DESENVOLVIMENTO DE REVESTIMENTOS DE CARBONO TIPO-DIAMANTE HIDROGENADOS PRODUZIDOS POR PULVERIZAÇÃO CATÓDICA MAGNETRÃO COM IMPULSOS DE ALTA POTÊNCIA (HIPIMS) PARA A INDÚSTRIA AUTOMÓVEL

Abstract

As perdas de energia por atrito representam uma grande cota parte da energia criada pelo motor a combustão. Para aumentar a eficiência dos seus motores, a indústria automóvel tem lutado para fazer diminuir essas mesmas perdas. Para isso, estas têm aplicado medidas para diminuir perdas por atrito nos componentes dos motores. Uma das grandes zonas onde essas perdas acontecem é entre os segmentos de pistão e as paredes do cilindro. Esta indústria tem apostado em novas tecnologias que permitam fazer descer essas perdas de energia. Nessas tecnologias estão inseridos os revestimentos dos segmentos de pistão, mais propriamente, filmes de carbono amorfo conhecido por DLC (Diamond Like Carbon). Neste estudo, filmes de DLC foram depositados pelo método DOMS, variante do método HiPIMS. Esses filmes foram depositados com conteúdos de hidrogénio cada vez maiores, e as suas características mecânicas, morfológicas e tribológicas foram estudadas. Isto tudo para verificar se esse aumento no teor de hidrogénio é benéfico para o uso em revestimentos de segmentos de pistão no que toca a melhorar perdas de energia por atrito. Essa variação no conteúdo de hidrogénio foi conseguida com o aumento da percentagem de metano na atmosfera da câmara de deposição. Esta variação permitiu a deposição de filmes com durezas superiores a 10GPa, com coeficientes de atrito inferiores a 0,16 e também taxas de desgaste na ordem dos 10-16 mm3/mN. A inserção de maiores quantidades de hidrogénio também mudou a morfologia da superfície dos filmes, bem como que aumentou as taxas de deposição em aproximadamente 27%. Este estudo permitiu verificar que a inserção de 10% de metano na câmara de deposição, permitiu criar filmes com percentagens atómicas de hidrogénio próximas dos 30%. O que fez descer a dureza dos filmes em aproximadamente 40%, os coeficientes de atrito em 30%, e proporcionou um aumento de taxa de desgaste para o triplo do valor mais pequeno obtido para o filme com menos hidrogénio na sua constituição. Logo com o aumento do hidrogénio num filme de DLC, provou-se o amolecimento do filme, a descida do atrito e também o aumento do desgaste. Concluindo, filmes muito hidrogénio (~25%) embora tenham bons coeficientes de atrito, são macios e desgastam-se muito, o que impede de ser usados em anéis de pistões.

Friction energy losses represent a large share of the energy created by the combustion engine. To increase the efficiency of its engines, the automotive industry has been fighting to reduce these losses. For this, they have applied measures to reduce friction losses in engine components. One of the zones where the loss by friction is higher, is in the piston rings surface. So, this industry as made efforts to apply innovative technologies to decrease the losses of energy in this place. One of these technologies are surface coatings, more properly, hard carbon coatings, known by DLC (Diamond Like Carbon) coatings. In this work, DLC films were deposited using the DOMS method, which varied from the HiPIMS method. Those films were deposited with increasingly higher hydrogen content, and then, their mechanical, morphological and tribological properties were studied. All of this to verify if the higher hydrogen content is beneficial for the use in piston rings coatings with the purpose of decreasing friction losses. The variation in the hydrogen content was achieved by increasing the methane percentage inside the deposition chamber during the deposition, from 0% to 10%. All the films presented hardness above 10GPa, friction coefficient lower than 0.16 and specific wear rates in the order of 10-16 mm3/mN. The hydrogen content also changed the morphology of the films’ surface, as well as increased its deposition rates by 27%. In general, the insertion of 10% methane allowed hydrogen atomic presence of approximately 30%. Which caused a 40% hardness decrease, a 30% friction coefficient decrease, and the film with the most hydrogen almost tripled the specific wear rate in relation to the film with less hydrogen presence. Therefore, the increase of the hydrogen in the DLC film, caused the softening of the film, decreased its coefficient of friction and increased the wear. This allows to conclude that DLC films with higher hydrogen content (~25%) are not practical for the use in piston rings coatings, because the lower hardness and higher wear rate, comparing to the low hydrogen and hydrogen free DLC.