccia. È il caso del c. costituito da allumina Al₂O₃ e molibdeno. I c. finora preparati sono costituiti in larga quantità da ceramica e solo in piccola parte da metallo; finora anzi si è sempre guardato più alla proprietà della ceramica che a quelle del metallo, essendo quest'ultimo considerato pressoché alla stregua di un legante. Nei materiali così preparati venivano impiegati numerosi tipi di ossido (es. Al₂O₃, Cr₂O₃, MgO, SiO₂, ZrO₂, UO₂, ecc.), di carburi (es. Cr₃C₂, SiC, TiC, TaC, ecc.), di boruri (es. Cr₃B₂, TiB₂, ZrB₂, ecc.) e altri composti come siliciuri (es. MoSi₂) e nitruri (es. TiN). La lista dei metalli impiegati è alquanto lunga e comprende alluminio, berillio, cromo, cobalto, ferro, magnesio, molibdeno, nichel, oltre ad altri meno comuni come zirconio, silicio, tungsteno, platino e così via; inoltre si impiegano anche leghe come acciaio inossidabile, Hastelloy, Inconel, ecc. La nuova tendenza nel campo dei c. è costituita dai materiali cosiddetti SAP, che sono a base soprattutto di metallo, con piccoli tenori di ceramica. I primi materiali del genere realizzati erano a base di alluminio, con largo tenore di metallo (es. 85 ÷ 90%) e piccoli tenori di ceramica (es. 10 ÷ 20%) che normalmente è allumina Al₂O₃. Il segreto di questi materiali sta essenzialmente nel metodo di preparazione che è alquanto lungo e passa attraverso numerose fasi che richiedono stretti controlli. Il processo più noto parte da polvere di alluminio di granulometria opportuna (ad es. circa 1 micron di diametro delle particelle) che viene ossidata superficialmente per formare uno strato di ossido di alluminio Al₂O₃ di uno spessore minimo (es. 1/100 di micron) ma controllato. La polvere viene poi compattata a temperatura ambiente sotto forti pressioni; indi si passa ad una sinterizzazione a temperatura superiore ai 500 °C, sempre sotto pressione. Lo stadio successivo è una compattazione ulteriore, sempre a forti pressioni, a circa 600 °C; si va poi ad un'estrusione o altra operazione, sempre sotto pressione e a caldo. Un materiale di questo genere evidentemente non può avere caratteristiche eccezionali, ma ad alta temperatura la resistenza meccanica e la durezza sono assai più elevate di quelle dell'alluminio puro. Infatti, mentre questo può essere impiegato a temperature relativamente basse, dato che fonde a soli 660 °C, il c. SAP a base di alluminio e Al₂O₃ può essere impiegato in servizio continuato fino a 500 °C e in qualche caso in servizio intermittente fino a 600 °C. Anche la sua resistenza alla fatica supera di molto quella del metallo, sia a freddo che a caldo, data l'estrema finezza della grana di questo materiale. Un c. di questo tipo, con grani estremamente fini, può raggiungere a freddo dei carichi di rottura di 35 kg/mm², superiori a quelli di qualsiasi lega a base di alluminio. La ragione di questo eccezionale comportamento non è nota del tutto ma è sicuramente legata alla presenza del velo di ossido che nella compattazione forma una sottile dispersione di particelle di ossido che rendono il materiale a grana assai fine e impediscono che questa si ingrossi; un altro effetto importante viene da esse esercitato anche sullo scorrimento relativo dei piani di deformazione plastica. Con una tecnica simile si sono prodotti anche altri c. SAP come il sistema molibdeno-siliciuro di molibdeno MoSi₂. In questo caso si parte da polvere di molibdeno e si crea alla superficie dei granelli uno strato sottile di siliciuro, indi si compatta la polvere con un processo analogo a quello citato per il sistema alluminio-ossido di alluminio. Il sistema SAP per produrre c. è destinato ad un notevole sviluppo in quanto i c. ottenuti da simili trattamenti dei metalli sono relativamente economici, pur avendo elevate caratteristiche, soprattutto a caldo. Essi sono anche detti metalli duri o metalli modificati. In questo campo tuttavia gli studi hanno messo in luce solo alcune delle numerose possibilità che si ritiene esistano. Le linee di evoluzione dello studio dei c. sono quindi volte in due filoni principali. Da un lato si perseguono i sistemi tradizionali di creazioni di nuovi materiali attraverso l'unione di nuovi metalli con nuove ceramiche (rispetto a quelli finora impiegati), soprattutto tenendo conto delle possibilità di reazione fra i due componenti e cercando di programmare le caratteristiche del materiale finito, cioè di costruire a tavolino un sistema che abbia poi in pratica le caratteristiche desiderate e previste, come si fa già da diversi anni nello studio di nuovi polimeri in chimica organica. In questa linea sono importanti anche gli studi su certi materiali naturali o sintetici, come gli spinelli, che hanno una qualche somiglianza di struttura coi c. L'altra linea di evoluzione è quella dei c. SAP, che è per ora allo stadio iniziale ma per la quale si ipotizza un grande sviluppo. ║ Usi: gli impieghi dei c. sono sempre ai margini delle possibilità tecnologiche dei materiali, trattandosi appunto di materiali messi a punto per sopperire alle deficienze di quelli tradizionali nei campi più esigenti. Alcuni degli usi tipici, già acquisiti, sono i seguenti: 1) fabbricazione di parti di ugelli di razzi; 2) fabbricazione di parti per lampade ad elevatissima intensità di emissione; 3) rivestimento di camere di combustione per alte temperature; 4) rivestimento di scudi antitermici per proteggere satelliti e astronavi durante l'attraversamento dell'atmosfera; 5) fabbricazione di utensili da taglio o punte a forare di alta qualità; 6) fabbricazione o rivestimento di crogioli per alte temperature; 7) produzione di palette o altre parti di turbine a gas; 8) fabbricazione di resistenze per forni per altissime temperature; 9) produzione di spazzole per collettori di motori elettrici; 10) preparazione o rivestimento di parti striscianti e contatti elettrici mobili; 11) fabbricazione di freni o pastiglie per freni a disco; 12) produzione di bronzine speciali per alte temperature (in tal caso si preparano appositi c. porosi, in modo che possano trattenere un lubrificante speciale, ad es. sodio liquido); 13) produzione o rivestimento di recipienti e apparati vari per ambienti assai corrosivi per l'industria chimica e così via. Speciali c., costituiti da ossido di uranio UO₂ inglobato in metalli particolari (ad es. zirconio) sono stati preparati per l'impiego in reattori nucleari; alcuni di questi hanno una speciale struttura porosa, in modo da permettere un raffreddamento della parete in c. attraverso un'essudazione di prodotti liquidi o gassosi contenuti dal materiale. I c., nati verso il 1950, sono oggi fra i materiali più preziosi per le industrie più avanzate; i problemi sempre più stringenti che queste incontrano spingono alla preparazione di materiali sempre nuovi e con caratteristiche sempre migliori o almeno costi inferiori. In questo senso i c. costituiscono un importante progresso nell'evoluzione tecnologica laddove i metalli hanno raggiunto il limite tecnologico di applicazione pratica.