Comportamento tribologico di materiali per componenti di interesse industriale: Failure analysis e prove tribologiche in laboratorio

L’attività di ricerca della presente tesi di dottorato ha riguardato sistemi tribologici complessi di interesse industriale per i quali sono stati individuati, mediante failure analysis, i meccanismi di usura dominanti. Per ciascuno di essi sono state studiate soluzioni migliorative sulla base di prove tribologiche di laboratorio. Nella realizzazione di maglie per macchine movimentazione terra sono ampiamente utilizzati i tradizionali acciai da bonifica. La possibilità di utilizzare i nuovi microlegati a medio tenore di carbonio, consentirebbe una notevole semplificazione del ciclo produttivo e benefici in termini di costi. Una parte della tesi ha riguardato lo studio del comportamento tribologico di tali acciai. E’ stato anche affrontato lo studio tribologico di motori idraulici, con l’obiettivo di riuscire a migliorarne la resistenza ad usura e quindi la vita utile. Sono state eseguite prove a banco, per valutare i principali meccanismi di usura, e prove di laboratorio atte a riprodurre le reali condizioni di utilizzo, valutando tecniche di modificazione superficiale che fossero in grado di ridurre l’usura dei componenti. Sono state analizzate diverse tipologie di rivestimenti Thermal Spray in termini di modalità di deposizione (AFS-APS) e di leghe metalliche depositate (Ni,Mo,Cu/Al). Si sono infine caratterizzati contatti tribologici nel settore del packaging, dove l’utilizzo di acciai inox austenitici è in alcuni casi obbligatorio. L’acciaio inossidabile AISI 316L è ampiamente utilizzato in applicazioni in cui siano richieste elevate resistenze alla corrosione, tuttavia la bassa resistenza all’usura, ne limitano l’impiego in campo tribologico. In tale ambito, è stata analizzata una problematica tribologica relativa a macchine automatiche per il dosaggio di polveri farmaceutiche. Sono state studiate soluzioni alternative che hanno previsto sia la completa sostituzione dei materiali della coppia tribologica, sia l’individuazione di tecniche di modificazione superficiale innovative quali la cementazione a bassa temperatura anche seguita dalla deposizione di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato a-C:H

On the degradation mechanisms under the influence of pedological factors through the study of archeological bronze patina

This experimental thesis concerns the study of the long-term behaviour of ancient bronzes recently excavated from burial conditions. The scientific interest is to clarify the effect of soil parameters on the degradation mechanisms of ancient bronze alloy. The work took into consideration bronzes recovered from the archaeological sites in the region of Dobrudja, Romania. The first part of research work was dedicated to the characterization of bronze artefacts using non destructive (micro-FTIR, reflectance mode) and micro-destructive (based on sampling and analysis of a stratigraphical section by OM and SEM-EDX) methods. Burial soils were geologically classified and analyzed by chemical methods (pH, conductivity, anions content). Most of objects analyzed showed a coarse and inhomogeneous corroded structure, often made up of several corrosion layers. This has been explained by the silt nature of soils, which contain low amount of clay and are, therefore, quite accessible to water and air. The main cause of a high dissolution rate of bronze alloys is the alternate water saturation and instauration of the soil, for example on a seasonal scale. Moreover, due to the vicinity of the Black Sea, the detrimental effect of chlorine has been evidenced for few objects, which were affected by the bronze disease. A general classification of corrosion layers was achieved by comparing values of the ratio Cu/Sn in the alloy and in the patina. Decuprification is a general trend, and enrichment of copper within the corrosion layers, due to the formation of thick layers of cuprite (Cu2O), is pointed out as well. Uncommon corrosion products and degradation patterns were presented as well, and they are probably due to peculiar local conditions taking place during the burial time, such as anaerobic conditions or fluctuating environmental conditions. In order to acquire a better insight into the corrosion mechanisms, the second part of the thesis has regarded simulation experiments, which were conducted on commercial Cu-Sn alloys, whose composition resembles those of ancient artefacts one. Electrochemical measurements were conducted in natural electrolytes, such as solutions extracted from natural soil (sampled at the archaeological sites) and seawater. Cyclic potentiodynamic experiments allowed appreciating the mechanism of corrosion in both cases. Soil extract’s electrolyte has been evaluated being a non aggressive medium, while artificial solution prepared by increasing the concentration of anions caused the pitting corrosion of the alloy, which is demonstrated by optical observations. In particular, electrochemical impedance spectroscopy allows assessing qualitatively the nature of corroded structures formed in soil and seawater. A double-structured layer is proposed, which differ, in the two cases, for the nature of the internal passive layer, which result defectiveness and porous in case of seawater.