La guida all'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO)

La storia della metallurgia è stata una ricerca del metallo perfetto. L'uomo ha sempre cercato il metallo più economico, leggero e al tempo stesso resistente.

Ebbene, una cosa del genere non esiste. I metalli economici e leggeri non sono resistenti. I metalli resistenti e leggeri non sono economici. Il concetto è chiaro.

Il processo di anodizzazione è stato un passo avanti. Trasforma i metalli leggeri rendendoli resistenti alla corrosione, cioè più forti. Tuttavia, deve fare i conti anche con emissioni tossiche e con la breve durata dei suoi componenti.

Alla fine del XX secolo, gli ingegneri hanno scoperto il rivestimento per ossidazione elettrolitica al plasma. C'è ancora margine di miglioramento, naturalmente. Ciononostante, gli scienziati si aspettano che questa procedura cambi il modo in cui l'umanità tratta i metalli.

Che cos'è l'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO)?

L'ossidazione elettrolitica al plasma (PEO) è un metodo per creare strati ossido-ceramici sui metalli. È chiamata anche ossidazione a micro-arco (MAO) e ossidazione elettrolitica al plasma (EPO).

Questo processo imita l'anodizzazione. Anche in questo caso il pezzo metallico viene immerso in una soluzione elettrolitica. La differenza principale è che la PEO utilizza potenziali più elevati e, di conseguenza, genera un campo elettrico più intenso.

Di conseguenza, nella soluzione si verificano scariche e scintille che alterano la struttura del pezzo rivestito. Lo strato esterno del metallo viene convertito chimicamente nel suo ossido, che cresce verso l'interno e verso l'esterno rispetto alla superficie.

Le funzioni dell'ossidazione elettrolitica al plasma

I rivestimenti ottenuti con il processo di ossidazione elettrolitica al plasma conferiscono ai metalli diverse caratteristiche.

Innanzitutto, li rendono più resistenti all'usura, al calore e alla corrosione. Ciò significa che i metalli più deboli (e più economici) diventano più forti.

Gli strati ossido-ceramici PEO garantiscono anche stabilità chimica. I metalli trattati non reagiscono con l'ambiente. Pertanto, in condizioni normali, mantengono più a lungo le loro proprietà utili.

Ultimo ma non meno importante, questi metalli migliorano le loro capacità di isolamento elettrico. In questo modo possono servire a nuovi impieghi ad alta intensità di usura.

• Più resistente all'usura
• Più resistente alla corrosione
• Più resistente al calore
• Chimicamente stabile
• Elettricamente isolato

Storia dello sviluppo

Come accennato, l'antenato dell'ossidazione elettrolitica al plasma è l'anodizzazione. Questo tipo di passivazione elettrolitica fu utilizzato industrialmente per la prima volta negli anni '20. Ebbe un'applicazione importante in architettura.

Negli anni '60, però, l'anodizzazione fu in gran parte soppiantata dalla verniciatura a polvere. Questo processo era più rapido, meno inquinante e gli strati protettivi che forniva erano più spessi.

A riportare l'attenzione della comunità scientifica sull'ossidazione in bagno fu la corsa allo spazio. All'inizio degli anni '70, gli ingegneri sovietici scoprirono la PEO e iniziarono a sperimentarla. Un decennio e mezzo dopo, c'erano componenti rivestiti con PEO sulla stazione spaziale Mir.

Tuttavia il processo rimase in gran parte imprevedibile. Anche all'inizio del nuovo secolo, la realtà non sembrava conformarsi alle previsioni fatte in laboratorio. Il divario tra risultati teorici e sperimentali era troppo ampio per dichiarare vittoria.

Di recente, però, alcune aziende come Keronite e IBC ci sono riuscite. Sostengono di aver perfezionato questa procedura imprevedibile e costosa. Ora, dicono, è qualcosa di industrialmente fattibile.

I vantaggi del rivestimento per ossidazione elettrolitica al plasma

Il processo di ossidazione elettrolitica al plasma presenta numerosi vantaggi rispetto all'anodizzazione.

Il rivestimento ceramico che fornisce raggiunge il punto di cristallizzazione, il che significa un prodotto finale più resistente.

Anche il pretrattamento del materiale è molto più semplice. A differenza di quanto avviene nell'anodizzazione, la maggior parte dei componenti necessita solo di una leggera sgrassatura per essere pronta per la PEO.

