Nanostructured Multilayer Ceramic Coatings for Wood-Cutting Tools

The research activity of this Ph.D. thesis is grounded is founded by the European Interreg ITA-SLO NANOREGION project. The mission of NANOREGION was to provide a scientific support to local enterprises in the region comprehending North-eastern Italy and Slovenia. In such regions the impact of the wood-industry on local economics is relevant. It is well known that the impact of tools replacement has a strong impact on the economics of the wood-working process to maintain the manufacturing standards required to obtain high quality products. Cutting tools are usually coated with hard, refractory thin film coatings to increase their service life and hence increase the manufacture productivity. Nonetheless, owing to the nature of the wood as a workpiece and to the strict technical required specific of wood-machining, the cost-to-benefits ratio of tools coating has so far proved not enough to allow the same market penetration of coated tools that is instead recorded in the metal-working industry. An exception to some extent is represented by Chromium-based coatings such as CrN, which provide the highest protection against corrosive wear, which in turn is recognized as of the main causes of wear in wood-machining, as it favors the subsequent abrasive wear of the brittle oxidation products mediated by hard mineral inclusions within the wood-based materials. Nonetheless, CrN alone is known to provide poor resistance to abrasive wear, due to its relatively low hardness. A large amount of research has demonstrated that the design of multilayer coatings offers several advantages over single-layer coatings, especially if the thickness of the constituent layers is reduced to the nanometric regime. Nonetheless, the research investigating the development of multilayer coatings specifically targeting the strict requirements of the wood industry is very limited. Hence, the purpose of this research process was to investigate preliminary protective properties of multilayer PVD coating systems based on oxidation-protective CrN coupled with hardening nitrides as potential candidate coatings for wood-cutting tools. WN and MoN were chosen due to reported literature on successful coupling of such coatings with other nitrides such as TiN or ZrN and CrN, and because of the limited number of scientific and systematic comparative investigations on these systems. The fundamental aim of the addition of these additional materials is providing CrN with improved mechanical hardness while retaining or improving high corrosion resistance.

Lo sviluppo di questo dottorato di ricerca è stato supportato e finanziato dal progetto europeo Interreg ITA-SLO NANOREGION. La missione del progetto NANOREGION consiste nel costituire un consorzio tra università ed enti di ricerca locali atti a fornire una piattaforma scientifica di supporto alle imprese del territorio comprensivo delle regioni dell'Italia nord-orientale e la Slovenia. In tali regioni, l'impatto economico-sociale dell'industria del legno è rilevante. È noto che nella manifattura di materiali legnosi la necessità di una frequente sostituzione degli utensili da lavorazione, necessaria a garantire gli standard di qualità del prodotto finito, ha un forte impatto sull'economia del processo di lavorazione. Gli utensili da taglio sono generalmente protetti con rivestimenti a film sottile costituiti da materiali duri e refrattari per aumentarne la durabilità, riducendo la frequenza di sostituzione e quindi aumentando la produttività delle aziende. Tuttavia, a causa della natura del legno come materiale da lavorazione e dei rigorosi requisiti tecnici specifici della lavorazione del legno, il rapporto costi/benefici del processo di rivestimento degli utensili si è finora dimostrato non sufficiente a giustificare i costi addizionali legati al processo di rivestimento. Questo risulta in una minore penetrazione nel mercato degli utensili rivestiti rispetto a quanto accade invece nell'industria metalmeccanica. Un'eccezione, seppure in misura limitata, è rappresentata dai rivestimenti a base di cromo, come il nitruro di cromo (CrN), che forniscono la massima protezione contro l'usura dovuta a processi di corrosione. Questi, infatti, sono riconosciuti come una delle principali cause di usura nella lavorazione del legno, favorendo la successiva usura abrasiva dei fragili prodotti d’ossidazione operata da inclusioni di minerali duri presenti all'interno di materiali a base legnosa, soprattutto prodotti secondari già sottoposti a lavorazioni precedenti. Tuttavia, a causa della relativamente bassa durezza, il CrN fornisce di per sé una scarsa resistenza all'usura abrasiva. Una possibile soluzione consiste nel sostituire rivestimenti monostrato di CrN con rivestimenti multistrato. Ricerche e applicazioni pratiche approfondite hanno dimostrato che la progettazione di rivestimenti multistrato offre numerosi vantaggi rispetto ai rivestimenti a strato singolo, soprattutto se lo spessore degli strati costitutivi è ridotto al regime nanometrico. Tuttavia, la ricerca per lo sviluppo di rivestimenti multistrato mirati a rispondere ai severi requisiti dell'industria del legno è molto limitata. Pertanto, lo scopo di questo progetto di ricerca era di effettuare preliminari studi sulle proprietà protettive dei sistemi di rivestimento PVD multistrato a base di CrN accoppiato con nitruri di indurimento. L’abbinamento di proprietà anticorrosive e migliori caratteristiche meccaniche potrebbero rendere tali sistemi di rivestimento dei potenziali candidati per il rivestimento di utensili da taglio del legno. I nitruri di tungsteno e molibdeno (WN e MoN, rispettivamente) sono stati scelti in quanto già applicati per la realizzazione di sistemi multistrato con altri nitruri, e anche per fornire uno studio comparato su due sistemi che raramente vengono studiati in parallelo nelle stesse condizioni sperimentali. L'obiettivo fondamentale dell'aggiunta di questi materiali aggiuntivi è fornire al CrN una migliore durezza meccanica mantenendo o migliorando l'elevata resistenza alla corrosione, e la letteratura pregressa suggerisce ottime potenzialità di questi materiali come nitruri indurenti.