Le leghe zinco–alluminio (ZA) sono ampiamente impiegate in ambito industriale grazie alla combinazione di proprietà favorevoli, tra cui basso punto di fusione, buona colabilità, adeguata resistenza meccanica e durezza, buona lavorabilità, discreta resistenza alla corrosione e costi di produzione contenuti.
Le leghe zinco–alluminio (ZA) sono sistemi progettati per offrire un equilibrio tra proprietà meccaniche, processabilità e costo (Tabella 1). L’alluminio rappresenta l’elemento principale di lega, responsabile dell’incremento di resistenza e durezza rispetto allo zinco puro. Il rame, presente in percentuali moderate, contribuisce ulteriormente al rafforzamento e migliora la resistenza all’usura, mentre piccole aggiunte di magnesio favoriscono la stabilità microstrutturale e la resistenza alla corrosione. Altri elementi, come nichel o stagno, possono essere introdotti in quantità limitate per ottimizzare specifiche prestazioni, mentre ferro, piombo e cadmio sono generalmente presenti solo come impurezze controllate. La combinazione e il dosaggio di tali elementi consentono di modulare le proprietà della lega in funzione delle esigenze applicative, in particolare nei contesti in cui sono richieste buone prestazioni tribologiche.
La sigla ZA27 identifica una lega zinco–alluminio contenente circa il 27% in peso di alluminio. All’interno della famiglia ZA, essa rappresenta la variante con le migliori prestazioni in termini di resistenza meccanica e durezza, a fronte tuttavia di una ridotta duttilità rispetto alle leghe ZA8 e ZA12. Il più elevato contenuto di alluminio comporta inoltre un aumento del punto di fusione, rendendola meno indicata per processi di pressofusione tradizionale, ma particolarmente adatta per applicazioni che richiedono elevata resistenza strutturale e stabilità nel tempo. Nonostante le buone proprietà meccaniche, l’impiego della ZA27 può risultare limitato in ambito tribologico, a causa di una resistenza all’usura non sempre adeguata in condizioni operative severe (Tabella 2).
Numerosi studi hanno analizzato l’effetto dell’introduzione di particelle di rinforzo nelle leghe ZA, impiegando materiali quali carburo di silicio (SiC), grafite, ossido di alluminio (Al₂O₃) e ossido di zirconio (ZrO₂). I risultati riportati in letteratura evidenziano come l’aggiunta di rinforzi ceramici o solidi lubrificanti comporti un miglioramento significativo del comportamento tribologico della matrice. In particolare, prove di usura condotte mediante metodo pin-on-disc su compositi contenenti il 10% in peso di SiC (50–100 μm) hanno mostrato una maggiore resistenza all’usura rispetto alla lega base, pur in presenza di un incremento del tasso di usura all’aumentare del carico applicato, sia in condizioni di scorrimento a secco sia lubrificate. Tali evidenze confermano il ruolo del SiC nel migliorare le prestazioni tribologiche dei compositi ZA, rendendoli idonei per applicazioni soggette a condizioni di attrito severe.
L’aggiunta di grafite alle leghe ZA non contribuisce unicamente al miglioramento di alcune proprietà meccaniche, ma introduce anche un marcato effetto di lubrificazione solida, con conseguente riduzione del tasso di usura. Tale comportamento è attribuibile alla formazione di un film superficiale di grafite nella zona di contatto, in grado di diminuire il coefficiente di attrito e limitare il danneggiamento del materiale durante lo scorrimento, sia in condizioni a secco sia in presenza di lubrificazione. Per tali ragioni, i compositi a base di ZA27 rinforzati con grafite risultano particolarmente idonei per applicazioni soggette ad attrito prolungato, dove sono richieste elevata durabilità e ridotte esigenze di manutenzione, come nel caso di componenti meccanici e sistemi automotive.
