Desarrollo de recubrimientos autolubricantes para mecanismos espaciales

BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO Curso: 2024-2025 Director: Muñoz Ugartemendia, Jone Director Tekniker: Quintana Fernández, Iban Estudiante: Martínez de Castilla Delgado, Claudia DESARROLLO DE RECUBRIMIENTOS AUTOLUBRICANTES PARA MECANISMOS ESPACIALES MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE MATERIALES AVANZADOS TRABAJO FIN DE MÁSTER Fecha: Bilbao, 1, Marzo, 2025 1 Laburpena Industria aeroespazialaren garapenak soluzio berritzaileak bilatzera eraman du, misio gero eta zorrotzagoen arrakasta eta fidagarritasuna bermatzeko. Erronka nagusietako bat eremu honetan, sistema tribologikoen iraunkortasuna da, osagai mekanikoen marruskadurak eta higadurak mekanismoen errendimendua arriskuan jar baitezakete espazioan. Diamon-like carbon (DLC) estaldurak etorkizun handiko alternatiba gisa sortu dira hutseko kondizioetan autogarbiketarako, marruskadura murriztuz eta espazioko inguruneetako transmisio-sistemen bizitza erabilgarria luzatuz. Lan hau 100Cr6 altzairuzko substratuetan aplikatzen diren DLC estaldura autolubrifikatzaileen garapenean eta karakterizazioan oinarritzen da, haien jarduera tribologikoa espazioko antzeko kondizioetan hobetzeko. Horretarako, hainbat fasetan egituratutako metodologia bat erabili da: estalduren karakterizazioa Raman espektroskopiaren bidez, gogortasuneta atxikitze-saiakuntzak, eta errendimendu tribologikoaren ebaluazioa huts-tribometro batean ball on disc probak eginez. Lortutako emaitzek aukera ematen dute estalduren konposizio kimikoaren, mikroegituraren eta portaera tribologikoaren arteko korrelazioak ezartzeko, eta tribofilm autolubrikatzaileak sortzea errazten duten parametro gakoak identifikatzen dira. Ikusi da DLC matrizean hidrogenoa agertzeak eragin zuzena duela haren propietate mekanikoetan eta tribologikoan. Zehazki, %40 inguruko hidrogeno-edukia duten estaldurek beren kabuz garbitzeko ahalmen handiagoa dute, eta errendimendu hobea aplikazio espazialetan. Hidrogeno gutxiago dutenek, berriz, erantzun kaskarragoa dute, marruskadura handiagoa eta hutseko higadurarekiko erresistentzia txikiagoa. Lortutako emaitzetatik abiatuta, osagai-mailako azterketekin jarraitzeko aukera irekitzen da, sistema errealetan duten bideragarritasuna ebaluatzeko eta etorkizuneko espazio-misioetan inplementatzeko. Hitz gakoak: Tribologia, Diamond-like carbon (DLC), autolubrizitatea, tribofilm, hutsa, PECVD. 2 Resumen El desarrollo de la industria aeroespacial ha llevado a la búsqueda de soluciones innovadoras para garantizar el éxito y la fiabilidad de misiones cada vez más exigentes. Uno de los principales desafíos en este ámbito es la durabilidad de los sistemas tribológicos, ya que la fricción y el desgaste de los componentes mecánicos pueden comprometer el rendimiento de los mecanismos en el espacio. Los recubrimientos Diamon-like carbon (DLC) han surgido como una alternativa prometedora para la autolubricación en condiciones de vacío, reduciendo la fricción y prolongando la vida útil de los sistemas de transmisión en entornos espaciales. Este trabajo se centra en el desarrollo y caracterización de recubrimientos autolubricantes DLC aplicados sobre sustratos de acero 100Cr6, con el objetivo de mejorar su desempeño tribológico en condiciones similares a las del espacio. Para ello, se ha seguido una metodología estructurada en varias fases, que incluyen la caracterización de los recubrimientos mediante espectroscopía Raman, ensayos de dureza y adhesión, y la evaluación de su rendimiento tribológico mediante pruebas ball on disc en un tribómetro de vacío. Los resultados obtenidos permiten establecer correlaciones entre la composición química, la microestructura y el comportamiento tribológico de los recubrimientos, identificando aquellos parámetros clave que favorecen la formación de tribofilms autolubricantes. Se ha observado que la presencia de hidrógeno en la matriz DLC influye directamente en sus propiedades mecánicas y tribológicas. En particular, los recubrimientos con un contenido de hidrógeno cercano al 40% muestran una mayor capacidad autolubricante y un mejor rendimiento en aplicaciones espaciales. En contraste, aquellos con menor contenido de hidrógeno presentan una respuesta menos favorable, con un incremento en la fricción y una menor resistencia al desgaste en vacío. A partir de los resultados obtenidos, se abre la posibilidad de continuar con estudios a nivel de componente, con el fin de evaluar su viabilidad en sistemas reales y avanzar hacia su implementación en futuras misiones espaciales. Palabras clave: Tribología, Diamond-like carbon (DLC), autolubricidad, tribofilm, vacío, PECVD. 3 Abstract The development of the aerospace industry has led to the search for innovative solutions to ensure the success and reliability of increasingly demanding missions. One of the main challenges in this field is the durability of tribological systems, as friction and wear of mechanical components can compromise the performance of mechanisms in space. Diamond-like carbon (DLC) coatings have emerged as a promising alternative for self-lubrication under vacuum conditions, reducing friction and extending the service life of transmission systems in space environments. This work focuses on the development and characterization of self-lubricating DLC coatings applied to 100Cr6 steel substrates, aiming to improve their tribological performance under space-like conditions. To achieve this, a structured methodology has been followed in several phases, including the characterization of the coatings using Raman spectroscopy, hardness and adhesion tests, and