Ricoprimenti superficiali innovativi e modifica delle - First

ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Ricoprimenti superficiali innovativi e
modifica delle superfici per
performances tribologiche avanzate
Sergio Valeri
Laboratorio a rete SUP&RMAN
SUPerfici & Ricoprimenti per la Meccanica
Avanzata e la Nanomeccanica
Fig2a.mpg
Laboratorio per la ricerca industriale ed il trasferimento tecnologico
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
… parliamo di soldi !
Circa il 25 % dell'energia impiegata nel mondo va persa in fenomeni
di attrito e le perdite dovute all'usura di parti meccaniche vengono
stimate in una percentuale che va dall'1,3 % all'1,6 % del prodotto
interno lordo (PIL) di un paese industrializzato.
I costi legati a problemi di attrito, usura e lubrificazione sono
stimabili attorno a 350 miliardi di euro all'anno, da ripartirsi nei
seguenti settori: trasporti di superficie (46 %), processi di
produzione industriali (34 %), fornitura di energia (7 %),
aeronautica (3 %), e altri (10 %).
Opportuni materiali e trattamenti superficiali sono in grado di
ridurre significativamente le percentuali riportate sopra.
Un rapporto dell'UK Department of Trade and Industry descrive lo stato
dell'industria legata all'ingegneria di superficie. Il mercato inglese dei
processi di modificazione delle superfici ammontava nel 1995 a circa 15
miliardi di euro, di cui 7 miliardi connessi allo sviluppo di tecnologie per la
protezione delle superfici dall'usura e per la riduzione dell’attrito.
Si prevedeva che questo settore, in Inghilterra, si sarebbe attestato nel
2005 su circa 32 miliardi di euro, coinvolgendo processi industriali per
circa 215 miliardi di euro. La previsione si è rivelata in difetto di ca il 10% !
La proiezione di queste cifre sul mercato europeo ci porta a 240 miliardi di
euro per il trattamento delle superfici, con una ricaduta su altri settori
produttivi per circa 1600 miliardi di euro.
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Micro-nanotecnologie: le frontiere per la
meccanica e la ceramica
i ricoprimenti sottili e ultrasottili, duri ed ultraduri
5 cm
la nanotribologia vs macrotribologia: dal nanoattrito alla
piastrella antisdrucciolevole
i ricoprimenti di oggetti micro-nanometrici per la micro-nanomeccanica
i sistemi di preparazione innovativi (misti, a bassa temperatura, ad elevata
resa, di elevato rispetto ambientale)
50 μ
la creazione di linguaggi e competenze trasversali tra gli attori della ricerca (ingegneri, fisici,
chimici, …) e tra questi e il mondo produttivo
le nanoparticelle (fasi nanodisperse per la fotocatalisi o la rigidita’ strutturale di
materiali leggeri, … , vernici, inchiostri, … : come utilizzarle, come difendersi
la nanofabbricazione
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Scopo di un trattamento o
rivestimento superficiale e’ quello di
migliorare le proprieta’ del materiale
di supporto (bulk), o di conferirgli
nuove e diverse funzionalità.
Funzionalizzazione delle superfici
decorativa / funzionale (plastica metallizzata per alleggerimento, protezione
materiali morbidi dal graffio, nobilitazione materiali semplici, ecc.)
anticorrosiva ambientale (palette turbine soggette alte T e ambienti corrosivi ,
zincature e cromature per materiali ferrosi, ecc.)
antiabrasiva e per scorrevolezza (materiali a bassa resistenza a sforzi di
taglio su cuscinetti ed altre parti in movimento, coating refrattari su utensili,
trattamenti antiscivolo, resistenza alla usura, idrofobucita’, ecc.)
biomedicale (materiali biocompatibili per chirurgia o impianti medicali , come
ceramiche a base Ti, ecc.)
energia ed ambiente (film a base Si per celle fotovoltaiche, anti riflesso o
elettrocromici per vetrate dei palazzi, catalizzatori per reazioni chimiche
(superfici autopulenti), riduzione del rilascio di micro-nanoparticelle, ecc.)
