Caracterização de filmes DLC com potencial de utilização em motores de combustão interna

Abstract

Resumo: A questão energética é uma das mais debatidas e importantes do fim do século XX e início do XXI. Importante não só momentaneamente, mas sim para o futuro de todo um sistema no qual está baseada a economia e civilização moderna. Trazendo esta realidade para o âmbito dos motores de combustão interna, a questão energética se traduz no aproveitamento do petróleo, ainda existente, e no aspecto ambiental com relação à poluição gerada como sub-produto de sua queima. Aprofundando-se no sistema denominado motor, observa-se que há grandes perdas mecânicas provenientes do atrito entre as partes móveis. Partindo deste contexto, onde as tendências dos novos projetos de motores de combustão interna são de otimizar o aproveitamento mecânico da máquina para poder obter um menor consumo de combustível e, em uma situação mais extrema, diminuição de cilindrada, o presente trabalho propõe um estudo que atue sobre as perdas mecânicas, mais especificamente sobre a diminuição do atrito. O desenvolvimento de novos materiais para elementos de máquinas, que não só diminuam o atrito, mas também aumentem a resistência mecânica e ao desgaste têm recebido grande atenção. Sendo a técnica de revestimento de peças com filmes finos de Diamond-like Carbon (DLC) uma das mais promissoras. O perímetro escolhido, juntamente com a empresa Renault S.A, foi o da utilização destes filmes em tuchos mecânicos de motor Diesel. A empresa HEF, tradicional fornecedora de filmes finos das mais diversas aplicações e composições, forneceu um revestimento que consistiu numa primeira camada de Si amorfo, também conhecido como a-Si:H (Si DLC), em uma segunda de DLC (a-C:H-Si) dopada com Si e numa última camada externa de DLC (a-C: H). As caracterizações realizadas foram as seguintes: - Identificação do teor de hidrogênio das amostras. - Espectrometria Raman, para identificação da natureza do filme. - Espessura e densidade do filme. - Nano-indentação: Curva dureza X Profundidade de Indentação. Módulo de Young. - Propriedades Tribológicas: Atrito. Desgaste. As respostas mais importantes são as de coeficiente de atrito e de desgaste. Pois, na aplicação real, estas serão as responsáveis diretas pelo comportamento do componente revestido. Contudo, as outras características são as que dão origem à variação do comportamento do atrito e desgaste de filme para filme. Foi encontrado um teor de hidrogênio de 21,90 %. A espectroscopia Raman revelou os picos D e G localizados a 1333 cm –1 e 1531 cm-1, caracterizando o espectro típico para um filme DLC. A espessura encontrada foi de 0,72 µm, com densidade de 1,80 g/cm3 e dureza variando entre 19 e 24 GPa, caracterizando o filme, segundo Robertson [9], como a-C:H duro. O coeficiente de atrito encontrado variou de 0,10 a 0,15 em condições de umidade relativa do ar de aproximadamente 60%, para uma carga de 10 N em deslizamento recíproco. Este valor quando comparado à literatura, revelou-se um baixo coeficiente de atrito para um filme DLC com 20% de hidrogênio na composição e condições semelhantes de ensaio e umidade ambiente.

Abstract: Energy is one of the most discussed and important issues at the end of the twentieth century and beginning of the twenty-first century. Far away from being momentary, its importance is for the future of an entire system, on which is based the economy and modern civilization. In the contest of internal combustion engines, the energy issue focus on the use of the remaining petroleum reserves and on the environmental aspect of the pollution generated as a by-product. Going deeper into an engine system, one can observe the great mechanical losses due to friction. In that matter, new projects on internal combustion engines tends to optimize the mechanical performance to reduce fuel consumption even in a more extreme situation, for example downsizing. This study intends to act on the mechanical losses, more specifically on friction reduction. Enormous attention has been given to the development of new machine element’s materials that not only reduce friction, but also increase mechanical resistance as well. The most promising technique is the use of Diamond-Like Carbon (DLC) Thin Coating. In cooperation with Renault, it was chosen the use of Diamond-Like Carbon (DLC) Thin Coating on Diesel engine’s Lifters. As a partner, HEF Company, a traditional industry on Thin Coating business, supplied a sample consisting of a first layer of amorphous Si (also known as a-Si:H or Si DLC), a second layer of DLC (a-C:H-Si) doped with Si and an external layer of DLC (a-C: H). The characterizations made on this sample were: - Hydrogen Amount Identification. - Raman Spectrometry, to identify the nature of the film. - Thickness and density of the film. - Nano-indentation. - Graph Hardness X Depth of Indentation. - Young’s Coefficient. - Tribology Properties. - Friction Coefficient: Wear. Fiction. The most important answers are the friction and the wear coefficient. That is because, in real applications, they are directly responsible for the performance of the covered component. Nevertheless, the other characteristics are the ones that generate different behaviors of the friction and the wear of the film. It was found a hydrogen concentration of 21,90%. The Raman Spectroscopy revealed the picks D and G located at 1333 cm -1 and 1531 cm-1, characterizing a typical DLC film spectrum. It was found a thickness of 0,70m, density of 1,80g/cm3 and hardness between 19 and 24Gpa, classifying the film as a-C:H hard, according to Robertson. The friction coefficient found was from 0,10 to 0,15 in an ambience with around 60% air relative humidity, for a 10N load in reciprocal sliding. According to existing literature, this value represents a low friction coefficient for a DLC film with a 20% hydrogen.