Laser surface texturing for friction and wear reduction of WC/C coated steel substrates in machine tool and forming applications

This thesis work presents and discusses the tribological characteristics of WC/C PVD coatings deposited on textured and untextured steel substrates in both dry and lubricated conditions. The micro-pattern of dimples was produced by laser surface texturing (LST) on two different steel substrates, a HS6 tool steel and an annealed 39NiCrMo3 steel. A WC/C coating was then deposited on both textured and untextured surfaces by physical vapour deposition. The tribological properties of the obtained surfaces were investigated by scratch test performed in progressive load mode with a diamond indenter and by ball-on-disk wear tests carried out against 100Cr6 steel ball in both dry and water-lubricated conditions. The test results show that the textured HS6-WC/C coating provided a lower friction coefficient and wear rate compared to the untextured one, together with a good adhesion of the coating. Textured 39NiCrMo3-WC/C coating, instead, shows a decrease of friction coefficient, but also a sharp increase of wear rate compared to the untextured one. Furthermore, both untextured and textured 39NiCrMo3-WC/C coated samples displayed a much lower load carrying capacity with respect to their HS6 counterparts, confirming the great influence of substrate material on this specific property of the coating. In addition, the presence of melt rims around dimples confirmed to be crucial for tribological properties of these kind of surfaces.

Questo progetto di tesi presenta e argomenta le caratteristiche tribologiche di rivestimenti WC/C depositati tramite processi PVD su substrati in acciaio testurizzati e non sia in condizioni a secco che lubrificate. I microfori sono stati prodotti tramite testurizzazione superficiale laser (LST) su due diversi substrati in acciaio, un acciaio per utensili HS6 e un acciaio da bonifica 39NiCrMo3 allo stato ricotto. Un rivestimento di WC/C è stato quindi depositato attraverso deposizione fisica da vapore. Le proprietà tribologiche delle superfici così ottenute sono state analizzate tramite scratch test, eseguiti nella modalità a carico progressivo con un indentatore in diamante e prove di usura ball-on-disk svolte sia in condizioni a secco che lubrificate utilizzando una sfera in acciaio 100Cr6 come materiale antagonista. I risultati delle prove mostrano che il substrato in HS6 testurizzato e rivestito con WC/C presenta un coefficiente di attrito e un tasso di usura inferiore rispetto al substrato non testurizzato. Il rivestimento presenta inoltre una buona adesione sul substrato in HS6. Il substrato in 39NicRMo3 testurizzato, invece, mostra una diminuzione del coefficiente di attrito che è tuttavia accompagnata da un un aumento non trascurabile del tasso di usura della sfera antagonista. Il rivestimento WC/C depositato mostra un'inferiore capacità di sostenere il carico rispetto allo stesso rivestimento depositato sull'acciaio HS6, dimostrando la forte influenza del substrato su questa particolare proprietà del rivestimento. Inoltre, la presenza di bave intorno ai microfori ha dimostrato di essere un fattore cruciale per le proprietà tribologiche di queste superfici.