Facultad Regional Concep. del Uruguay
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Item Friction and wear of a-C:H and a-C:H:Si coatings sliding against different counterpart materials under dry and moist environments(2024-05-19) Delfín, Francisco Andrés; Jeoffrey, Jecozale; Schachinger, Manuel; Forsich, Christian; Brühl, Sonia Patricia; Heim, DanielThe self-lubricating effect of DLC coatings is a very well-known feature, although they have yet to occupy a substantially influential position in mainstream tribological applications. This objective is increasingly critical due to the escalating worldwide focus on achieving energy efficiency, lowering fuel consumption and cutting environmentally harmful emissions. To reach these milestones, a deeper understanding of DLC coatings is required, namely regarding the intricate relationship of friction and wear rates within diverse tribosystems, where parameters such as relative humidity and the material of the counter body show decisive influence. In this work, DLC coatings were deposited using a modified commercially available PA-CVD system on AISI 4140 steel. Two kind of coatings were produced, a-C:H and a-C:H:Si, at temperatures of 450 °C and 550 °C. Process gas consisted of a mixture of argon, acetylene, and HMDSO as silicon precursor. Characterization was carried out by means of nanoindentation, Raman spectroscopy, as well as GDOES and EDX. Tribological behavior was evaluated by means of Pin-on-Disk, using the coated sample as the disk, a 12 N normal load, a speed of 0.4 m/s and a total sliding distance of 2000 m. Counterparts were 6 mm balls, of which three different materials were used: AISI 52100 bearing steel, Al2O3 and Si3N4. Test chamber was conditioned using forced air recirculation and beakers containing either water or regenerated silica gel to create a humid or a dry environment, respectively. Friction coefficient was registered during the entire test. The wear track was evaluated with optical and confocal microscopy, as well as SEM/EDX and Raman spectroscopy. Hardness and elastic modulus increased with deposition temperature, and the values were doubled with silicon doping. However, a lower friction coefficient and wear volume loss were found in Si-free samples. In general, the coatings showed varied responses to the different environments and counterparts: a-C:H showed oxidation with higher humidity, whereas a-C:H:Si exhibited high wear in the drier ambient, producing several peaks in the friction coefficient during the test. The steel counterpart exhibited a lubricious oxide layer that helped reduce the friction coefficient, thus performing better in the humid environment. The Si3N4 counterpart showed the highest adhesion when sliding against a-C:H:Si, although a rather low friction coefficient and wear was shown when testing the Si-free samples.Item Recubrimientos DLC depositados sobre acero AISI 4140 para mejorar su resistencia al desgaste deslizante y abrasivo(2024-08-09) Delfín, Francisco Andrés; Brühl, Sonia Patricia; Heim, DanielLos recubrimientos DLC son ampliamente usados y reconocidos debido a su muy bajo coeficiente de fricción, alta dureza, estabilidad química y resistencia a la corrosión. Sin embargo, cuando se los deposita sobre aceros blandos, como los utilizados para elementos de máquina, presentan problemas de adhesión que comprometen sus buenas propiedades. Al realizar un pretratamiento de nitruración iónica sobre la superficie del acero, se obtiene un gradiente de dureza que ayuda a soportar mejor las solicitaciones y distribuir las cargas de una forma adecuada para que no se produzca un desprendimiento abrupto1. En este trabajo, se depositaron tres recubrimientos DLC diferentes sobre acero AISI 4140 nitrurado y sin nitrurar, para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste deslizante y abrasivo. El primero es un recubrimiento a-C:H grueso depositado mediante PA-CVD utilizando un equipo de Rübig en Austria, mientras que el segundo es una variante dopada con silicio (a-C:H:Si) obtenido con los mismos parámetros2. El tercero es un recubrimiento multicapa con DLC como top-layer depositada mediante PVD-PEMS en Tantal SRL, Córdoba. Consiste en una capa de anclaje de CrN, una capa gradiente y luego a-C:H:Cr. La caracterización se realizó mediante SEM, Raman y DRX. Se obtuvieron las propiedades mecánicas mediante nanoindentación. El comportamiento tribológico se evaluó con Pin-on-Disk y se realizaron ensayos de abrasión según la norma ASTM G65. La estructura de los recubrimientos es una combinación de enlaces sp2 y sp3 con alto nivel de desorden. El coeficiente de fricción estuvo entre 0,05 y 0,2, con el mejor resultado para el a-C:H, que también presentó las menores tasas de desgaste deslizante, junto al a-C:H:Cr