Il comportamento tribologico delle leghe ZA rinforzate risulta tutt’altro che lineare rispetto ai parametri operativi. In particolare, numerosi studi hanno evidenziato una dipendenza non proporzionale del tasso di usura dal carico applicato e dalla velocità di scorrimento, a testimonianza della complessità delle interazioni tra matrice, particelle di rinforzo e condizioni di esercizio. In prove condotte su un ampio intervallo di carichi (30–60 N) e velocità di rotazione (200–300 giri/min), è stata osservata la prevalenza di meccanismi di usura abrasiva a bassi carichi, mentre a carichi più elevati si manifesta una transizione verso fenomeni di delaminazione. Tali evidenze confermano che il comportamento tribologico di questi compositi è fortemente condizionato dal regime di esercizio, aspetto determinante in fase di progettazione, poiché consente di selezionare e ottimizzare la composizione del materiale in funzione delle specifiche condizioni operative previste.
Ulteriori studi hanno evidenziato che l’introduzione di grafite o SiC nelle leghe ZA, oltre a migliorare la resistenza all’usura e a fornire un contributo di lubrificazione solida, può influenzare positivamente anche la capacità di smorzamento del materiale. Tale caratteristica risulta particolarmente rilevante in componenti soggetti a vibrazioni e sollecitazioni dinamiche, come elementi di trasmissione e sistemi di sospensione, contribuendo alla riduzione del rumore e al prolungamento della vita utile in esercizio. Inoltre, la presenza di grafite nei compositi ZA27 favorisce una più efficace dissipazione del calore grazie alla sua buona conducibilità termica, aspetto determinante in applicazioni ad alte prestazioni, quali componenti motore e sistemi frenanti, dove il controllo della temperatura riveste un ruolo critico.
L’incorporazione di grafite e SiC nella lega ZA27 consente inoltre di modulare in modo mirato le proprietà del materiale in funzione delle specifiche esigenze applicative. La variazione della percentuale in peso e della granulometria delle particelle di rinforzo permette di bilanciare parametri quali durezza, resistenza all’usura, capacità di smorzamento e conducibilità termica, ottimizzando il comportamento del composito in relazione al contesto operativo previsto. Tale flessibilità progettuale rende i compositi a base di ZA27 particolarmente interessanti nell’ambito dell’ingegneria dei materiali e ne giustifica l’ulteriore sviluppo e approfondimento sperimentale.
In termini generali, i compositi a matrice metallica (MMC) mostrano proprietà meccaniche superiori rispetto alle leghe non rinforzate, quali maggiore resistenza a trazione, incremento del modulo elastico e migliore stabilità alle alte temperature. Anche le leghe ZA rinforzate rientrano in questo quadro, beneficiando dell’apporto delle particelle disperse nella matrice. Tuttavia, esse presentano peculiarità specifiche, in particolare sotto il profilo tribologico e microstrutturale, che le distinguono nel più ampio panorama dei MMC.
Diversi studi sperimentali hanno evidenziato che il tasso di usura, pur dipendendo in modo significativo dal carico applicato, non segue una relazione lineare semplice, come avviene per altri materiali metallici. È stato inoltre osservato il trasferimento di particelle di ferro (Fe) dal disco in acciaio alla superficie del campione, a conferma della complessità dei meccanismi di interazione al contatto. Nonostante tali fenomeni, l’impiego di approcci statistici ha consentito di sviluppare modelli previsionali in grado di descrivere con buona accuratezza il comportamento tribologico di queste leghe. Tali modelli derivano dall’analisi combinata degli effetti di velocità di scorrimento, carico normale e distanza di scorrimento sul tasso di usura dei compositi a matrice metallica. In questo contesto è stato osservato che l’aumento del carico e della distanza di scorrimento comporta generalmente un incremento dell’usura, mentre l’influenza della velocità può risultare meno lineare e talvolta non monotona. L’applicazione di metodologie statistiche avanzate, quali il metodo di Taguchi, ha inoltre evidenziato come il carico di contatto rappresenti il parametro dominante (≈85,85%) nel determinare il tasso di usura, rispetto alla velocità di scorrimento (≈7,09%) e al contenuto di grafite (≈5,24%). È stato altresì rilevato che le interazioni tra i parametri risultano meno influenti rispetto agli effetti dei singoli fattori considerati indipendentemente.
Tali evidenze confermano la complessità dei fenomeni tribologici coinvolti e giustificano l’interesse scientifico e applicativo verso un ulteriore approfondimento sperimentale e modellistico di questi materiali, il cui potenziale risulta sempre più evidente anche in confronto ad altre leghe e sistemi compositi (Figura 1).