…
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
le superfici dei solidi
cosa è la superficie
di un solido ?
di quale spessore
parliamo ?
superfici: porzione del solido
che “parla” con l’esterno
superficie
superficie: sede di proprietà “speciali”,
diverse da quelle del bulk
superficie
confinamento laterale e verticale: i
solidi sono la loro superficie
luce
temperatura
superfici “interne”
(interfacce)
permeabilità.
frattura
policristalli
multistrati
adesione,
barriera di
potenziale
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Come e cosa scegliere ?
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
che trattamento fare e/o quale materiale depositare o impiantare
sotto quali condizioni il trattamento diventa economicamente vantaggioso (velocità
di deposizione, efficacia, risultati, ecc.)
quali sono le limitazioni dovute al substrato (T max, composizione rivestimento,
ecc.)
l’adesione del rivestimento alla superficie
il potere coprente del processo, dipendente anche dal tipo di oggetto (geometria,
finitura necessaria, ecc.)
la purezza della sorgente (e del processo), che influenza la purezza del deposto
la tecnologia necessaria e la sua disponibilità commerciale
l’abbondanza del materiale da depositare sul mercato
i costi
l’ impatto ambientale del processo (legge 2000/53/CE, norme FDA, …)
Non esiste il rivestimento/trattamento che di per sè
ottimizza tutti questi aspetti ! ...
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
… però si possono tentare vari
approcci :
multistrato ?!
1. Riduzione delle differenze nelle proprietà
meccaniche e chimiche fra coating e substrato
(D aumento dell’adesione) mediante l’uso di
uno o più intralayer.
2. Controllo della deformazione residua e dello
stress nel coating mediante l’utilizzo di
multistrati strutturati (D aumento
dell’adesione).
3. Barriera all’avanzata di crack mediante
l’alternanza di strati aventi tenacità differenti.
4. Diminuzione della probabilità di rottura del
rivestimento soggetto a carico applicato
mediante l’utilizzo di strati che consentano agli
strati più duri di scivolare l’uno sull’altro
durante la curvatura
Comprensione del
comportamento del coating
attraverso la sua risposta
ad un carico applicato
5. Conferimento di particolari proprietà fisiche
(es. barriera alla diffusione, barriera termica,
estetica).
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Simulazione di
uno strato di
lubrificante
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
rivestimenti/trattamenti multicomponente ?!
COATING NANOCOMPOSITI
- superduri: durezza > 40GPa
(durezza intrinseca: diamante 70 – 100GPa; durezza estrinseca determinata dalla microstruttura: BN
48GPa)
- nanocompositi (compositi nanocristallini “nc”): nc-MnN/a-Si3N4
M = Ti, W, V e altri nitruri di metalli di transizione
Basso coefficiente di attrito e tenaci: es. nc-WC/a-DLC ha una bassa rate di usura e coefficiente di attrito
su acciaio dell’ordine di 0.2n. Le elevate proprietà tribologiche di questi coating non sono solamente
dovute alle dimensioni nanoscopiche dei grani ma anche dalle forze all’interfaccia fra fase cristallina e
amorfa che evita la propagazione dei crack.
COATING GRADUALI
utilizzo di particolari layer per
ottenere particolari proprietà a
specifiche profondità nel coating.
COATING INTELLIGENTI
si adattano alle condizioni di lavoro.
