The effect of using self-lubricating coatings containing transition metal dichalcogenides in lubricated contacts

Abstract

Os revestimentos de dicalcogenetos de metais de transição (TMD) com liga de carbono foram desenvolvidos para aplicações que exigem baixo atrito e baixo desgaste em ambientes terrestres e não terrestres. Alguma literatura estudou a sinergia de revestimentos de carbono semelhante a diamante (DLC) contendo tungsténio em condições de lubrificação, mas menos estudaram revestimentos TMD em contacto lubrificado. Este estudo almeja monitorizar a resposta dos revestimentos TMD dopados com C e lubrificados com óleo, testados tribologicamente a diferentes temperaturas (100 oC e temperatura ambiente (RT)). Os revestimentos TMD dopados com C foram depositados com sucesso, com diferentes teores de carbono de 35,5 % at. e 45,6 em % at.. O maior teor de carbono contribuiu para a alteração da morfologia, aumento da dureza, formação de cristalinidade amorfa e para a presença de uma estrutura mais densa e compacta. Quanto ao desempenho tribológico, para contactos lubrificados, o revestimento com maior teor de carbono apresentou o menor coeficiente de atrito, de ~0,10 a 100 oC, e a menor taxa de desgaste específico, de ~9,4 x 10-9 mm3/Nm. O mesmo revestimento, em condição seca a 100 oC, revelou um aumento do CoF para ~0,015 a ~55000 ciclos e uma alta taxa de desgaste específico de 1,4 x 10-7 mm3/Nm. À temperature ambiente, o revestimento delaminou rapidamente, levando a um aumento do CoF e da taxa de desgaste específica, a última de 2,9 x 10-6 mm3/Nm, para apenas ~20000 ciclos decorridos. Nestes revestimentos de alto teor de carbono, a quantidade de dissulfeto de tungsténio presente na interface é limitado, o que representa um obstáculo à formação de um tribofilme no contacto deslizante. Consequentemente, a força de atrito inicial é consideravelmente alta e isso leva à delaminação da superfície do revestimento.

Carbon-alloyed Transition Metal Dichalcogenides (TMD) coatings have beendeveloped for applications requiring low friction and low wear in terrestrial and nonterrestrial environments. Some literatures studied the synergy of Tungsten containedDiamond Like Carbon (DLC) coating in the lubricated condition but less study of TMDcoating in lubricated contact. This study aims to observe the response of the C-alloyed TMDcoatings with the presence of oil lubricant at different testing temperatures (100 0C and roomtemperature (RT)). The deposited C-alloyed TMD coatings were successfully depositedwith different carbon content of 35,5 at. % and 45,6 at. %. Higher content of carboncontributed to the change of morphology, increase of hardness, the formation of amorphouscrystallinity, denser and more compact structure. The tribological performance of thecoatings in lubricated contact for coating with higher carbon showed the lower coefficientof friction of ̴ 0,10 at 100 0C of testing temperature and lower specific wear rate of 9,4 x 10-9mm3/Nm in comparison with coating with lower carbon content. The same coating in drycondition at 100 0C showed an increase of COF from ̴ 0,015 found at 55000 of number ofcycles and high specific wear rate of 1,4 x 10-7 mm3/Nm. In addition, at room temperature,the coating delaminated easily leading to the sharp increase of COF at low number of cyclesof 20000 and specific wear rate of 2,9 x 10-6 mm3/Nm. In high-carbon content coating,limited tungsten disulphide presents, therefore, the system is lack of raw material to formtribofilm in the sliding contact. As a result, the initial friction force is considerably highleading to delamination of the coating surface.