sobre sustrato previamente nitrurado. El dopaje con Si mejoró notablemente la resistencia al desgaste abrasivo, al igual que el dopaje con Cr, aunque el pretratamiento de este último fue fundamental para obtener buenos resultados.Item Efecto de los dopantes en el comportamiento tribológico de recubrimientos DLC sobre Ti6Al4V mediante PA-CVD(2024-08-06) Álvarez, Matías Federico; Delfín, Francisco Andrés; Dalibón Bähler, Eugenia Laura; Brühl, Sonia Patricia; Heim, DanielLas aleaciones de titanio tienen baja densidad, alta resistencia específica, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Sin embargo, poseen deficientes propiedades tribológicas y un desgaste adhesivo severo. Para mejorar sus propiedades superficiales se pueden utilizar técnicas como la deposición de recubrimientos DLC, que poseen bajo coeficiente de fricción y alta resistencia al desgaste [1]. En este trabajo, se estudió el comportamiento tribológico de la aleación Ti6Al4V recubierta con DLC en un reactor PA-CVD con descarga DC pulsada a 550°C, a 2 mbar, usando C2H2 como precursor de C y argón. Se utilizaron diferentes dopantes como Si, N2 o H2 en la mezcla de gases y se comparó la adhesión y el comportamiento al desgaste. Los recubrimientos fueron caracterizados mediante SEM, GDOES, nanoindentación y espectroscopia Raman. La adhesión se evaluó mediante Scratch Test. Las pruebas tribológicas se realizaron utilizando Pin-on-Disk sin lubricación así como también inmersas en NaCl al 5% y en solución de Ringer, con una distancia de deslizamiento de 500 m o hasta la rotura del recubrimiento. Las huellas de desgaste se midieron con microscopía confocal y se empleó SEM-EDS para determinar los mecanismos de desgaste. Las muestras recubiertas exhibieron un aumento de dureza, especialmente las dopadas con Si, y reducción del módulo de Young con respecto a las no recubiertas. Los ensayos tribológicos mostraron un bajo coeficiente de fricción menor a 0.1 y una reducción significativa del desgaste frente al sustrato sin DLC. En pruebas de 500 m, el recubrimiento con H2 agregado en la mezcla de gases mostró los mejores resultados, mientras que el dopado con Si presentó el mayor desgaste en seco y no soportó la carga en ensayos inmersos. Sin embargo, en las pruebas limitadas por la falla del recubrimiento, el dopaje de N2 resultó en la mayor durabilidad.Item Barrier coatings deposited via PA-CVD and MS-PVD on recyclable polymer foils for food packaging applications(2024-09-02) Delfín, Francisco Andrés; Forsich, Christian; Schachinger, Manuel; Augl, Stefan; Brühl, Sonia Patricia; Burgstaller, Cristoph; Heim, DanielPlastic litter has become the predominant contaminant in our lands and oceans. Prioritizing waste recycling is essential to halt this ecologically damaging problem. However, the recycling process is hindered when products like food packaging are made of several layers of different polymers co-extruded together to have acceptable barrier properties. This issue can be addressed by depositing thin coatings using plasma-assisted techniques on single-layer polymer foils, to achieve comparable resistance against water and oxygen permeation. Given the nanometric thickness of these coatings, recycling could be potentially carried out without any inconvenience.Item Carbon based coatings deposited over AISI 4140 to improve wear resistance in machine components(2023-05) Delfín, Francisco Andrés.; Heim, Daniel; Brühl, Sonia PatriciaCarbon based coatings or DLC are well known to have a low friction coefficient, chemical stability at room or low temperatures, high hardness and also corrosion resistance. Three different carbon-based coatings were deposited over plasma nitrided or non nitrided AISI 4140 mild steel to improve hardness and wear resistance so as tribological properties.Item Análisis del comportamiento tribológico de recubrimientos tipo DLC en diferentes condiciones de humedad relativa(Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales., 2022-05-02) Delfin, Francisco Andrés; Brühl, Sonia Patricia; Forsich, Christian; Heim, DanielEn este trabajo se utilizaron muestras de acero de media aleación AISI 4140 recubiertas con DLC blando tipo a-C:H:Si en un reactor comercial PACVD, utilizando acetileno como precursor de carbono y hexametildisiloxano (HMDSO) para aportar silicio como dopante. Se realizaron deposiciones a diferentes temperaturas y variando la potencia del plasma. Las propiedades mecánicas fueron medidas con nanoindentación. Las muestras se ensayaron en condiciones de desgaste por deslizamiento en un contraparte, en tres diferentes condiciones de humedad: seco, ambiente y húmedo. Se utilizó una carga normal de 12 N, una distancia recorrida de 1000 m y una velocidad tangencial de 0,2 m/s. El coeficiente de fricción fue