Esperimento
Nel presente studio sono state investigate le proprietà di resistenza all’usura della lega zinco–alluminio ZA27, utilizzata come matrice per la realizzazione di compositi rinforzati con il 5% in peso di carburo di silicio (ZA27/5%SiC) e di un composito ibrido contenente il 5% in peso di SiC e un ulteriore 3% in peso di grafite (ZA27/5%SiC/3%Gr) (composizione in Tabella 3).
I provini sono stati ottenuti mediante processo di compo-casting, tecnica che consente una dispersione relativamente uniforme delle particelle di rinforzo all’interno della matrice metallica. Tale metodo, oltre a garantire un buon controllo microstrutturale, non richiede trattamenti preliminari complessi delle particelle, risultando quindi idoneo alla produzione di compositi a matrice metallica con procedure operative relativamente semplici.
La produzione dei provini è stata effettuata mediante un impianto sperimentale, costituito da un’unità di processo (forno di fusione, crogiolo e sistema di miscelazione meccanica) e da un sistema di misura e controllo della temperatura basato su termocoppia e strumentazione dedicata. Il processo di compo-casting adottato si è articolato in più fasi. In una prima fase, le particelle di rinforzo sono state introdotte nel bagno metallico in stato semisolido, seguite da una miscelazione a bassa velocità per favorirne la dispersione iniziale nella matrice. Sono state impiegate particelle di grafite con dimensione media di 15 μm e particelle di SiC con dimensione media di 26 μm.
Al raggiungimento della temperatura di processo di 465 °C, è stata eseguita una miscelazione ad alta velocità, con rotazione dell’agitatore pari a 500 min⁻¹ per una durata di 2,5 minuti, al fine di migliorare l’infiltrazione delle particelle e limitare fenomeni di agglomerazione o incremento eccessivo della viscosità del fuso.
Successivamente, i getti compositi ottenuti sono stati sottoposti a pressatura a caldo, seguita da raffreddamento controllato fino a temperatura ambiente.
L’analisi metallografica ha permesso di esaminare la struttura dei grani e la dimensione delle particelle di rinforzo. Allo scopo è stato utilizzato un microscopio ottico assistito da computer Meiji Techno MT8500 (Meiji Techno Co., Ltd., Saitama, Giappone) con campioni lucidati ed trattati chimicamente secondo le procedure standard di metallografia.
La Figura 2a mostra la microstruttura della lega ZA27. L’uniformità della struttura è qui chiaramente visibile, da cui sono poi derivate alcune delle proprietà meccaniche favorevoli riscontrate nei materiali. Si può notare ancora come la struttura della lega ZA27 sia tipicamente dendritica, con dendriti primari di fase α, eutettoide α + η e una fase meta-stabile ε. Osservazioni simili sono state riscontrate in letteratura confermando la sostanziale bontà del procedimento produttivo. La struttura risulta infine omogenea, composta da nuclei chiari ricchi di alluminio, con un eutettico estratto di colore grigio costituito da fasi α e η, ricche di zinco.
La Figura 2b mostra la microstruttura del composito ZA27/5%SiC, mentre la Figura 2c presenta la microstruttura del composito ibrido ZA27/5%SiC/3%Gr. Le particelle di SiC sono chiaramente distinguibili nelle immagini e rispetto alla grafite. Si osserva, in generale, una dispersione ragionevolmente omogenea delle particelle di rinforzo, che rappresenta uno degli elementi fondamentali per garantire un materiale di qualità. Tra l’altro, nelle immagini è anche possibile osservare come le particelle di grafite, più morbide, non sono riuscite a mantenere le proprie dimensioni originali per via dell’erosione subita durante il processo di miscelazione.
Le prove tribologiche sono state condotte mediante tribometro di tipo block-on-disc, dotato di sistema di azionamento costituito da motore elettrico e trasmissione meccanica, dispositivo per l’impostazione e il controllo del carico normale e della velocità di scorrimento, nonché sistema di auto-allineamento tra disco rotante e blocco stazionario. L’apparato era inoltre equipaggiato con un sistema di acquisizione e misura dei parametri di prova. Un apposito supporto del provino ha consentito l’applicazione del carico normale lungo l’asse del disco, garantendo una distribuzione uniforme della pressione di contatto sull’intera superficie del blocco a contatto con il disco.
