CERMETI

CERMETI

Sono così chiamati, dall'inglese cermets (abbr. di (ceramic metals), i materiali derivanti dall'unione di un metallo o di una lega metallica con una sostanza di natura ceramica. Nel linguaggio tecnico comune è però di uso universale anche nel nostro paese il termine anglosassone.

Gli studî sui c. ebbero inizio verso la fine della seconda guerra mondiale e furono grandemente sviluppati negli anni seguenti, quando l'incremento dei motori a reazione rese desiderabile per le palette di turbine destinate a lavorare a temperature sempre più elevate un materiale che accoppiasse la duttilità e la resistenza meccanica dei metalli con la refrattarietà di una ceramica. Il principio consiste nel disperdere finemente le due fasi una nell'altra, in modo che il materiale ceramico, a punto di fusione assai elevato, venga a costituire un ostacolo allo scorrimento plastico presentato dai metalli a temperature superiori agli 800-1000 °C.

I c. possono essere divisi in varie categorie a seconda del tipo di materiale ceramico impiegato nella loro fabbricazione.

Cermeti a base di ossidi refrattarî. - Allumina, ossido di berillio, di magnesio, di zirconio, di cromo sono stati accoppiati con fasi metalliche costituite da cobalto, nichel, cromo, ferro, alluminio, zirconio, berillio, manganese e molibdeno, da soli od in lega fra loro.

I risultati migliori sono stati sino ad oggi ottenuti con miscele di allumina e cromo metallico nelle proporzioni rispettive del 70 e 30% in peso. I c. di questo tipo mostrano un'ottima resistenza all'ossidazione, anche a temperature dell'ordine di 1200-1500 °C, ma resistono assai male agli sbalzi termici e presentano bassissima resilienza. Una migliore resistenza agli sbalzi termici può essere ottenuta aumentando la percentuale di fase metallica, ma gli altri inconvenienti permangono ugualmente.

Cermeti a base di boruri, nitruri e siliciuri dei metalli di transizione appartenenti al quarto, quinto e sesto gruppo del sistema periodico. - Sono stati relativamente poco studiati. Alcuni di questi materiali non sono da considerare c. veri e proprî perché privi di legante metallico.

Cermeti a base di carburi. - Sono quelli più largamente studiati e che finora hanno fornito i risultati più promettenti. Sono anche i soli che siano stati prodotti su scala commerciale. La parte ceramica è rappresentata da carburo di titanio (TiC) che può contenere in soluzione solida piccole quantità di carburo di niobio (NbC) e di tantalio (TaC), che ne aumentano la resistenza all'ossidazione. La fase metallica è costituita generalmente da una lega di nichel con circa il 20% di cromo. Il nichel può essere in tutto od in parte sostituito da cobalto. Nei primi materiali di questo tipo la percentuale di fase metallica era mantenuta piuttosto bassa (sull'ordine del 20%), ma in seguito è prevalsa la tendenza ad aumentarla (fino anche al 70%) per migliorare la duttilità e la resistenza all'urto e all'ossidazione.

I migliori tipi di c. a base di carburi presentano a 1000 °C resistenze a trazione dell'ordine di 30 kg/mm². In qualche caso eccezionale si è giunti anche a 50 kg/mm². Molto buona è anche la resistenza allo scorrimento plastico; il carico necessario per ottenere la rottura dopo 100 ore è, sempre a 1000 °C, dell'ordine di 10 kg/mm² e può salire anche a 17 kg/mm². Soddisfacente è pure la resistenza all'ossidazione, mentre la resilienza è sempre assai bassa; a temperatura ambiente con il metodo della provetta di Charpy senza intaglio si ottengono valori compresi fra 0,3 e 1 kgm/cm².

A questa categoria di c. si riallacciano i materiali, conosciuti da lungo tempo dalla tecnica, a base di carburo di tungsteno agglomerato con piccole quantità di cobalto e utilizzati largamente come utensili da taglio.

Fabbricazione dei cermeti. - I c. vengono usualmente preparati con i metodi tradizionali della metallurgia delle polveri (v. metalllurgia, in App. II, 11, p. 300). Il materiale ceramico ed il legante metallico, finissimamente suddivisi, vengono mescolati accuratamente fra loro. Molto usata a questo scopo la macinazione ad umido in mulini a palle in presenza di un liquido inerte. Le polveri sono poi seccate e compresse a freddo nella forma desiderata, tenendo conto del ritiro durante le operazioni ulteriori. Segue una sinterizzazione ad elevata temperatura nel vuoto od in atmosfera controllata. Nel caso dei cermeti a base di carburo con basse percentuali di fase metallica la sinterizzazione può essere eseguita a temperatura superiore a quella di fusione del legante. Il metallo liquido scioglie una piccola quantità di carburo, che viene riprecipitato durante la solidificazione, migliorando così la dispersione e l'aderenza metallo-ceramica. In qualche caso le operazioni di pressatura vengono eseguite direttamente a caldo a temperature assai prossime a quelle della sinterizzazione finale.

Negli ultimi anni è stato largamente sviluppato, almeno su scala di laboratorio, il metodo per imbibizione. Esso consiste nel preparare mediante compressione moderata del carburo in polvere uno scheletro altamente poroso avente la forma finale che si desidera ottenere e che viene poi portato in contatto con la lega metallica liquida, da cui risulta così impregnato. Tale metodo oltre migliorare la distribuzione del carburo nella matrice metallica, con conseguente aumento della resistenza all'urto, permette l'impiego di leghe che commercialmente non sono disponibili sotto forma di polvere fine.

Impieghi dei cermeti. - L'ostacolo principale per l'utilizzazione dei c. quali costituenti di palette per turbine di motori a reazione è costituito dalla loro scarsissima resistenza all'urto. Particolarmente temibili sono le rotture ad urto secondario: è sufficiente infatti la presenza di una sola paletta difettosa, perché questa rompendosi dia origine a frammenti dotati di elevata velocità, che a loro volta producono la frantumazione delle altre palette della stessa girante. Questo inconveniente, unito ai miglioramenti subiti in questi ultimi anni dalle leghe a base di nichel, cobalto e cromo usate abitualmente per la costruzione delle palette, ha fatto sì che, almeno per il momento, i c. non siano stati in pratica mai usati per lo scopo originale per cui erano stati concepiti.

I c. hanno però trovato, e potranno trovare ancora più ampiamente in futuro, larghe applicazioni in altri campi della tecnica, specie dove è necessaria una buona resistenza alla corrosione a temperature elevate. Essi sono stati per esempio usati per guaine di termocoppie e parti di pompe che lavorano in presenza di metalli fusi, per noccioli di trafile per ceramiche e per l'estrusione del vetro, per camere di combustione per razzi, ecc. Anche nel campo dell'utilizzazione dell'energia nucleare si è già fatto uso di c. di tipo particolare per la costruzione di guaine e di sbarre di controllo ed anche per fabbricare veri e proprî elementi combustibili.

Bibl.: P. Schwarzkopf e R. Kieffer, Refractory hard metals, New York 1953; ASTM, Symposium on metallic materials for service at temperatures above 1600 °F. Philadelphia 1956; R. F. Hehemann e G. Mervin Ault, High temperature materials, New York 1959; J. R. Tinklepaugh, W. B. Crandall, Cermets, New York 1960.