medido de forma continua y se analizó el desgaste en la bolilla mediante microscopio óptico y electrónico con EDS. El desgaste en la muestra fue determinado con microscopía confocal y se realizó análisis con microscopio óptico, SEM/EDS y espectroscopía Raman. Las muestras que contenían silicio presentaron una pérdida de volumen por desgaste de hasta 80 veces superior a las muestras sin contenido de silicio. El coeficiente de fricción de estas últimas fue del orden de 0,05 en las condiciones más secas, mientras que las Si-DLC alcanzaron este valor en condiciones de alta humedad. Para las muestras sin silicio, el desgaste aumentó a medida que se incrementaba la humedad ambiental, mientras que, en las muestras dopadas con silicio, el comportamiento fue a la inversa.Item Comportamiento mecánico del acero AISI 316L recubierto con a : C-H-Si previamente nitrurado(2014-10-21) Dalibón Bähler, Eugenia Laura; Brühl, Sonia Patricia; Heim, Daniel; Forsich, ChristianEl acero inoxidable AISI 316L es ampliamente usado en la industria química y alimenticia por sus buenas propiedades anticorrosivas, sin embargo presenta baja resistencia al desgaste. Para mejorar las propiedades tribológicas se pueden utilizar técnicas asistidas por plasma, tratamientos de difusión y/o recubrimientos. Los recubrimientos de carbono amorfo a:C-H-Si tienen bajo coeficiente de fricción y buena resistencia al desgaste. Además, son químicamente inertes, aunque presentan problemas de adhesión cuando son depositados sobre metales. En este trabajo se estudió el comportamiento mecánico y la adhesión de un recubrimiento a:C-H-Si tipo soft depositado por PACVD sobre el acero inoxidable AISI 316L nitrurado (muestra dúplex) y sin nitrurar (muestra recubierta). Los recubrimientos fueron caracterizados por EDS y Raman. Se midió la dureza y el módulo elástico utilizando nanoindentación. La microestructura de la capa nitrurada y de los recubrimientos fue analizada por MO, SEM-FIB y DRX. Se realizaron ensayos de pin on disk y de deslizamiento recíproco. Se evaluó la adhesión por indentación Rockwell C y Scratch Test. Los recubrimientos de a:C-H-Si presentaron un contenido de hidrógeno mayor al 40 % y su espesor fue de 20 μm, alcanzaron una dureza de aproximadamente 13 GPa y un módulo elástico de 73 GPa. Estos recubrimientos presentaron un coeficiente de fricción inferior a 0,2 y mejoraron la resistencia al desgaste con respecto al acero sin tratar. La profundidad de las huellas en los ensayos de deslizamiento recíproco fue 6 veces menor, independientemente del tratamiento de nitruración previo. El pretratamiento de nitruración tuvo influencia en la adhesión, ya que la carga crítica fue de 16,2 N en la muestra dúplex y de 9,6 N en la sólo recubierta. En el ensayo de indentación Rockwell C, la muestra dúplex presentó mejor adhesión que la muestra sólo recubierta.Item Characterization of thick and soft DLC coatings deposited on plasma nitrided stainless steel(2014-09-15) Brühl, Sonia Patricia; Dalibón Bähler, Eugenia Laura; Heim, Daniel; Forsich, ChristianThick and soft DLC coatings were deposited by PACVD with a DC pulsed discharge on nitrided and non nitrided austenitic stainless steel. The films were characterized by EDS and Raman, hardness was assessed with nanoindenter and the microstructure was analyzed by Optical Microscopy, SEM and XRD.Item Tribological behavior of thick and soft DLC coatings(2015-05-13) Dalibón Bähler, Eugenia Laura; Heim, Daniel; Forsich, Christian; Brühl, Sonia PatriciaAustenitic stainless steels are widely used in industry due to their good corrosion resistance; however, they present poor mechanical properties. Different coatings such as DLC “Diamond Like Carbon” can be used in order to improve surface properties. According to the sp3/sp2 ratio and the hydrogen content, DLC coatings can be classified in hard DLC or soft DLC. These coatings have low friction coefficient, good wear resistance and chemical inertia; however, they present adhesion problems when they are deposited on metallic substrates. For this reason, the plasma nitriding previous to the DLC coating deposition could be convenient. Although there are several publications about DLC coated and nitrided stainless steels, not many contributions have been found in the literature about soft and thick coatings. In this work, the tribological behavior and adhesion of thick and soft DLC coatings deposited on nitrided and non-nitrided austenitic stainless steels were studied.Item Mechanical and corrosion behavior of thick and soft DLC coatings(2015-10-09) Dalibón Bähler, Eugenia Laura; Escalada, Lisandro; Simison, Silvia; Forsich, Christian; Heim, Daniel; Brühl, Sonia PatriciaIn this work, the corrosion and mechanical behavior, so as the adhesion of DLC coatings are studied.