I test sono stati eseguiti con velocità di scorrimento di 0,25 m/s, 0,5 m/s e 1 m/s, carichi normali di 10 N, 20 N e 30 N, ed una distanza di scorrimento di 600 m, mantenuta costante. Le coppie di contatto sono state preparate secondo le specifiche della norma ASTM G77-05. Tutti i dischi, realizzati in acciaio 90MnCrV8 con una durezza di 62–64 HRC, avevano un diametro di 35 mm e una rugosità superficiale di Ra = 0,3 µm. I blocchi erano di 6,35 × 15,75 × 10,16 mm, con una rugosità superficiale sempre di 0,3 µm.
Ogni esperimento è stato ripetuto cinque volte per ciascun materiale e condizione di prova. La larghezza della traccia di usura sulla superficie di contatto del blocco è stata scelta quale parametro di riferimento per la misurazione dell’usura. La misura di questa larghezza è stata eseguita utilizzando un microscopio di misura universale UIM-21 (GOMZ, San Pietroburgo, Russia). I valori finali sono stati calcolati come media aritmetica di cinque misurazioni.
I valori della larghezza della traccia di usura per diversi carichi normali e velocità di scorrimento sono stati utilizzati per derivare il tasso di usura. Il volume di materiale perso è stato calcolato secondo la norma ASTM G77-83, basandosi sulle misurazioni della larghezza della traccia di usura e sulla geometria della coppia di contatto, e il tasso di usura è stato espresso in mm³/m.
Al fine di caratterizzare la morfologia delle superfici usurate, è stata eseguita un’analisi mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) sulla lega ZA27 e sui compositi testati. Le osservazioni sono state condotte utilizzando un microscopio JEOL JSM-6610LV (JEOL Ltd., Tokyo, Giappone), ad alta risoluzione, equipaggiato con sistema EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) per l’analisi chimica locale.
Prima delle analisi SEM, i campioni sono stati sottoposti a pulizia accurata mediante immersione in etanolo e successivo trattamento in bagno ultrasonico, al fine di rimuovere eventuali residui superficiali. La posizione dei provini all’interno della camera di analisi è stata controllata tramite sistema di monitoraggio video, consentendo la selezione mirata delle aree di interesse per l’osservazione e l’analisi composizionale.
Risultati
Le variazioni del tasso di usura in condizioni di scorrimento a secco sono presentate nei grafici corrispondenti, per le diverse distanze di scorrimento, velocità e carichi di contatto adottati. La Tabella 4 riporta i risultati delle misurazioni della larghezza della traccia di usura (ℓ) e i tassi di usura (τ) calcolati per i tre tipi di materiali testati, in tutte le combinazioni di velocità di scorrimento e carichi applicati.
Per osservare l’evoluzione del processo di usura e facilitare i confronti, i risultati del tasso di usura (τ) per la lega ZA27 e i suoi compositi sono stati riportati negli stessi grafici. Per evidenziare chiaramente le differenze nei livelli di usura, i diagrammi sono stati realizzati considerando singoli valori di carico normale e velocità di scorrimento.
I diagrammi relativi al tasso di usura per un carico normale pari a 10 N, alle tre velocità di scorrimento considerate, sono riportati nelle Figure 3a–c. Analogamente, i risultati ottenuti con carico di 20 N sono presentati nelle Figure 4a–c, mentre quelli relativi al carico di 30 N sono illustrati nelle Figure 5a–c.
I dati sperimentali risultano in linea con quanto riportato in letteratura per la lega ZA27 e per i compositi a essa associati. In condizioni di scorrimento a secco, i materiali rinforzati mostrano sistematicamente una maggiore resistenza all’usura rispetto alla lega di base. Inoltre, per tutti i materiali analizzati, il tasso di usura evidenzia un incremento al crescere del carico normale applicato e della velocità di scorrimento.
