Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/98258
Title: Estudo e caracterização do comportamento mecânico e tribológico de revestimentos DLC dopados para aplicação em moldes de injeção de polímeros
Other Titles: Study and characterization of mechanical and tribological behavior of doped DLC coatings for application in polymer injection molds
Authors: Silva, Helder Martinho Goncalves Figueira da
Orientador: Evaristo, Manuel António Peralta
Keywords: DLC; doped; friction; wear; tribological behavior; DLC; dopado; atrito; desgaste; comportamento tribológico
Issue Date: 30-Nov-2021
Serial title, monograph or event: Estudo e caracterização do comportamento mecânico e tribológico de revestimentos DLC dopados para aplicação em moldes de injeção de polímeros
Place of publication or event: Departamento de Engenharia Mecânica
Abstract: The aim of this work is to study the mechanical and tribological behavior of Diamond-Like Carbon (DLC) coatings for application in polymer injection molds. The wear of the mold cavities surfaces is one of the main problems encountered in the processing of polymeric parts, which can affect the quality of the parts and/or lead to mold failure. DLC coatings are known for having excellent mechanical properties and self-lubricating characteristics, thus presenting as a promising solution to solve this problem. Therefore, this work evaluates the tribological behavior of DLC-type coatings doped with: tungsten (W), silver (Ag), silicon (Si) and silicon and oxygen (SiO). All coatings were deposited by direct current magnetron sputtering (DCMS), with concentrations of metallic elements between 10-15 at.%, in the case of the DLC-SiO coating the O content is approximately the double of the Si. Additionally, interlayers of chromium (Cr), with approximately 300 nm thick, were deposited in order to improve the adhesion of the coatings to the metallic substrates (M2 steel). The coatings were characterized concerning their chemical composition, morphology, thickness, mechanical properties (hardness and reduced Young's modulus), surface roughness and tribological behavior. The addition of doping elements into the DLC matrix caused a general reduction of the mechanical properties, with the carbide forming elements (DLC-W and DLC-Si) presenting the highest hardness values and reduced Young's modulus. The tribological behavior of the coatings was characterized by pin-on-disk (POD) tests against steel balls (Steel-DLC system) and polycarbonate (PC) balls (PC-DLC system), both with a diameter of 10 mm. These two systems were evaluated under two conditions of temperature, room temperature and 100 ºC. The wear of the steel balls was analyzed by scanning electron microscopy (SEM) with the aid of energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), while the wear of the PC balls was analyzed by optical microscopy.For the Steel-DLC system, with the increase of the test temperature to 100°C, all coatings and steel balls showed an increase in wear rates. The lowest average coefficients of friction (COF) were observed for the DLC-Si and DLC-SiO coatings, both at room temperature and 100 ºC. Those were also the ones that showed the lowest wear of the steel balls. SEM-EDS analysis of both steel balls used against the DLC-Si and DLC-SiO coatings suggest the presence of Si oxides, which are considered responsible for the low friction and low wear caused on the steel balls. The DLC-W coating showed many friction fluctuations in all tests performed, particularly when tested at 100 ºC, showing some variations in its friction and wear resistance. The formation of tungsten oxides (WO_3) could be the reason for this irregular behavior.For the PC-DLC system, an uncoated steel sample was used as reference in order to compare its tribological results with those of the coatings. After the PD tests, no wear on the coatings was observed, on the contrary, the coatings showed the presence of transferred material from the sphere. The DLC and DLC-W coatings presented the lowest coefficient of friction values at room temperature and 100°C, with the DLC coating showing the most stable evolutions of friction and the lowest friction values at both temperature conditions and causing the lowest wear on PC balls at 100°C. On the other hand, the DLC-W coating tested at 100 ºC was the one that caused the greatest wear on the PC ball, showing a substantial increase compared to the test performed at room temperature. Thus, the DLC coating showed the best tribological performance, at both temperatures. It is believed that the reason for this unique behavior of the DLC coating in relation to the others is due to its chemical inertness, a property that is related to the sp_3 bonds of the coating. The introduction of doping elements causes a reduction of those bonds, thus increasing the reactivity between the doped DLC coatings and the PC ball, which in turn increases friction and wear of the balls. It was concluded that the coating that presents the greatest potential for this study is the DLC coating. However, a more in-depth research, under conditions closer to those used in polymer injection, is recommended.
