Tribological study of TMD coatings for rubber applications

Abstract

Os revestimentos de Dicalcogenetos de Metais de Transição (DMT) pertencem à classe de materiais com propriedades auto-lubrificantes. Em condições favoráveis podem apresentar coeficientes de atrito extremamente baixos. O uso destes materiais na indústria de moldagem de componentes plásticos pode tornar-se relevante, onde uma das maiores dificuldades é a desmoldagem das peças do molde, o que leva a um aumento das perdas e diminuição da produção. Para o estudo foram depositados três revestimentos do sistema W-S-C para estudar o seu comportamento tribológico em deslizamento conta borracha acrilo-nitrilo butadieno (NBR) como contra corpo. Os revestimentos foram depositados com teores crescentes em carbono 0, 49 e 64 % atómico de carbono. Os revestimentos foram caracterizados em ensaios de pino disco a diferentes temperaturas, temperatura ambiente, 100 e 200 ºC. O coeficiente de atrito para o revestimento de WSx sem carbono apresentou um comportamento idêntico para todas as temperaturas testadas. No entanto, para ambos os revestimentos dopados com carbono à temperatura ambiente e a 100ºC apresentaram coeficientes de atrito bastante elevados. Com o aumento da temperatura para 200ºC observou-se uma redução acentuada do coeficiente de atrito. Uma vez que os revestimentos apresentaram valores de atrito elevados, os revestimentos foram também testados com um maior número de ciclos e uma carga normal superior. Novamente o revestimento W-S sem carbono foi o que apresentou o melhor desempenho. A composição química, estrutura e morfologia foram analisadas e posteriormente correlacionadas com as propriedades mecânicas. A dopagem dos revestimentos com carbono origina um aumento substancial da dureza para valores de 7-7,5 GPa, sendo o valor máximo obtido para o teor de carbono de 64 % at. Os padrões de difracção de raios X mostram que com o aumento do teor em carbono dos revestimentos há uma perda de cristalinidade, com os revestimentos dopados com carbono a apresentarem espectros típicos de estruturas amorfas. As pistas e partículas de desgaste foram analisadas por Microscopia Electrónica de Varrimento para observar possíveis transformações estruturais ocorridas pelo aumento da carga aplicada. Os resultados do coeficiente de atrito foram comparados com os modelos existentes para os DMT puros, tendo-se concluído que os mecanismos de deslizamento para os revestimentos do sistema W-S-C, nas condições testadas, é distinto do comportamento para os revestimentos de DMT puros quando utilizado contra NBR.

Transition metal dichalcogenides (TMDs) are a promising solid, self-lubricating family of thin films. They possess the property of “superlubricity” in favorable conditions. Their use may become relevant in the polymer molding industry, where a lot of material is wasted due to problems of mold release and fouling. Three different W-S based coatings were deposited in order to check their tribological behaviour against acrylonitrile butadiene rubber (NBR) as the counter body. Two of these coatings were alloyed with 49 at.% and 64 at.% of carbon. The deposited samples were then tested with a pin-on-disk test rig at room temperature (RT), 100 ⁰C and 200 ⁰C. The friction coefficient for the pure W-S coating showed a similar behaviour across all temperatures. However, for both the C-alloyed coatings, the friction coefficient obtained was very high for both RT and 100 ⁰C. A marked improvement in friction was only observed at 200 ⁰C for both these coatings. Durability tests for these coatings were also conducted on the pin-on-disk with a longer number of cycles and a higher load. Again, the pure W-S performed better than the C-alloyed coatings. The chemical composition, structure and morphology of the coatings were analyzed and correlated with the mechanical properties. Alloying W-S films with carbon led to a substantial increase in the hardness of the coatings to around 7-7,5 GPa; the maximum hardness was obtained for the coatings with carbon contents close to 64 at.%. XRD diffraction patterns showed that there was a loss of crystallinity with the increase of the carbon content in the film. The wear tracks and wear debris were also analyzed by SEM to understand the structural transformations induced by the increasing load. The friction results were compared with existing models for pure transition metal dichalcogenides (TMD), and it could be concluded that the friction mechanisms of W-S-C coatings fundamentally differ from those of pure TMD when used against NBR.