• 096223 - RIVESTIMENTI INORGANICI

L’obiettivo lato e generale del corso è l’alfabetizzazione tecnica dello studente nell’ambito dei processi e delle tecniche di rivestimento a base di materiali inorganici.

Un obiettivo primario è il consolidamento di conoscenze di base di tipo chimico-fisico, che sono alla base dei processi oggetto di studio, nel senso di connettere concetti di base e pratiche tecniche in modo critico e pregnante.

Un obiettivo specifico del corso è l’acquisizione da parte dello studente della capacità critica necessaria a descrivere, comprendere e discutere gli aspetti tecnici essenziali e le problematiche tipiche dei trattamenti di rivestimento, sia dal punto di vista della pratica attuazione di un processo sia dal punto di vista della funzionalità del trattamento rispetto alla destinazione d’impiego.

Lo studente dovrebbe acquisire familiarità con i processi di rivestimento e le problematiche che caratterizzano i trattamenti di rivestimento ovvero sviluppare quegli elementi essenziali di "sensibilità" tecnica che possano permettergli di valutare criticamente casi concreti in cui si pone la necessità di ricorrere a un rivestimento o emergono problematiche inerenti all'applicazione di rivestimenti e al comportamento in servizio e alla durabilità di materiali rivestiti.

I risultati di apprendimento si compendiano in particolare nelle seguenti conoscenze / competenze:

- criteri di classificazione di processi e tecniche di rivestimento e loro implicazioni elementari

- principi fisico-chimici essenziali che caratterizzano le diverse tecniche di rivestimento

- ruolo di questi principi nel determinare specificità dei processi di rivestimento, in particolare:

# influenza dei processi di trasporto sulla macro-distribuzione

# influenza della cinetica sulla micro-distribuzione

# influenza della natura dei processi sulla microstruttura dei rivestimenti

- classificazione dei rivestimenti in base all’impiego

- capacità di discernere l’associazione tra caratteristiche e proprietà (processo / materiale) ed esigenze / requisiti (applicazione)

- praticabilità e funzionalità tecnica dei processi di rivestimento a fronte della destinazione applicativa

- corrispondenze di massima, fondamentali e/o pragmatiche, tra tecniche e classi di materiali di rivestimento

- capacità di comprendere e discutere scelte e problematiche tecniche relative a trattamenti di rivestimento di componenti e manufatti in metallo o in plastica.

Vista la varietà e l’ampiezza del settore dei rivestimenti inorganici, si pone l’attenzione su processi e applicazioni scelte in ragione del loro particolare rilievo in ambito manifatturiero e parimenti per la pregnanza ed efficacia didattica che offrono.

Nell'introduzione si trattano gli aspetti generali e comuni alle diverse tecniche di rivestimento, presentandone una classificazione ragionata e segnalando quindi le tecniche di maggiore rilevanza applicativa per gli impieghi protettivi ed antiusura e i criteri tecnici fondamentali di selezione e valutazione di un trattamento di rivestimento dal punto di vista del processo di deposizione.

Verranno presentati, per cenni, i processi di preparazione delle superfici di maggiore rilievo applicativo.

La prima parte serve lo scopo di definire il quadro di riferimento generale in cui collocare e organizzare i contenuti della seconda parte. Questa è dedicata all’illustrazione e all’analisi in esteso di alcune delle tecniche di deposizione di più largo impiego, con un’attenzione soprattutto ai processi, poiché la conoscenza e il senso di padronanza che da questi si acquisisce sono un requisito indispensabile a sviluppare una qualsiasi forma di precipua competenza tecnica sui trattamenti di rivestimento.

Ulteriori particolari processi di rivestimento potranno essere presentati e discussi nel quadro di esercitazione, seminari dedicati e altre circostanze quali visite di aziende del settore o, qualora se ne presentasse l’occasione, partecipazione a convegni tecnici organizzati presso il Politecnico.

INTRODUZIONE

Classi generali di applicazione dei rivestimenti secondo funzionalità e impiego. Classificazione dei trattamenti di superficie e dei trattamenti di rivestimento secondo la tecnologia di applicazione e/o di deposizione. Tipologia dei rivestimenti secondo struttura e architettura degli strati. Descrizione sommaria delle principali tecniche di deposizione di strati sottili e rivestimenti e loro analisi comparativa essenziale.

Preparazione delle superfici (cenni): processi meccanici, chimici e fisici.

TRATTAMENTI DI RIVESTIMENTO

Processi atomistici: elettrochimici e di condensazione da fase gas.

Tecniche elettrochimiche: elettrodeposizione, deposizione autocatalitica, deposizione per immersione.