Dall’analisi dei grafici si rileva che l’andamento del tasso di usura risulta qualitativamente simile per la lega ZA27 e per i compositi considerati; tuttavia, in tutte le condizioni di prova, i materiali rinforzati evidenziano valori di usura inferiori rispetto alla lega base.
Nella fase iniziale delle prove si osserva un regime di usura più intenso, riconducibile al periodo di rodaggio (running-in), seguito da una progressiva stabilizzazione del comportamento tribologico. Tale fase iniziale è caratterizzata da una maggiore pendenza delle curve, indicativa di un più rapida asportazione di materiale prima del raggiungimento di condizioni di contatto più stabili.
L’elaborazione dei dati sperimentali mediante regressione non lineare ha consentito poi di ottenere le superfici di risposta riportate in Figura 6. Tali superfici descrivono l’andamento tridimensionale del tasso di usura in funzione del carico normale (Fₙ) e della velocità di scorrimento (v) per la lega ZA27 e per i due compositi. Si osserva come, per tutti i materiali, il tasso di usura cresca in modo marcato con l’aumento del carico, mentre l’influenza della velocità risulta più contenuta, in accordo con i coefficienti esponenziali ricavati dalle equazioni di regressione. In particolare, il composito ibrido ZA27/5%SiC/3%Gr presenta i valori complessivamente più bassi del tasso di usura e una minore sensibilità alla velocità di scorrimento (esponente di v ridotto), a conferma dell’effetto stabilizzante esercitato dalla grafite nella zona di contatto.
La Figura 7 riporta invece gli istogrammi comparativi dei tassi di usura medi per le diverse condizioni operative considerate. Il confronto visivo evidenzia con chiarezza come, a parità di carico e velocità, la lega ZA27 mostri sempre i valori più elevati, seguita dal composito ZA27/5%SiC, mentre il composito ibrido ZA27/5%SiC/3%Gr presenta sistematicamente i valori più contenuti. Ne deriva l’evidente vantaggio dell’impiego di SiC nella lega allo scopo di ridurre la velocità di usura.
L’atteso incremento progressivo dell’usura al crescere del carico (10 → 20 → 30 N) risulta evidente per tutti i materiali, così come l’effetto della velocità di scorrimento (0,25 → 1 m/s), che diventa più marcato nelle condizioni più gravose.
Le morfologie delle superfici usurate, osservate mediante SEM e riportate in Figura 8, permettono di correlare i dati quantitativi con i meccanismi attivi. Nel caso della lega ZA27 (Figura 8a) si evidenziano solchi paralleli pronunciati e una maggiore irregolarità superficiale, indicativi di un’intensa usura abrasiva. Nel composito ZA27/5%SiC (Figura 8b) si osserva una superficie caratterizzata da solchi ancora presenti ma meno profondi, con evidenti zone di accumulo di detriti e tracce di trasferimento di materiale. Nel composito ibrido (Figura 8c), la superficie appare più regolare, con solchi più superficiali e presenza di aree levigate, attribuibili alla formazione di un film lubrificante di grafite che riduce il contatto diretto e limita l’asportazione di materiale.
Le micrografie SEM ad ingrandimento maggiore e le corrispondenti analisi EDS (in Figura 9) confermano ulteriormente tali osservazioni. Per la lega ZA27 (Figura 9a–b) lo spettro EDS evidenzia principalmente Zn e Al, con tracce di Fe riconducibili al trasferimento di materiale dal disco in acciaio. Nel composito ZA27/5%SiC (Figura 9c–d) si rileva la presenza di Si, associato alle particelle di SiC, oltre agli elementi della matrice e al Fe trasferito. Nel composito ibrido (Figura 9e–f) compaiono inoltre segnali attribuibili al carbonio (grafite), confermando la partecipazione di tale fase alla formazione dello strato superficiale. La combinazione di SiC frammentato, grafite e ossidi di ferro contribuisce alla costituzione dello strato misto meccanicamente generato (MML), responsabile del comportamento tribologico osservato.
