Capitolo 3: Proprietà meccaniche dei film sottili e tecniche di analisi
3.5 Resistenza all'usura
L'usura11 indica la rimozione di materiale durante il processo di contatto con altri corpi o per effetto di condizioni esterne ambientali.
L'usura può avviere mediante adesione, abrasione o usura ossidativa/corrosiva. Nell'usura adesiva, in seguito ad una forza tangenziale, si può avere deformazione a taglio nella zona di contatto con rottura nella parte più debole e distacco del pezzo che rimane attaccato alla superficie più dura (figura 11). La presenza di ossidi sulla superficie riduce l’usura adesiva agendo come un film protettivo e portando ad usura lieve risultante in piccole particelle d’usura. Nel caso in cui le due superfici siano pulite e libere da contaminanti si ha usura più severa. Infatti la presenza di contaminanti sulla superficie riduce le forze d’adesione e di conseguenza riduce l’usura.
Figura 11: Processo di usura per adesione
L’usura abrasiva invece è causata dallo slittamento di una superficie molto dura, con delle asperità, contro un’altra superficie.
Nei materiali metallici e ceramici la resistenza all’usura abrasiva è direttamente proporzionale alla durezza della superficie. Quindi in genere aumentando la durezza di un materiale si riduce la sua usura abrasiva, per questo vengono utilizzati i rivestimenti a base di materiali duri e trattamenti superficiali.
L'usura abrasiva può essere di due tipi:
• usura a due corpi o usura erosiva, in cui le particelle abrasive sono trasportate da un fluido o in aria
• usura a tre corpi: il lubrificante tra due superfici contiene particelle abrasive (generate nel tempo) che abradono. Questa tipologia di usura è frequente nelle lavorazioni meccaniche.
In pratica nell'usura abrasiva si ha la formazione e rimozione di un detrito tramite una particella dura intermedia (figura 12). Sulla superficie abrasa compaiono tracce evidenti di usura, graffi continui.
Figura 12: Formazione di particella abrasiva tra due superfici.
L'usura corrosiva, detta anche tribossidativa nel caso di ossidazione, ha luogo in presenza di metalli che si ossidano o corrodono.
L’usura abrasiva o adesiva rimuove l’ossido e/o i prodotti di corrosione lasciando libera parte della superficie che si corrode/ossida di nuovo. E’
maggiore quando sono presenti componenti che aumentano la corrosione come acqua (acqua di mare), acidi, ossigeno, composti chimici e a base di zolfo. Può essere ridotta usando materiale meno soggetti a corrosione, riducendo gli inquinanti e la temperatura ambientale.
Nel caso materiali sottoposti a fatica vengono prodotte delle cricche in superficie che portano a rottura di piccoli pezzi o detriti di usura da fatica. La rottura avviene in questo caso per spalling o pitting (spesso con corrosione)
I materiali possono essere sottoposti a fatica meccanica ( ad esempio con carichi ciclici tipo nei cuscinetti a sfera) o fatica termica, in cui le cricche sono generate dagli sforzi di contatto dovuti alla differente espansione termica.
Le cricche dalla superficie si unisco tra loro nel materiale sottostante (cambiando direzione rispetto alla perpendicolare alla superficie) e provocano il distacco di materiale. Questo tipo di usura è tipica nelle lavorazioni a caldo e stampi per fusione e per ridurla è necessario contenere gli sforzi di contatto, il ciclaggio termico, impurità, inclusioni e difetti locali.
Raramente l’usura è di un solo tipo; inoltre oltre alle tipologie presentate, esistono altri tipi di usura (figura 13), ad esempio da erosione, in cui ci sono particelle libere che abradono una superficie, per fretting, in cui l'usura si genera tra due superfici che si muovono relativamente con piccoli movimenti, oppure l'usura per impatto, per cui l’impatto continuo di altri corpi e particelle rimuove materiale dalla superficie.
Figura 13: Esempi di diverse tipologie di usura
Nei materiali ceramici, l’usura è determinata dalla deformazione plastica e dalla rottura fragile. Con la presenza di ossidi sul metallo, si ha adesione dell’ossido al ceramico e successivo distacco dell’ossido dalla superficie. Quindi in realtà si ha slittamento dell’interfaccia tra ossido e rivestimento. L'uso di materiali lubrificanti non ha molto effetto sui ceramici.
Per bassi carichi applicati, si produce un contatto elastico con la superficie e si osservano segni permanenti. Per carichi moderati, un segno permanente o una traccia di usura possono apparire sulla superficie, lasciati da una deformazione plastica o da una abrasione. Ad alti carichi applicati, una traccia di usura da cracking o per deformazione rimane evidente sulla superficie del campione.
L'usura è il volume di materiale rimosso dalla superficie per contatto. Il volume di usura per unità di lunghezza di traccia Q è dato dalla relazione:
Q = KA
Dove A è la reale area di contatto ed è data come in precedenza dal rapporto tra il carico W e la pressione o la durezza H della superficie più morbida, A =W/H.
L' equazione di Archard
Q = K H W
Dove K è il coefficiente di usura, un numero adimensionale, molto inferiore a 1. Permette di definire il coefficiente di usura come inversamente proporzionale alla durezza della superficie. Quindi, superfici più dure si usurano di meno e a tale scopo si cerca di realizzare rivestimenti protettivi con alti valori di durezza. La resistenza all' usura di tipo abrasivo richiede che il materiale del rivestimento possieda una durezza sufficientemente elevata, preferibilmente che sia più duro del materiale del substrato. Un valore di modulo elastico alto e un'elevata durezza sia del coating che del substrato, combinate con uno spessore sufficiente, possono essere fattori importanti per evitare la deformazione del substrato.
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