the evaluation of their tribological performance through ball-on-disc tests in a vacuum tribometer. The results obtained allow for the establishment of correlations between chemical composition, microstructure, and the tribological behavior of the coatings, identifying key parameters that promote the formation of self-lubricating tribofilms. It has been observed that the presence of hydrogen in the DLC matrix directly influences its mechanical and tribological properties. In particular, coatings with a hydrogen content close to 40% exhibit greater self-lubricating capability and better performance in space applications. In contrast, coatings with lower hydrogen content show a less favorable response, with increased friction and lower wear resistance under vacuum conditions. Based on the results obtained, further studies at the component level are proposed to evaluate the viability of these coatings in real systems and advance toward their implementation in future space missions. Keywords: Tribology, Diamond-like carbon (DLC), self-lubrication, tribofilm, vacuum, PECVD. 4 Glosario DLC Diamond-like carbon ODS Objetivos de Desarrollo Sostenible PECVD Deposición química de vapor asistida por plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) PVD Deposición física de vapor (Physical Vapor Deposition) SEM Microscopía electrónica de barrido (Scanning Electron Microscopy) Ra Rugosidad media aritmética Rz altura máxima de la rugosidad Sa rugosidad media real Sq rugosidad cuadrática media superficial COF Coeficiente de fricción LC Carga crítica E Módulo elástico Er Módulo reducido XPS Espectroscopía de fotoemisión de rayos X (X-ray Photoelectron Spectroscopy) H Dureza HV Dureza Vickers H/E Relación Dureza/modulo elástico UHV ultra alto vacío 5 Índice 1 MEMORIA ................................................................................................................................... 7 1.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 7 1.2 CONTEXTO .............................................................................................................................. 8 1.2.1 Motivación ..................................................................................................................... 8 1.2.2 Estado del arte ............................................................................................................... 9 1.2.3 Recubrimientos Diamond-like carbon (DLC) ................................................................ 11 1.3 OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO .................................................................................. 19 1.4 CONEXIÓN CON LOS OBJETIVOS DE DESARROLLO SOSTENIBLE Y LOS PRINCIPIOS Y VALORES DEMOCRÁTICOS ................................................................................................................ 24 1.5 BENEFICIOS Y APLICACIONES DEL ESTUDIO ......................................................................... 24 2 METODOLOGÍA ........................................................................................................................ 26 2.1 FASE 1. DEFINICIÓN DE REQUERIMIENTOS .......................................................................... 26 2.2 FASE 2. FABRICACIÓN DE LOS RECUBRIMIENTOS DLC ......................................................... 27 2.2.1 Deposición PECVD ........................................................................................................ 28 2.2.2 Propiedades de los recubrimientos ............................................................................. 29 2.3 FASE 3. CARACTERIZACIÓN BÁSICA ...................................................................................... 30 2.3.1 Espesor ......................................................................................................................... 30 2.3.2 Adhesión ...................................................................................................................... 31 2.3.3 Ensayo de indentación VDI 3198 ................................................................................. 31 2.3.4 Dureza .......................................................................................................................... 33 2.3.5 Composición química (%H) .......................................................................................... 33 2.3.6 Topografía y rugosidad ................................................................................................. 35 2.4 FASE 4. CARACTERIZACIÓN FUNCIONAL .............................................................................. 37 2.4.1 Ensayo tribológico perno sobre disco (ball on disc)..................................................... 37 2.4.2 Caracterización superficial final ................................................................................... 46 2.5 DIAGRAMA DE GANTT ......................................................................................................... 48 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................................................... 49 3.1 FASE 3. CARACTERIZACIÓN BÁSICA ...................................................................................... 49 3.1.1 Espesor ......................................................................................................................... 49 3.1.2 Adhesión ...................................................................................................................... 50 3.1.3 Dureza .......................................................................................................................... 