Importanza della valutazione dell'usura su DLC in condizioni di umidità

I rivestimenti in carbonio simile al diamante (DLC) possiedono proprietà tribologiche migliorate, ovvero un'eccellente resistenza all'usura e un coefficiente di attrito (COF) molto basso. I rivestimenti DLC conferiscono caratteristiche del diamante quando depositati su materiali diversi. Le favorevoli proprietà tribomeccaniche rendono preferibili i rivestimenti DLC in varie applicazioni industriali, come parti aerospaziali, lame di rasoio, utensili per il taglio dei metalli, cuscinetti, motori motociclistici e impianti medici.

I rivestimenti DLC presentano un COF molto basso (inferiore a 0,1) rispetto alle sfere d'acciaio in condizioni di vuoto spinto e asciutte¹². Tuttavia, i rivestimenti DLC sono sensibili alle variazioni delle condizioni ambientali, in particolare all'umidità relativa (RH).³. Ambienti con elevata umidità e concentrazione di ossigeno possono portare a un aumento significativo della COF.⁴. La valutazione affidabile dell'usura in umidità controllata simula condizioni ambientali realistiche dei rivestimenti DLC per applicazioni tribologiche. Gli utenti selezionano i migliori rivestimenti DLC per le applicazioni target con un confronto adeguato
dei comportamenti di usura del DLC esposto a diversi livelli di umidità.

Obiettivo di misurazione

Questo studio mette in mostra la Nanovea Tribometro dotato di un regolatore di umidità è lo strumento ideale per studiare il comportamento all'usura dei rivestimenti DLC a vari livelli di umidità relativa.

Procedura di prova

La resistenza all'attrito e all'usura dei rivestimenti DLC è stata valutata dal tribometro Nanovea. I parametri del test sono riepilogati nella Tabella 1. Un controller di umidità collegato alla tribocamera controllava con precisione l'umidità relativa (RH) con una precisione di ±1%. Dopo i test, le tracce di usura sui rivestimenti DLC e le cicatrici di usura sulle sfere SiN sono state esaminate utilizzando un microscopio ottico.

Nota: è possibile applicare qualsiasi materiale solido per le sfere per simulare le prestazioni di accoppiamenti di materiali diversi in condizioni ambientali come lubrificante o temperatura elevata.

Risultati e discussione

I rivestimenti DLC sono ottimi per le applicazioni tribologiche grazie al loro basso attrito e alla superiore resistenza all'usura. L'attrito del rivestimento DLC presenta un comportamento dipendente dall'umidità, come illustrato nella Figura 2. Il rivestimento DLC mostra un COF molto basso, pari a ~0,05, per tutta la durata del test di usura in condizioni relativamente secche (10% RH). Il rivestimento DLC mostra un COF costante di ~0,1 durante il test quando l'UR aumenta a 30%. La fase iniziale di rodaggio del COF si osserva nei primi 2000 giri quando l'UR sale oltre 50%. Il rivestimento DLC mostra un COF massimo di ~0,20, ~0,26 e ~0,33 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente. Dopo il periodo di rodaggio, il COF del rivestimento DLC rimane costante a ~0,11, 0,13 e 0,20 con UR di 50, 70 e 90%, rispettivamente.

La Figura 3 confronta le cicatrici di usura delle sfere SiN e la Figura 4 confronta le tracce di usura del rivestimento DLC dopo i test di usura. Il diametro della cicatrice da usura era più piccolo quando il rivestimento DLC era esposto a un ambiente con bassa umidità. Lo strato di DLC si accumula sulla superficie della sfera SiN durante il processo di scorrimento ripetitivo sulla superficie di contatto. In questa fase, il rivestimento DLC scivola contro il proprio strato di trasferimento che agisce come un efficiente lubrificante per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione da taglio. Si osserva un film di trasferimento nella cicatrice di usura della sfera SiN in ambienti a bassa UR (ad es. 10% e 30%), con conseguente processo di usura decelerato sulla sfera. Questo processo di usura si riflette sulla morfologia della pista di usura del rivestimento DLC, come mostrato nella Figura 4. Il rivestimento DLC presenta una pista di usura più piccola. Il rivestimento DLC presenta una traccia di usura più piccola in ambienti asciutti, grazie alla formazione di un film di trasferimento DLC stabile all'interfaccia di contatto che riduce significativamente l'attrito e il tasso di usura.

Conclusione

L'umidità gioca un ruolo vitale nelle prestazioni tribologiche dei rivestimenti DLC. Il rivestimento DLC possiede una resistenza all'usura significativamente migliorata e un basso attrito superiore in condizioni asciutte grazie alla formazione di uno strato grafitico stabile trasferito sulla controparte scorrevole (una sfera SiN in questo studio). Il rivestimento DLC scorre contro il proprio strato di trasferimento, che agisce come un lubrificante efficiente per facilitare il movimento relativo e limitare l'ulteriore perdita di massa causata dalla deformazione di taglio. Non si osserva una pellicola sulla sfera SiN con l'aumento dell'umidità relativa, portando ad un aumento del tasso di usura sulla sfera SiN e sul rivestimento DLC.

Il tribometro Nanovea offre test ripetibili di usura e attrito utilizzando modalità rotativa e lineare conformi a ISO e ASTM, con moduli di umidità opzionali disponibili in un unico sistema preintegrato. Consente agli utenti di simulare l'ambiente di lavoro con diversa umidità, fornendo agli utenti uno strumento ideale per valutare quantitativamente i comportamenti tribologici dei materiali in diverse condizioni di lavoro.

Per saperne di più sul Tribometro Nanovea e sul servizio di 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