Laser surface texturing of steel 100Cr6 for cold forming rolls

In this thesis work a laser surface texturing [LST] technique was used on the surface of low alloy steel 100Cr6 that is especially used for cold forming rolls. LST technique produces millions of micro structures on the surface of materials in the form of an array. Creating such microstructures on the surface of materials has several advantages in different applications such that: meliorate wear resistance, meliorate tribological properties, increase lubrication lifetime, reduce metal to metal contact, increase performance and speed of machines, increase component life and reliability, reduce maintenance costs, etc. It can also decrease the coefficients of friction up to 75% and reduce the waste of energy due to it. These micro structures have several forms and geometries, the three fundamental forms are: micro dimples, bumps and chaotic structures. Each micro structure can serve either as a micro hydrodynamic bearing; micro lubricant reservoir and micro trap for wear debris. An IPG Photonics YLP 1/100/50/50 fiber laser source emitting at 1064 nm was used to perform the LST process. The LST was performed in the form of micro dimples on a rectified work piece of thickness between 11 and 13 mm and diameter around 25 mm and the work was done using two separate strategies: ‘’On the fly’’ & ‘’Point by point’’. In the first strategy pulse energy was considered as function of the main process parameters, i.e. pulse repetition rate (PRR) and pumping current (PI %) with a fixed scanning velocity whereas in the second strategy the parameters that were considered are: modulation time (pulse width), waiting time and mark times with maximum PRR&PI%. In addition, both strategies were performed with variable depth of field. Finally, the aim is to obtain an array of micro dimples with a single dimple profile of 35 μm diameter and 15 μm depths.

In questo lavoro di tesi la tecnica di testurizzazione con laser [LST] è stata utilizzata su una superficie di acciaio debolmente legato 100Cr6, utilizzato soprattutto per profilatura a freddo. La tecnica LST produce milioni di micro strutture sulla superficie dei materiali. Queste micro strutture forniscono diversi vantaggi sulla superficie dei materiali in diverse applicazioni soprattutto in quelle tribologiche e possono migliorare le seguenti proprietà: resistenza all’usura, performance tribologiche, vita utile del lubrificante, contatto tra metalli striscianti, prestazioni e velocità delle macchine, vita utile delle parti meccaniche e loro affidabilità, costi della manutenzione, ecc. Fondamentale inoltre è la riduzione dei coefficienti di attrito fino al 75% e lo spreco di energia dovuto a esso. Ci sono diverse forme e geometrie di queste micro strutture, le tre fondamentali sono: micro fori, micro protuberanze e strutture caotiche. Ogni micro struttura può servire come: cuscinetto micro idrodinamico, micro serbatoio di lubrificante e micro trappola di detriti. Un IPG Photonics YLP 1/100/50/50 laser in fibra emittente a 1064 nm è stato utilizzato per eseguire il processo di LST. La LST, in questo lavoro, è stata utilizzata per creare micro fori su un campione di spessore di 11-13 mm e diametro di circa 25 mm. Gli esperimenti sono stati eseguiti applicando due differenti strategie: “On the fly’’ e “Point by point’’. Nella prima strategia l’energia dell’impulso è stata considerata funzione dei principali parametri di processo i.e. frequenza di ripetizione pulsata (PRR) e corrente di pompaggio (PI%) con una velocità di scansione fissa, mentre nella seconda strategia i parametri che sono stati considerati sono: tempo di modulazione (pulse width), tempo d’attesa e numero di passate con PRR&PI% fissati al massimo. Inoltre, entrambe le strategie sono state eseguite con profondità di campo variabile. L’obiettivo è di ottenere una serie di micro fori aventi un profilo con le seguenti dimensioni: 35μm di diametro,15μm di profondità.