Sliding on various kinds of snow of differently treated stainless steel ski bases

State of the art ski bases for wide ranges of application, including alpine skiing, freeride, cross-country, ski alpinism, are made of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). The same holds of snowboards. UHMWPE is a soft material with excellent sliding behaviour on snow. However, since the use of artificial snow became widespread, UHMWPE found several problems because artificial snow is highly compact and hard, often resembling ice. Thus, UHMWPE suffers extensive abrasion and wear. In turns, ski edges, that are made of a low carbon steel (C60), when sliding on slopes prepared with artificial (even barred) snow, rapidly deteriorate, mostly due to a severe wear. Moreover, at high sliding speed edges warm up and cause a local temperature increase above the polymerization temperature of UHMWPE regions neighbouring to them. As a consequence, carbon-based additives, whose role is to enhance the thermal and electrical conductivities of UHMWPE, are released from surface and sub-surface regions. The consequent “base burning” results in a permanent, irreparable damage of the ski, particularly severe in competition skis. By replacing UHMWPE with a metal, specifically stainless steel AISI 301, degradation can be overcome \cite{Claudi2017}. We performed sliding tests both on laboratory samples (50x50x0.5mm), using a snow tribometer, and on field. The performance of skis (Giant Slalom) with metallic base was compared to that of skis with UHMWPE base, waxed state of the art as reference. To lower the snow-steel friction coefficient, we tested physical and chemical treatments of the metallic base. Specifically, the former were a direct-contact base grinding and a non-contact femtosecond laser irradiation. Concerning chemical treatments, we exploited some commercial waxes for UHMWPE and two hydrophobic treatments. Tribometer and field tests show comparable results, allowing to characterize the behaviour of the differently treated metallic bases in relation to speed and ski track features. The grinding process is not optimized for a metal base and does not provide performance improvement, while femtosecond laser treated samples display very promising behaviour at the increase of the speed and with warm (wet) snow. Both hydrophobic treatments and waxes reduce friction against snow, making the metallic ski base competitive with present race solutions for skis made of UHMWPE. Both treatments keep their effectiveness for a satisfactory skied distance, in the range of a few kilometres.

Le solette per sci all'avanguardia per un'ampia gamma di utilizzo, tra cui sci alpino, freeride, sci di fondo e sci alpinismo, sono realizzate in polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE), un materiale morbido che presenta eccellenti proprietà di scivolamento su neve. Tuttavia, a causa dell'ampio utilizzo della neve artificiale, molto compatta, dura e spesso simile al ghiaccio, le solette in UHMWPE incontrano diversi problemi. Tale materiale, infatti, patisce elevata abrasione e usura durante l'utilizzo su questo tipo di neve. Inoltre, le lamine dello sci, realizzate in acciaio a basso tenore di carbonio (C60), quando scorrono su pendii preparati con neve artificiale, si usurano rapidamente. Elevate velocità di scorrimento causano un riscaldamento delle lamine ed il conseguente aumento della temperatura della soletta nelle zone ad esse limitrofe. Questo processo determina il rilascio di additivi a base di carbonio, il cui scopo è migliorare la conduttività termica ed elettrica di UHMWPE, determinando un danno permanente ed irreparabile dello sci, particolarmente grave negli sci da competizione. Sostituendo UHMWPE con un metallo, nello specifico l'acciaio inossidabile AISI 301, queste forme di degrado vengono eliminate. Abbiamo effettuato prove di scorrimento sia su campioni di laboratorio (50x50x0.5mm), utilizzando un tribometro da neve, sia sul campo con prototipi di sci da slalom gigante. Le prestazioni di questi sci con soletta metallica sono state confrontate con quelle di sci da slalom gigante con soletta in UHMWPE, preparati con scioline allo stato dell'arte. Per ridurre il coefficiente di attrito dell'acciaio sulla neve, abbiamo testato sulla soletta metallica diversi trattamenti superficiali fisici e chimici. Nel primo caso, un'improntatura a contatto diretto, effettuata con una mola, e un trattamento con laser a femtosecondi. Per quanto riguarda i trattamenti chimici, abbiamo testato alcune scioline commerciali per solette in UHMWPE e due trattamenti idrofobici, specificamente creati per utilizzo su metalli. I test in laboratorio e quelli effettuati su campo mostrano risultati confrontabili, che consentono di caratterizzare il comportamento di solette metalliche, diversamente trattate, in funzione della velocità e delle proprietà del pendio. Il processo di improntatura non è ottimizzato per una base metallica e non offre alcun miglioramento delle prestazioni, mentre i campioni trattati con laser a femtosecondi mostrano un comportamento molto promettente all'aumento della velocità e con neve bagnata. Sia i trattamenti idrofobici, sia le scioline riducono l'attrito sulla neve, rendendo la soletta in AISI 301 competitiva con le attuali soluzioni per sci da competizione realizzate in UHMWPE. Entrambi i trattamenti mantengono la loro efficacia per percorsi di lunghezza soddisfacente, nell'ordine di qualche chilometro.