Desenvolvimento de recobrimentos autolubrificantes à base de carbono com teores variáveis de W e H para aplicação na indústria metalmecânica

Abstract

Recobrimentos WC1-x/a-C:H, depositados via co-pulverização catódica de alvos de C com e sem pastilhas de W, em ambiente reativo, foram ensaiados com a técnica de deslizamento no plano tipo pino-sobre-disco (PSD) para avaliação do seu comportamento tribológico. Esses filmes foram desenvolvidos a partir da análise de recobrimentos à base de C (a-C, a-C:H e WC1-x/a-C) e otimizados em função dos teores de W e H (~10% at. e ~25% at., respectivamente). Os ensaios de PSD foram realizados sob condições previamente determinadas, buscando-se, com isso, permitir a avaliação da performance do filme hidrogenado em 3 condições: 30%, 50% e 80% de umidade relativa do ar (UR). Para tanto, foram otimizadas soluções salinas saturadas específicas para se obter os referidos valores UR e adaptações foram realizadas num equipamento convencional de ensaio PSD. Ensaios preliminares com os filmes WC1-x/a-C e a-C foram realizados para possibilitar a otimização dos parâmetros de ensaio para essa nova configuração de equipamento. Com esses ensaios de PSD em atmosfera controlada, foram estudadas tanto a influência do H e do W no comportamento friccional do filme quanto a influência da UR na resposta do recobrimento ao esforço de deslizamento. Quanto à influência do W e do H nos filmes, apesar de apresentarem valores de dureza com aproximadamente a mesma ordem de grandeza (H = 12 – 14 GPa), os filmes a-C, WC1-x/a-C e WC1-x/a-C:H apresentaram diferentes respostas friccionais quando testados em ambiente com 50% UR (0,22, 0,05 e 0,01, respectivamente). No geral, houve uma significativa diminuição do coeficiente de atrito com a hidrogenização do WC1-x/a-C ([0,01 – 0,05] contra [0,05 – 0,20] para os filmes não hidrogenados). Ensaios de espectroscopia Raman nas pistas de desgaste mostraram (para ambos os filmes) uma leve diminuição na razão ID/IG, sinalizando uma possível grafitização dos filmes nessa região de contato com o contracorpo. Foi observado também que, para os filmes com W incorporado, com o aumento da UR, houve um aumento também do coeficiente de atrito dos filmes, supostamente causado por um processo de oxidação do material de transferência (partículas do filme e do contracorpo). Análises de espectroscopia Raman do material de transferência aderido ao contracorpo (uma esfera aço) indicaram a presença de óxido de ferro nesse material.

WC1-x/a-C:H coatings were deposited by co-sputtering carbon targets without and with incrusted W-pellets. The coatings were tested in sliding mode in a pin-on-disk (POD) apparatus for the evaluation of their tribological properties. These films were developed based on preliminary studies on C-based coatings (a-C, a-C:H e WC1-x/a-C) being the optimization based on the analysis of the influence of W and H contents on the films properties. Optimum values were found to be ~10 at.% and ~25 at.%, respectively). POD tests of hydrogenated films were carried out in three relative humidity (RH) contents, 30%, 50% e 80% RH. To reach this goal, POD apparatus was modified to allow working in controlled atmospheres created by specific and optimized saturated saline solutions, to achieve the desired RH values. The optimization of the test conditions in the modified POD equipment was performed through preliminary tests with WC1-x/a-C e a-C coatings. The influence of both H and W contents on the friction coefficient of the film was studied. Similarly, the influence of RH values on the sliding behaviour was analysed. Although a-C, WC1-x/a-C e WC1-x/a-C:H coatings had approximately the same hardness (H = 12 – 14 GPa), they showed different frictional behaviour when tested in 50% RH environment (0.22, 0.05 e 0.01, respectively). Generally, a significant reduction of the friction coefficient was achieved in hydrogenated WC1-x/a-C film ([0,01 – 0,05] against [0,05 – 0,20] for non-hydrogenated films). Raman analyses of the worn tracks showed (in both cases) a small reduction of ID/IG ratio, suggesting film graphitization in the contact zone against the counterbody. For the coatings with incorporated W, there was an increase of the friction coefficient with increasing RH values, as a result of the oxidation of the transfer material either from the film or the counterbody. Raman analysis of the transfer material adherent to the counterbody (steel ball) showed the presence of iron oxide.