Riassunto analitico
Lo scopo del presente lavoro è stato quello di studiare e caratterizzare dei rivestimenti amorfi a base di carbonio, comunemente denominati Diamond-Like Carbon (DLC).
Si è iniziato il lavoro con un'ampia ricerca bibliografica sulle proprietà dei DLC e sulle varie tipologie (spesso dovute al processo di deposizione), nonché sulla possibilità che si ha di modificare alcune delle proprietà mediante drogaggio.
La ricerca non ha riguardato solo i DLC in sé, ma anche come questi vengono implementati in strutture avanzate
che comprendono vari layer di natura differente.
La parte di caratterizzazione è stata svolta su campioni di fornitori differenti, per conto di un'azienda automobilistica del territorio. Questi rivestimenti sono solitamente utilizzati nella catena di distribuzione di un motore automobilistico, e sono stati depositati su un substrato in acciaio 40CrMov20, analogo per caratteristiche meccaniche a quello usato nell’applicazione in esame.
Le attività di caratterizzazione comprendono analisi al microscopio elettronico a scansione e spettroscopia Auger con “depth-profiling” per la valutazione della microstruttura e della composizione chimica dei rivestimenti, prove di scratch per la valutazione dell’adesione al substrato, nanonindentazione per la misura di proprietà micromeccaniche (durezza, modulo elastico), e test di strisciamento in configurazione ball-on-disc con controparti sia in allumina, sia in acciaio 100Cr6, per valutare il comportamento tribologico in diverse condizioni di usura.
I risultati hanno mostrato, fra l’altro, che i rivestimenti con durezze più elevate in genere causano più elevata usura
della controparte, mentre l'usura dei rivestimenti sembra correlata al coefficiente di attrito instaurato nell’accoppiamento.
In particolare, si è verificato come carichi termomeccanici elevati (elevate pressioni di contatto e/ velocitò di strisciamento) facilitano la formazione di un tribolayer grafitizzato sulla superficie della controparte, che abbassa il coefficiente di attrito.
La tendenza a grafitizzare è inversamente correlata alla durezza: i coating più duri risultano, infatti, anche più stabili da un punto di vista termochimico, cosa che ha una conseguenza negativa sul comportamento tribologico poiché ostacola la formazione del tribofilm grafitizzato sulla controparte.
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Abstract
The purpose of the following work was to study and characterize amorphous carbon-based coatings,
usually referred to as Diamond-Like Carbon (DLC).
We started with a broad study of the papers regarding this topic, about the properties of DLC coatings,
the different kinds of them (usually related to the different deposition methods) and the chance to change some properties by doping them.
This study was not only focused on the isolated DLC layer, but we looked also at the entire coating because
the interlayers, which may have different natures, are very important.
The characterization part was carried out on samples from different suppliers. An automotive company in the territory gave us these samples. These coating are usually used into the timing chain of an automotive engine and they’ve been deposited on a 40CrMoV20 steel, with the same properties of the one used in the engine.
The characterization activities include SEM analysis and Auger spectroscopy with “depth-profiling” to evaluate the microstructure and the chemical composition of the coatings, scratch-tests to evaluate the adhesion to the substrate, nanoindentations in order to find the micromechanical properties (hardness and elastic modulus), and tribotests on a pin-on-disc configuration, against both alumina and 100Cr6 steel, to find out the tribological behavior for different wear conditions.
The results also showed that the harder coatings are the one which usually wear the pin the most, while the coatings’ wear seems related also to the coefficient of friction of the pin-coating couple.
We verified how greater thermo-mechanical loads (high contact pressure and/or high sliding speed) help a graphitic tribolayer to form on the counterpart, which is very important because it tends to lower the coefficient of friction.
This tendency to graphitize is correlated to the hardness in a negative way, in fact, the harder coatings are more stable from a thermochemical point of view, but this has negative consequences on the tribological behavior because prevent the tribolayer to form on the counterpart.
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