53 6 3.1.4 Composición química (%H) .......................................................................................... 56 3.2 FASE 4. CARACTERIZACIÓN FUNCIONAL .............................................................................. 59 3.2.1 Ensayo tribológico, ball on disc .................................................................................... 59 3.2.2 Desgaste ....................................................................................................................... 65 3.2.3 Composición química ................................................................................................... 69 4 CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 74 5 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................... 76 1. MEMORIA 7 1 MEMORIA 1.1 INTRODUCCIÓN El desarrollo de la industria aeroespacial conlleva nuevas necesidades para asegurar el éxito de las misiones espaciales, que son cada vez más exigentes. Uno de los factores determinantes es el aumento de la duración de las misiones, inicialmente limitado por los componentes electrónicos. En las últimas décadas, el desarrollo y la mejora de los componentes auxiliares a la mecánica han revertido esta situación, convirtiendo a los sistemas tribológicos en el factor limitante de rendimiento y fiabilidad y, por lo tanto, en un nuevo objeto de interés. Para desarrollar tecnología aeroespacial, generalmente se sigue una estrategia basada en el uso de tecnología ‘‘probada en vuelo’’, es decir, componentes que ya han sido utilizados y validados con éxito en misiones anteriores. En los mecanismos aeroespaciales, se encuentran diversos elementos expuestos a fricción y desgaste. El fallo de estos componentes tribológicos puede resultar en la inutilización de partes clave de las aeronaves y el fracaso de misiones, generando pérdidas millonarias. Uno de los ejemplos más conocidos es el caso de la antena de alta ganancia de la nave espacial Galileo (1989). En abril de 1991, al intentar desplegar la antena principal (ver figura 1), esta quedó atascada a la mitad debido a un fallo en el mecanismo de despliegue. De las 18 varillas de soporte, 3 se atascaron debido a una combinación entre fricción y adhesión que generaron una soldadura en frío[1]. Para poder continuar la misión, fue necesario desarrollar un nuevo software de cielo y tierra, y mejorar las estaciones terrestres de la ‘‘Deep Space Network’’ de la NASA con el fin de utilizar la antena de baja ganancia[2]. (a) (b) Figura 1. a) Sonda espacial Galileo, 1983. b) Plano de la antena principal tras sufrir el fallo por soldadura en frío[3,4]. Una de las causas más comunes de anomalías, ya sean fatales o no, en aeronaves se deben a motivos tribológicos en sistemas rodantes. El fallo de los lubricantes puede llevar a un aumento de la 1. MEMORIA 8 fricción, como en el caso del satélite Earth Radiation Budget (ERBS) (ver figura 2), en el que no se pudo desplegar un panel solar[4]. Figura 2. Satélite de balance energético terrestre (ERBS) de la NASA en órbita[5]. La tribología trata de estudiar la fricción, el desgaste y la lubricación de componentes mecánicos con el objetivo de asegurar un rendimiento fiable, una larga vida útil de los componentes y regímenes de fricción bajos. Las aeronaves y satélites incluyen diversos tipos de componentes tribológicos con requisitos de lubricación específicos. Ademá, el entorno espacial supone unas exigencias para las que es necesario adaptar el enfoque tribológico, ya que pocos lubricantes son eficaces ante la combinación de alto vacío y temperaturas extremas. La tribología espacial es el subcampo que se encarga de anticipar y prevenir comportamientos incorrectos para que las misiones sean exitosas bajo las nuevas demandas[6]. 1.2 CONTEXTO 1.2.1 Motivación El avance significativo de la exploración espacial en las últimas décadas ha incrementado las demandas sobre los mecanismos espaciales. Los componentes tribológicos de los sistemas de trasmisión, como rodamientos y engranajes, deben soportar condiciones de trabajo extremas en el espacio a lo largo de las misiones. Como se ha mencionado anteriormente, los problemas tribológicos son una causa significativa de fallos en los mecanismos espaciales, ya que una vez que un mecanismo está operando en el espacio, no es posible reemplazarlo en caso de fallo. En algunos casos, las misiones espaciales pueden llegar a tener una duración de hasta treinta años, incluyendo pruebas en tierra, almacenamiento, operaciones espaciales, reentrada y retorno[7]. Es necesario, por lo tanto, asegurar la fiabilidad y durabilidad de los tribosistemas utilizados, siendo el lubricante un elemento crítico a estudiar y optimizar. En la Tierra, los lubricantes convencionales aseguran el correcto funcionamiento de los mecanismos al reducir la fricción y el desgaste. No obstante, en el espacio, estos lubricantes enfrentan otro tipo de limitaciones que ponen en riesgo misiones enteras. Por ello, es fundamental desarrollar y evaluar lubricantes que puedan ofrecer soluciones duraderas y eficaces en condiciones espaciales. Para considerar la aplicación de un lubricante en el espacio, este debe cumplir los siguientes requisitos: 1. MEMORIA 15 viscoplástica de los recubrimientos, que sigue la ley de Norton-Hoff, donde (Ɛ 󰇗) es la tasa de deformación y 𝑋 el exponente viscoplástico (ver ecuación 1). 𝐻 =𝐻0Ɛ󰇗𝑋 (1) La capacidad de relajación está relacionada con el porcentaje de hidrógeno (%H), variando el exponente viscoplástico entre 0,004 y 0,008 para contenidos en hidrógeno desde 24 al 42%. 