La possibilit\u00e0 di andare a migliorare le prestazioni di un componente rivestito attraverso la realizzazione di micro cave (texturing) sulla sua superficie \u00e8 uno degli argomenti di punta degli ultimi anni; attraverso tale processo, infatti, \u00e8 possibile aumentare le performance del componente andando a migliorare, per esempio, la resistenza all\u2019usura, alla corrosione piuttosto che alle alte temperature lasciando inalterate le propriet\u00e0 meccaniche del cuore del componente.<\/p>\n
Le suddette operazioni di texturizzazione superficiale possono essere eseguite attraverso differenti approcci quali lavorazione meccanica, attacco chimico, utilizzo di un fascio ionico piuttosto che laser. Tra le tecniche pocanzi citate il Laser Surface Texturing (LST) \u00e8 una delle pi\u00f9 interessanti grazie ai suoi numerosi vantaggi quali ridotti tempi di lavorazione, assenza di contatto tra utensile e pezzo, facilit\u00e0 nel lavorare rivestimenti solitamente di durezza elevata e possibilit\u00e0 di poter effettuare delle lavorazioni selettive.<\/p>\n
di L. Giorleo, E. Ceretti, G. Allegri, G. M. La Vecchia, L. Montesano, M. Surfaro<\/em><\/p>\n Esistono due approcci differenti nel realizzare il processo LST su componenti rivestiti ovvero utilizzare questa tecnica per realizzare la texture sul substrato (LST indiretto) o direttamente sul rivestimento (LST diretto). Di solito l\u2019LST indiretto risulta essere quello pi\u00f9 utilizzato per evitare la modifica del rivestimento in termini di composizione chimica, distribuzione di sollecitazioni, propriet\u00e0 meccaniche e creazioni di difetti. Tuttavia, nonostante i benefici, il principale rischio di questo approccio \u00e8 quello di modificare le propriet\u00e0 del substrato causando ossidazioni o modifiche indesiderate della microstruttura dovute a processi di fusione, solidificazioni veloci, ecc. A oggi un\u2019interessante applicazione del LST consiste nel realizzare cavit\u00e0 micrometriche su una superficie rivestita al fine di migliorare i meccanismi anti-usura comportando una riduzione dell\u2019attrito. Infatti, la presenza di micro cave consente sia una riduzione della superficie di contatto reale, che una sorta di serbatoio utile sia per l\u2019intrappolamento di detriti di usura che per aumentare localmente l\u2019erogazione di lubrificante. Come riportato in letteratura, le prestazioni delle superfici cos\u00ec strutturate cambiano in funzione della geometria della texture pertanto le trame da realizzare sulla superficie possono essere progettate per soddisfare applicazioni specifiche quali migliorare la rugosit\u00e0 della superficie [1, 2], ottenere un design specifico [3] o valutare l\u2019effetto dei parametri di processo sulle propriet\u00e0 tribologiche [4, 5]. I componenti cos\u00ec trattati trovano applicazioni in un vasto campo di settori quali automotive [6, 7], biomedico [8], elettronica, packaging, ecc. Tra i differenti rivestimenti il Diamond Like Carbon (DLC) \u00e8 sicuramente uno dei pi\u00f9 utilizzati per migliorare la resistenza all\u2019usura grazie alla possibilit\u00e0 di personalizzare le propriet\u00e0 meccaniche in funzione dei parametri di deposizione o utilizzando un metallo o non metallo come elementi droganti [9]. Il DLC \u00e8 un materiale a base di carbonio-idrogeno, dove gli atomi sono collegati tra loro con legami covalenti deboli dando una struttura mista tra un reticolo cubico e uno esagonale. Il contenuto di idrogeno e il rapporto di legame sp3\/sp2 che, a loro volta, dipendono dal processo di deposizione, sono responsabili della durezza del DLC e del basso coefficiente di attrito, per questo motivo il DLC \u00e8 stato ampiamente studiato come rivestimento tribologico su diverse applicazioni e diversi substrati che passano da acciai, leghe di titanio a PEEK. Sulla base di questo scenario a Brescia \u00e8 nata una forte collaborazione tra il gruppo di Tecnologie e Sistemi di Lavorazione