Title

COMBINING SCRATCH, WEAR, FRICTION AND NANOINDENTATION TESTS IN THE ASSESSMENT OF TRIBO-MECHANICAL PROPERTIES OF DLC AND DLC-Si FILMS

COMBINANDO ENSAIOS DE RISCAMENTO, DESGASTE, ATRITO E NANOINDENTAÇÃO NA AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES TRIBO‐MECÂNICAS DE FILMES DLC E DLC‐Si

Authorship

Damasceno, Jailton Carreteiro; Maru, Marcia Marie; Brenes, René Frank Vianna; Junior, Sérgio Álvaro de Souza Camargo; Achete, Carlos Alberto

Damasceno, Jailton Carreteiro

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Maru, Marcia Marie

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Brenes, René Frank Vianna

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Junior, Sérgio Álvaro de Souza Camargo

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Achete, Carlos Alberto

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DOI

10.5151/5463-5463-17309

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Abstract

This work addresses the evaluation of the tribo-mechanical performance of DLC and DLC-Si films deposited onto AISI 4340 steel by the use of a combination of tribological and mechanical tests. Polished AISI 4340 steel substrates were submitted to a plasma nitriding process prior to the deposition of DLC and DLC-Si thin films in a PECVD system using N2, CH4 and CH4 + 5 %v. SiH4 plasmas. Scratch test results showed higher critical load values for the DLC-Si films (8.7 N) when compared with DLC (5.3 N), indicating better adhesion to the substrate when Si is present in the DLC structure. Nanoindentation tests showed typical hardness values for DLC films (16 - 21 GPa) and lower hardness values for the DLC-Si films (13 - 15 GPa). Average friction coefficient was 0.13 for DLC films and 0.05 for the DLC-Si films, both much lower than the values found for the uncoated AISI 4340 steel (0.71), as expected. Wear rates obtained for DLC films (0.1x10-6 mm3/Nm) were lower than the ones found for DLC-Si films (0.47x10-6 mm3/Nm). Obtained data from scratch, wear, friction and nanoindentation tests are set together as a valuable tool for the study of thin films.

O presente trabalho aborda a avaliação do desempenho tribo-mecânico de filmes DLC e DLC-Si depositados sobre aço AISI 4340 por meio da utilização de uma combinação de ensaios de tribologia e mecânica. Substratos de aço AISI 4340 polidos foram submetidos a um processo de nitretação a plasma, antes da deposição de filmes DLC e DLC-Si em um sistema PECVD usando plasmas de N2, CH4 e CH4 + 5%v. SiH4. Resultados do teste de riscamento apresentaram valores de carga crítica maiores para os filmes DLC-Si (8,7 N) quando comparado com DLC (5,3 N), indicando uma melhor adesão ao substrato quando o Si está presente na estrutura do DLC. Testes de nanoindentação mostraram valores de dureza típicos para filmes DLC (16-21 GPa) e valores menores de dureza para os filmes DLC-Si (13-15 GPa). O coeficiente de atrito médio foi de 0,13 para os filmes DLC e 0,05 para os filmes DLC-Si, muito menor do que os valores encontrados para o aço AISI 4340 não revestido (0,71), conforme esperado. Taxas de desgaste obtidas para os filmes DLC (0,1x10-6 mm3/Nm) foram inferiores aos encontrados para filmes DLC-Si (0,47x10-6 mm3/Nm). Os dados obtidos a partir dos testes de riscamento, desgaste, atrito e nanoindentação são confrontados juntos servindo como uma valiosa ferramenta para o estudo dos filmes finos.

Keywords

Diamond-like carbon; Mechanical properties; Tribological properties.

Carbono do tipo diamante; Propriedades mecânicas; Propriedades tribologicas.