1.2.3.2 Efectos ambientales Las condiciones ambientales que rodean el tribopar afectan gravemente a su rendimiento. Los recubrimientos DLC utilizados para aplicaciones tribológicas contienen entre un 20 y un 40% de hidrógeno, y sus coeficientes de fricción en ambiente inerte se encuentran entre 0,001 y 0,02, mientras que en aire húmedo entre 0,1 y 0,2 (ver figura 9). Figura 9. Coeficiente de fricción vs. ciclos de deslizamiento de tres recubrimientos en aire y en vacío bajo una carga de 5N con bolas de 100Cr6 de 7,14 mm de diámetro. Recubrimiento 1: 51% H, H= 8,7 GPa; recubrimiento 2: 49% H, H= 8,6 GPa; recubrimiento 3: 4% H, H= 13,9 GPa[15]. Los valores de coeficiente de fricción inferiores a 0,01 se categorizan como un estado de “superlubricidad”, cuyo mecanismo se activa únicamente en ambientes inertes. El fenómeno de la superlubricidad está vinculado con los átomos de hidrógeno que ocupan valencias insatisfechas, es decir, orbitales híbridos sp3 libres. En ambientes húmedos, este fenómeno se ve impedido por las moléculas de agua presentes, incrementando la fricción hasta diez veces. 1. MEMORIA 16 Otro mecanismo que afecta a la superlubricidad es la grafitización que ocurre en las zonas de contacto tribológico. Las interacciones mecánicas entre las intercaras deslizantes producen micrografitización en los microcontactos, afectando directamente a su rendimiento. El hidrógeno estabiliza los enlaces sp3, la liberación del hidrógeno potencia la transición de los enlaces metaestables tetraédricos en una estructura grafítica sp2. Fricción y desgaste en vacío: En este caso, los recubrimientos con mayor porcentaje de hidrógeno en su matriz verán más favorecidos los estados de superlubricidad, alcanzando los valores óptimos con un 40% de hidrógeno aproximadamente. El hidrógeno adsorbido en la matriz actúa como un depósito de lubricante. Durante el contacto tribológico, la fricción aumenta la temperatura, favoreciendo la difusión del hidrógeno. Como consecuencia de esta difusión, la fricción inicial se reduce; sin embargo, a medida que el hidrógeno se agota, la fricción aumenta nuevamente. Este incremento de la fricción, junto con la posible formación de enlaces colgantes en la superficie (ver figura 10), contribuye a un incremento significativo del desgaste del material. (a) (b) Figura 10. a) Red cristalina con valencias insatisfechas (danglin bonds). b)Diagrama de bandas energéticas de un carbono insatisfecho [16]. Fricción y desgaste en aire Los recubrimientos DLC son sensibles a elementos oxidantes como el vapor de agua y el oxígeno, lo que incrementa los valores de fricción hasta 0,2 en tribopares DLC/acero. Se cree que ambos elementos se adsorben en la superficie. Por otra parte, también se ha reportado con frecuencia la formación de una capa de transferencia de naturaleza carbonácea que, además de reducir la fricción, también disminuye el desgaste tanto del recubrimiento como de la contrasuperficie[10]. 1.2.3.3 Caracterización tribológica Para obtener información sobre el rendimiento de tribocomponentes y mecanismos tribológicos, existen técnicas desarrolladas que permiten obtener información en un tiempo y costo menores (ensayos acelerados) que los requeridos en un ensayo de campo involucrando componentes reales. 1. MEMORIA 17 El factor limitante de estas pruebas es relacionar la información que proporcionan con el rendimiento de los sistemas en servicio. Sin embargo, las pruebas aceleradas permiten modificar variables como la velocidad, temperatura, presión de contacto, aumento de presión y contaminación, que no son fáciles de modificar en mecanismos reales[12]. Siguiendo las orientaciones de la Agencia Espacial Europea (ESA), hay tres niveles de escalado para este tipo de pruebas (ver tabla 2). Pruebas a nivel de tribómetro: se utilizan para obtener datos comparativos de fricción y desgaste. Pruebas a nivel de componentes: sirven para validar un componente de un mecanismo espacial antes de ser usado. Estas pruebas deben contemplar situaciones representativas de la aplicación de vuelo. Pruebas a nivel de mecanismo: incluyen condiciones que simulan el entorno espacial, temperaturas extremas, vacío, etc. Tabla 2. Jerarquía de pruebas tribológicas de la Agencia Espacial Europea (ESA)[17]. Nivel de la prueba Elementos de la prueba Medidas de la prueba Tribómetro Pin/ball on disc Cilindros cruzados 4 bolas Dos discos Coeficiente de fricción y tasas de desgaste Componente Rodamientos Engranajes Tornillos Anillos rozantes, cepillos Superficies de separación Superficies de impacto Torque y vida; Eficiencia, holgura y vida Toque, eficiencia y vida Par, vida útil de las escobillas, resistencia de contacto Fuerzas de separación Adhesión Mecanismo Acondicionamiento de paneles solares Mecanismos de señalización Escáneres Ruedas Actuadores y accionamientos Dispositivos de suministro Dispositivos de separación Dispositivos de giro Mecanismos de sujeción y liberación Cerraduras Dispositivos de bloqueo Ruido del anillo deslizante, resistencia de contacto, par de reacción, potencia de entrada. Precisión de apuntamiento, holgura, margen de par, potencia de entrada. Potencia de entrada, posición, velocidad, margen del par. Potencia de entrada, velocidad, margen del par. Corriente del motor, tiempo de despegue, margen de fuerza/par, posición. En el análisis de rodamientos destinados a aplicaciones espaciales, siguiendo la jerarquía propuesta por la ESA, los ensayos tribológicos comienzan a nivel de tribómetro. Estos ensayos permiten obtener datos comparativos de fricción y desgaste en condiciones controladas y reproducibles. Posteriormente, se realizan las pruebas a nivel de componente, en las que se valida el 1. MEMORIA 18 rendimiento de los rodamientos en un entorno que simula