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a cura di G.Bolelli............................................................................................................................... pag
L’ingegneria delle superfici può dare contributi essenziali anche in quest’ambito. Modern technology is also striving to reduce health, safety and environmental risks of industrial processes and products. Surface engineering can contribute to this end.
Ing. Giovanni Bolelli Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia – Presidente del Comitato Tecnico Rivestimenti e Tribologia di AIM
IL RUOLO DELL’INGEGNERIA DELLE SUPERFICI NELLA TECNOLOGIA MODERNA
L’ingegneria delle superfici è definita come la disciplina che si occupa dei “trattamenti delle regioni superficiali e sub-superficiali di un materiale finalizzati a conferire alle stesse funzionalità distinte rispetto a quelle proprie del cuore del materiale” (Ref 1).
Questi possono essere genericamente distinti in due macro-categorie: rivestimenti, cioè riporti di strati di materiale dissimile sulla superficie di un componente, e modifiche superficiali, cioè processi termici, termochimici e/o meccanici volti a modificare le caratteristiche topografiche, microstrutturali e/o chimiche della superficie di un componente (Ref 1).
Sebbene alcuni metodi di trattamento superficiale siano noti fin dall’antichità, la tecnologia moderna ha portato, nell’ultimo secolo, allo sviluppo di una grandissima varietà di tecniche e processi per rispondere a esigenze nuo-
THE ROLE OF SURFACE ENGINEERING IN MODERN TECHNOLOGY
Surface engineering is defined as the “treatment of surface and near-surface regions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded from the bulk of the material” (Ref 1).
Surface engineering processes can be broadly told into
two main categories: - Coating processes, which consist of adding chemically distinct surface layers onto a substrate. - Surface mis not, i.e., thermal, thermochemical and/or mechanical treatments aiming to modify the topography, microstructure and/or chemical composition of the surface of a material.
Although some surface engineering methods have been known to mankind since antiquity, modern technology has led to the development of a very broad variety of treatments and processes, in order to meet an ever-increasing demand for improved performances and novel functio-
ve e crescenti. Tuttora, il settore è particolarmente attivo
dal punto di vista della ricerca sia di base, sia applicata. Ad esempio, un’analisi degli articoli scientifici indicizzati dalla banca dati “Journal Citation Reports” (Clarivate) nella ca-
tegoria “Materials Science, Coatings & Films” indica che il numero di lavori pubblicati annualmente è cresciuto da circa 6500 nel 2016 a oltre 10000 nel 2019 (Ref 2).
L’ingegneria delle superfici riveste, infatti, un ruolo fondamentale in quasi tutti i settori tecnologici. Moltissimi componenti e prodotti destinati sia all’utilizzo in impianti industriali, sia al consumo sono funzionalizzati con trat-
tamenti superficiali, poiché un singolo materiale difficilmente può soddisfare requisiti strutturali, quali ad esempio la resistenza a carichi meccanici statici e/o affaticanti, o il
superamento di target di resistenza meccanica specifica o rigidezza elastica specifica nella progettazione di strutture alleggerite, e contemporaneamente offrire caratteristiche superficiali di natura tecnica (quali la resistenza a diverse forme di degrado per usura, ossidazione e/o corrosione), funzionale (ad esempio, isolamento elettrico o termico o,
al contrario, conducibilità termica o elettrica; biocompa-
tibilità; ipoallergenicità; idoneità al contatto con alimenti, ecc.) e/o estetica (colore, lucentezza, ecc.) adatte alle varie
applicazioni.
Un tema di particolare attualità in quasi tutti gli ambiti della tecnologia moderna è la riduzione dell’impatto ambientale. L’ingegneria delle superfici può dare contributi essenziali anche in quest’ambito, in vari modi: - Tramite la modifica o il ricoprimento delle superfici, è possibile favorire un crescente utilizzo delle leghe di Mg, Al o Ti per la realizzazione di strutture leggere, obiettivo fondamentale ad esempio per la riduzione dei consumi nalities. Surface engineering is currently a very active and thriving research field. This can be understood for example by looking at the yearly number of published papers that are indexed in the “Materials Science, Coatings & Films” category of the “Journal Citation Reports” (Clarivate) database. A quick look shows that the number of indexed papers published per year in that category grew rapidly from approximately 6500 in 2016 to slightly more than 10000 in 2019 (Ref 2).
Indeed, surface engineering is nowadays an indispensable part of many industrial processes and products. Often, a single material cannot provide simultaneously all the characteristics that are demanded of the surface and the
bulk of a component. For example, materials possessing adequate mechanical strength, strength/density or elastic modulus/density ratios to meet the requirements in terms of structural loads and weight might not possess sufficient resistance against wear, corrosion or oxidation under the intended service conditions, or it might lack other functionalities, such as biocompatibility, food-contact compatibility, thermal insulation, dielectric strength, etc. In consumer products, aesthetic quality (e.g. colour, gloss, etc.) is also a prime requirement. All these features can be conferred upon the component with suitable coatings or surface modification technique.
many ways: - The use of low-density alloys, such as Mg-, Al- or Ti-alloys, to produce lightweight structures is hampered, among other factors, also by their poor wear resistance.
nel settore dei trasporti, superando uno dei più importanti
limiti tecnologici di tali materiali, la loro scarsa resistenza ad usura.