In questo processo, gli elettroliti utilizzati possono trasferire alcune delle loro proprietà alla ceramica. Ciò significa che possono essere modificati in base all'uso previsto del pezzo risultante.

Inoltre, è un processo ecologico. L'intera procedura è pulita, priva di metalli pesanti.

In breve, la PEO è migliore dell'anodizzazione perché:

• Dà come risultato un prodotto più resistente, grazie alla cristallizzazione
• Il suo pre-trattamento è molto più semplice
• La ceramica incorpora le proprietà degli elettroliti
• È un processo pulito

Gli svantaggi del rivestimento mediante ossidazione elettrolitica al plasma

Come per qualsiasi nuovo metodo, c'è margine di miglioramento nei rivestimenti ottenuti per ossidazione a micro-arco.

Ad esempio, rispetto a processi tradizionali come l'anodizzazione, è ancora costoso. Tutto considerato, il costo per rivestire 1 m² di metallo è di 2-5 $.

La procedura richiede inoltre temperature e pressioni molto elevate. Questo, a sua volta, incide sulla quantità di energia necessaria per far funzionare l'apparecchiatura. Inoltre, riduce la durata degli elettroliti.

Nel complesso, il PEO potrebbe non essere ancora pronto per applicazioni industriali su vasta scala. Ecco perché:

La procedura richiede inoltre temperature e pressioni molto elevate. Questo, a sua volta, incide sulla quantità di energia necessaria per far funzionare l'apparecchiatura. Inoltre, riduce la durata degli elettroliti.

Nel complesso, il PEO potrebbe non essere ancora pronto per applicazioni industriali su vasta scala. Ecco perché:

• Richiede temperature e pressioni elevate
• Consuma una grande quantità di energia
• Richiede la sostituzione continua degli elettroliti
• È troppo costoso

Quali metalli possono essere ossidati tramite micro-arco?

L'ossidazione a micro-arco agisce specificamente sui metalli valvolari, nonché sulla maggior parte delle loro leghe. Cosa sono i metalli valvolari? Sono un gruppo che comprende alluminio, magnesio, titanio, zirconio, tantalio, niobio, afnio e cobalto.

La loro caratteristica principale è che producono naturalmente uno strato di ossido passivante. Il PEO converte quell'ossido in forme cristalline, molto più dure.

In pratica, il processo viene utilizzato per le leghe di alluminio, magnesio e titanio. Gli altri metalli elencati sono molto più costosi.

In sintesi, questi metalli possono essere ossidati tramite micro-arco:

• Alluminio
• Magnesio
• Titanio
• Zirconio
• Tantalio
• Niobio
• Afnio
• Cobalto
• La maggior parte delle loro leghe

Esempi di prodotti applicativi

Grazie alle straordinarie proprietà che il PEO conferisce ai metalli leggeri, ha un'ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, a causa del suo costo elevato, il suo impiego è stato alquanto limitato.

Aerospaziale, aziende militari, medicali e tecnologiche sono tra i suoi utilizzatori.

Ad esempio, le aziende aerospaziali rivestono con PEO le loro leghe leggere per renderle più resistenti. L'esercito statunitense lo ha provato sulle teste dei pistoni e sulle pompe del carburante degli Humvee. Questi componenti hanno guadagnato in resistenza al calore e in durata. Anche il settore medicale impiega l'ossidazione a micro-arco per realizzare protesi sostitutive ossee migliori. Le aziende tecnologiche rivestono con PEO i gusci dei loro telefoni cellulari.

Il PEO è stato applicato, tra le altre cose, a:

• Componenti aerospaziali
• Componenti di veicoli militari
• Protesi sostitutive ossee
• Gusci di telefoni cellulari

Come rivestire un componente con il metodo di ossidazione elettrolitica al plasma?

Il metodo di ossidazione elettrolitica al plasma è un processo complicato. Richiede una preparazione accurata e i seguenti passaggi.

Passaggio 1. Sgrassaggio

Perché il processo funzioni, i substrati – cioè i metalli da rivestire – devono presentarsi nella loro forma più pura. Particelle e sporco hanno conseguenze negative sul risultato. Quindi, anche se può sembrare pulito, il metallo viene sottoposto a una procedura di sgrassaggio.

Innanzitutto, lo sgrassaggio prevede l'uso di carta abrasiva estremamente fine. Questo lascia il campione di metallo lucidato a specchio.