Discussione
Nel complesso, emerge una visione integrata del fenomeno che porta alle stesse conclusioni: dalle relazioni matematiche e superfici di risposta (Figura 6), al confronto quantitativo diretto (Figura 7), fino all’interpretazione microstrutturale e chimica dei meccanismi di usura (Figure 8 e 9). Durante l’analisi sono emerge correlazioni evidenti con relazioni già note che legano il tasso di usura (τ) ai vari parametri adottati. Nello specifico, si è confermata una forma di regressione di esponenziale conosciuta del tipo:
dove C, a, b sono costanti, F è il carico normale di contatto e v è la velocità di scorrimento.
Utilizzando i dati sperimentali e uno strumento di adattamento delle curve nel software Matlab (R2015a, MathWorks, Inc., Natick, MA, USA), sono stati calcolati i coefficienti di regressione con intervalli di confidenza del 95%. La bontà dell’adattamento è stata rappresentata dai valori di R² e R² modificato, evidenziando una correlazione molto buona tra i dati sperimentali e le distribuzioni empiriche.
I valori ottenuti dei tassi di usura e le rispettive deviazioni standard per la lega ZA27 e per i compositi testati in condizioni di scorrimento a secco sono stati riportati in istogrammi comparativi, per una distanza di scorrimento di 600 m.
Dall’analisi degli istogrammi emerge in modo evidente che, in tutti i regimi di prova considerati, i valori più elevati del tasso di usura sono associati alla lega ZA27 non rinforzata. Si conferma inoltre una crescita sistematica dell’usura all’aumentare sia del carico normale sia della velocità di scorrimento. Il valore massimo è stato registrato alla condizione più gravosa (v = 1 m/s; F = 30 N), mentre la combinazione di velocità minima (0,25 m/s) e carico minimo (10 N) ha prodotto i valori più contenuti.
L’analisi SEM delle superfici usurate è stata effettuata su campioni testati con carico normale di 10 N, velocità di 0,25 m/s e distanza di scorrimento pari a 600 m. Le micrografie mostrano la presenza di solchi e graffi paralleli alla direzione di scorrimento per tutti i materiali analizzati. Tali morfologie sono attribuibili all’azione del disco in acciaio, caratterizzato da durezza superiore rispetto ai campioni, e indicano la prevalenza di un meccanismo di usura di tipo abrasivo. In particolare, nei compositi, la penetrazione e l’azione delle particelle dure di SiC contribuiscono alla formazione dei solchi osservati.
L’osservazione morfologica, correlata ai valori misurati del tasso di usura, suggerisce che la formazione di strati tribologici superficiali svolga un ruolo determinante nel definire il comportamento complessivo all’usura dei materiali analizzati.
La presenza di trasferimento di materiale tra le superfici in contatto evidenzia inoltre l’attivazione di un meccanismo di usura adesiva. Tale fenomeno è associato alla formazione e alla successiva rottura di micro-giunzioni localizzate tra le superfici durante lo scorrimento. Una parte del materiale asportato viene rimossa sotto forma di detriti, mentre una frazione rimane aderente alla traccia di usura, contribuendo alla modifica della morfologia superficiale. Nei compositi si osservano cavità di forma irregolare e profondità variabile, indicative della rimozione localizzata di materiale per distacco adesivo.
In studi precedenti è stato riportato che compositi ZA27 rinforzati al 6% presentano prevalentemente usura abrasiva a bassi carichi, con transizione verso fenomeni di delaminazione al crescere del carico, evidenziati dall’asportazione di strati superficiali.
Analogamente, nelle superfici analizzate si rileva la presenza di detriti fini aderenti, aumento della rugosità, solchi profondi e trasferimento di materiale, elementi riconducibili alla combinazione di meccanismi abrasivi e adesivi che governano il processo di usura nelle condizioni di prova considerate.
Dalle micrografie è stata inoltre evidenziata la presenza di un sottile strato di ossido sulla superficie della lega ZA27. Tale strato svolge un ruolo protettivo, limitando la deformazione plastica superficiale e il danneggiamento diretto del materiale, con conseguente riduzione del tasso di usura.
Nel complesso, i risultati ottenuti risultano coerenti con quanto riportato in letteratura, sebbene in altri studi siano stati osservati solchi di maggiore profondità in condizioni analoghe. Nel composito ibrido, l’aggiunta di grafite ha determinato una morfologia dei solchi più superficiale e regolare, confermando l’effetto lubrificante associato alla formazione di un film solido sulla superficie di contatto.