- Rivestimenti antiusura e antiattrito permettono di
ridurre le dissipazioni energetiche e di minimizzare o eliminare l’utilizzo di oli lubrificanti. Si consideri ad esempio che, secondo un recente studio (Ref 3), “circa il 23% del
consumo globale di energia deriva da contatti tribologici”, e che “sfruttando le moderne tecnologie in termini di lubrificazione, materiali e trattamenti superficiali per la riduzio-
ne dell’attrito e la protezione contro usura nel settore dei
trasporti, degli impianti meccanici e dei sistemi industriali in genere, le perdite di energia dovute ad usura e attrito potrebbero essere ridotte del 40% su un periodo di 15 anni”.
- Inoltre, le tecnologie e i materiali utilizzati nell’ingegneria delle superfici possono essere modificati per minimizzarne la potenziale pericolosità per l’ambiente e la sa-
lute umana, ad esempio riducendo o sostituendo materie
prime con particolari problematiche di tossicità.
Non a caso, tutti i contributi pubblicati in questo numero
della Metallurgia Italiana, che rispecchiano i contenuti della sessione di “Rivestimenti e Trattamenti Superficiali” del
38° Convegno Nazionale AIM, toccano gli argomenti sopra elencati. Tre dei contributi riguardano il trattamento superficiale di leghe di alluminio o di titanio, per protezione contro usura e corrosione o, in un caso, per conferire funzionalità del tutto particolari come la fotoluminescenza, a testimonianza dell’amplissima gamma di possibilità offerte dalle tecniche di ingegneria delle superfici. Uno di questi contributi esamina fra l’altro anche la compatibilità tribologica fra le superfici trattate e oli lubrificanti di derivazione vegetale, a conferma del ruolo importante che l’ingegneria delle superfici può giocare nel ridurre l’impatSuitable surface treatments can overcome this limit and
enable wider use of these materials especially in the transportation field. - Wear-resistant and anti-friction treatments can
limit energy losses and reduce or suppress the need for lubricating oils. For example, according to a recent report by Holmberg and Erdemir (Ref 3), “~23% (119 EJ) of the world’s total energy consumption originates from tribological contacts” and “By taking advantage of the new surface, materials, and lubrication technologies for friction reduction and wear protection in vehicles, machinery and other equipment worldwide, energy losses due to friction and wear could potentially be reduced by 40% in the long term (15 years)”. - Further research also aims to minimise the in-
trinsic risks associated to surface engineering processes themselves, for example by replacing toxic or polluting raw materials.
This is consistently reflected by the papers published in this issue, which represent the contributions to the “Coatings and Surface Treatments” session of the 38th AIM National Congress.
Three papers deal with surface treatments of aluminium or titanium alloys, ranging from conventional anodizing to more innovative PEO processes, aiming to improve their wear and/or corrosion resistance or to provide peculiar functionalities, such as photoluminescence. This also testifies to the wide range of opportunities offered by surface engineering techniques. One of these contributions also investigates the tribological compatibility between treated surfaces and plant-derived oils. This is an example of the many ways in which surface engineering can contribute
to ambientale di prodotti e processi industriali. Un altro
contributo riguarda il trattamento termico di acciai TRIP, anche in questo caso finalizzato all’utilizzo di tali materiali più altoresistenziali per finalità di alleggerimento strutturale (rispetto all’utilizzo di acciai bassolegati “convenzionali”) e, al contempo, contenimento dei costi (rispetto all’uso
di acciai più altolegati). Il quinto contributo riguarda una tecnologia solo apparentemente già consolidata, la zincatura a caldo, mostrando come, anche in questo ambito, la
ricerca sia in realtà attiva, avendo come uno degli obiettivi principali proprio “l’eliminazione di alcuni elementi di lega dovuta alla loro pericolosità per la salute umana”. toward reducing the environmental impact of industrial products and processes. A fourth contribution deals with the heat treatment of TRIP
steels, again with a view to contribute to the production of lightweight, cost-effective structures due to the unique mechanical properties and cost-effectiveness of these materials.
The fifth paper deals with hot-dip galvanizing, proving how even a seemingly well-consolidated technology is still worthy of further research. Again, the aim of this work is to reduce the environmental impact of the technology by studying lead-free galvanizing bath compositions.
Name=MATERIALS SCIENCE%2C COATINGS %26 FIL-
1. C.M. Cotell and J.A. Sprague, Preface, ASM Handbook Volume 5: Surface Engineering, C.M. Cotell, J.A. Sprague, and F.A. Smidt Jr., Eds., (Materials Park, OH, USA), ASM International, 1994.
2. “Materials Science, Coatings & Films,” InCites Journal Citation Reports, n.d., https://jcr.clarivate.com/ JCRCategoryProfileAction.action?year=2019&category-
Name=MATERIALS SCIENCE%2C COATINGS %26 FIL-
MS&edition=SCIE&category=QG. Accessed 9 June 2021. 3. K. Holmberg and A. Erdemir, Influence of Tribology on Global Energy Consumption, Costs and Emissions, Friction, 2017, 5(3), p 263–284.
