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Efecto de la humedad en la tribología del revestimiento de DLC

Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en la humedad

Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) poseen propiedades tribológicas mejoradas, concretamente una excelente resistencia al desgaste y un coeficiente de fricción (COF) muy bajo. Los recubrimientos DLC imparten características de diamante cuando se depositan sobre diferentes materiales. Las propiedades tribomecánicas favorables hacen que los recubrimientos DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metales, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.

Los recubrimientos DLC exhiben un COF muy bajo (por debajo de 0,1) frente a bolas de acero en condiciones secas y de alto vacío.12. Sin embargo, los revestimientos de DLC son sensibles a los cambios de las condiciones ambientales, en particular a la humedad relativa (RH)3. Los entornos con alta humedad y concentración de oxígeno pueden provocar un aumento significativo del COF4. La evaluación confiable del desgaste en humedad controlada simula condiciones ambientales realistas de los recubrimientos DLC para aplicaciones tribológicas. Los usuarios seleccionan los mejores recubrimientos DLC para aplicaciones específicas con una comparación adecuada
de los comportamientos de desgaste del DLC expuestos a diferentes humedades.



Objetivo de medición

Este estudio muestra la Nanovea Tribómetro equipado con un controlador de humedad es la herramienta ideal para investigar el comportamiento de desgaste de los recubrimientos DLC con diversas humedades relativas.

 

 



Procedimiento de prueba

La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos DLC se evaluó mediante el tribómetro Nanovea. Los parámetros de prueba se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad conectado a la cámara tribo controló con precisión la humedad relativa (RH) con una precisión de ±1%. Después de las pruebas, se examinaron las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN mediante un microscopio óptico.

Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamientos de diferentes materiales en condiciones ambientales como lubricantes o altas temperaturas.







Resultados y discusión

Los recubrimientos de DLC son excelentes para las aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC muestra un comportamiento dependiente de la humedad que se muestra en la Figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante toda la prueba de desgaste en condiciones relativamente secas (10% RH). El recubrimiento de DLC muestra un COF constante de ~0,1 durante la prueba a medida que la HR aumenta hasta 30%. La fase inicial de rodaje del COF se observa en las primeras 2000 revoluciones cuando la HR se eleva por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en RH de 50, 70 y 90%, respectivamente. Tras el periodo de rodaje, el COF del revestimiento de DLC se mantiene constante en ~0,11, 0,13 y 0,20 en RH de 50, 70 y 90%, respectivamente.

 



En la figura 3 se comparan las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y en la figura 4 se comparan las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC después de las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con poca humedad. La capa de DLC de transferencia se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta etapa, el recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. Se observa una película de transferencia en la cicatriz de desgaste de la bola de SiN en entornos de baja HR (por ejemplo, 10% y 30%), lo que da lugar a un proceso de desgaste desacelerado en la bola. Este proceso de desgaste se refleja en la morfología de la pista de desgaste del recubrimiento de DLC, como se muestra en la figura 4. El recubrimiento de DLC muestra una pista de desgaste más pequeña en ambientes secos, debido a la formación de una película de transferencia de DLC estable en la interfaz de contacto que reduce significativamente la fricción y la tasa de desgaste.


 


Conclusión:




La humedad juega un papel vital en el rendimiento tribológico de los recubrimientos DLC. El recubrimiento DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa de grafito estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). El recubrimiento DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar una mayor pérdida de masa causada por la deformación por cizallamiento. No se observa una película en la bola de SiN al aumentar la humedad relativa, lo que lleva a una mayor tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.

El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción utilizando modos rotativos y lineales que cumplen con ISO y ASTM, con módulos de humedad opcionales disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo con diferente humedad, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente el comportamiento tribológico de los materiales en diferentes condiciones de trabajo.



Más información sobre el tribómetro Nanovea y el servicio de laboratorio

1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31


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