Relationship between the friction coefficient and the microstructure changes occurring in sliding contact with crossed cylinders

Abstract

Several studies have been done until now to replicate the contact conditions between the tool and the workpiece. This research has been limited to hard-coated tools, although the advantages of self-lubricating coated tools for cutting and forming operations can be even superior. The present study aims to establish the relationship between the coefficient of friction and the microstructure change in coated samples in a modified crossed cylinder test. For the study, self-lubricating coatings such as WSC, DLC-W, DLC-Si(O), and DLC were evaluated. The chemical composition and morphology of the coatings were investigated using SEM/WDS, whereas hardness was evaluated by nanoindentation testing. A modified crossed cylinder test was used at room temperature and dry conditions to understand the tribological behavior of self-lubricating coatings that mimic the real contact of metal forming operation. Finally, wear areas were investigated under an optical microscope and SEM/EDS. Raman spectroscopy was also used to confirm some of the results. It is concluded that the coefficient of friction decreases with the increase of load for all coatings except DLC-Si(O), and the hardness is one of the major parameters responsible for the wear rate. The low-friction behavior of WSC could be related to the formation of a low friction tribolayer on its sliding surface. Also, the presence of additional elements in the structure of the DLC coating can cause a reduction in the internal stresses of the coating without compromising its tribological performance.

Vários têm sido os estudos para replicar as condições de contacto entre um ferramenta e a peça a produzir. Este estudo foi limitado a ferramentas revestidas com filmes duros, embora as vantagens das mesmas revestidas com filmes auto-lubrificantes, para operações de corte e de enformação, possam mesmo ser superiores. Pretendeu-se estabelecer a relação entre o coeficiente de atrito e a alteração da microestrutura em amostras revestidas usando para isso um teste de cilindros cruzados. Para este estudo, foram analisados revestimentos auto-lubrificantes, tais como WSC, DLC-W, DLC-Si(O) e DLC. Foram avaliadas a composição química e a morfologia dos revestimentos, utilizando SEM/WDS, enquanto que a dureza foi medida por nanoindentação. O comportamento trifológico de revestimentos auto-lubrificantes foi avaliado à temperatura ambiente e em condições de não-lubrificação no teste de cilindros cruzados, pretendendo-se imitar o contacto real das operações de enformação de metais. Finalmente, as pistas de desgaste foram analisadas por microscopias ótica e eletrónica de varrimento (SEM/EDS). A espectroscopia de Raman permitiu confirmar alguns dos resultados estruturais. Conclui-se que o coeficiente de atrito diminui com o aumento da carga para todos os revestimentos, com exceção da DLC-Si(O), e que a dureza é um dos principais parâmetros responsáveis pelo coeficiente de desgaste. O comportamento de baixa atrito do WSC pode estar relacionado com a formação de tribo camadas de baixo atrito na superfície deslizante. Além disso, a presença de elementos adicionais na estrutura do revestimento DLC pode causar uma redução das tensões internas do revestimento sem comprometer o seu desempenho trilógico.