Influence of voltage oscillation pulse-off time in a doms on the properties of hard hydrogen-free DLC coatings for the automotive industry.

Abstract

Recent developments such as turbocharging and downsizing in the automotive industry to enhance engine efficiency and reduce emissions are giving rise to the higher operation temperatures and loading densities in the internal combustion engines. Increased temperature stability (up to 500 °C) will be required for coatings of future’s engines compared to ones of present day. Hard tetrahedral DLC coatings (ta-C coatings) are very attractive to be used for automotive industry as they exhibit very low coefficient of friction and perform very well under mixed and boundary lubrication.This research project was carried out in the framework of the European TANDEM project which aims at developing a new generation of ta-C coatings. It is a follow up of the work previously carried out at CEMMPRE where substrate bias was optimized (-80 V) at 124 µs of oscillation pulse-off time. In this work, DLC coatings were deposited by deep oscillations magnetron sputtering (DOMS), a variant of high power magnetron sputtering (HiPIMS). The main objective is to study influence of oscillation pulse-off time (toff) in two series of depositions (at 0.4 Pa and 0.8 Pa) on the structural, mechanical, and tribological properties of the DLC films deposited by DOMS with substrate biasing. SEM, AFM, XPS analysis (only for 2 films), hardness, stress, and pin-on-disc measurements were carried out for studying DLC films. Regarding the DLC films deposited at 0.4 Pa, the hardness of the films shows significant changes with toff, most likely due to corresponding changes in the sp3/sp2 fraction of the films. However, the specific wear rate of the films remains very similar excepting for the film deposited at the highest toff (124 µs) which has a slightly denser microstructure. Overall, it can be concluded that decreasing toff does result in improved tribological properties, but better mechanical properties (i.e hardness) can be obtained. At a deposition pressure of 0.8 Pa, decreasing toff from 124 to 84 or even 64 µs results in both a lower friction coefficient and significantly lower wear rates without any appreciable loss of hardness. In fact, the specific wear rate of the film deposited at toff = 84 µs is not only the lowest specific wear rate measures in this work but it is also significantly lower than the specific wear rates measures in previous works about the deposition of DLC films by DOMS.

Em desenvolvimentos recentes, como turbocompressão e diminuição da cilindrada na indústria automotiva, o aumento da eficiência do motor e a redução das emissões estão gerando temperaturas mais altas de operação e elevadas densidades de carga nos motores de combustão interna. A estabilidade de temperatura aumentada (até 500 ° C) será necessária para revestimentos de motores futuros em comparação aos atuais. Os revestimentos DLC tetraédricos duros (revestimentos ta-C) são muito atraentes para serem usados na indústria automotiva, pois exibem um coeficiente de atrito muito baixo e funcionam muito bem sob lubrificação mista e de limite.Este projeto de pesquisa foi realizado no âmbito do projeto europeu TANDEM, que visa o desenvolvimento de uma nova geração de revestimentos de ta-C. Trata-se de um acompanhamento do trabalho realizado anteriormente no CEMMPRE, onde a polarização do substrato foi otimizado (-80 V) a 124 µs de tempo de pulso de oscilação. Neste trabalho, os revestimentos DLC foram depositados através de oscilações profundas de pulverização magnetron (DOMS), uma variante da técnica pulverização magnetron de alta potência (HiPIMS). O principal objetivo é estudar a influência do tempo de pulso de oscilação (toff) em duas séries de deposições (a 0,4 Pa e 0,8 Pa) nas propriedades estruturais, mecânicas e tribológicas dos filmes de DLC depositados pela DOMS com polarização de substratos. Foram realizadas análises de SEM, AFM, análise XPS (somente para 2 filmes), dureza, tensão e pino-sobre-disco para o estudo de filmes de DLC.Em relação aos filmes de DLC depositados a 0,4 Pa, a dureza dos filmes mostra variações significativas com o toff, provavelmente devido a mudanças correspondentes na fração sp3 / sp2 dos filmes. No entanto, a taxa de desgaste específica dos filmes permanece muito semelhante, com exceção do filme depositado no mais alto volume (124 µs), que possui uma microestrutura ligeiramente mais densa. No geral, pode concluir-se que a diminuição de toff resulta em melhores propriedades tribológicas, mas podem ser obtidas melhores propriedades mecânicas (isto é, dureza). A uma pressão de deposição de 0,8 Pa, a diminuição do toff de 124 para 84 ou mesmo 64 µs resulta em um coeficiente de atrito menor e taxas de desgaste significativamente reduzidas sem qualquer perda significativa de dureza. De fato, a taxa de desgaste específica do filme depositado em toff = 84 µs não é apenas a menor taxa de desgaste específico neste trabalho, mas também é significativamente menor que as medidas específicas de desgaste em trabalhos anteriores sobre a deposição de filmes de DLC. DOMS.