- TiAlN: forma uno strato di ossido protettivo alle alte T durante il taglio
- DLC: formazione di uno strato grafitico, a basso coefficiente di attrito, indotto dalla temperatura
- WS2 addittivato con CF2 D meno sensibile all’umidità, alza la temperatura di lavoro oltre i 450°C
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
… trattamenti, ricoprimenti, caratterizzazione, …
EROSIONE IONICA
IRRAGGIAMENTO CON
ELETTRONI O FOTONI
METODI PER
MODIFICAZIONI SUPERFICIALI
PROCESSI DI DEPOSIZIONE
PLASMATURA
MICROSCOPIE A
SCANSIONE
METODI DI
CARATTERIZZAZIONE
PROFILATURA CON
FASCI IONICI
DEPOSIZIONE DA
FASE FISICA
DEPOSIZIONE DA
FASE CHIMICA
SPETTROSCOPIE
ELETTRONICHE
PLASMA SPRAY
Problemi: molto spesso i materiali
bulk ed i rivestimenti di interesse
per l’industria meccanica sono duri
e/o isolanti, o insofferenti alle
elevate temperature, …; gli “oggetti”
hanno forme complesse, con cavità
interne (es: tubi lunghi e sottili), …
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Caratterizzazione delle superfici 1:
spettroscopie
e-
ioni
Interazioni degli ioni con i solidi
qualitative/quantitative
compositional
information as a
function of depth
Interazioni degli elettroni con i solidi
primary electron beam
Emissione Auger: sensibile
al legame chimico
e-
intensity
composizione !
1-2 nm
A
kinetic energy
B
emissione dei secondari e dei
backscatterati: fortemente
dipendenti dalla morfologia
spatially-resolved
compositional information
imaging !
molibdeno in acciaio
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Caratterizzazione delle superfici 2 : x-ray diffraction
& scanning microscopy
Scanning Tunneling Microscopy : “vede” la corrugazione elettronica
X-ray diffraction
della superficie, il risultato è media di morfologia e proprietà
elettroniche; non adatta per isolanti
film ultrasottile di MgO
Atomic Force Microscopy: “vede” la morfologia
della superficie, parzialmente mediata dal coefficiente
di attrito; bene su isolanti (ceramici, ecc.)
film cristallino di silicon carbide
polimero dopo test di attrito
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Focused Ion Beam
+ Secondary
Electron Imaging
nano- micro analisi
nanofabbricazione
a = 125 nm
b = 50 nm
200 nm
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Coatings 1:
Chemical Vapor Deposition
-
classicamente CVD è deposizione
a seguito di reazioni chimiche
termo-attivate (riduzione, pirolisi,
ossidazioni, ecc.)
- in PECVD un plasma elettronico
facilita le dissociazioni molecolari
aumentando la reattività,
precursori in genere liquidi o gas
(tossici, pericolosi, ecc.)
- velocità di deposizione alte (~50
μm/h)
- PECVD temperature di reazione
basse (200-600 °C) rispetto al
normale CVD (800-1200 °C)
- PECVD pressioni di trattamento
più basse del CVD, ma più alte di
PVD (10-1 - 1 mbar)
- sistemi DC, RF, MW
a:SiC / Al2O3 macroporosa
Fasi successive di
deposizione di un
ricoprimento in
Diamond-Like-Carbon
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Coatings 2: Physical Vapor Deposition.
2.1 - Sputtering
Un plasma (DC o RF) viene generato da una
differenza di potenziale (100 ÷ 1000 V) tra un
anodo e un catodo.
- gli ioni del plasma bombardano il target.
- gli atomi del target emessi si depositano sul
substrato, che può essere polarizzato o riscaldato.
- ottima uniformità di ricoprimento su substrati
planari, difficoltà su superfici complesse.
- alto rendimento e velocità di deposizione (μm/h).
- materiali ceramici ottenibili con deposizione
reattiva (N2, O2, ecc.).
Tecnica principale (a volte accoppiata con CVD) per la
realizzazione di multistrati: tema di frontiera, ormai
“obbligatorio”
Physical + chemical: modifiche superficiali
Plasmatura in ambiente reattivo: plasma di Ar + N per
trattamenti superficiali di nitrurazione di acciai a fini
anticorrosivi per uso in ambienti chimicamente aggressivi
Laboratorio a rete SUP&RMAN
DC/
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Esempi di rivestimenti PVD sputter-deposti
Singolo strato TiN, CrN e CrN/TiN
multilayer rivestimenti duri antiusura
e antigraffio.
nanoindentazione
dopo 21 giorni
Idrossiepatite (HA)
materiale molto simile alla
componente mineralizzata
dell’osso favorisce l’osteointegrazione degli impianti
d’anca.
