REFRATTARÎ, MATERIALI

REFRATTARÎ, MATERIALI (XXVII, p. 977; App. II, ii, p. 675)

Refrattarî speciali per alte temperature. - In senso lato si comprendono sotto questo nome materiali di natura e impieghi diversi, aventi però in comune la caratteristica di possedere un elevato punto di fusione e buone proprietà meccaniche, termiche, elettriche e di resistenza alla corrosione nella zona delle alte temperature. Questi materiali sono usati nell'industria spaziale e aeronautica, in metallurgia, nell'industria nucleare, in quella elettronica, nell'industria meccanica (fabbricazione di turbine a gas, utensili e parti di macchine utensili, parti di motori alternativi, ecc.). La temperatura di esercizio richiesta per molti dei suddetti impieghi è compresa nell'intervallo 600-1100 °C, ma specie alcuni dei materiali delle ultime tre categorie sottoindicate vanno bene anche a temperature sensibilmente superiori. Si possono distinguere in più categorie; ad es.: 1) leghe metalliche a base di Co-Cr, Ni-Cr e Ni-Mo (dette anche superleghe); 2) metalloceramiche (v. App. II, ii, p. 675, e la voce cermeti, in questa App.); 3) materiali ceramici; 4) metalli refrattarî.

Superleghe. - Le leghe a base di Co-Cr hanno la caratteristica di essere particolarmente resistenti all'azione erosiva e corrosiva di fumi e di gas di scarico anche molto caldi e perciò sono usate per valvole di scarico di motori Diesel, per palette di turbine per motori a reazione. Le leghe a base di Ni-Mo rispetto alle altre superleghe possiedono una minore resistenza all'ossidazione a caldo. Il limite di temperatura per l'impiego delle superleghe è intorno ad 850 °C perché al disopra il carico di rottura scende a valori troppo modesti.

Materiali ceramici. - Sono costituiti da ossidi (di alluminio, di magnesio, di zirconio, di torio, di berillio, ecc.), da carburi, da siliciuri, nitruri e boruri; salvo qualche eccezione, essi possiedono durezza elevata e bassa resilienza. La resistenza meccanica a caldo e la stabilità chimica sono generalmente superiori a quelle dei materiali metallici, ma rispetto a questi sono inferiori per quanto riguarda proprietà meccaniche e comportamento agli sbalzi termici. Quest'ultima caratteristica è migliore per i materiali dotati di una notevole conduttività termica. Tra i materiali ceramici sono particolarmente impiegati gli ossidi per l'elevata stabilità chimica non paragonabile con quella di alcun altro materiale refrattario. Essi vengono generalmente prodotti nello stato sinterizzato, nel quale tra l'altro divengono poco permeabili ai gas e ai liquidi; la temperatura di sinterizzazione, tanto più alta quanto maggiore è il punto di fusione, è compresa tra i 1600÷-2000 °C.

Negli ultimi anni hanno assunto importanza, oltre agli ossidi di alluminio e di magnesio, i cui impieghi nel campo dei refrattarî sono ben noti, alcuni altri ossidi che sono usati in applicazioni particolari. L'ossido di berillio, BeO, prodotto per calcinazione dell'idrato, possiede rispetto agli altri ossidi una discreta conduttività termica che lo rende particolarmente adatto nella fabbricazione di crogioli soggetti a forti sbalzi termici nella zona delle alte temperature. Il biossido di zirconio, ZrO₂, è uno degli ossidi più refrattarî e possiede grande stabilità chimica anche in vicinanza del punto di fusione. Il prodotto commerciale contiene in soluzione solida piccole percentuali di ossido di calcio o di magnesio con funzione di stabilizzanti. È usato per crogioli capaci di sopportare temperature fino a 2500 °C, per resistenze elettriche da usare indifferentemente in ambiente ossidante o riducente, come rivestimento protettivo di metalli o di refrattarî, ecc. Il rivestimento è efficace anche per spessori di 1-3 mm ed è applicato verniciando il materiale da proteggere con una sospensione acquosa di ossido di zirconio contenente un legante a base di acido fosforico. L'ossido di torio è il materiale che accoppia la massima stabilità chimica con una grande refrattarietà. Tutti i metalli e loro leghe possono essere fusi in crogioli di ossido di torio senza subire contaminazioni; la temperatura di esercizio può arrivare fino a 2700 °C. È anche usato come materiale per resistenze elettriche, particolarmente indicato in atmosfera fortemente ossidante. Nella categoria degli ossidi ceramici viene di solito compreso anche lo spinello Al₂O₃. MgO che si ottiene per reazione a 1600 °C dagli ossidi puri. La sua temperatura d'impiego può arrivare fino a 1900 °C e rispetto all'allumina possiede migliore resistenza chimica alle scorie basiche, minore resistenza meccanica e minore durezza. La sua conduttività termica è eccezionalmente bassa e perciò è usato per fabbricare i rivestimenti ceramici delle termocoppie. Tra i carburi, generalmente usati, per la loro durezza, nella fabbricazione di utensili, possiede buone proprietà refrattarie quello di titanio, di formula TiC. Esso ha basso peso specifico e discreta resistenza all'ossidazione a caldo e agli sbalzi termici. Quest'ultima caratteristica può essere aumentata cementando i cristalli di carburo con un legante metallico. Sono stati così sviluppati diversi tipi di carburi di titanio cementati che trovano impiego nel campo delle metalloceramiche. L'impiego dei siliciuri, dei nitruri e dei boruri è in fase di sperimentazione; i siliciuri appaiono i più promettenti per le buone proprietà meccaniche e la grande resistenza alla corrosione in generale.

Metalli refrattarî. - Tra i metalli refrattarî quello che fino ad ora ha trovato maggior impiego è il molibdeno, le cui proprietà meccaniche al di sopra di 900 °C sono insuperate da ogni altro materiale noto. Il maggiore ostacolo al suo impiego è però dovuto alla facile tendenza alla ossidazione. Sono stati studiati diversi accorgimenti per limitare questo inconveniente, però non sempre con successo.

Gli altri metalli refrattarî indicati in tabella, come il molibdeno, sono per la gran parte poco resistenti all'ossidazione. Un'eccezione è costituita dal columbio, il cui ossido Cb₂O₅ fonde a 1440 °C e fino a 1370 °C non volatilizza in quantità apprezzabile. Il columbio presenta lo svantaggio di consentire una facile diffusibilità dell'ossigeno che causa fragilità.

Bibl.: Metals handbook. Properties and selection of metals, I, Novelty, Ohio, 1961; P. Schwarzkopf e R. Kieffer, Refractory hard metals, New York 1953; R. F. Hehermann e G. Mervin Ault, High temperature materials, ivi 1959.