Applicazioni funzionali PVD nella produzione industriale

Nell'industria manifatturiera e nel settore automotive il problema della lubrificazione dei componenti delle parti meccaniche in movimento, come ingranaggi, pistoni, camme, cuscinetti, è stato risolto brillantemente grazie ai rivestimenti PVD che riescono a modificare le caratteristiche superficiali dei pezzi trattati, conferendo basso coefficiente di attrito e alta resistenza meccanica all’usura.

Queste tecnologie vengono usate ormai comunemente anche nella produzione di utensili come punte da trapani, frese, alesatori e negli ultimi anni si sta assistendo sempre più a un utilizzo massiccio dei rivestimenti sottili antiusura PVD - Physical Vapour Deposition su tutte le tipologie di utensili da taglio, con una diversificazione e specializzazione dei rivestimenti in funzione della specifica applicazione, per tipologia di utensile, di materiale dell'utensile e di materiale lavorato, con una ricerca continua di nuovi tipi di rivestimento PVD mono e multistrato.

In questo articolo di parla di:

1. Frese, alesatori, punte da trapani: resistenza all’usura e all’ossidazione con deposizione PVD al nitruro di titanio e alluminio TiAlN
2. Ingranaggi, pistoni, camme, cuscinetti: basso coefficiente d’attrito con i trattamenti PVD al bisolfuro di molibdeno MoS₂
3. Cuscinetti, acciai temperati e acciai da cementazione: massima resistenza all’usura con rivestimento PVD al carburo di tungsteno-carbonio WC-C
4. Utensili da taglio, stampi, componentistica di precisone: massima durezza con trattamento PVD Diamond Like Carbon DLC
5. Frese, altri utensili da taglio: durezza, resistenza alla corrosione, basso coefficiente di attrito, resistenza alle alte temperature, un ottimo compromesso con le applicazioni di nitruro di titanio TiN

Frese, alesatori, punte da trapani: resistenza all’usura e all’ossidazione con deposizione PVD al nitruro di titanio e alluminio TiAlN

La novità più interessante in questo settore è l'applicazione sempre più estesa di rivestimenti studiati appositamente per le lavorazioni ad alta velocità e a secco, come l’uso dei rivestimenti mono e multistrato a base di nitruro di titanio e alluminio TiAlN con elevata resistenza all'usura e all'ossidazione ad alta temperatura, un'elevata durezza a caldo, una ridotta conducibilità termica e un'elevata stabilità chimica.

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Ingranaggi, pistoni, camme, cuscinetti: basso coefficiente d’attrito con i trattamenti PVD al bisolfuro di molibdeno MoS₂

A questi si aggiungono i rivestimenti PVD a base di bisolfuro di molibdeno MoS₂ con basso coefficiente d'attrito e con proprietà autolubrificanti, ideali per le parti in movimento dei motori come pistoni, camme, bielle e infine ai rivestimenti a base di diamante e DLC (Diamond Like Carbon) con durezza elevatissima e basso coefficiente d'attrito.

I rivestimenti PVD autolubrificanti a base di bisolfuro di molibdeno MoS₂ rappresentano una vera e propria rivoluzione nel settore dei trattamenti superficiali delle parti meccaniche in movimento come ingranaggi, pistoni, camme, cuscinetti, in quanto combinano caratteristiche molto importanti quali:

• un bassissimo coefficiente d'attrito (0,05-0,1);
• una durezza contenuta (50 HV);
• un'ottima resistenza all'ossidazione e alta stabilità termica (fino a 800 °C).
• trattamento a basse temperature (150 °C)
• minimo spessore del riporto (0,5-1 μm)

Cuscinetti, acciai temperati e acciai da cementazione: massima resistenza all’usura con rivestimento PVD al carburo di tungsteno-carbonio WC-C

WC-C il carburo di tungsteno-carbonio è composto da una fase di carbonio amorfo inserito all'interno di un deposito a base di carburo di tungsteno.

