Resistenza all'usura di un prodotto additivo elevato

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12554 (2022) Citare questo articolo

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È stato catturato il comportamento di usura da scorrimento a secco di un acciaio inossidabile martensitico ad alto contenuto di carbonio (HCMSS) costituito da circa 22,5 vol% di carburi ricchi di cromo (Cr) e vanadio (V) trattati mediante fusione a fascio di elettroni (EBM). La microstruttura era costituita da fasi martensitiche e austenite trattenute con una distribuzione omogenea di carburi ricchi di V e ricchi di Cr di dimensioni inferiori al micron, che portavano a una durezza relativamente elevata. Il CoF è diminuito di circa il 14,1% con l'aumento del carico in condizioni stazionarie, a causa del materiale trasferito dalla pista di usura sul controcorpo. Il tasso di usura dell'HCMSS rispetto all'acciaio per utensili martensitico lavorato nello stesso modo ed era quasi identico con un carico applicato basso. Il meccanismo di usura dominante era la rimozione della matrice di acciaio attraverso l'abrasione, seguita dall'ossidazione della traccia di usura, mentre l'usura abrasiva a tre corpi si verificava con l'aumento del carico. Una zona plasticamente deformata sotto la traccia di usura è stata rivelata attraverso la mappatura della durezza in sezione trasversale. Fenomeni specifici verificatisi con condizioni di usura sempre più aggressive sono stati descritti come rottura del carburo, estrazione di carburi ricchi di V e rottura della matrice. Questo studio ha rivelato le prestazioni di usura dell’HCMSS prodotto in modo additivo, che potrebbe aprire la strada alla produzione di componenti per applicazioni legate all’usura che vanno dagli alberi agli stampi a iniezione di plastica tramite EBM.

Gli acciai inossidabili (SS) sono una famiglia di acciai versatile ampiamente utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni aerospaziali, automobilistiche, alimentari e in molte altre applicazioni ingegneristiche grazie alla loro elevata resistenza alla corrosione e alle adeguate proprietà meccaniche1,2,3. La loro elevata resistenza alla corrosione è attribuita all'elevato contenuto di cromo (superiore all'11,5% in peso) nell'SS, che facilita la formazione di una pellicola di ossido ricca di cromo sulla superficie1. Tuttavia, la maggior parte dei gradi SS hanno un basso contenuto di carbonio e quindi una durezza e una resistenza all'usura limitate, il che porta a una durata operativa più breve in applicazioni legate all'usura come i componenti di atterraggio aeronautici4. Di solito possiedono una bassa durezza (compreso tra 180 e 450 HV), e solo alcuni gradi martensitici SS trattati termicamente mostrano un'elevata durezza (fino a 700 HV) associata al loro alto contenuto di carbonio (fino all'1,2% in peso) che può favorire la formazione di martensite1. In breve, l’alto contenuto di carbonio diminuisce la temperatura di trasformazione della martensite, consentendo una microstruttura completamente martensitica ad elevate velocità di raffreddamento e ottenendo una microstruttura resistente all’usura. Per migliorare ulteriormente le prestazioni antiusura della matrice, è possibile incorporare fasi dure (come i carburi) nella matrice di acciaio.

L'implementazione della produzione additiva (AM) consente la produzione di nuovi materiali con composizioni desiderate, caratteristiche microstrutturali e proprietà meccaniche superiori5,6. Ad esempio, la fusione a letto di polvere (PBF), uno dei processi AM più commercializzati, può depositare polveri pre-legate per formare un componente di forma quasi netta sciogliendo la polvere utilizzando una fonte di calore come un laser o un fascio di elettroni. Diversi studi hanno dimostrato che le parti SS lavorate con AM possono essere superiori a quelle prodotte convenzionalmente. Ad esempio, è stato dimostrato che gli SS austenitici lavorati con AM hanno proprietà meccaniche migliorate grazie alla microstruttura più fine (vale a dire, relazione Hall-Petch)3,8,9. Il trattamento termico negli SS ferritici lavorati con AM ha promosso la formazione di precipitati aggiuntivi, fornendo proprietà meccaniche simili alle controparti convenzionali3,10. Sono stati introdotti gli SS duplex lavorati con AM aventi elevata resistenza e durezza, dove le proprietà meccaniche migliorate sono attribuite alle fasi intermetalliche ricche di Cr all'interno della microstruttura11. Inoltre, è possibile ottenere proprietà meccaniche migliorate per l'SS martensitico lavorato con AM e l'SS indurito per precipitazione controllando l'austenite trattenuta all'interno della microstruttura e ottimizzando i parametri di lavorazione AM e di trattamento termico3,12,13,14.