Influencia de los parámetros de proceso en la estructura y propiedades tribológicas de los recubrimientos tipo DLC

Abstract

En este trabajo se utiliza la ingeniería de superficies como herramienta para mejorar las propiedades de los aceros empleados en la ingeniería mecánica. Los recubrimientos son una de las opciones más usuales para incrementar la dureza superficial sin afectar las propiedades núcleo del material, además de aumentar la resistencia al desgaste y a la corrosión. Los recubrimientos hidrogenados en base carbono, como el DLC (“Diamond Like Carbon”), poseen interesantes propiedades, como un excelente comportamiento tribológico, bajo coeficiente de fricción, alta dureza superficial y buena resistencia al desgaste, además son químicamente inertes, con gran resistencia a la corrosión. Se obtienen por medio de PACVD (“Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition”), deposición química en fase vapor asistido por plasma. La capacidad de carga aumenta con el espesor, por lo que es posible depositar películas gruesas en aceros blandos (por ejemplo, aceros de baja aleación). Cuando se incrementa el espesor del recubrimiento, se generan defectos en la superficie durante el proceso de deposición, que comprometen sus excelentes propiedades. En este proyecto, diferentes substratos metálicos fueron utilizados para comparar resultados de adhesión, tribología y estudiar la formación de defectos superficiales: AISI 316L, AISI 4140 y AISI D2. Los recubrimientos se hicieron a diferentes temperaturas, variando el contenido de silicio y el espesor de la película. Las muestras fueron colocadas en el interior del reactor en diferentes posiciones (vertical, horizontal y boca abajo). Los recubrimientos fueron analizados con microscopía óptica y electrónica, topografía 3D con perfilómetro óptico, y se testearon en condiciones de desgaste y adhesión. Se midió el coeficiente de fricción y volumen desgastado, obteniéndose un coeficiente de fricción inferior a 0,05, variable con el contenido de silicio de la película. Se obtuvo una mayor cantidad de defectos superficiales en las muestras horizontales comparadas con las muestras boca abajo. La cantidad de defectos se incrementó con el espesor del recubrimiento y con el contenido de silicio, y disminuyó con el aumento de la temperatura. Se analizó la geometría y el mecanismo de crecimiento de los defectos. En cuanto a la adhesión, la capacidad de carga del recubrimiento aumentó con el espesor, y se observó una mejora en la tenacidad a la fractura con el aumento de la temperatura de deposición.

In this work, surface engineering serve as a tool to improve steel properties, such as the ones used in mechanical engineering. Coatings are one of the most usual options to increase surface hardness without compromising material bulk properties, in addition to improve wear and corrosion resistance. Hydrogenated carbon-based films, such as DLC (“Diamond Like Carbon”), have interesting properties such as excellent tribological behavior, low friction coefficient, high superficial hardness and good wear resistance; they are chemically inert and highly corrosion resistant. They are deposited by means of PACVD, plasma-assisted chemical vapor deposition. The load carrying capacity grows with the thickness, so it is possible to deposit thick films on “soft” steels (e.g. low alloyed steels). When increasing coating thickness, surface defects are generated during the deposition process compromising their excellent properties. In this project, different metal substrates have been used to compare adhesion and quantify superficial defects: AISI 316L, AISI 4140 and AISI D2. The films were deposited at different temperatures, changing the silicon content and the coating thickness. The samples were placed in the furnace on different positions (standing, lying or up-side down). The films were analyzed with optical and electron microscopy, 3D topography profilometer, and they were tested under sliding wear conditions and adhesion. Friction coefficient and wear volume were measured, with an average friction coefficient, which resulted below 0.05, variable with the films silicon content. A higher amount of surface defects was obtained on lying samples compared to the ones up-side down. The quantity of defects increased with the thickness and the silicon content of the coating, and decreased with a higher temperature. The geometry and the growth mechanism of the defects were analyzed. Adhesion results show that the load carrying capacity growth with the thickness and a better fracture toughness was obtained with the increment of the deposition temperature.