Le caratteristiche del trattamento PVD a carburo di tungsteno-carbonio sono consigliate per il rivestimento di ingranaggi, principalmente perché aumentano la resistenza all'usura, la resistenza al fenomeno del pitting e la capacità di carico degli ingranaggi. Vengono utilizzate nel settore delle macchine tessili, nel settore delle macchine utensili, per esempio per il rivestimento dei cuscinetti dei mandrini ad alta velocità e per componenti meccanici di veicoli da corsa e commerciali.

Tra le caratteristiche dei rivestimenti PVD al carburo di tungsteno-carbonio WC-C:

• durezza del riporto non elevata (circa 1000 HV),
• coefficiente d'attrito basso (0,2)
• la temperatura di rivestimento non molto alta (circa 250 °C)
• con questa tecnica è possibile ricoprire anche acciai temprati, acciai da cementazione e acciai STD per cuscinetti.

Utensili da taglio, stampi, componentistica di precisone: massima durezza con trattamento PVD Diamond Like Carbon DLC

I rivestimenti Diamond Like Carbon comprendono un gruppo di riporti PVD che hanno delle proprietà simili a quelle del diamante naturale. La differenza più importante rispetto al diamante è che la microstruttura dei riporti DLC può essere amorfa o policristallina, con un contenuto di idrogeno in varie percentuali, mentre il diamante naturale è cristallino ed è composto da puro carbonio. Per realizzare i riporti di DLC con processi PVD generalmente si utilizza una scarica d'arco per produrre il plasma di carbonio puro.

I principali vantaggi del processo PVD-DLC sono:

• durezza elevatissima,
• coefficiente d'attrito molto basso.
• bassa temperatura di deposizione,
• struttura del film amorfo senza contenuto di idrogeno,
• buona adesione ed elevata velocità di deposizione,
• elevata densità - leggermente inferiore a quella del diamante,

I riporti PVD-DLC sono realizzati a temperature molto basse (inferiori a 150°C), per cui con questo processo è possibile rivestire anche i polimeri oltre alle leghe di alluminio e a tutti i tipi di acciai. Lo spessore di rivestimento può variare da 0,1 a 5 μm e le applicazioni sono molto varie in diversi campi industriali come quello della componentistica di precisione e delle attrezzature. Nel settore degli utensili da taglio e degli stampi i riporti DLC servono per aumentare la durezza superficiale, diminuire i coefficienti d'attrito e incrementare la vita dell’utensile.

Frese, altri utensili da taglio: durezza, resistenza alla corrosione, basso coefficiente di attrito, resistenza alle alte temperature, un ottimo compromesso con le applicazioni di nitruro di titanio TiN

Il nitruro di titanio è il riporto PVD maggiormente utilizzato a livello industriale.

Nelle applicazioni sugli utensili i film di TiN sono utilizzati per le loro caratteristiche di refrattarietà, come barriere termiche per la dissipazione del calore sviluppato durante le lavorazioni. I riporti di TiN riducono notevolmente le forze d'attrito tra utensile e materiale lavorato, limitano le interazioni fisico-chimiche fra utensile e truciolo, riducono i fenomeni di riporto e incollaggio materiale sugli spigoli taglienti e l'elevata durezza del TiN riduce i fenomeni di craterizzazione e limita i fenomeni di abrasione e usura.

L'effetto globale dei riporti di TiN sugli utensili e stampi si traduce in una serie di vantaggi come:

• incremento della vita dell’utensile,
• miglioramento della qualità delle superfici lavorate
• aumento della produttività delle macchine utensili.

Un’ulteriore evoluzione dei rivestimenti a base titanio e alluminio Ti-Al è rappresentata dai carbonitruri di titanio e alluminio: si tratta di rivestimenti "quaternari" a base di Titanio, Alluminio, Carbonio, Azoto Ti-Al-C-N e rappresentano l'ultima generazione dei rivestimenti PVD. Tali depositi, sviluppati con la tecnologia PVD ad arco catodico, sintetizzano caratteristiche molto importanti come elevatissima resistenza all'abrasione ed elevata durezza, dovuta alla presenza della fase TiCN, e alta resistenza all'ossidazione e alta stabilità termica dovuta alla presenza della fase TiAlN.

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