Ricoprimenti delle
superfici esterne delle
protesi.
18 GPa
Rigenerazione ossea
TiN
CrN
Durezza
25 GPa
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Coatings 2: Physical Vapor Deposition
esempio di rivestimento
2.2 – arco catodico
energia fornita da scarica elettrica (20 V, 100 A);
spot di arco vaporizza localmente il target
generazione di micro gocce
alto rendimento e velocità di deposizione (10 μm/h)
3 μm
TiN
Al substrate
catodo necessariamente metallico; materiali
ceramici ottenibili solo con deposizione reattiva
(N2, O2, ecc.)
catodo
iniettore delle polveri
plasma “flame”
anodo
gas plasma: Ar, N2 H2, He
acqua di raffreddamento
2.3 – plasma spray
Tecnica a spruzzatura (fusione / solidificazione di polveri)
- alta T per deposizione refrattari (ceramiche, ossidi, metalli);
riscaldamento localizzato di substrato
- alte velocità di deposizione (1 mm/h) e semplicità di impianti;
- HVOF (High Velocity Oxy Fuel): fiamma fonde parzialmente
le polveri
- COLD SPRAY: polveri fondono parzialmente nella collisione col
substrato.
esempio di rivestimento
La deposizione di titanio per plasma spray aumenta la micro-rugosità
dell’impianto dentale favorendo l’aggancio e la integrazione dello stesso.
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Tribologia (attrito, usura, adesione)
La forza di attrito è la resistenza incontrata da un corpo in movimento su di un altro.
L’attrito si esprime in termini di COEFFICIENTE DI ATTRITO.
Legge di Amonton /Coulomb: m = F/W
( m coefficiente di attrito, F forza di attrito e W carico applicato)
W
F
W
F
Le superfici dei materiali cambiano continuamente nel tempo.
Il coefficiente di attrito non è una proprietà
proprietà del materiale. , ma di un sistema di molti corpi
Non è possibile separare la discussione sull’
sull’attrito dal tema della lubrificazione.
Fondamentale è la chimica nella regione di contatto fra due solidi.
macro
&
micro
μ=
nano
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Occorre
“progettare” i
materiali e le
loro superfici
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
rivestimento CVD
sp3
Diamond Like Carbon
diamond
Forma amorfa del C con legami ibridi sp2 - sp3
1) elevata durezza, superiore a 40 GPa
2) Inerzia Chimica
3) Basso coefficiente d’attrito
t-aC
t-aC:H
DLC
Polymer-like
sp
2
No film
H
0.20
Formation transfer layer
0.15
0.10
COF
Graphitic
graphite
0.05
Friction Coefficient ~ 0.1
0
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Ricoprimento indurente:
WC-Co
0.4<µ<0.6
0.35 mm
(matrice metallica: Co 12% +
ceramica dispersa: WC 88%)
Al2O3
depositato su acciaio mediante HVOF
0.6<µ<0.8
Ra = 1.1 µm
H = (790±20) HV
Wrate~ 10-5 mm3·N-1·m-1
acciaio di
riferimento
Lunghezza = 749 µm Pt = 12.9 <mu>m Scala = 20 <mu>m
<mu>m
legante metallico
Co (segnale scuro)
grani ceramici WC
(segnale chiaro)
4
2
0
-2
-4
-6
ricoprimento
indurente
-8
Wrate negligible
-10
-12
-14
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
Laboratorio a rete SUP&RMAN
700 µm
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
APPLICAZIONE: RIVESTIMENTI ANTIUSURA SU COMPONENTI
MECCANICI (STAMPI, PARTI SOGGETTE AD ABRASIONE,
STRISCIAMENTO, ETC…)
Al2O3
HVOF
Cr2O3
HVOF
WC-17%Co
HVOF
Co-Mo-Cr-Si
HVOF
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Durezza Vickers
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
curva di Stribeck
La curva di Stribeck rappresenta la relazione che esiste
fra velocità, carico e attrito.