L’analisi EDS ha confermato la presenza degli elementi costitutivi principali (Zn, Al, Si e C), nonché la presenza di Fe, attribuibile al trasferimento di materiale dal disco in acciaio alla superficie del provino, fenomeno già documentato in precedenti studi tribologici su sistemi analoghi.
In generale, è possibile arrivare ad alcune importanti considerazioni.
Le prestazioni all’usura dei materiali analizzati risultano fortemente influenzate dalla formazione di uno strato misto meccanicamente generato (MML, Mechanically Mixed Layer) nella zona di contatto. La stabilità e lo spessore di tale strato dipendono dall’equilibrio dinamico tra i processi di formazione e rimozione durante lo scorrimento. In condizioni di esercizio più severe, caratterizzate da carichi elevati e maggiore riscaldamento per attrito, si osserva un incremento del trasferimento di materiale tra le superfici.
La formazione della MML risulta particolarmente evidente nei compositi rinforzati con particelle ceramiche dure. Durante l’usura a secco, tali particelle contribuiscono all’azione abrasiva sulla contro-superficie, favorendo fenomeni di trasferimento e miscelazione meccanica. La presenza di Fe rilevata mediante analisi EDS sulla superficie usurata è coerente con questo meccanismo, essendo attribuibile al materiale trasferito dal disco in acciaio.
Si può pertanto concludere che gli strati tribologici sviluppati durante le prove contengono una miscela di frammenti di SiC, grafite, ossidi di ferro e costituenti della matrice, come confermato dai risultati dell’analisi EDS.
La presenza di detriti di usura, la frammentazione dello strato di ossido superficiale, il trasferimento di materiale tra le superfici in contatto e la progressiva miscelazione dei costituenti favoriscono la formazione dello strato misto meccanicamente generato (MML) sotto l’azione del carico applicato.
Quando tale strato raggiunge una condizione di stabilità, esso agisce come barriera protettiva, limitando il contatto diretto tra le superfici e contribuendo alla riduzione del tasso di usura. Al contrario, qualora lo strato diventi instabile e si disgreghi, si ristabiliscono condizioni di contatto diretto metallo-metallo, con conseguente incremento dell’usura e maggiore asportazione di materiale.
Conclusioni
Sulla base delle conoscenze disponibili e dei risultati sperimentali ottenuti, il presente studio ha contribuito a chiarire il comportamento tribologico della lega ZA27 e dei compositi rinforzati con SiC e grafite. I dati evidenziano un miglioramento significativo della resistenza all’usura nei materiali compositi rispetto alla lega base, confermandone l’interesse per applicazioni tribologiche in condizioni di scorrimento a secco.
Dall’analisi dei risultati sperimentali è possibile trarre le seguenti conclusioni:
- L’introduzione di particelle di SiC e grafite nella lega ZA27 determina un miglioramento significativo del comportamento tribologico; in tutte le condizioni di prova i compositi hanno evidenziato tassi di usura inferiori rispetto alla lega non rinforzata.
- L’andamento del tasso di usura in funzione dei parametri operativi risulta qualitativamente analogo per tutti i materiali, ma con valori sistematicamente inferiori per i compositi.
- L’incremento del carico normale comporta un aumento del tasso di usura per ciascun materiale analizzato.
- Analogamente, l’aumento della velocità di scorrimento determina un incremento dell’usura nelle condizioni di prova considerate.
- Le analisi microstrutturali mediante microscopia ottica e SEM hanno confermato una distribuzione omogenea delle particelle di rinforzo all’interno della matrice ZA27.
- Il composito ibrido ZA27/SiC/Gr ha mostrato le migliori prestazioni tribologiche, attribuibili all’effetto combinato del rinforzo ceramico e dell’azione lubrificante della grafite, associata alla formazione di un film superficiale durante lo scorrimento.
Nel complesso, i risultati ottenuti evidenziano il potenziale dei compositi ibridi a base ZA27 per applicazioni industriali caratterizzate da condizioni di attrito e usura severe, in cui siano richieste elevata resistenza all’usura e riduzione del contatto diretto tra le superfici.