Tribological performance of c-alloyed WS 2 coatings with graded and conventional structures

Abstract

As restrições crescentes na utilização de materiais perniciosos para o meio ambiente tem obrigado as empresas a procurar soluções alternativas aos lubrificantes convencionais. Os revestimentos finos à base de dicalcogenetos de metais de transição (TMD) têm mostrado atributos que lhes permitem ser eficientes como lubrificantes sólidos. A maior desvantagem destes materiais, a sua baixa dureza, pode ser melhorada através da adição de carbono. O revestimento a ser estudado neste trabalho é um W-S-C, um revestimento à base de TMD, que tem um desempenho adequado quando o teor de C é de aproximadamente 50% at. O objetivo deste estudo foi investigar o desempenho tribológico de três tipos diferentes de revestimentos W-S-C, nomeadamente, um W-S-C referência com 50 %at. de C, um W-S-C com teor de C mais reduzido (35 % at.) e um W-S-C com uma estrutura em gradiente. Nesta caso o revestimento tinha uma camada de W-S-C rica em carbono junto ao substrato, reduzindo o teor deste elemento à medida que se aproxima da superfície, terminando com uma camada no topo de WS2 simples. Os revestimentos foram caraterizados no que concerne a sua composição química por espectroscopia por dispersão de comprimentos de onda (WDS), a sua morfologia por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), a sua estrutura por espectroscopia Raman e difração de raios-X (XRD), as propriedades mecânicas por nanoindentação e a adesão por indentação deslizante. O desempenho tribológico foi avaliado num tribómetro do tipo bola em disco em movimento alternativo em atmosfera normal, em meio de N2 seco à temperatura ambiente e a temperatura elevada de 200 ºC. Os resultados permitiram concluir que cada um dos revestimentos apresentava um comportamento auto-adaptativo em todas as condições de operação, embora para cada condição, um dos revestimentos comportava-se melhor que os outros. Este estudo mostrou uma perspetiva de melhoria do comportamento tribológico de revestimentos W-S-C em diversos meios de teste através da alteração da composição química e da estrutura.

The increasing restriction on the use of environmentally harmful materials pushes industrial needs to shift away from conventional lubricants. Thin film coatings based on transition metal dichalcogenides (TMD) have shown promising attributes to be an effective solid lubricant. The inherent weakness of TMD, its low hardness, can be improved by alloying it with carbon. The coating to be studied in this work is W-S-C, a TMD-based coating which is thought to perform best when it has ~50 at.% of carbon content.The aim of the present study was to investigate the tribological performance of three types of W-S-C coating, namely, a reference W-S-C coating with ~50 at.% carbon, a W-S-C with reduced carbon content at ~35 at.%, and a W-S-C coating with a graded structure. The coating with graded structure had carbon-rich W-S-C on the bottom layers with gradually reducing carbon content on the upper layers and finished with pure WS2 on the top layer. Characterization of the coatings was performed by wavelength-dispersive spectroscopy (WDS) for chemical composition, scanning electron microscopy (SEM) for morphology, Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) for crystallinity, nanoindentation for mechanical properties determination, and a scratch test for coating adhesion investigation.The tribological performance was tested by reciprocating ball-on-disk tribometer under ambient air at room temperature, under dry N2 environment at room temperature and under elevated temperature of 200°C. It was found that each coating showed self-adaptive behavior under every operating condition, though for each condition, there was one coating that performed particularly well. This study showed the prospect of improving the tribological performance of W-S-C coatings in a variety of environments through the alteration of the composition and structure.