las condiciones operativas específicas de un mecanismo espacial (ver figura 11). Figura 11. Sistema de medida de par[15]. Finalmente, se llevan a cabo pruebas a nivel de mecanismo, donde se prueban los rodamientos completos en condiciones lo más próximas posibles al entorno espacial para asegurar su funcionamiento y durabilidad. Este proceso de escalado puede incluir pasos intermedios para aportar más información si la aplicación final lo requiere. A pesar de los avances obtenidos durante las últimas décadas en el conocimiento de la tribología que gobierna los recubrimientos DLC, existe la necesidad de ampliar conocimientos acerca de su rendimiento tribológico en vacío en función de sus características microestructurales y la configuración de ensayo considerada. Dicho conocimiento permitirá establecer una guía de diseño y desarrollo de lubricantes sólidos DLC ad-hoc para ser usados en sistemas de transmisión característicos de mecanismos espaciales. Como se ha descrito anteriormente, dentro del abanico de componentes de transmisión involucrados tradicionalmente en dichos mecanismos (rodamientos, engranajes y multiplicadoras), los rodamientos son los más estudiados en la bibliografía. Es por ello que, en el presente trabajo, se aborde el estudio exhaustivo de la influencia de las propiedades intrínsecas de recubrimientos DLC depositados sobre acero de rodamientos, como es el caso del acero 100Cr6. En este sentido, se estudiará en detalle la respuesta tribológica de los tribosistemas seleccionados bajo una configuración ball on disc en un entorno de vacío. A partir de los resultados obtenidos en el presente trabajo, se abre la puerta a procesos de diseño y desarrollo de DLCs que puedan ser testeados directamente en la segunda fase de validación: Rendimiento de componente (rodamiento), acelerando el proceso de desarrollo[17]. 1. MEMORIA 19 1.3 OBJETIVOS Y ALCANCE DEL TRABAJO El objetivo de esta investigación es estudiar el comportamiento de diversos recubrimientos sólidos tipo DLC de bajo condiciones ambientales que simulan a pequeña escala el entorno espacial. Se enfoca en la documentación y comprensión de los mecanismos autolubricantes intrínsecos que gobiernan el comportamiento de estos recubrimientos. FASE 1 (F1)-ADQUISICIÓN DE CONOCIMIENTOS Periodo de actividad: 17/06/2024-30/09/2024 O1: Adquirir y consolidar conocimientos teóricos sobre los recubrimientos propuestos para los ensayos, incluyendo su caracterización básica, los ensayos tribológicos y las metodologías relevantes. Tarea 1.1-Revisión de literatura. Inicio y Fin: 17/06/2024-28/06/2024 Búsqueda y análisis de recursos bibliográficos sobre recubrimientos DLC y su comportamiento tribológico en diferentes sistemas. Se identificarán las técnicas y metodologías más comunes empleadas en bibliografía en estudios previos de naturaleza similar. Tarea 1.2-Propuesta de planificación y matriz de ensayos. Inicio y Fin: 17/06/2024-30/07/2024 Organización general de las tareas y ensayos a realizar en función de las probetas disponibles y puesta en común con el responsable del proyecto. Tarea 1.3-Puesta a punto del equipo tribológico. Inicio y Fin: 01/07/2024-30/09/2024 Ajuste y calibración del equipo tribológico para asegurar su correcto funcionamiento. Esto incluye la verificación de los parámetros operativos, la realización de pruebas preliminares y la resolución de cualquier problema técnico que pueda surgir. Tarea 1.4-Presentación del contenido del TFM: Desarrollo de recubrimientos autolubricantes para mecanismos espaciales. Inicio y Fin: 15/07/2024 Exposición del contenido del proyecto a presentación a los responsables de la unidad de tribología. Incluye la motivación del TFM, el estado del arte, los Gaps de investigación, los retos, la metodología básica, la matriz de ensayos tribológicos, los resultados esperados, los riesgos y medidas de contingencia, y el diagrama de Gantt. Hito 1.1: Estructura de trabajo identificada. Hito 1.2: Equipo tribológico ajustado y calibrado. 1. MEMORIA 20 FASE 2 (F2)-DEFINICIÓN DEL PLAN DE TRABAJO Periodo de actividad: 16/09/2024-15/10/2024 O2: Establecer un plan detallado a seguir de todas las tareas y ensayos del proyecto, asegurando una organización eficiente y una clara asignación de recursos y responsabilidades. Tarea 2.1.-Selección de la metodología y definición de objetivos específicos. Inicio y Fin: 16/09/2024-15/10/2024 Identificar y evaluar las metodologías más apropiadas para los ensayos y tareas del proyecto, asegurando que se adapten a las necesidades específicas del estudio. Esto incluye revisar la literatura existente y considerar las mejores prácticas en el campo. Además, identificar y detallar los objetivos específicos que se desean alcanzar con cada ensayo y tarea del proyecto, estableciendo los resultados esperados y los criterios de éxito para cada actividad. Hito 2.1: Técnicas de caracterización y condiciones de ensayo tribológico seleccionados. FASE 3 (F3)-CARACTERIZACIÓN BÁSICA DE LOS RECUBRIMIENTOS DLC Periodo de actividad: 13/06/2024-15/01/2025 O3: Evaluar las propiedades fundamentales de los recubrimientos DLC mediante su caracterización básica. Esta fase es crucial para comprender las características intrínsecas de los recubrimientos y determinar su idoneidad para aplicaciones tribológicas en condiciones de vacío espacial. OE: Establecer una base de datos detallada de las propiedades de los recubrimientos que permita compararlas antes y después de los ensayos tribológicos. Tarea 3.1.