Tribological properties of CVD diamond coated ceramic surfaces

Abstract

Recent developments in chemical vapour deposited (CVD) diamond coatings have attracted considerable interest and a host of new applications, each more challenging than the others. This increased attention results from the fact that CVD diamond lms retain to a large extent the outstanding physical and chemical properties of natural single crystal diamond such as extreme hardness, chemical inertness and high corrosion resistance, optical transparency and high thermal conductivity. Diamond features also surprisingly low friction and high wear resistance in unlubricated sliding contacts. Moreover, as opposed to natural diamond where the friction and wear behaviour is highly dependent on crystal orientation, polycrystalline CVD diamond lms supersede the monocrystalline variety due to isotropic tribological properties and possibility of coating complex shapes.

Several materials have been tested and more or less successfully used as substrates for CVD diamond coatings. Nonetheless, satisfactory adherence of diamond coatings lms is often only attainable by the use of interlayers, in order to compensate for the large interfacial thermal expansion mismatch between the coating and substrate, which represent an additional processing step and added costs. A promising route will consist in using substrate materials with a low thermal expansion mismatch relative to that of diamond and, therefore, enhanced lm adhesion. Among these, the ceramic silicon nitride (Si3N4) arises as a serious candidate.

As a general rule, available literature regarding the tribological performance of CVD diamond coated Si3N4 lms is scarce, and the few available tribological data only deals with low applied loads. That being said, the correct tribological assessment of CVD diamond coated Si3N4 lms under more realistic sliding conditions, reproducing the stresses found in applications elds such as the uid handling and metalworking industry, as well as in emerging biotribological areas, is on the agenda.

In the present work, homologous tribological tests involving two distinct crystallinescale diamond coatings, namely microcrystalline diamond (MCD) and nanocrystalline diamond (NCD) coatings, were performed under unlubricated and water lubricated sliding conditions. The friction and wear behaviour of each diamond system was assessed using a reciprocating motion type geometry under moderated to high applied normal loads, reaching maximum values as high as 160 N in the case of lubricated MCD lms. In uence of grain size effects and surface pre-treatments of the substrate on the tribological performance of MCD and NCD coatings, respectively, has also been undertaken.

Several complementary characterisation techniques, including scanning electron microscopy, atomic force microscopy and micro-Raman studies, were used in order to assess the diamond quality, stress state, topography evolution of worn surfaces, wear resistance and prevailing wear mechanisms. The distinct friction regimes occurring for diamond-on-diamond dry sliding tests and condition for the delamination of the coating were also studied by the means of acoustic emission measurements.

The friction performance of the MCD coatings under dry sliding were characterised by very low steady-state friction coeficient values in the range 0:03 - 0:04, regardless of the applied load. Such exceptional atrituous behaviour under unlubricated conditions was accompanied by a high resistance to wear damage, with wear rates characteristic of mild to very mild wear regimes (10-8-10-7 mm3N-1m-1). The MCD water lubricated systems revealed even lower friction resistance (0.01 - 0.03), as well as a two-fold increase on the threshold load (150 N) prior to lm delamination under tribological stress.

The inherent lower surface roughness of the NCD lms was responsible for a marginally lower steady-state friction response (0.02 - 0.03) in relation to the MCD coatings, and showed to be independent of the nishing condition and substrate surface pre-treatments. Moreover, the moderate initial friction response occurring during the running-in period of accommodation between opposing MCD surfaces was greatly suppressed by the much lower starting surface roughness found in the NCD coatings. Similarly to what was observed in water lubricated MCD coatings, homologous pairs of NCD lms sliding in distilled water displayed an improved tribological performance characterised by a high resistance to wear damage (10-8 mm3N-1m-1) and higher threshold loads under tribological action, making them promising candidates for highly demanding tribological applications, namely in biotribology where their clinical use e.g. in total arthroplasty is a possibility.

Desenvolvimentos recentes na produção de revestimentos de diamante fazendo uso do processo de deposição química em fase de vapor (CVD), tem atraído um considerável interesse e dado corpo a um conjunto de novas aplicações, cada qual mais inovadora do que a anterior. Este crescente interesse resulta do facto do diamante CVD reter em larga medida as notáveis propriedades físicas e químicas do diamante natural, tais como: dureza extrema, elevada inércia química e resistência à corrosão, transparência óptica e uma elevada condutividade térmica. O diamante é ainda caracterizado por gerar níveis surpreendentemente baixos para o atrito e possuir uma elevada resistência ao desgaste, em situações de contacto não-lubrificado. Acresce o facto de que, contrariamente ao verificado no diamante natural em que as propriedades de atrito e desgaste dependem consideravelmente da orientação cristalográfica, os filmes policristalinos de diamante CVD suplantam a variedade monocristalina dada a isotropia das suas propriedades tribológicas e vantagem no revestimento de formas complexas.

