Improvement of the tribological performance of WSCF coatings under dry and lubricated conditions

Abstract

A redução do atrito desempenha um papel decisivo na eficiência energética; Assim, a lubrificação eficiente das superfícies em deslizamento é de extrema importância. A combinação de revestimentos de baixo atrito com lubrificantes é a melhor abordagem para reduzir o atrito numa ampla gama de condições, particularmente quando o lubrificante não responde eficientemente, e a redução do atrito deve ser governadapelo revestimento de baixo atrito. No entanto, esta abordagem não é simples, pois a interação do revestimento com o lubrificante pode levar a um desempenho pior do que com as superfícies não revestidas.O melhoramento das interações, modificando a composição do revestimento, é o tema central deste trabalho de investigação. Assim, os revestimentos do sistema WSCF foram depositados com teor em (C e F)crescentes por PVD reativo em atmosfera de Ar e CF4. Os revestimentos foram caracterizados estrutural e mecanicamente para estudar a influência do teor de C e F no sistema com especial atenção nas propriedadestribológicas e mecânicas dos revestimentos à base de WSx. SEM, WDS, XRD, AFM e microscopia ótica foram utilizadas para estudar a morfologia e estrutura dos revestimentos. O desempenho tribológico do sistema WSCF foi caracterizado a seco e em contacto lubrificado a diferentes temperaturas (RT: 25 ° C eHT: 200 ° C). De acordo com os resultados, o aumento do teor em C e F nos revestimentos, resulta numa diminuição da rugosidade, estes apresenta uma estrutura cristalográfica amorfa com uma morfologia de crescimento compacta e sem detalhes. O aumento do teor em F nos revestimentos (até 9,3 at.%) resultou numa diminuição do coeficiente de atrito e uma melhor resistência ao desgaste devido ao aumento da distância interplanar confirmada por XRD. Observou-se que o mecanismo responsável pelo baixo atrito registado está associado a formação de uma tribo-camada nas duas superfícies em contacto e que o desempenho depende da composição dos revestimentos. Observou-se que os revestimentos apresentam melhor desempenho tribológico em azoto seco, depois, em ar-HT, quando comparado ao ambiente normal de RT-ar. Este estudo demonstrou que o comportamento tribológico geral dos revestimentos do sistema WSCF melhora com o aumento do teor em C e F.

Friction reduction plays a decisive role in energy efficiency; thus, efficient lubrication of the sliding surface is of extreme importance. The combination of low friction coatings with lubricants is the best approach to reduce friction over a wide range of conditions, particularly when lubricant does not respond efficiently and the reduction of friction has to be governed by the low friction coating. However, this approach is not straightforward since the interaction of the coating with the lubricant can lead to worse performance than with uncoated surfaces. The improvement of this interaction by modifying the composition of the coating is the core subject of this research work. For this purpose, coatings of the WSCF system with increasing alloying contents (C and F) were deposited by reactive PVD in an Ar and CF4-discharge atmosphere. The coatings were structurally and mechanically characterised in order to study the influence of adding C and F to the system on the tribological and mechanical properties of the WSx-based coatings. SEM, WDS, XRD, AFM and Optical microscopy were applied to understand the morphology and structure of the surfaces. The tribological performance of the WSCF system is evaluated in dry and lubricated conditions at different temperatures (RT: 25 °C and HT: 200 °C). According to the results, more alloying elements presented smoother, denser, thicker, and more featureless and amorphous coating. F incorporation in the coatings (up to 9.3 at.%) led to lower coefficient friction and generally better wear resistance due to the higher interplanar distance confirmed by XRD. It is revealed that the influence of alloying elements on the formation of the tribolayers is the mechanism responsible for the difference between the friction coefficients. According to the expectations, it is observed coatings showed the best tribological performance at the dry condition, then at Air-HT compared to the normal Air-RT environment. This study demonstrated that the general tribological behaviour of the high fluorine-doped coating was the best, which suggests alloying WSx-based layer up to 15.5 at. % C and 9.3 at. % F could enhance the overall performance of these solid lubricants.