L’aggiunta del cobalto negli acciai legati aumenta in modo considerevole la resistenza del materiale alle alte temperature. Tipico esempio è l’acciaio HSS, il cosiddetto super rapido di buona memoria con cui si facevano gli utensili ad alte prestazioni. Il cobalto va maneggiato con cura e si trova come minerale estratto come sottoprodotto del rame e del nichel. Dunque la sua disponibilità non è infinita e il prezzo è generalmente alto e molto variabile, anche perché questo elemento è uno dei fondamentali per la realizzazione delle moderne batterie per le vetture elettrificate.
Applicazioni tipiche degli acciai al cobalto sono le boccole su cui ruota la valvola wastegate dei turbocompressori impiegati nelle applicazioni heavy-duty, le valvole EGR e le sedi valvola nei motori ad alte prestazioni.
Utilizzando una formulazione alternativa dei suoi acciai sinterizzati, ed effettuando estese prove comparative Tenneco ha dimostrato che il contenuto di cobalto può essere ridotto in modo significativo, senza compromettere la resistenza all’usura.
“Potenziali carenze di materiale e polemiche sulle miniere di cobalto, unite all’estrema volatilità del prezzo, ci impongono di ridurre la nostra dipendenza dal cobalto”, afferma Gian Maria Olivetti, Vice President Global Engineering di Tenneco Powertrain. “Pur rimanendo il materiale più efficace per combattere l’usura nelle applicazioni con sedi a secco della valvola e in altri componenti sottoposti a temperature molto elevate, abbiamo utilizzato la nostra vasta esperienza nella metallurgia delle polveri per sviluppare una formulazione alternativa, sinterizzata e a basso contenuto di cobalto, che assicura proprietà di usura simili a quelle dei migliori materiali attualmente in uso”.
Le temperature a cui sono sottoposte le boccole delle valvole EGR, dei sistemi wastegate del turbocompressore o delle valvole di scarico, possono variare da 0°C a a 1.000°C ed è proprio questo esteso range che rende ardua la tribologia, come spiega Jens Wellmann, Tenneco Powertrain product manager per i componenti del turbocompressore: “Specialmente nell’intervallo più basso di temperature, fino a circa +400°C, i materiali a elevato contenuto di cobalto superano in termini di prestazioni quelli tipici a basso contenuto. Per questo ci siamo chiesti innanzitutto perchè i materiali ad elevato contenuto di cobalto avessero così bassi tassi di usura e poi quale sarebbe stata la percentuale minima di cobalto per produrre quell’effetto”.
La ricerca di Tenneco è partita da due prodotti sinterizzati già esistenti: l’FM-8100 a base di ferro e senza cobalto e l’FM-T95A, a base di cobalto (54% in peso di cobalto) paragonabile ai materiali ottenuti da fusione impiegati in applicazioni tribologiche. Tra questi due estremi, è stato analizzato un totale di cinque materiali con contenuto variabile di cobalto, valutandone in un intervallo di temperature le prestazioni in termini di usura. Indagini sul campione usurato hanno dimostrato che i materiali sinterizzati di Tenneco contenenti cobalto formavano uno stato tribologico che riduceva l’usura a temperature inferiori rispetto a quanto accadeva in quello senza cobalto. La formazione precoce di questo strato tribologico stabile ha dato risposta alla prima domanda. Paragonando i campioni, lo stesso effetto è stato esaminato nei materiali con percentuali di cobalto comprese tra il 17% e il 35%, fornendo così la risposta alla seconda domanda.
In base a questi risultati è stato sviluppato un nuovo materiale, denominato FM-T88A, il cui contenuto di cobalto è pari al 17% e che soddisfa sia i requisiti produttivi sia qualitativi, inclusi la producibilità, la miscibilità delle polveri di metallo, il processo di sinterizzazione, la lavorabilità e la garanzia di qualità.
Per verificare i risultati dei test iniziali, sono state condotte sperimentazioni congiunte con un importante Costruttore di veicoli paragonando la resistenza all’usura dell’FM-T88A con quella dei materiali impiegati nella produzione di serie. Ciò è stato realizzato con un apparecchio di prova che simulava la collocazione e il carico di una boccola della valvola wastegate di un turbocompressore che funzionava a temperature fino a + 800°C.
“I risultati hanno dimostrato che a 200°C l’FM-T88A mostra un’intensità di usura significativamente ridotta rispetto al materiale senza cobalto ed è comparabile coi materiali ad alto contenuto di cobalto”, prosegue Wellmann. “Inoltre, a tutte le altre temperature le prestazioni del nuovo materiale rispecchiano da vicino quelle dei materiali ad alto contenuto di cobalto.”
“Con il 50% di cobalto estratto globalmente e ora impiegato nelle batterie per i powertrain dei veicoli elettrificati, la domanda di questo materiale cresce di anno in anno”, conclude Gian Maria Olivetti. “Minimizzando i livelli di cobalto utilizzati nei nostri materiali sinterizzati resistenti all’usura alle alte temperature, possiamo aiutare i nostri clienti a mitigare la disponibilità limitata e la volatilità nel prezzo del cobalto, continuando al contempo ad offrire prodotti robusti”.