Cinetica dei processi elettrochimici: attivazione e trasporto diffusivo. Classificazione dei metalli secondo Piontelli; suo significato e implicazioni per i processi di cristallizzazione catodica.

Caratteristiche generali dei processi: formulazione dei bagni, materiali anodici, sequenza operativa tipica e tipi di impianto (cenni). Distribuzione di corrente in elettrodeposizione: potere macro e micro penetrante. Livellamento geometrico e livellamento elettrochimico. Effetto del trasporto sul potere micro-penetrante. Struttura dei rivestimenti elettrodeposti: classificazione secondo cristallografia e morfologia; classificazione di Fischer degli elettrodepositi. Processi di elettrodeposizione: rame, nichel, cromo.

Processi di deposizione per immersione. Cementazione e schema generale di trattamento galvanico di alluminio e leghe. Processi impiegati nella manifattura di circuiti stampati: doratura (schemi di rivestimento ENIG, ENIPIG), argentatura, stagnatura.

Deposizione autocatalitica: principi generali. Teoria del potenziale misto e suoi limiti. Ruolo del substrato: metalli e non conduttori. Catalisi elettrochimica. Rivestimenti di lega nichel-fosforo mediante deposizione autocatalitica: proprietà e applicazioni. Il processo di metallizzazione della plastica (ABS).

Deposizione fisica da fase gas: evaporazione termica, deposizione ionica, sputtering.

Principi fisici generali e loro implicazioni. Generazione e controllo delle basse pressioni. Evaporazione termica: distribuzione del vapore, legge del coseno, sorgente puntiforme e superficiale. Macro-distribuzione di spessore e misure per controllarla. Distribuzione alla micro-scala: sticking coefficient e atomic shadowing. Sorgenti di evaporazione termica (Joule e a fascio elettronico), materiali, applicazioni. Processi di deposizione ionica: scariche elettriche nei gas, plasma ed arco. Deposizione assistita da bombardamento ionico; evaporazione ad arco elettrico. Processi di ablazione catodica: resa di sputtering e cenni alla teoria dello sputtering. Magnetron sputtering. Processi reattivi per la deposizione di composti. Impieghi tecnici e decorativi dei trattamenti di deposizione in vuoto: rivestimenti super-duri, antiusura e autolubrificanti; film colorati. Modelli a zone della struttura di film e rivestimenti da fase gas.

Deposizione chimica da fase vapore. Generalità; cinetica dei processi di deposizione; rivestimenti di alluminatura per superleghe; rivestimenti duri protettivi per inserti in metallo duro e cermet.

Deposizione da particolato: spruzzatura termica, al plasma, High Velocity Oxygen Fuel HVOF.

Descrizione essenziale delle diverse tecnologie. Ruolo dei parametri fondamentali di processo: temperatura e velocità. Natura del processo di deposizione e sue conseguenze. Struttura e proprietà dei rivestimenti per spruzzatura termica; adesione, porosità, sforzi interni. Esempi di impiego, in particolare, rivestimenti di barriera termica.

Immersione in metalli fusi: processi e applicazione della zincatura e zinco-alluminatura a caldo. Altri processi di zincatura e trattamenti di conversione superficiale.

Allo studente si richiede una solida preparazione chimico – fisica di base.

La valutazione dell’apprendimento si basa sull’esito di un esame scritto e sulla sua discussione orale.

A richiesta dello studente, l’esame orale potrà comprendere la discussione di un argomento specifico scelto e assegnato dal docente.

L’esame scritto comprende domande aperte sia di taglio teorico sia di taglio applicativo relative all’intero programma del corso. In particolare, per domande di “tagli teorico” si intendono quesiti che fanno riferimento agli snodi concettuali più importanti, vale a dire a quegli aspetti di descrizione e disanima dei processi in cui la struttura chimico-fisica emerge come determinante della fenomenologia. Quelle di “taglio applicativo” sono primariamente intese a vagliare l’effettiva comprensione da parte dello studente delle potenzialità e dei limiti pratici di impiego dei trattamenti di rivestimento in diversi contesti d’uso; in secondo luogo, hanno lo scopo di sondare la capacità di giudizio e di proiezione delle conoscenze acquisite attraverso l’analisi di semplici casi applicativi.

Un' ampia bibliografia, con richiami a manuali tecnico-scientifici, alle pubblicazioni tecniche e agli articoli scientifici di particolare rilievo per i contenuti del corso, si trova nelle dispense ed e' integrata da numerosi richiami contenuti anche nelle presentazioni commentate.