Nel regime idrodinamico le superfici
striscianti sono separate da un film
spesso di lubrificante liquido e il carico
è sopportato dalla pressione all’
all’interno
del film, risultato delle forze viscose
all’interno del lubrificante, che a loro
volta derivano dal moto relativo fra le
due superfici.
Nel regime di boundary
lubrication la maggior
parte del carico è
sopportato dai contatti
superficiali.
l’interazione fra le due
superfici avviene
attraverso la collisione
fra le asperità:
deformazioni plastiche,
reazioni chimiche, ….
Mixed
Nel regime elastoidrodinamico le pressioni in gioco sono molto più
più
alte rispetto al regime idrodinamico.
idrodinamico La pressione locale, nel caso di
componenti in acciaio, è dell’ordine dei GPa.
La dipendenza della viscosità
viscosità del lubrificante dalla pressione è
fondamentale, così
così come la deformazione superficiale.
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Load support
shared by fluid
film pressure
and boundary
contacts
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Laser surface texturing (LST)
Micro-tessiture create artificialmente su superfici di contatti striscianti possono significativamente
contribuire all’abbassamento di coefficienti di attrito ed usura
G. Ryk, Y. Kligerman and I. Etsion, Tribology Transactions 45-4 (2002), 444-449;
A. Ronen, I. Etsion and Y. Kligerman, Tribology Transactions 44-3 (2001), 359-366.
20 μm
Vantaggi della texturizzazione:
intrappolare detriti
ritenere il lubrificante tra le superfici striscianti
assicurare maggiore spinta idrodinamica
ridurre dissipazioni termiche
aumentare il tempo di vita dei contatti striscianti
Rispetto alle altre tecniche di texturizzazione
LST offre maggiori opportunità:
- tempi di processo brevi
- ambiente pulito
- eccellente controllo della forma e delle
dimensioni dei fori
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
poor lubrication
30NiCrMo12 vs 100Cr6
“goccia d’olio” (~ 2·10-3 ml/cm2)
ml/cm2
Pressioni di contatto 1-10 MPa
Surface texturing: S% = 40%
Wear of pin
0.80
1.0
STRIBECK CURVES
TEXTURED SURFACE
UNTEXTURED SURFACE
0.70
0.8
0.50
ENDURANCE TEST
TEXTURED SURFACE
UNTEXTURED SURFACE
0.40
h
min
Time: 8 : 00
-1
Linear Velocity: 12 cm • s
Normal Load: 7N
Contact Pressure: 7MPa
NO WEAR
0.30
0.20
Friction Coefficient
Friction Coefficient
0.60
-1
0.6
0.00
0.2
0.4
0.6
5
Laps [x 10 ]
0.8
1.0
transition
0.4
0.2
0.10
Linear velocities:
1 and 12 cm • s
2
Nominal Contact Area:
0.95 mm
Nominal Contact Pressures: 1-10 MPa
no transition
0.0
0.1
2
3
4
5 6 7 89
2
3
4
5 6 7 89
1
10
-1
-1
Stribeck Parameter [cm•MPa • s ]
Laboratorio a rete SUP&RMAN
2
3
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Traccia usura “non texturato”
Tribochemistry
gel viscoso (olio + detriti) su non texturato
nel texturato, olio all’interno dei fori che
agiscono come serbatoi (oil markers Ca,
Mg, Si)
Traccia usura “texturato”
EDX ANALYSIS
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
contatto secco – il texturing raccoglie i detriti
full lubrication
provocati dall’usura delle due parti striscianti
Carico
Carico
20MnCr5 vs 100Cr6
“bagno d’olio”
Pressione contatto:
0.2 MPa
Surface coverage:
20%
0.8
0.6
0.4
No lubrication
0.2
0.0
0
1 MPa lapped
1 MPa textured
Pin
Pin
Disco
Disco
50
100
150
200
250
Distance [m]
300
350
400
0,11
Superficie non
texturata: detriti
su tracce
0,10
0,09
0,08
0,07
Superf. texturata:
detriti nei fori
COF
Friction Coefficient
1.0
0,06
0,05
0,04
0,03
ENDURANCE TEST
h
min
Time
4 : 00
Load
4.0 N
Linear speed 40 cm/s
raw surface
textured surface
0,02
0,01
0,00
0
5
1x10
5
2x10
5
3x10
Laps
Laboratorio a rete SUP&RMAN
5
4x10
5
5x10
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Acciaio texturato: il texturing laser introduce difettosità nell’intorno del foro
che possano compromettere il comportamento meccanico della superficie ?
