Prestazioni tribologiche della ghisa bianca ad alto contenuto di cromo e calore

Mar 15, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9229 (2023) Citare questo articolo

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Il solfato di barite (BaSO4) è considerato un materiale minerale molto importante utilizzato come agente di ponderazione per tutti i tipi di fluidi di perforazione. Nel frattempo, i frantoi utilizzati per la fase di macinazione durante la frantumazione della barite sono affetti da catastrofici danni da usura localizzati nelle parti del martello realizzate in ghisa bianca ad alto contenuto di cromo (HCWCI). Nel presente studio è stato condotto un confronto delle prestazioni tribologiche tra HCWCI e acciaio trattato termicamente AISI P20 per indagare la possibile sostituzione di HCWCI. Il test tribologico è stato eseguito sotto carichi normali compresi tra 5 e 10 N per durate diverse (60, 120, 180 e 240 minuti). L'analisi della risposta all'usura per entrambi i materiali ha mostrato che il coefficiente di attrito aumenta all'aumentare del carico applicato. Inoltre, AISI P20 presentava il valore più basso rispetto a quello attribuito a HCWCI in tutte le condizioni. Inoltre, l'analisi della traccia di usura ottenuta mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) ha rivelato che il danno era un fenomeno di usura abrasiva per HCWCI con rilevamento di una rete di cricche in tutta la fase di carburo, che era più pronunciata sotto il carico più elevato. Per quanto riguarda l'AISI P20 è stato rilevato un meccanismo di usura abrasiva, caratterizzato da numerosi solchi e fenomeni di aratura. Inoltre, l’analisi della traccia di usura utilizzando la profilometria 2D ha rivelato che per entrambi i carichi, la profondità massima di usura della traccia di usura dell’HCWCI era significativamente maggiore di quella dell’AISI P20. Di conseguenza, rispetto a HCWCI, AISI P20 mostra la migliore resistenza all'usura. Inoltre, all'aumentare del carico, aumentano anche la profondità di usura e l'area usurata. Inoltre, l’analisi del tasso di usura supporta i risultati precedenti, che mostravano che sotto entrambi i carichi, AISI P20 era più robusto di HCWCI.

Il prodotto minerale barite, noto anche come solfato di bario, ha la formula chimica "BaSO4". Il nome di questa sostanza si riferisce alla sua enorme densità. La parola "barite" deriva infatti dal greco "barys", che significa "pesante", a causa dell'elevato peso atomico dell'elemento bario, che è pari a 4,48 g/cm3 alla temperatura di 26 °C. Non va trascurato il fatto che questo prodotto è ampiamente consumato in tutto il mondo. In effetti, i settori del petrolio e del gas, che sono le principali industrie per l’utilizzo della barite a causa di una combinazione insolita di sue caratteristiche come l’alta densità, la morbidezza e l’inerzia chimica, sono i principali beneficiari di questo utilizzo globale. Le altre applicazioni riguardano principalmente la radioprotezione e l'industria chimica. È importante menzionare qui le fasi necessarie per produrre polvere di barite, che sono mostrate in Fig. 1. Tuttavia, a causa dell'elevata velocità di produzione e delle difficili condizioni di lavoro, durante questa frantumazione sorgono vari problemi meccanici e tribologici (Fig. 2). processo, causandone infine il fallimento. Questi problemi comportano perdite di tempo e finanziarie, un rallentamento della produzione e una scarsa qualità del prodotto finale.

Processo di frantumazione della barite.

Processo di frantumazione: (a) Frantoio, (b) Martello prima e dopo il danno e (c) danno da usura.

Nello stesso contesto, diversi ricercatori hanno studiato i danni dei materiali metallici1,2,3,4,5. Infatti, Arabnejad et al. hanno esaminato l'effetto della durezza delle particelle erodenti sull'acciaio inossidabile e sono giunti alla conclusione che il rapporto di erosione aumenta all'aumentare della durezza delle particelle2. Laguna-Camacho et al. analizzato i fenomeni di erosione dell'acciaio inossidabile 304. La risposta all'usura dimostra che il meccanismo di usura per erosione dell'acciaio inossidabile 304 può essere descritto da una frattura fragile di numerosi frammenti di grandi dimensioni con un angolo di impatto di 90 gradi4.

Tuttavia, gli studi in letteratura che trattano i danni da usura del frantoio nel settore sono rari6,7,8,9,10. Questi ultimi7,9 concentrano la loro attenzione sui danni da usura dei frantoi utilizzati nell'estrazione dell'olio d'oliva e nell'industria della barite. Un'indagine complessiva del danno superficiale sull'HCWCI impiegato nei frantoi di roccia barite rivela solchi continui, profondi e larghi separati da creste portate dai detriti di usura generati nel contatto superficiale. A causa del continuo impatto delle particelle di barite sul martello, sulla superficie danneggiata sono osservabili anche numerosi crateri e una rete di crepe. Da ciò si può dedurre che l'usura sia conseguenza sia di fenomeni di abrasione che di impatto9.