Caratterizzazione tribologica e microstrutturale di acciai sottoposti a trattamenti duplex (trattamenti termochimici di diffusione seguiti da deposizione di rivestimenti in carbonio amorfo DLC)

Lo studio condotto in questa tesi ha lo scopo di esplorare possibili soluzioni alternative per aumentare la vita in esercizio di componenti per un contatto tribologico da strisciamento in motori idraulici. In particolare, per limitare l’usura e ridurre l’attrito fra i corpi a contatto, è stata presa in considerazione la deposizione di rivestimenti in carbonio amorfo idrogenato, appartenenti alla famiglia dei rivestimenti DLC (Diamond-Like Carbon), prodotti con tecnologia PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), grazie alla collaborazione con la ditta STS srl presso la quale sono state prodotte ed in parte caratterizzate diverse tipologie di strati sottili a base carbonio-carbonio. Questa scelta è stata motivata dal fatto che i rivestimenti DLC combinano basso attrito ed alta resistenza ad usura, dato che l’elevata durezza (e resistenza ad usura) è data dalla presenza di un’elevata frazione di C ibridati sp3 (con struttura simil-diamante) fra loro interconnessi, mentre la tendenza al basso attrito contro la maggior parte degli antagonisti deriva dalla struttura lamellare (quindi a basso sforzo di taglio), tipica del C sp2 (simil-grafite), che permette lo scorrimento fra i piani basali. Nel corso del presente lavoro sono quindi stati presi in esame due gruppi di rivestimenti DLC, differenziati in base alla tipologia di interstrato impiegato per moderare le tensioni residue e migliorare l’adesione (CrN singolo strato o WC/C multistrato), depositati su acciaio 20MnV6 sottoposto preliminarmente a cementazione gassosa per ottenere una adeguata capacità di supporto del carico. Gli strati in esame sono stati caratterizzati dal punto di vista microstrutturale e meccanico (con prove sia di adesione e con prove di nanoindentazione). Successivamente, i materiali rivestiti sono stati sottoposti a prove tribologiche di laboratorio (block-on-ring) in condizioni di strisciamento non lubrificato, per effettuare una valutazione comparativa fra i rivestimenti ed identificare i meccanismi di usura prevalenti nelle diverse coppie tribologiche.

Studio tribologico e microstrutturale di rivestimenti termospruzzati per contatti albero/cilindro in motori idraulici a pistoni radiali

Lo scopo di questa tesi è stato quello di migliorare la vita in esercizio di componenti soggetti a strisciamento in motori per applicazioni industriali specifiche, studiandone il comportamento tribologico. L’eventuale usura da strisciamento dei componenti in esercizio può infatti dare luogo a cali dell’efficienza del motore. Lo studio in esame si pone l’obiettivo di valutare il comportamento tribologico di rivestimenti termospruzzati, come possibili alternative al materiale attualmente impiegato nel contatto da strisciamento in corso di studio, allo scopo ultimo di aumentare la vita in esercizio del motore di riferimento.

Sulla energia dissipata in alcuni organi di macchina

Questa tesi riguarda l'analisi delle trasmissioni ad ingranaggi e delle ruote dentate in generale, nell'ottica della minimizzazione delle perdite di energia. È stato messo a punto un modello per il calcolo della energia e del calore dissipati in un riduttore, sia ad assi paralleli sia epicicloidale. Tale modello consente di stimare la temperatura di equilibrio dell'olio al variare delle condizioni di funzionamento. Il calcolo termico è ancora poco diffuso nel progetto di riduttori, ma si è visto essere importante soprattutto per riduttori compatti, come i riduttori epicicloidali, per i quali la massima potenza trasmissibile è solitamente determinata proprio da considerazioni termiche. Il modello è stato implementato in un sistema di calcolo automatizzato, che può essere adattato a varie tipologie di riduttore. Tale sistema di calcolo consente, inoltre, di stimare l'energia dissipata in varie condizioni di lubrificazione ed è stato utilizzato per valutare le differenze tra lubrificazione tradizionale in bagno d'olio e lubrificazione a “carter secco” o a “carter umido”. Il modello è stato applicato al caso particolare di un riduttore ad ingranaggi a due stadi: il primo ad assi paralleli ed il secondo epicicloidale. Nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Brevini S.p.A. di Reggio Emilia, sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di tale riduttore, prove che hanno consentito di tarare il modello proposto [1]. Un ulteriore campo di indagine è stato lo studio dell’energia dissipata per ingranamento tra due ruote dentate utilizzando modelli che prevedano il calcolo di un coefficiente d'attrito variabile lungo il segmento di contatto. I modelli più comuni, al contrario, si basano su un coefficiente di attrito medio, mentre si può constatare che esso varia sensibilmente durante l’ingranamento. In particolare, non trovando in letteratura come varia il rendimento nel caso di ruote corrette, ci si è concentrati sul valore dell'energia dissipata negli ingranaggi al variare dello spostamento del profilo. Questo studio è riportato in [2]. È stata condotta una ricerca sul funzionamento di attuatori lineari vite-madrevite. Si sono studiati i meccanismi che determinano le condizioni di usura dell'accoppiamento vite-madrevite in attuatori lineari, con particolare riferimento agli aspetti termici del fenomeno. Si è visto, infatti, che la temperatura di contatto tra vite e chiocciola è il parametro più critico nel funzionamento di questi attuatori. Mediante una prova sperimentale, è stata trovata una legge che, data pressione, velocità e fattore di servizio, stima la temperatura di esercizio. Di tale legge sperimentale è stata data un'interpretazione sulla base dei modelli teorici noti. Questo studio è stato condotto nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Ognibene Meccanica S.r.l. di Bologna ed è pubblicato in [3].