µ-cross section
realizzata con FIB
Acciaio texturato in intorno
del foro: morfologia a grani
di dimensione inferiore. Ricristallizzazione?
Cambiamento di fase ?
Indotta dal calore delle code
del fascio laser ?
Acciaio bulk, non texturato:
morfologia a grani ampi con
inclusioni (probabilmente
carburi di Cr)
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Pt-shield
(half removed)
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Mappe di indentazione a bordo foro
Analisi di durezza nell’intorno
del foro con prove di
nanoindentazione AFM. Alla
sinistra del foro è visibile
un’immagine AFM delle
indentazioni effettuate. Da
queste misure è possibile
ricostruire una mappa di
durezza in funzione della
distanza dal bordo del foro
Si nota come
l’andamento della
durezza sia
crescente
avvicinandosi al
bordo del foro,
evidenziando un
effetto di
interazione con il
fascio laser
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
5.2 µm
nano patterning su silicio
Silicio patternato mediante
FIB e misurato con AFM
lateral force con punta piatta
per integrare sui patterns
a = 125 nm
b = 50 nm
5.2 µm
AFM lateral force
con punta
funzionalizzata
Significativa
riduzione del
coefficiente di
attrito sulla
zona patternata
rispetto alla
zona non
patternata.
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
nano oggetti (e potenzialita’ per nuovi materiali)
Proprietà meccaniche di nanotubi di
carbonio
Produzione di
nanoparticelle
(nanoclusters)
mediante
magnetron
sputtering e postaggregazione
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Nanoparticelle ceramiche per la realizzazione di materiali nanocompositi
AlCoO: colore blu
Tungsten carbide
(WC)
Titanium dioxide (Ti2O2)
al
t
ca
o
t
fo
!
i
is
Materiali & ricoprimenti nanocompositi
Coating funzionalizzato con
nanoparticelle su materiale
ceramico
Immagine SEM della cross-section realizzata
con FIB di ricoprimenti nanostrutturati.
Sezione di un multilayers
nanostrutturato: alternanza di uno
strato duro e uno tenero al fine di
distribuire le fratture e gli stress
all’interno del ricoprimento senza
provocarne il suo distaccamento dal
substrato.
Particolari coatings nanocompositi
consentono di rendere la superficie idrofoba.
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Analisi XPS
del coating STANDARD
Mg1s
Intensity [arb.un.]
Piastra di caricamento per
macchina confezionatrice di farmaci
CKLL
Na1s
OKLL
O1s
Al2s
FKLL F1s
C1s
Al2p
-1000eV
-500
Binding Energy [eV]
multistrato attivo
schermo fluorescente
Coating multistrato
per imaging a raggi X
richiesta: aumentare l’efficienza quantica
di un fattore 10 per ridurre di un fattore
10 il tempo di esposizione del paziente
tubo intensificatore per imaging a raggi X
idea: accoppiare strati di materiali aventi specifiche
proprietà elettro-ottiche per realizzare un
multistrato rivelatore e amplificatore di raggi X
vincolo: la tecnologia deve essere esportata in
ambiente industriale e deve essere facilmente
scalabile per una produzione in serie
applicazioni biomedicali
Costruzione di un’apparecchiatura per ricerca che
consente l’ottimizzazione del dispositivo e la
simulazione delle condizioni ambientali industriali
Laboratorio a rete SUP&RMAN
laboratorio INFM – S3
0
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Distretti Hi-Tech
L’iniziativa dei distretti hi-tech si colloca nell’ambito di un programma avviato di
recente dal MIUR, finanziato sul fondo FAR (Fondo agevolazioni per la ricerca);
prevede la creazione di Distretti ad alta tecnologia organizzati su base regionale
Emilia Romagna ? Il settore metalmeccanico incide per il 42% sulla
composizione del settore manifatturiero della regione Emilia Romagna,
producendo beni di investimento utilizzati da altri settori leader della regione.