ed il gruppo di Metallurgia al fine di studiare i vantaggi del LST su rivestimenti DLC. Il gruppo di lavoro ha sviluppato negli anni sia competenze nelle microlavorazioni laser che nella caratterizzazione dei risultati ottenuti. Nello specifico nel presente articolo gli autori hanno analizzato il processo di LST diretto in funzione della velocit\u00e0 di lavorazione laser e del loop cycle. La texturizzazione della superficie \u00e8 stata realizzata su un rivestimento DLC depositato su un acciaio per utensili. Un\u2019analisi qualitativa e quantitativa della qualit\u00e0 della trama sono state eseguite mediante microscopio elettronico a scansione ed un sistema di profilometria laser. Inoltre al fine di verificare l\u2019efficacia della lavorazione sono stati eseguiti test di adesione e di usura.<\/p>\n Descrizione degli esperimenti<\/strong> Analisi dei risultati<\/strong> Conslusioni<\/strong> Ringraziamenti<\/strong> La possibilit\u00e0 di andare a migliorare le prestazioni di un componente rivestito attraverso la realizzazione di micro cave (texturing) sulla sua superficie \u00e8 uno degli argomenti di punta degli ultimi anni; attraverso tale processo, infatti, \u00e8 possibile aumentare le performance del componente andando a migliorare, per esempio, la resistenza all\u2019usura, alla corrosione piuttosto che alle …<\/p>\n","protected":false},"author":7,"featured_media":1159,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"class_list":["post-1158","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-tecnologia"],"yoast_head":"\n
\nLa texture laser \u00e8 stata realizzata su un rivestimento DLC depositato su un acciaio per utensili. I dati relativi alla composizione chimica, alla trazione e alla durezza del substrato sono riportati rispettivamente nelle Tabelle 1 e 2. Secondo il know-how industriale, per garantire una migliore adesione tra il substrato e il DLC sono stati depositati due strati intermedi di cromo e nitruro di cromo con uno spessore di 0,2 e 0,3 \u03bcm. Successivamente \u00e8 stato depositato uno strato di 2,5 \u03bcm di DLC utilizzando la tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition).
\nLa texture \u00e8 stata realizzata tramite un laser Nd:YVO4 (LEP Lee 8 W q-switched, \u03bb = 532 nm), tale laser \u00e8 collegato ad una testa di scansione galvanometrica per poter consentire la movimentazione del fascio in remoto. In questo lavoro sono stati testate quattro condizioni sperimentali dove \u00e8 stata variata la velocit\u00e0 di scansione (da 100 a 400 mm\/s) ed il loop cycle ovvero la possibilit\u00e0 di sovrascrivere la lavorazione effettua (da 1 a 3 volte). I campioni sono stati posizionati ad una distanza di 160 mm dalla testa galvanometrica per consentire una lavorazione a fuoco. Sulla superficie dei campioni \u00e8 stata realizzata una griglia di spaziatura pari a 0,3 mm. Ogni esperimento \u00e8 stato replicato tre volte. La Tabella 3 riepiloga i parametri del processo laser impostati.
\nAl fine di confrontare i risultati ottenuti sono state eseguite differenti diverse analisi della campagna sperimentale; in particolare:
\n– Un\u2019analisi qualitativa, composizione morfologica e chimica della texture ottenuta, \u00e8 stata eseguita con un microscopio elettronico a scansione LEO EVO 4.0 di Oxford Instruments dotato di una sonda EDS.
\n– Come analisi quantitativa, la geometria della sezione trasversale della traccia texturizzata, ottenuta dopo il processo laser, \u00e8 stata acquisita con il profilometro laser PF 60 della Mitaka. Grazie a tale strumento \u00e8 stato possibile misurare il profilo 3D dell\u2019area lavorata con una risoluzione sub-micrometrica.
\nDa ciascuna condizione sperimentale sono stati acquisiti 12 profili testurizzati; da ciascun profilo \u00e8 stata valutata la profondit\u00e0 massima della traccia laser, a partire da questi parametri \u00e8 stata ottenuta la profondit\u00e0 massima media e la relativa deviazione standard.
