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Tese

Mechanical and temperature-dependent tribological behavior of CrN/DLC and multilayer DLC-W coatings for automobile engine applications (2022)

  • Authors:
  • Autor USP: KOLAWOLE, FUNSHO OLAITAN - EP
  • Unidade: EP
  • Sigla do Departamento: PMT
  • Subjects: FILMES FINOS; CARBONO; DIAMANTE; TUNGSTÊNIO
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Filmes DLC foram depositados em tuchos mecânicos de válvulas de motor à combustão interna, do veículo Ford modelo Ka 1.0, foram recobertos com filmes DLC. Dois tipos de deposição forma utilizados: DLC depositado sobre uma intercamada CrN de suporte mecânico ao DLC e DLC-W com intercamada de adesão rica em W e C. Esses filmes foram depositados em reator híbrido de Deposição Física de Vapor e Deposição Química de Vapor Assistido por Plasma (PECVD) O reator PVD/PECVD possui uma mesa planetária de 700 mm com movimento rotacional em torno de dois eixos. A caracterização da composição química, microestrutura e topografia dos revestimentos foi feita por meio de Espectroscopia de Fotoelétrons de Raios-X (XPS), Espectroscopia Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia de Energia Dispersiva (SEM/EDS), Microscopia de Força Atômica (AFM), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), Difração de Elétrons em Área Selecionada (SAED), Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDS) e Espectroscopia de Perda de Energia de Elétrons (EELS). As propriedades mecânicas dos revestimentos foram analisadas usando microindentação e nanoindentação para avaliar a tenacidade à fratura, dureza e módulo de elasticidade de ambos os revestimentos. As propriedades de adesão dos revestimentos ao substrato foram examinadas usando equipamento CETR-UMT Multi-Specimen Test System e Hysitron TI-950 TriboIndenter para ensaios de microesclerometria instrumentada e nanoesclerometria instrumentada, respectivamente. O ensaio de indentação Rockwell C foi usado para determinar a a adesão dos revestimentos ao substrato, de acordo com o padrão VDI 3198. Testes de desgaste reciprocante foram realizados para os tuchos de válvula revestidos com CrN/DLC e DLC-W e sem revestimento usando um dispositivo Optimol SRV® v4 com umaconfiguração de esfera no plano sob condições secas a 25 °C, 150 °C, 200 °C e 250 °C. A carga utilizada foi de 20 N por um tempo total de 30 min, 10 Hz de frequência e trajeto de 2 mm. O contracorpo utilizado foi uma esfera de aço AISI 52100. A Microscopia Eletrônica de Varredura foi usada para observar as marcas de desgaste, sulcos e crateras nos tuchos de válvula revestidos e não revestidos. A composição química das trilhas de desgaste foi analisada por espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS) integrada ao microscópio eletrônico de varredura, enquanto os volumes de desgaste foram medidos por perfilometria óptica 3D. Ambos os revestimentos CrN/DLC e DLC-W apresentaram boa adesão ao substrato metálico em micro e nanoescala. A faixa de variação dos coeficientes de atrito foi de 0,061 a 0,133 para o tucho de válvula, 0,045 a 0,11 para CrN/DLC e 0,049 a 0,12 para DLC-W. O teste Rockwell C mostrou um modo de falha de HF1 para o CrN/DLC e HF2 para o DLC-W, ambos dentro do modo de falha aceitável. O CrN/DLC teve uma melhor tenacidade à fratura em comparação com o DLC-W. Os valores de dureza medidos foram 11,04±1,91 GPa, 18,85±042 GPa e 9,88±1,76 GPa para o substrato, CrN/DLC e DLC-W, respectivamente, enquanto os módulos elásticos medidos foram de 199,79±4,31 GPa, 154,93± 3,21 GPa e 101,94±8,13 GPa para o substrato, CrN/DLC e DLC-W, respectivamente. Durante os testes de desgaste reciprocante, o coeficiente de atrito para o tucho de válvula sem revestimento aumentou de 0,82 para 1,37 a 25 °C para 250 °C, respectivamente. O revestimento CrN/DLC apresentou coeficientes de atrito de 0,18 a 25°C e 0,46 a250° C. O revestimento DLC-W apresentou coeficientes de atrito de 0,28 a 25 °C para 0,69 a 250 °C. O revestimento CrN/DLC apresentou as menores taxas de desgaste, ~0,53 x 10-5 mm3/N.m a 25°C e 6,2 x 10-5 mm3/N.m a 250 °C. A taxa de desgaste para o revestimento DLC-W foi de ~0,6 x 10-5 mm3/N.m e 23 x 10-5 mm3/N.m a 25 oC e 250 oC, respectivamente. Os resultados mostraram que o CrN/DLC apresentou excelente resistência ao desgaste em todas as temperaturas (25 °C, 150 °C, 200 °C e 250 °C), enquanto o DLC-W apresentou excelente resistência ao desgaste a 25 °C e 150 °C. Em temperaturas mais altas, 200 °C e 250 °C, as taxas de desgaste para DLC-W foram muito altas. Ambos os revestimentos CrN/DLC e DLC-W tiveram melhor resistência ao desgaste do que o tucho de válvula não revestido (substrato). Além disso, a dureza e os módulos elásticos da trilha de desgaste revelaram uma redução na dureza e nos módulos elásticos de CrN/DLC e DLC-W com o aumento da temperatura, o que corresponde a um aumento na relação ID/IG. O estudo implica em uma grande melhoria da resistência ao desgaste do tucho da válvula usando ambos os revestimentos CrN/DLC e DLC-W a 25 °C e 150 °C. Para temperaturas de 200 °C e 250 °C, apenas o sistema de revestimento CrN/DLC teve um bom desempenho.
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 20.09.2022
    • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      KOLAWOLE, Funsho Olaitan. Mechanical and temperature-dependent tribological behavior of CrN/DLC and multilayer DLC-W coatings for automobile engine applications. 2022. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2022. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-20072023-112112/. Acesso em: 28 dez. 2025.

    • APA

      Kolawole, F. O. (2022). Mechanical and temperature-dependent tribological behavior of CrN/DLC and multilayer DLC-W coatings for automobile engine applications (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-20072023-112112/

    • NLM

      Kolawole FO. Mechanical and temperature-dependent tribological behavior of CrN/DLC and multilayer DLC-W coatings for automobile engine applications [Internet]. 2022 ;[citado 2025 dez. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-20072023-112112/

    • Vancouver

      Kolawole FO. Mechanical and temperature-dependent tribological behavior of CrN/DLC and multilayer DLC-W coatings for automobile engine applications [Internet]. 2022 ;[citado 2025 dez. 28 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-20072023-112112/

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