-Análisis del espesor. Inicio y Fin: 19/01/2024 Medición del espesor de los recubrimientos DLC utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM). Esta técnica permite obtener información precisa del espesor, proporcionando información crucial sobre la adecuación del recubrimiento para aplicaciones específicas. La medida se realiza sobre un testigo de silicio. Tarea 3.2.-Análisis de adhesión. Inicio y Fin: 13/06/2024-15/01/2025 Evaluación de la adherencia del recubrimiento DLC al sustrato de 100Cr6 mediante pruebas de rayado (scratch test) y nanoindentación (rockwell test). Esta prueba mide la fuerza necesaria para desprender el recubrimiento, proporcionando datos sobre la calidad de la unión adhesiva entre el recubrimiento y el sustrato. Tarea 3.3.-Análisis de dureza. Inicio y Fin: 13/06/2024-15/01/2025 1. MEMORIA 21 FASE 3 (F3)-CARACTERIZACIÓN BÁSICA DE LOS RECUBRIMIENTOS DLC Periodo de actividad: 13/06/2024-15/01/2025 Determinación de la dureza del recubrimiento DLC mediante nanoindentación. Esta prueba mide la resistencia del recubrimiento a la deformación permanente bajo una carga aplicada, proporcionando información sobre su capacidad para resistir el desgaste y la abrasión. Tarea 3.4.-Análisis de composición química. Inicio y Fin: 13/06/2024-22/07/2024 La espectroscopía Raman constituye la técnica empleada para analizar la composición química de los recubrimientos. El análisis de datos se centra en el ajuste de las bandas D y G del espectro mediante deconvolución, lo que permite conocer el contenido de hidrógeno y el grado de hibridación de la matriz. Tarea 3.5.-Análisis topográfico. Inicio y Fin: 23/09/2024-27/09/2024 El análisis topográfico de los recubrimientos se realiza utilizando microscopía confocal y rugosimetría para caracterizar la morfología y rugosidad (Ra) de la superficie. Estas técnicas permiten evaluar la uniformidad del recubrimiento y detectar posibles defectos o irregularidades que puedan influir en su desempeño tribológico. SubTarea 3.2.1. Unificación de resultados. Integración de los datos obtenidos de las diferentes tareas de caracterización para establecer una visión completa y coherente de las propiedades de los recubrimientos DLC. Este análisis conjunto permitirá identificar correlaciones entre el espesor, la adherencia, la dureza, la composición química y la topografía. Este análisis de resultados servirá como referencia para su comparación con los datos obtenidos tras los ensayos tribológicos. Hito 3.1: Finalización de la caracterización básica de los recubrimientos. Hito 3.2: Integración y consolidación de los resultados obtenidos. 1. MEMORIA 22 FASE 4 (F4)-EVALUACIÓN TRIBOLÓGICA Y CARACTERIZACIÓN POST-ENSAYO Periodo de actividad: 07/10/2024-31/12/2024 O4: Evaluar el comportamiento tribológico de los recubrimientos DLC mediante ensayos ball on disc en distintas condiciones y caracterizar las probetas ensayadas para identificar los cambios inducidos en sus propiedades intrínsecas y topografía. Este análisis permitirá establecer correlaciones entre las condiciones de ensayo y el desempeño del mecanismo autolubricante de los recubrimientos. Tarea 4.1.-Ensayo tribológico. Inicio y Fin: 04/10/2024-13/12/2024 Realización de ensayos ball on disc en el tribómetro de vacío RTec MVT-2 para evaluar el comportamiento tribológico de los recubrimientos DLC en distintas condiciones. Durante estos ensayos, se registrarán parámetros clave como el coeficiente de fricción en función del tiempo entre otros. SubTarea 4.2.1. Configuración de parámetros de ensayo. Configuración del tribómetro mediante la introducción de los parámetros tribológicos específicos para cada receta de ensayo. Esta subtarea incluye la selección y ajuste de variables como carga normal, velocidad de deslizamiento, tipo de movimiento, duración del ensayo y presión de vacío, asegurando que las condiciones replican con exactitud el entorno operativo previsto para cada recubrimiento DLC. SubTarea 4.2.2. Análisis de parámetros de salida del ensayo. Evaluación de los datos generados por el tribómetro durante el ensayo ball on disc. Este análisis permite identificar posibles irregularidades o desviaciones que puedan requerir la repetición del ensayo bajo condiciones ajustadas. Tarea 4.2.-Caracterización post-ensayo. Inicio y Fin: 07/10/2024-31/12/2024 Análisis de las probetas ensayadas para identificar los cambios producidos en sus propiedades superficiales y estructurales como consecuencia del contacto tribológico. Se emplearán técnicas como microscopía confocal, espectroscopía Raman y SEM para evaluar la morfología y tasa de desgaste, las alteraciones químicas y los posibles cambios en la adherencia y dureza. Hito 4.1: Realización y validación de los ensayos tribológicos. Hito 4.2: Caracterización y análisis de las probetas ensayadas. 1. MEMORIA 23 FASE 5 (F5)-ANÁLISIS DE DATOS Y CONCLUSIONES Periodo de actividad: 07/01/2025-15/02/2025 O5: Analizar los resultados obtenidos en las fases anteriores y extraer conclusiones sobre el comportamiento tribológico de los recubrimientos DLC. OE: Redactar el documento entregable que unifica todas las fases del proyecto. Tarea 5.1.-Tratamiento de datos Inicio y Fin: 07/01/2025-10/02/2025 Recopilación y análisis de todos los datos obtenidos durante las fases anteriores. En primer lugar, se realizará un procesamiento y análisis de los datos generados por el tribómetro durante los ensayos ball on disc. Se utilizarán herramientas de software específicas para el análisis de datos tribológicos. Se realizará un análisis de los resultados de los ensayos tribológicos y de las caracterizaciones post-ensayo para identificar tendencias y correlaciones significativas. Este análisis permitirá evaluar la eficacia del mecanismo autolubricante de los recubrimientos DLC bajo diferentes condiciones de ensayo. SubTarea 5.2.1. Visualización de datos Creación de gráficos y visualizaciones que faciliten la interpretación de los resultados. Estas visualizaciones ayudarán a identificar patrones y a comunicar los hallazgos de manera clara y efectiva. Tarea 5.2.