Expedited assessment of friction and load-bearing capacity in thin coatings

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaCom o principal objetivo de avaliar o conhecimento do comportamento tribológico de revestimentos, comummente usados em diversos setores industriais, em aplicações onde é necessária elevada resistência ao desgaste, estudaram-se doze pares tribológicos constituídos por seis revestimentos diferentes correspondentes a três famílias de revestimentos distintas: nitreto de titânio silício (TiSiN), crómio (Cr) e diamond like carbon (DLC). Os revestimentos foram produzidos no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Universidade de Coimbra (UC) recorrendo a uma técnica denominada de pulverização catódica por magnetrão com impulsos de alta potência (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron Sputtering). Na realização dos ensaios tribológicos foram utilizados dois métodos distintos para aferir o atrito, energia dissipada em sistemas vibratórios e indentação deslizante. A técnica citada em primeiro, baseia-se na avaliação do movimento livre de vibração com amortecimento de um sistema massa-mola, induzido por um impulso mecânico onde o contacto entre o dispositivo vibratório e a amostra a analisar atua como uma dissipação suplementar de energia. O atrito é determinado através da análise inversa pela comparação entre o movimento vibratório experimental e a equação analítica do movimento. Já em relação à determinação da capacidade de suporte de carga dos diversos revestimentos, esta foi avaliada recorrendo a testes de indentação deslizante contra corpos esféricos utilizando para isso uma velocidade de deslizamento constante e cargas normais crescentes (0-100 N). Os resultados obtidos em ambos os ensaios permitem verificar uma relação nos coeficientes de atrito dos pares tribológicos estudados: μDLC < μTiSiN < μCr. Esta relação só não se verifica no caso do ensaio vibratório com contra-corpo de 100Cr6.This thesis aims to evaluate the tribological behavior of coatings in applications where high wear resistance is required, commonly used in various industrial sectors. Twelve tribological pairs made of six different coatings, which correspond to three different coating families, has been studied: TiSiN, Cr and DLC. The Coatings were produced in the Department of Mechanical Engineering of the University of Coimbra (UC) using a technique called high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). In order to perform the tribological tests, two methods were used to measure friction, namely energy dissipation in vibratory systems, and sliding indentation. The first technique, energy dissipation in vibratory systems, is based on the evaluation of free vibration movement with damping of a mass-spring system, induced by a mechanical impulse where the contact between the vibrating device and the sample to be analyzed acts as an additional dissipation of energy. While, friction is determined through the inverse analysis, by comparing the experimental vibratory movement with the analytical equation of the movement. The determination of the load-bearing capacity of the various coatings has been evaluated using sliding indentation tests, against spherical bodies using a constant sliding speed and increasing normal loads (0-100 N). The results obtained in both tests allow to verify a relationship between the friction coefficients of the studied tribological pairs: μDLC < μTiSiN < μCr. This relationship does not occur in the case of the vibration test with the 100Cr6 counter-body