O objetivo deste trabalho é o estudo do comportamento mecânico e tribológico dos revestimentos Diamond-Like Carbon (DLC) dopados para aplicação em moldes de injeção de polímeros. O desgaste das superfícies das cavidades dos moldes é um dos principais problemas encontrados no processamento de peças poliméricas, podendo afetar a qualidade das peças e/ou levar à falha do molde. Os revestimentos DLC são conhecidos por apresentarem excelentes propriedades mecânicas e características auto-lubrificantes, apresentando-se assim como uma solução promissora para este problema. Como tal, neste trabalho é avaliado o comportamento tribológico de revestimentos do tipo DLC dopados com: tungsténio (W), prata (Ag), silício (Si) e silício e oxigénio (SiO). Todos os revestimentos foram depositados por pulverização catódica do tipo magnetrão de corrente contínua (DCMS), com concentrações dos elementos metálicos entre os 10-15 %at. e, no caso do revestimento DLC-SiO com uma concentração de O aproximadamente duas vezes superior à do Si. Adicionalmente, foram depositadas intercamadas de crómio (Cr), com aproximadamente 300 nm de espessura, de forma a melhorar a adesão dos revestimentos aos substratos metálicos (aço M2). Os revestimentos foram caracterizados relativamente à sua composição química, morfologia, espessura, propriedades mecânicas (dureza e módulo de Young reduzido), rugosidade superficial e comportamento tribológico. A introdução dos elementos dopantes na matriz do DLC provocou uma redução geral das propriedades mecânicas, com os revestimentos dopados com elementos formadores de carbonetos (DLC-W e DLC-Si) a apresentarem os valores mais altos de dureza e módulo de Young reduzido. O comportamento tribológico dos revestimentos foi caracterizado em ensaios pino-disco (POD) contra esferas de aço (sistema Aço-DLC) e de policarbonato (PC) (sistema PC-DLC) de 10 mm de diâmetro. Estes dois sistemas foram avaliados segundo duas condições de temperatura, temperatura ambiente e 100 ºC. O desgaste das esferas de aço foi analisado por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), com auxílio de espectroscopia de raios-X por dispersão em energia (EDS), enquanto que o desgaste das esferas de PC foi analisado por microscopia ótica.Para o sistema Aço-DLC, com o aumento da temperatura dos ensaios para 100 ºC, todos os revestimentos e respetivas esferas de aço apresentaram um aumento das taxas de desgaste. Os coeficientes médios de atrito (COF) mais baixos foram observados para os revestimentos DLC-Si e DLC-SiO, tanto à temperatura ambiente como a 100 ºC. Estes dois revestimentos também foram os que menos desgastaram as esferas de aço. A análise SEM-EDS a ambas as esferas de aço utilizadas contra os revestimentos DLC-Si e DLC-SiO sugere a presença de óxidos de Si, sendo estes considerados como os responsáveis pelo baixo atrito e baixo desgaste provocado nas esferas. O revestimento DLC-W apresentou muitas variações de atrito em todos os ensaios realizados, nomeadamente quando testado a 100 ºC, denotando alguma inconstância no seu comportamento tribológico. A formação de óxidos de tungsténio (WO_3) poderão ser a razão para este comportamento irregular.Para o sistema PC-DLC foi testada uma amostra de aço não revestida com o intuito de comparar os resultados tribológicos desta com os dos revestimentos. Após os ensaios PD, não foi observado qualquer desgaste nos revestimentos, pelo contrário, os revestimentos apresentaram transferência de material proveniente da esfera. Os revestimentos DLC e DLC-W apresentaram os valores mais baixos de coeficiente de atrito à temperatura ambiente e a 100 ºC, com o DLC a registar as evoluções mais estáveis do atrito e os valores mais baixos de atrito em ambas as condições de temperatura e a provocar o menor desgaste nas esferas de PC a 100 ºC. Por outro lado, o revestimento DLC-W quando testado a 100 ºC foi o que maior desgaste provocou na esfera de PC, apresentando um aumento substancial em relação ao ensaio realizado à temperatura ambiente. Como tal, o revestimento DLC foi o que apresentou o melhor desempenho tribológico, tanto à temperatura ambiente como a 100 ºC. Supõe-se que a razão para este comportamento singular do revestimento DLC em relação aos restantes se deve à sua inércia química, propriedade que está relacionada com as ligações sp_3 do revestimento. A introdução de elementos dopantes provoca uma redução destas ligações, aumentando assim a reatividade entre os revestimentos DLC dopados e a esfera de PC, aumentando o atrito e o desgaste das esferas. Concluiu-se que o revestimento que apresenta o maior potencial para o estudo em causa, é o revestimento DLC. No entanto, é recomendado um estudo mais aprofundado e sob condições mais próximas das utilizadas na injeção de polímeros.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: http://hdl.handle.net/10316/98258
Rights: openAccess
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