- Correcciones y revisión final Inicio y Fin: 15/01/2025-15/02/2025 Revisión y corrección de todos los capítulos del trabajo, asegurando que los datos y las conclusiones estén correctamente presentados y documentados. Esta tarea incluye la revisión de la redacción, la corrección de errores tipográficos y gramaticales, y la verificación de la coherencia y cohesión del documento. Hito 5.1: Finalización del tratamiento de datos y generación de visualizaciones. Hito 5.2: Finalizar la revisión y corrección de todos los capítulos del trabajo, asegurando que el documento esté listo para su entrega. 1. MEMORIA 24 1.4 CONEXIÓN CON LOS OBJETIVOS DE DESARROLLO SOSTENIBLE Y LOS PRINCIPIOS Y VALORES DEMOCRÁTICOS A continuación, se expone cómo este trabajo se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), evidenciando su contribución a la innovación, eficiencia y sostenibilidad en aplicaciones aeroespaciales (ver figura 12). (a) (b) Figura 12. a) Objetivo de desarrollo sostenible 7: Energía asequible y no contaminante. b) Objetivo de desarrollo sostenible 9: Industria, innovación e infraestructura[18]. El presente TFM, centrado en la optimización de recubrimientos DLC para sistemas aeroespaciales, responde a la necesidad de desarrollar tecnologías que aumenten la durabilidad y el rendimiento de componentes críticos en condiciones extremas. En este sentido, el estudio se relaciona directamente con el ODS 9 (Industria, innovación e infraestructura), al fomentar el desarrollo de materiales avanzados que potencien la eficiencia y resiliencia de infraestructuras tecnológicas. Finalmente, la aplicación de estos recubrimientos en entornos de alta exigencia y la mejora en la eficiencia operativa de los sistemas también inciden en el ODS 7 (Energía asequible y no contaminante), al optimizar el rendimiento energético y reducir pérdidas. En conjunto, la investigación presentada en este TFM no solo aporta avances técnicos, sino que también se integra en una visión más amplia de sostenibilidad y responsabilidad social en el ámbito tecnológico[18]. 1.5 BENEFICIOS Y APLICACIONES DEL ESTUDIO La investigación se llevará a cabo con el objetivo de generar conocimientos sobre el rendimiento de los recubrimientos DLC en mecanismos rodantes utilizados en aplicaciones en aeroespaciales. Si bien este campo lleva décadas estudiándose, es necesario comprender la respuesta tribológica de los DLC depositados sobre 100Cr6 bajo las condiciones a las que se exponen durante las misiones espaciales, para completar el conocimiento sobre rodamientos. Este estudio se focaliza en su comportamiento en vacío y en ambiente terrestre, realizando una comparativa de la respuesta tribológica de varios tipos de recubrimientos DLC en ambos medios. Con esto, se podrán establecer relaciones entre parámetros de ensayo, propiedades clave y rendimiento, fundamentando su comportamiento con la base bibliográfica existente. Completaremos información dentro de un entorno controlado sobre lagunas actuales, aplicándola a los recubrimientos DLC que se producen dentro de Tekniker. Durante el proceso, se desarrollará una metodología de caracterización que sirva como base para futuras investigaciones. 2. METODOLOGÍA 31 2.3.2 Adhesión Para verificar que los recubrimientos están adheridos correctamente al sustrato, se lleva a cabo un control de calidad compuesto por dos ensayos: un ensayo de indentación según la norma VDI 3198 y un ensayo de rayado (scratch test). 2.3.3 Ensayo de indentación VDI 3198 Se trata de un ensayo destructivo basado en la indentación Rockwell C, que sigue la norma VDI 3198, con el que se evalúa la fragilidad y cohesión del recubrimiento. Un indentador cónico de diamante (ver figura 16) penetra la superficie del recubrimiento siguiendo la regla de indentación 1/10, por la cual el grosor de la probeta debe superar 10 veces la profundidad de la indentación, evitando la influencia del sustrato en el valor del parámetro medido. El tipo y el volumen de la zona del fallo muestran tanto la fragilidad como la adhesión del recubrimiento. Los recubrimientos adheridos correctamente son capaces de soportar las tensiones de cizallamiento aplicadas y así evitar delaminaciones y microfisuración. La escala de desprendimiento del recubrimiento se clasifica en 6 niveles (ver figura 16): Figura 16. Principio del ensayo de indentación VDI 3198[22]. HF 1: Microfisuras menores y ausencia de delaminación. HF 2: Microfisuración significativa y ausencia de delaminación. HF 3: Microfisuración significativa y delaminación menor. HF 4: Microfisuración y delaminación significativas en la zona microfisurada. HF 5: Microfisuración significativa y delaminación que se extiende más allá de la región de microfisuración. HF 6: Delaminación en toda la circunferencia. 2. METODOLOGÍA 32 La medida se realiza en tres puntos aplicando una carga de 150 Kgf. Se observan cualitativamente los bordes de la indentación para catalogar el grado de desprendimiento del recubrimiento[22]. 