Dissertação de Mestrado "Caracterização tribológica avançada de revestimentos (DLC), para a indústria automóvel, com o objetivo de melhorar a performance dos motores de combustão interna."

Abstract

Over the years, many research and development works have been carried out with the premise of improving the performance of internal combustion engines (ICE). Despite all the effort made so far, friction losses remain the biggest obstacle to such improvement. Piston rings are known to be responsible for almost a quarter of the friction losses in internal combustion engines. This research work aims at trying to improve the tribological performance of piston rings, by means of a newly developed variant of DLC (Diamond like carbon) coatings. The DLC films were deposited using a mixed Argon and Neon plasma atmosphere, through the high-power impulse magnetron sputtering process (HIPIMS), using a deposition pressure of P=0.8 Pa and a substrate polarisation of BIAS =-80 V. For comparison purposes, other films were also deposited, such as the widely used in the automotive industry, CrN and another DLC film, this time deposited only in Argon pure plasma atmosphere. Tribological tests were performed with a Block-on-ring configuration under different lubrication regimes, changing the temperatures and sliding speeds of the tests. The analysis of the results was performed through the Stribeck curves corresponding to each deposited sample. An improvement of the tribological performance was observed for the DLC films deposited in mixed atmosphere of Argon and Neon, reducing in about 22.8% the coefficient of friction in boundary lubrication conditions, compared to the CrN film. On the other hand, for the DLC film deposited in pure Argon atmosphere, an improvement was also observed in the reduction of the coefficient of friction compared to the CrN film, but this time by only 9.8%. Moreover, the films deposited with the insertion of Neon in the discharge gas, achieved ultra-low friction values (<0.001) in the hydrodynamic lubrication regime, due to the ability of the lubricating oil (PAO 8) to spread and adhere to the film surface, evaluated by the contact angle measurement. Finally, it was also observed, that increasing the percentage of Neon in the discharge gas, up to 50%, leads to an increase in the hardness of the DLC films from 19 to 24 GPa

Ao longo dos anos, muitos foram os trabalhos de pesquisa e desenvolvimento, com a premissa de melhorar a performance dos motores de combustão interna (ICE). Embora todo o esforço realizado até ao momento, as perdas por fricção continuam a ser o grande obstáculo para essa melhoria. Os segmentos de pistão são conhecidos por ser responsáveis por quase um quarto das perdas por atrito nos motores de combustão interna. Este trabalho de pesquisa, visa a tentativa de melhorar o desempenho tribológico dos segmentos de pistão, através de uma variante recentemente desenvolvida de revestimentos DLC (Diamond like carbon). Os filmes DLC foram depositados com o recurso a uma atmosfera de plasma mista de Árgon e Néon, através do processo de pulverização catódica por magnetrão de alta potência (HIPIMS), usando uma pressão de deposição de P=0,8 Pa e uma polarização de substrato de BIAS =-80 V. Para efeitos de comparação, foram ainda depositados outros filmes, como o amplamente usado na indústria automóvel, CrN e um outro filme DLC, desta feita depositado apenas em atmosfera de plasma pura em Árgon. Os testes tribológicos foram realizados com uma configuração de Block-on-ring sob diferentes regimes de lubrificação, variando as temperaturas e velocidades de escorregamento dos ensaios. A análise dos resultados foi realizada através das curvas de Stribeck correspondentes a cada amostra depositada. Uma melhora do desempenho tribológico foi observada para os filmes DLC depositados em atmosfera mista de Árgon e Néon, reduzindo em cerca de 22,8% o coeficiente de atrito em condições de lubrificação limite, comparando com o filme de CrN. Por outro lado, para o filme DLC depositado em atmosfera pura de Árgon, foi observada também uma melhoria na redução do coeficiente de atrito em comparação com o filme CrN, mas desta feita em apenas 9,8%. Além disso, os filmes depositados com a inserção de Néon no gás de descarga, alcançaram valores ultrabaixos de atrito (<0,001) no regime de lubrificação hidrodinâmica, devido à capacidade de se espalhar e aderir à superfície do filme, por parte do óleo de lubrificação (PAO 8), avaliada pela medição do ângulo de contacto. Por fim, foi observado ainda, que o aumento da percentagem de Néon no gás de descarga, até 50%, leva a um aumento da dureza dos filmes DLC de 19 para 24 GPa.