\n– I test di adesione sono stati eseguiti secondo lo standard ASTM C1624 utilizzando un penetratore Rockwell C con un raggio di 200 micron, applicando una rampa di carico lineare con 50 N come carico massimo e tracce di 4 mm di lunghezza. Sono stati definiti carichi critici dove si sono verificati il primo distacco del coating laterale (LC1), la prima delaminazione (LC2) e la delaminazione totale del rivestimento (LC3). Tre repliche sono state eseguite in modo casuale sulla superficie del campione per calcolare i valori statistici di media e deviazione standard.
\n– Il comportamento dell\u2019usura \u00e8 stato valutato con il Tribometro THT da CSM Instruments in una configurazione pin-on-disk secondo lo standard ASTM G99-04, nell\u2019aria ambiente (temperatura di 22 \u00b0C \u00b11 \u00b0C e umidit\u00e0 relativa del 55% \u00b1 2%). Una sfera di allumina di 6 mm di diametro \u00e8 stata utilizzata come controparte e il campione rivestito \u00e8 stato usato come disco. La distanza di scorrimento e la velocit\u00e0 lineare sono state impostate rispettivamente a 1.000 m e 4 cm\/s. Al termine dei test di usura, le tracce sono state analizzate utilizzando il microscopio elettronico LEO EVO 4.0 per studiare i risultati.<\/p>\n
\nIn Figura 1 si riportano i risultati salienti della campagna sperimentale, ovvero un immagine acquisita al SEM ad alta risoluzione della traccia realizzata, l\u2019analisi EDS, il profilo trasversale della micro cava ottenuta tramite il profilometro laser e la profondit\u00e0 massima misurata. Al fine di analizzare i risultati ottenuti \u00e8 stata posta come condizione di buona lavorazione la realizzazione di una traccia avente profondit\u00e0 massima pari a 1,5 \u00b5m per evitare l\u2019ablazione completa dello strato DLC al fine di mantenere le prestazioni del rivestimento. Per quanto riguarda invece l\u2019analisi morfologica, considerando la profondit\u00e0 di penetrazione della sonda EDS e che la percentuale di carbonio non \u00e8 fortemente affidabile, \u00e8 stata scelta la percentuale di peso del ferro come indice di confronto. In particolare, quando il Fe \u00e8 inferiore al 20% \u00e8 ragionevole stimare che la traccia laser abbia lavorato il rivestimento fina ad una profondit\u00e0 tra il DLC e lo strato intermedio, al contrario quanto la percentuale di ferro aumenta \u00e8 possibile affermare che il fascio laser abbia asportato il rivestimento fino a una regione tra lo strato intermedio e il substrato.
\nI risultati riportati in Figura 1 evidenziano come la velocit\u00e0 di scansione influisca in maniera significativa sulla profondit\u00e0 della traccia laser; infatti quando la velocit\u00e0 di marcatura \u00e8 pari a 400 mm\/s \u00e8 possibile ottenere cave con profondit\u00e0 massima inferiore a 1,6 \u03bcm. Al contrario, per velocit\u00e0 pi\u00f9 basse la profondit\u00e0 aumenta e il risultato \u00e8 una traccia di texturing con una superficie di fondo in una regione tra l\u2019interstrato e il materiale sfuso. L\u2019analisi dei risultati non ha evidenziato un\u2019influenza significativa del loop cycle per la profondit\u00e0 massima che \u00e8 possibile ottenere. Dall\u2019analisi dei profili si evince inoltre una irregolarit\u00e0 della cava per valori bassi di velocit\u00e0 di scansione. Tale irregolarit\u00e0 \u00e8 dovuta alla presenza del plasma che si genera durante la lavorazione; data la larghezza ridotta della traccia il plasma rimane intrappolato all\u2019interno della traccia laser e rapidamente solidifica. Si nota che aumentando il loop cycle la qualit\u00e0 del fondo migliori sensibilmente.
\nDopo il processo di texturing, sono state eseguite analisi morfologiche sia della superficie che della sezione trasversale al fine di valutare l\u2019eventuale presenza di difetti nel rivestimento causati dall\u2019interazione con il fascio laser. In tutte le condizioni esaminate non sono state rilevate cricche. In particolare nella Figura 2 \u00e8 riportato un esempio di superficie lavorata dove \u00e8 possibile constatare che la griglia \u00e8 continua, uniforme e senza danni.
