TRIBOLOGICAL STUDIES OF CARBON-ALLOYED TRANSITION METAL DICHALCOGENIDE COATINGS SLIDING AGAINST ALUMINUM AT ELEVATED TEMPERATURES

Abstract

A procura por design conducentes a estruturas mais leves em aplicações automóveis não é recente e tem tido grandes avanços. Atualmente, as principais razões para o continuado grande interesse neste tópico estão relacionadas com as mais recentes normas de emissões que têm sido cada vez mais rigorosas. Tal facto repercute-se na crescente popularidade dos veículos elétricos ou híbridos. Nestes tipos de veículos, é fundamental que o maior peso introduzido pelo uso de baterias seja compensado com a utilização de peças e estruturas mais leves, mas que ao mesmo tempo garantam que a segurança dos passageiros seja mantida ou mesmo melhorada. Para tal, a próxima geração de estruturas de veículos ligeiros deverá utilizar materiais com uma elevada relação resistência/peso, como são exemplo as ligas de alumínio de alta resistência.Os principais métodos para reduzir o desgaste e o atrito, na interface alumínio-aço a altas temperaturas, das ferramentas incluem a utilização de lubrificação e a engenharia de superfícies. Para conformar alumínio, têm sido aplicados lubrificantes sólidos, tais como o nitreto de boro hexagonal (h-BN) ou a grafite. Nas aplicações a altas temperaturas estão também a ser cada vez mais considerados lubrificantes à base de polímeros. O uso de revestimentos protetores e a regulação da topografia de superfície de ferramentas são possíveis abordagens baseadas em engenharia de superfícies. A rugosidade da superfície foi considerada um fator chave na iniciação da transferência de alumínio para a contra superfície. Os revestimentos finos de PVD e CVD estão cada vez mais a ser investigados como potencial solução para a gripagem (galling). Os revestimentos CrN e DLC, entre outros, são conhecidos por diminuírem a adesão quando deslizam sobre alumínio. O objetivo deste estudo é compreender melhor como o alumínio se comporta tribologicamente quando desliza contra aço-ferramenta a temperaturas elevadas. A presente investigação visa desenvolver três revestimentos diferentes de W-S-C, com teores variados de carbono, e compreender a sua influência na morfologia, estrutura e propriedades mecânicas dos revestimentos. Os revestimentos foram depositados por pulverização catódica. A percentagem de carbono dos revestimentos foi variada de 6% até 35% at.. Para compreender as características tribológicas dos revestimentos, foram realizados testes em configuração pino-disco. Foram realizadas experiências à temperature ambiente, 200°C, e 400°C.Foi verificado que o revestimento da superfície da ferramenta pode reduzir significativamente a gripagem do alumínio e o desgaste na superfície da ferramenta. No entanto, o aumento da percentagem de carbono tem também um efeito adverso. Verificou-se que uma percentagem de carbono de cerca de trinta é a que apresenta o melhor desempenho. Estes revestimentos mostraram uma excelente resistência à gripagem a temperaturas elevadas.

The pursuit of lightweight design for automotive applications has lasted for many years and is still going strong. New and stricter emission standards, as well as the rising popularity of electric or hybrid vehicles—where the heavier weight of the batteries must be offset by lighter structures—are the key driving reasons. Maintaining or enhancing passenger safety while designing parts and structures with less weight is also crucial. The next generation of lightweight vehicle structures will be realized using materials with a high strength-to-weight ratio, such as high-strength aluminium alloys. Potential methods to reduce wear and friction at the hot aluminium-tool steel interface include lubrication and surface engineering techniques. For the forming of aluminium, solid lubricants like hexagonal boron nitride (hBN) and graphite have been investigated. High-temperature applications are also increasingly being considered for polymer-based lubricants. The employment of protective coatings and the regulation of the tool surface topography are both surface engineering approaches. It has been discovered that surface roughness is a key factor at the beginning of aluminium transfer to the counter-surface. Thin PVD and CVD coatings are being researched increasingly as a potential galling remedy. CrN and DLC coatings, among others, are known to lessen adhesion when sliding on aluminium. The purpose of this study is to better understand how aluminium behaves tribologically when it slides against tool steel at elevated temperatures. This current study aims to develop three different coatings of W-S-C varying the carbon content and understanding its influence of it on morphology, structure, and mechanical properties. Deposition of the coatings was done by magnetron sputtering. The carbon percentage of the coatings varied from around 6% to 35%. To understand the tribological characteristics of the coating reciprocating ball-on disk experiments were carried out. Experiments were conducted at RT, 200°C, and 400°C.It was found that coating on the tool surface can significantly reduce the galling of aluminium and the wear on the tool surface. However, increasing the percentage of carbon also has an adverse effect. It was found that carbon % of around thirty serves the purpose best. Coatings with carbon of around 30% showed excellent galling resistance at elevated temperatures.