Distretto Hi-Mech dell’Emilia Romagna
È un distretto Hi-Tech per la meccanica avanzata. È una iniziativa della regione Emilia Romagna, delle
Università e dei Centri di ricerca della Regione in collaborazione con il MIUR, coordinata da ASTER. È
strutturato come una rete di eccellenza formata da 8 Laboratori focalizzati su specifici ambiti tecnologici.
Net-Lab Sup&rman
SUPerfici & Ricoprimenti per la Meccanica
Avanzata e la Nanomeccanica
Laboratorio per la ricerca industriale ed il trasferimento tecnologico
Distretto Hi-Mech per la Meccanica avanzata
Rete per l’Alta tecnologia della Regione Emilia Romagna
Laboratorio a rete SUP&RMAN
meccanica (50%)
ceramico
packaging
biomedicale
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
la missione del Laboratorio
mettere in rete e coordinare le competenze
sulle superfici ed i ricoprimenti
produrre buona scienza, buona tecnologia,
e trasferirle efficacemente
Settori merceologici: macchine utensili, automobili, macchine movimento terra, macchine lavorazione legno, macchine
per il confezionamento dei farmaci, robotica, packaging, decorativo, …
5 sottoprogetti:
Sottoprogetto 1: Studio e realizzazione di
rivestimenti innovativi per applicazioni
meccaniche, sviluppo di tecnologie miste per
ricoprimenti
Sottoprogetto 2 : Comprensione e controllo delle
proprietà tribologiche (attrito, usura, …) di
superfici e ricoprimenti
Sottoprogetto 3: Comprensione e controllo dei
processi di interazione ione-materia per
preparazione e caratterizzazione di superfici e
rivestimenti
Sottoprogetto 4 : ingegnerizzazione di
superfici e rivestimenti multiscala
Sottoprogetto 5 : Digital Library
Laboratorio a rete SUP&RMAN
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Dipart. di Ingegneria
dei Materiali e
dell’Ambiente Univ.
di Modena e Reggio
Emilia
Modena
Centro
Prove
Cineca
Alter
Dipart. di
Ingegneria
Meccanica Univ.
di Modena e
Reggio Emilia
Strutture pubbliche
CNR-INFM–
S3
Modena
Dipart. di
Fisica Univ. di
Modena e
Reggio Emilia
Arcotronics
Tecno-pro
Strutture private
CNR-ISMN
Bologna
Coordinamento del
Net-Lab
Consiglio
Direttivo
Consiglio
Scientifico
Dipart. di Fisica
Univ. di Ferrara
Acquisizione di strumentazione
Acquisizione di personale
- Sistema AFM Enviroscope.
- Macrotribometro.
- Nano-microtribometro.
- Microscopio riscaldante.
- Spettrometro WDS a raggi X
- Termospruzzatura
sono state assunte dal progetto 10
nuove unità di personale che si
aggiungono ai 18 ricercatori equivalenti
(chimici, fisici, ingegneri, sia sperimentali
che teorici), gia’ coinvolti nel progetto
Realizzazione del laboratorio di
micro-nanotribologia
la rete 1
[email protected]
http://www.labstar.it/
Laboratorio a rete SUP&RMAN
Progetti
Panel delle
aziende
Trasferimento tecnologico
ImpresaModena e Ricerca - Ricoprimenti e trattamenti superficiali per performances tribologiche avanzate – Modena, 2121-0303- 07
Le sfide del (immediato ?) futuro:
- coatings graduali
- coatings intelligenti
- impiego diffuso delle nanoparticelle
- meccanica di nano-oggetti
… ma tutto questo è un’altra storia, se siete interessati …
grazie per la vostra attenzione
Sergio Valeri
[email protected]
Laboratorio a rete SUP&RMAN