Diferentes materiais têm vindo a ser testados e usados com algum sucesso como substratos na deposição de diamante CVD. Contudo, níveis de adesão satisfatórios são geralmente alancados apenas com o recurso a inter-camadas, com o propósito de minimizar as diferenças consideráveis entre os coeficientes de expansão térmica linear do substrato e revestimento. Representando, contudo, a utilização de inter-camadas um custo acrescido e etapas adicionais durante o processamento dos materiais. Um caminho alternativo e promissor passa pela utilização de substratos com propriedades de expansão térmica próximas da do diamante, aumentando assim consideravelmente os níveis de adesão. De entre potenciais escolhas, o nitreto de silício (Si3N4) assume-se como um forte candidato.

Regra geral, a literatura disponível sobre o desempenho tipológico de revestimentos de diamante CVD depositados em substratos de Si3N4 é escassa, acrescendo-se o facto de as poucas referências encontradas envolverem pressões de contacto baixas. Assim sendo, uma adequada avaliação do desempenho tribológico de substratos Si3N4 revestidos a diamante CVD, sob condições de deslizamento envolvendo pressões de contacto presentes em diversas aplicações tais como a indústria metalomecânica e transporte de fluidos, ou em áreas emergentes no campo da biotribologia, revela-se de grande importância. No presente trabalho foram efectuados ensaios tribológicos envolvendo pares homólogos de dois tipos distintos de revestimentos de diamante, nomeadamente o diamante microcristalino (MCD) e diamante nanocristalino (NCD), tendo o deslizamento ocorrido em regime não lubrificado e lubrificado com água. As propriedades de atrito e comportamento ao desgaste de ambos os tipos de diamante foram investigadas com recurso a ensaios tribológicos de movimento linear alternativo. Foram empregues valores moderados a elevados para a carga normal aplicada, atingindo-se um máximo de 160 N para os ensaios envolvendo MCD em meio lubrificado. A influência do tamanho de grão de diamante e pré-tratamentos superficiais do substrato cerâmico no comportamento tribológico dos revestimentos de MCD e NCD, respectivamente, foram também investigados. Diversas técnicas complementares de caracterização, incluindo microscopia electrónica de varrimento, microscopia de força atómica e espectroscopia de µ-Raman, foram empregues no estudo da qualidade do diamante, estado de tensão e evolução da topografia das superfícies desgastadas, resistência ao desgaste e mecanismos de desgaste predominantes. Os diferentes regimes de atrito presentes durante o deslizamento a seco de diamante-sobre-diamante e cargas críticas conducentes à delaminação dos revestimentos, foram também estudados com recurso à técnica de emissão acústica.

As propriedades de atrito a seco dos revestimentos de MCD foram caracterizados por valores muito baixos para o coeficiente de atrito, situando-se no intervalo 0.03 – 0.04 independentemente da carga aplicada. Este comportamento ao atrito excepcional na ausência de lubrificação foi acompanhado por uma elevada resistência ao desgaste, com taxas de desgaste características de regimes suave a muito suave (10-8 10-7 mm3N-1m-1). Os sistemas MCD lubrificados em água revelaram uma resistência ao atrito ainda mais baixa, com coeficientes de atrito no intervalo 0.01 – 0.03, bem como um acréscimo para o dobro na carga crítica (150 N) de delaminaçcão sob acção tribológica.

A menor rugosidade superficial, intrínseca dos limites de NCD, foi responsável por uma resposta ao atrito estacionário ligeiramente inferior (0.02 – 0.03) ao verificado nos revestimentos de MCD. Mostrou ainda ser independente do acabamento superficial e pré-tratamentos de superfície dos substratos. Acresce o facto de que o atrito moderado, observado durante o período inicial de acomodação de superfícies oponentes de MCD, revelou-se fortemente atenuado no caso do NCD, em resultado das muito mais suaves superfícies de partida destes últimos. De igual modo ao observado nos filmes de MCD lubrificados, os pares próprios de NCD lubrificados em água destilada denotaram uma melhoria do desempenho tribológico, sendo caracterizados por uma elevada resistência ao desgaste (10-8 mm3N-1m-1) e cargas críticas mais altas. Estes resultados fazem deles candidatos com elevado potencial para aplicações tribológicas exigentes, nomeadamente em biotribologia onde o seu uso clínico em por ex. atroplastia total torna-se uma possibilidade.