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

Sviluppo e caratterizzazione microstrutturale e tribologica di rivestimenti su lega di titanio per applicazioni biomedicali

Oggetto dello studio è stato lo sviluppo di rivestimenti con tecnica PEO (Plasma Electrolityc Ossidation) sulla lega di titanio Ti-6Al-4V, al fine di utilizzare questo materiale in sostituzione della lega CrCoMo nelle protesi d'anca e di ginocchio. Queste, ad oggi, sono le protesi articolari più diffuse e devono garantire contemporaneamente elevate prestazioni meccaniche (in particolare resistenza ad usura), affidabilità e biocompatibilità. La lega CrCoMo negli anni si è affermata nel campo protesico poiché è un materiale metallico avente elevata rigidezza abbinata a una buona resistenza a corrosione ed all'usura durante il movimento articolare. Un problema rilevante e frequente di questa lega è l'allergia di alcuni pazienti agli elementi di lega che la costituiscono o il rischio per i pazienti non allergici di subire un'ipersensibilizzazione, con conseguente sviluppo dell'allergia e necessità di sostituire la protesi. La lega Ti-6Al-4V potrebbe essere una valida alternativa data la sua elevata biocompatibilità e le sue proprietà meccaniche, tanto che è già ampiamente utilizzata nella costruzione di protesi statiche come chiodi o viti. Purtroppo ad oggi non è stato possibile l'utilizzo di questa negli accoppiamenti articolari, data la sua bassa resistenza all'usura per sfregamento. L'attività di tesi è stata quindi incentrata sulla definizione dei bagni elettrolitici e del ciclo elettrico ottimali per realizzare, con tecnica PEO, rivestimenti in grado di conferire una buona resistenza allo sfregamento alla lega di titanio. Il raggiungimento degli obiettivi prefissati è stato valutato attraverso una caratterizzazione microstrutturale e tribologica del rivestimento.

Reactive biased target ion beam deposited W-DLC nanocomposite thin films - Microstructure and its mechanical properties

Tungsten incorporated diamond like carbon (W-DLC) nanocomposite thin films with variable fractions of tungsten were deposited by using reactive biased target ion beam deposition technique. The influence of tungsten incorporation on the microstructure, surface topography, mechanical and tribological properties of the DLC were studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy. Atomic force microscope (AFM), transmission electron microscopy (TEM), nano-indentation and nano-scratch tests. The amount of W in films gets increases with increasing target bias voltage and most of the incorporated W reacts with carbon to form WC nanoclusters. Using TEM and FFT pattern, it was found that spherical shaped WC nanoclusters were uniformly dispersed in the DLC matrix and attains hexagonal (W2C) crystalline structure at higher W concentration. On the other hand, the incorporation of tungsten led to increase the formation of C-sp(2) hybridized bonding in DLC network and which is reflected in the hardness and elastic modulus of W-DLC films. Moreover, W-DLC films show very low friction coefficient and increased adhesion to the substrate than the DLC film, which could be closely related to its unique nanostructure of the W incorporated thin films. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Material properties and tribological performance of rf-PECVD deposited DLC coatings

Diamond-like carbon (DLC) coatings were deposited on to silicon, glass and metal substrates, using an rf-plasma enhanced chemical vapour deposition (rf-PECVD) process. The resultant film properties were evaluated in respect of material and interfacial property control, based on bias voltage variation and the introduction of inert (He and Ar) and reactive (N2) diluting gases in a CH4 plasma. The analysis techniques used to assess the material properties of the films included AFM, EELS, RBS/ERDA, spectroscopic, electrical, stress, microhardness, and adhesion. These were correlated to the tribological performance of the coatings using wear measurements. The most important observation is that He dilution (>90%) promotes enhanced adhesion with respect to all substrate material studies. Coatings typically exhibit a microhardness of the order of 10-20 GPa in films 0.1DLC) coatings were deposited on to silicon, glass and metal substrates, using an rf-plasma enhanced chemical vapour deposition (rf-PECVD) process. The resultant film properties were evaluated in respect of material and interfacial property control, based on bias voltage variation and the introduction of inert (He and Ar) and reactive (N2) diluting gases in a CH4 plasma. The analysis techniques used to assess the material properties of the films included AFM, EELS, RBS/ERDA, spectroscopic, electrical, stress, microhardness, and adhesion. These were correlated to the tribological performance of the coatings using wear measurements. The most important observation is that He dilution (>90%) promotes enhanced adhesion with respect to all substrate materials studied. Coatings typically exhibit a microhardness of the order of 10-20 GPa in films 0.1 < d < 2 μm thick, with associated electrical resistivity in the range 108 < ρ < 1012 Ω·cm, coefficient of friction <0.1 and surface RMS roughness as low as 2 A. The results are discussed with respect to surface pre-treatment, ion surface bombardment, interfacial reactivity and changes in plasma gas breakdown processes.

Supuestos antropológicos en el tratamiento de la usura según Francisco de Vitoria

Resumen: Este artículo tiene por objeto presentar los supuestos antropológicos en el tratamiento de la usura según Francisco de Vitoria. En primer lugar, la autora se dedica a contextualizar y diferenciar el planteamiento económico premoderno y moderno, y sus respectivos principios. Luego, presenta las características de la práctica usuraria en el préstamo de dinero o bienes con interés –según la perspectiva de Vitoria–; para concluir con una acabada definición del acto de “prestar” y sus implicancias en el tejido económico y social.