Combinazione di 'texture' superficiali e rivestimenti in DLC per applicazioni tribologiche

Il presente progetto di dottorato riguarda il controllo e la riduzione dell’attrito tra controparti di acciaio, sia in contatto lubrificato che a secco, grazie all’applicazione di un ‘pattern’ e/o di un ricoprimento di diamond-like carbon (DLC). I ‘pattern’ di scavi permettono di aumentare la capacità di carico e la resistenza all’usura, contribuendo inoltre a ridurre il coefficiente di attrito (CoF). Infatti, possono funzionare sia da trappole per detriti, che da fonti secondarie di lubrificanti o fornire un supporto idrodinamico addizionale. I rivestimenti di DLC sono ricoprimenti auto-lubrificanti e prottettivi molto diffusi, grazie alle rimarchevoli proprietà meccaniche come il basso attrito, l’elevata resistenza all’usura, l’inattività chimica e l’elevata durezza. Il comportamento tribologico del DLC dipende fortemente dall’ambiente di misura e dal contenuto di idrogeno e di sp3 nel rivestimento stesso. Tuttavia, il meccanismo alla base del basso CoF dei ‘film’ di DLC non è stato completamente chiarito. La nostra ricerca mira a identificare se sia attribuibilr alla passivazione superficiale o alla grafitizzazione, con misure tribologiche in atmosfera controllata e analisi dell’alterazione chimica delle superfici testate. Per il progetto su ‘texturing’ abbiamo realizzato un ‘pattern’ di scavi su pin di acciaio 100Cr6 usando un laser infrarosso a nanosecondi, grazie alla collaborazione col LEO lab (Dipartimento di Scienze della Vita, Unimore, Modena, Italia). Sono stati realizzati scavi circolari di pochi micrometri di profondità e diametro con una desnità superficiale nominale tra 2 e 10%. Un apparato ‘pin-on-disk’ e un olio motore commerciale (87,42 cSt a 40°C) sono stati utilizzati per i test tribologici in piena lubrificazione. Le curve di Stribeck hanno mostrato una riduzione del CoF per i campioni lavorati nella regione di lubrificazione mista, rispetto al pin piatto. Inoltre, abbiamo osservato che il diametro maggiore (25 μm) associato alla profondità superiore (6,5 μm) consentono di ottenere un minor CoF per una data densità, mentre fissata le dimensioni dello scavo una maggiore densità porta sia un minor CoF che uno spostamento verso velocità inferiori della transizione tra lubrificazione mista e ‘boundary’. L’altro progetto riguarda l’ottimizzazione del processo di produzione dei ricoprimenti di DLC per PVD (magnetron sputtering) al SUP&RMAN lab (FIM, Unimore) e per ‘plasma enhanced chemical vapour deposition’ (PECVD) al Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM (Freiburg, Germany). Abbiamo realizzato sia un’indagine chimica (X-ray Photoelectron Spectroscopy, Raman) che meccanica (CoF, adesione, durezza) dei ricoprimenti prodotti. Il DLC prodotto per magnetron sputtering, sebbene mostri buone qualità tribologiche, ha una bassa durezza e delle scarse proprietà meccaniche che hanno impedito di applicarlo alle ‘texture’. D’altra parte, il DLC prodotto per PECVD ha sia un basso CoF che buone proprietà meccaniche per cui è stato selezionato per la combinazione con i ‘pattern’. Tuttavia, l’unione di DLC e ‘texture’ superficiale, pur portando effetti benefici in regime di lubrificazione ‘boundary’, non raggiunge le performance del pin piatto ricoperto in quanto a riduazione del CoF. Questo risultato è probabilmente dovuto alla differenza di durezza dei materiali associati (acciao ~8GPa, DLC ~20GPa), dal momento che i bordi degli scavi potrebbero diventare siti di nucleazione degli stress e aumentare l’usura. Possiamo concludere che sebbene i ‘pattern’ superficiali e i ‘film’ di DLC portino a una riduzione dell’attito singolarmente, la loro combinazione è tutt’altro che scontata e può non risultare in una riduzione dell’attrito.