\nAnalizzando i risultati e in base al vincolo imposto (spessore massimo del rivestimento asportato non superiore ad 1.5 \u00b5m) \u00e8 possibile affermare che una texture realizzata soltanto nella regione del DLC si ottiene impostando una velocit\u00e0 di marcatura pari a 400 mm\/s e un loop cycle pari a 1. Al fine di verificare un miglioramento delle propriet\u00e0 tribologiche sui provini ottenuti secondo la suddetta condizione sperimentale sono stati eseguiti dei test per verificare l\u2019adesione e la resistenza all\u2019usura. Tali prove sono state confrontate con un provino non lavorato laser (as-deposited). I risultati dei test di adesione riportati nella Tabella 4 mostrano valori paragonabili dei provini trattati laser rispetto ai provini as-deposited. In particolare i valori dei carichi LC1 e LC2 non sono significativamente differenti, mentre i valori LC3, media e deviazione standard, calcolati su campioni texturizzati sono pi\u00f9 alti di quelli depositati. In effetti, il terzo carico critico considera la delaminazione completa del rivestimento e pu\u00f2 essere influenzato dalla morfologia del fondo traccia, eventuali variazioni della microstruttura, della composizione chimica, dai difetti etc.\u00a0 Si registra comunque positivo i risultati ottenuti dalla prova di adesione avendo i provini lavorati laser valori uguali se non maggiori rispetto all\u2019as-deposited. La Figura 3 mostra l\u2019andamento del coefficiente di attrito (COF) per i provini lavorati laser e non; come si pu\u00f2 osservare il COF di entrambe le condizioni diminuisce inizialmente e raggiunge una condizione stazionaria successivamente. Dalla figura si nota come il campione texturizzato presenta un coefficiente di attrito leggermente pi\u00f9 basso e questo \u00e8 dovuto all\u2019alto stress da contatto hertziano causato dalla diminuzione dell\u2019area di contatto reale. Inoltre, il DLC texturizzato raggiunge la condizione di stato stazionario prima di quelli as-deposited. In Figura 4 si riportano infine le immagini significative del test di usura (pin on disk) eseguito sia per il campione texturizzato (destra) che per l\u2019as-deposited (sinistra). Le analisi morfologiche delle tracce di usura mostrano: una riduzione della larghezza della traccia confrontando le superfici as-deposited con quelle lavorate con il laser; che la cava realizzata tramite il fascio laser \u00e8 ancora presente all\u2019interno della pista di usura dopo i test; che il fondo della pista di usura risulta essere danneggiato nei provini as-deposited. In particolare dall\u2019analisi EDS \u00e8 possibile concludere che nei provini as-deposited il rivestimento si \u00e8 usurato fino allo strato intermedio mentre in caso della superficie texturizzata viene rilevata ancora solo DLC. Infine nessun fenomeno di delaminazione \u00e8 stato individuato sia su campioni as-deposited che su quelli lavorati laser.<\/p>\n
\nIn questo articolo, gli autori hanno testato il processo di laser surface texturing per migliorare le propriet\u00e0 superficiali di un campione rivestito DLC. I risultati ottenuti confermano il vantaggio nell\u2019applicare tale processo al fine di migliorare le propriet\u00e0 tribologiche del rivestimento. In particolare \u00e8 stato evidenziato che tutti i parametri di processo testati sono in grado di realizzare una traccia laser evitando qualsiasi difetto sulla superficie lavorata. In particolare la condizione velocit\u00e0 di lavorazione pari a 400 mm\/s e loop cycle pari a 1 \u00e8 stata caratterizzata anche dal punto di vista di adesione e comportamento all\u2019usura ed ha ottenuto risultati migliori rispetto ai rivestimenti non lavorati laser. A valle di tali considerazioni nuove campagne sperimentali sono ora in corso per testare i benefici del laser surface texturing laser in ambiente lubrificato.<\/p>\n
\nGli autori vogliono ringraziare Si. Mi Tecno srl per le misure di profilometria laser e la STS srl per la realizzazione dei campioni rivestiti.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"