Poi, il componente viene pulito a ultrasuoni in acetone, etanolo e acqua distillata. Una volta rimosse le particelle aderenti, il metallo è pronto per il trattamento.

Passaggio 2. Ossidazione a micro-arco

Una parte fondamentale del trattamento MAO è la cella elettrolitica. Questa, a sua volta, ha tre componenti: un elettrolita e due elettrodi (catodo e anodo).

Il metallo da trasformare funge da anodo, mentre il catodo è solitamente una lastra di acciaio inossidabile.

Entrambi questi pezzi sono immersi in una soluzione elettrolitica acquosa. Questo ambiente liquido può variare a seconda delle proprietà richieste per il materiale risultante. Ad esempio, un esperimento condotto da scienziati cinesi e coreani ha impiegato carbonato di sodio, fosfato di sodio e acetato monoidrato. Per produrre le scariche necessarie, hanno utilizzato un alimentatore a impulsi.

La tensione era compresa tra 200 e 500 V, la frequenza degli impulsi era di 900 Hz, il duty cycle era del 3% e la durata di 5 minuti.

Passaggio 3. Sigillatura

Dopo l'ossidazione a micro-arco, il campione viene nuovamente lavato con acqua distillata. Poi, viene lasciato asciugare a temperatura ambiente.

Quest'ultima fase del processo è necessaria affinché gli strati di ossido si sigillino. Sono cresciuti verso l'interno e verso l'esterno dalla superficie del metallo. L'adesione è quanto di più potente si possa ottenere, in un modo che nessun'altra procedura può garantire.

Attrezzature necessarie per l'ossidazione elettrolitica al plasma

Le attrezzature per l'ossidazione elettrolitica al plasma svolgono un ruolo importante nel processo. Le macchine utilizzate richiedono una messa a punto accurata e i seguenti componenti.

1. Alimentatore per ossidazione a micro-arco

Per raggiungere le condizioni di temperatura e pressione richieste, la prima cosa di cui si ha bisogno è un alimentatore efficace.

Confrontiamo due macchine diverse. Una è di proprietà del Gordon Laboratory, dell'Università di Cambridge. Ha una capacità di 25 litri e richiede che la sua potenza in uscita raggiunga un massimo di 10 kW.

Perché? Innanzitutto, la macchina deve funzionare a una frequenza di 50 Hz. Applica inoltre potenziali anodici fino a 600 V e potenziali catodici fino a 200 V. Questi potenziali vengono regolati per mantenere una corrente costante di 1,5 kA per metro quadrato.

La seconda macchina è di proprietà dell'azienda Keronite. Offre rivestimenti PEO a livello industriale. A tal fine, deve erogare 300 kW di potenza per capacità fino a 3500 litri.

La potenza viene erogata in impulsi estremamente brevi. Ciò consente a picchi di energia molto elevati di raggiungere la cella elettrolitica, massimizzando così l'efficienza del processo.

2. Vasca per ossidazione a micro-arco e impianti di supporto

Come accennato, il rivestimento MAO è a base di bagno. Ciò significa che il substrato viene collocato in una vasca, dove viene coperto da una soluzione elettrolitica acquosa.

Le soluzioni variano in base alle caratteristiche desiderate del rivestimento. L'anodizzazione impiegava solitamente acido solforico (H2SO4) altamente inquinante. La MAO, a sua volta, utilizza soluzioni monouso e pulite, per lo più proprietarie.

Un sistema di circolazione per il raffreddamento completa il design della vasca. Attraverso tubi che entrano in contatto con la soluzione, offre modi per abbassare la temperatura del processo.

3. Materiale catodico

Le celle elettrolitiche richiedono un anodo e un catodo. I campioni di substrato funzionano da anodi. Un materiale inerte, di solito acciaio inossidabile, funge da catodo.

Poiché anodi e catodi non possono essere a contatto, i campioni restano appesi a un supporto durante tutto il processo.

Domande frequenti

Conclusione

L'ossidazione elettrolitica al plasma sta sostituendo l'anodizzazione come metodo numero uno per migliorare industrialmente i metalli leggeri. Dopo decenni di ricerche, il processo è stato messo a punto per rendere i metalli economici più resistenti al calore e alla corrosione.

La PEO è ancora costosa e richiede tecnologia all'avanguardia. Tuttavia, aziende e università stanno lavorando per renderla di uso diffuso.