Development of a coating solution for titanium fasteners and evaluation of its frictional behaviour

The Master’s thesis addresses the challenge of improving the tribological performance of Ti-6Al-4V (Grade 5) screws used in automotive bolted joints. Titanium fasteners are valued for their light weight, corrosion resistance and strength, but they tend to gall and exhibit high and not reliable frictional behaviour during thightening procedure. This work asks how surface coatings can stabilize and improve the frictional behaviour and reduce wear of such screws. Conducted in partnership with the Agrati Group S.p.A. (Agrati Performance division, a leader in racing and high-performance fasteners), the study aims to assess a coating solution that provide low and constant friction coefficient during repeated tightening of M8×1,25 screws. To achieve this, a systematic experimental methodology was adopted. After initial characterization (geometry, hardness, mechanical strength), the screws with six surface configurations were tested: uncoated (baseline), diamond-like carbon (DLC), DLC plus a thin solid lubricant (microGLEIT), a DöRKEN aluminium-chip topcoat, Agratilube (a water-based topcoat developed by Agrati), and an ATOTECH silicone-based sealer. Since no dedicated regulations exist for titanium fasteners, friction tests were conducted by referring to the ISO 16047. This standard, although intended for carbon and low-alloy steel fasteners, was adapted and used as a guideline for the present study. The campaign had two phases. Phase 1 used standard steel nuts and hardened washers to rank all coatings by average friction coefficient. In Phase 2, the two best coatings from Phase 1 (Agratilube and DöRKEN) were tested under realistic conditions. The main findings highlight coating-dependent behavior. The Agratilube coating emerged as the best-performing solution overall. In standard condition, it yielded the lowest and most stable friction coefficients and excellent repeatability over repeated tightening cycles, with minimal wear. DöRKEN also gave low friction under standard tests, but its performance was less consistent in aggressive tests. In contrast, the other treatments (DLC, DLC+microGLEIT and the ATOTECH) showed much higher friction with pronounced stick-slip phenomena. In short, coating thickness, composition and application method critically influenced the results. This thesis demonstrates that tailored surface engineering can significantly improve the tribological behaviour of titanium fasteners. The findings lay a solid foundation for reliable, lightweight bolted joints in vehicles. Further work (e.g. scaling up to full wheel assemblies, refinement of the deposition process, improvement of the counterparts and larger sample sets) are proposed to fully qualify the identified coating solutions and enable their transition towards industrial development.

La tesi di laurea affronta la sfida di migliorare le prestazioni tribologiche delle viti in titanio Ti-6Al-4V (Grado 5) utilizzate nei giunti bullonati per applicazioni automobilistiche. I fissaggi in titanio sono apprezzati per la leggerezza, resistenza alla corrosione e resistenza meccanica, ma tendono a grippare e a mostrare un attrito elevato. Il lavoro indaga su come i rivestimenti superficiali possano stabilizzare e migliorare il comportamento all’attrito e ridurre l’usura di tali viti. Svolto in collaborazione con Agrati Group S.p.A. (divisione Agrati Performance, leader nei fissaggi per il settore racing e high-performace), lo studio mira a valutare una soluzione di rivestimento in grado di garantire un coefficiente d’attrito basso e costante durante ripetuti serraggi di viti M8×1.25. Per raggiungere questo obiettivo è stata adottata una metodologia sperimentale sistematica. Dopo una caratterizzazione iniziale (geometria, durezza, resistenza meccanicaa trazione), le viti sono state testate con sei configurazioni superficiali: non rivestito (baseline), diamond-like carbon (DLC), DLC con un lubrificante solido (microGLEIT), un topcoat con scaglie di alluminio (DöRKEN), Agratilube (rivestimento a base acquosa sviluppato da Agrati) e un sigillante siliconico di ATOTECH. Poiché non esistono normative dedicate ai fissaggi in titanio, i test di attrito sono stati condotti facendo riferimento alla norma ISO 16047. I test sono articolati in due fasi. La Fase 1 prevede l’utilizzo di dadi e rondelle in acciaio standard per classificare i rivestimenti. Nella Fase 2 i due rivestimenti migliori (Agratilube e DöRKEN) sono stati testati in condizioni più simili ad un’applicazione reale. I principali risultati hanno evidenziato un comportamento fortemente dipendente dal rivestimento. Agratilube è emerso come la soluzione con le prestazioni migliori: ha garantito in condizioni standard i coefficienti d’attrito più bassi e stabili nei cicli di serraggio multipli e un’usura minima. Anche DöRKEN ha mostrato bassi valori di attrito nei test standard, ma con prestazioni meno costanti in condizioni più severe. Al contrario, gli altri trattamenti (DLC, DLC+microGLEIT e ATOTECH) hanno mostrato valori di attrito molto più elevati con pronunciati fenomeni di stick-slip. In sintesi, spessore, composizione e metodo di applicazione del rivestimento hanno influenzato in modo critico i risultati. La tesi dimostra come un trattamento superficiale mirato possa migliorare in maniera significativa il comportamento tribologico delle viti in titanio. I risultati pongono solide basi per lo sviluppo di giunzioni bullonate leggere e affidabili nei veicoli. Ulteriori sviluppi (prove su parti reali, perfezionamento del processo di deposizione, miglioramento delle controparti e l’analisi su più campioni) sono proposti per qualificare pienamente i rivestimenti migliori e favorirne la transizione verso lo sviluppo industriale.