2.3.3.1 Ensayo de rayado (scratch) El scratch test es una técnica destructiva ampliamente utilizada en industria para evaluar la calidad de la unión adhesiva del sustrato-recubrimiento y orientar sobre el tipo de fallo que puede experimentar durante el ensayo tribológico El ensayo consiste en aplicar una carga progresivamente creciente con un indentador con la punta de diamante que se desplaza sobre la superficie del recubrimiento hasta que se alcanza un valor de carga crítica (Lc) en el que se produce un evento definido de fallo. Se relaciona cualitativamente la carga crítica con el fallo con pérdida de adhesión, que puede ser frágil o dúctil. En los fallos de tipo frágil (ver figura 17) la adhesión del recubrimiento al sustrato es pobre, se trata de matrices con alto nivel de estrés residual. Figura 17. Modos de fractura frágil[23]. Por otra parte, los recubrimientos que presentan fallo dúctil son muy similares, con áreas de grietas más pequeñas, regiones pequeñas astilladas o desconchadas y otros fenómenos derivados (ver figura 18). Figura 18. Modos de fractura dúctil[23]. 2. METODOLOGÍA 33 El rasgado del ensayo se ha realizado con una punta de diamante de radio 0,2 mm insertada en un cono de ángulo 120°. Se aplica a lo largo de 6 mm una carga incremental de 1 N a 125 N a una velocidad de 3 mm/min. Posteriormente, se toma una imagen con un microscopio electrónico y se analiza cualitativamente el surco producido para determinar el fallo[23]. 2.3.4 Dureza La medida de la dureza y el módulo reducido de Young de los recubrimientos de capa fina se realiza mediante nanoindentación, una técnica destructiva que consiste en la aplicación de una carga controlada a un indentador de diamante que penetra en el recubrimiento. La respuesta del recubrimiento a la carga aplicada queda registrada y permite obtener una curva de cargadesplazamiento, que se descompone en fase de carga y fase de descarga. La dureza se calcula a partir de la relación entre la carga y el área de la impresión, mientras que el módulo reducido de Young se calcula únicamente a partir de la fase de descarga. La medida de la dureza ha sido realizada en IMDEA Materials, un centro externo, con un nanoindentador de la empresa HYSITRON, modelo Hysitron Triboindenter TI950. En cada recubrimiento se seleccionan 6 zonas, asegurando la representatividad de los resultados. Estas zonas se encuentran alejadas de bordes para evitar su influencia en la dureza y dejando libre la zona reservada para los ensayos tribológicos (ver figura 19). (a) (b) Figura 19. a) Esquema de la matriz de indentación seleccionada. b) Probeta real utilizada para ensayo de nanoindentación. Imagen propia. La superficie sombreada en verde indica el área de actuación de la bola en los ensayos tribológicos. Se aplican ciclos de carga, espera y descarga con una duración de 10, 5 y 2 segundos, respectivamente. La carga es aplicada teniendo en cuenta las propiedades de los recubrimientos y su espesor, asegurando no penetrar más del 10% del espesor del recubrimiento para evitar la influencia del sustrato en la medida[24]. 2.3.5 Composición química (%H) La microscopía Raman es una técnica rápida y no destructiva que se utiliza para caracterizar materiales de carbono y, por lo tanto, recubrimientos DLC. Esta técnica no es capaz de proporcionar información sobre los parámetros de enlace de los DLC como la densidad, la fracción sp3 y el contenido de hidrógeno, pero es sensible a la configuración de enlaces sp2 que aparecen en la matriz 2. METODOLOGÍA 34 de los recubrimientos con varios grados de ordenación, formando desde grafito microcristalino hasta carbono vidrioso. Los espectros resultantes de analizar recubrimientos DLC siempre muestran dos picos correspondientes a los dos modos vibracionales predominantes en su matriz. Pico/modo (G): aparece entre los 1.560 y 1.600 cm-1 dependiendo de la composición de la matriz. Se asocia a las vibraciones de los átomos de carbono en estructuras hexagonales cristalinas (ver figura 20.a). Se le atribuye una simetría degenerada E2g, que significa que su vibración ocurre dentro del plano de la capa hexagonal. Este pico aparece en todos los carbonos y, por lo tanto, es necesario derivar de él toda la información posible antes de seguir con el análisis. Cuanto más disperso se encuentre, mayor será el desorden topológico de la matriz y aparecerá en longitudes de onda incluso mayores que 1.600 cm-1. Pico/modo (D): también conocido como modo respiratorio, se encuentra sobre los 1.350 cm1. Está relacionado con la presencia de defectos o desorden en la matriz y a la simetría A1g (ver figura 20.b), la cual implica vibraciones fuera del plano en las cuales los anillos se contraen y se expanden de forma similar a una respiración. (a) (b) Figura 20. a) Modo de vibración E2g.b) Modo de vibración “respiratorio” A1g[25]. Ambos picos están relacionados con procesos resonantes de las hibridaciones sp2 y la intensidad relativa de las bandas con el contenido sp3. La introducción de hidrógeno en la matriz del DLC permite un enlace sigma (frontal) entre carbonos sp2 y sp3 (C-C sp3 + C-H sp3) (ver figura 21). Esto hace que sólo sea necesario una única longitud de onda Raman para estimar el contenido de hidrógeno y sp3. Figura 21. Tipos de hibridación del enlace sp3 posibles en la matriz del recubrimiento DLC. Imagen propia. El cálculo del contenido de hidrógeno se realiza mediante el tratamiento del espectro Raman. Primero, se traza una línea base en el intervalo 1.000 cm-1 a 1.800 cm-1 para calcular su pendiente. Después, se aplica un filtrado con un suavizado Savitzky-Golay y se obtiene la intensidad de la banda G (IG) mediante una deconvolución gaussiana y se traza la pendiente (m) de los picos D y G. Finalmente, el porcentaje de hidrógeno se calcula utilizando la ecuación empírica 2: 2. METODOLOGÍA 35 𝐻(%)=21,7+16,6.𝑙𝑜𝑔[𝑚 𝐼𝐺(µ𝑚)] (2) Empleando la relación de intensidad de los picos D y G (ID/IG) es posible asociar esos valores a la cantidad de hibridación sp3 presente, resultando una relación inversamente proporcional. De forma que cuanto menor es (ID/IG), mayor es el contenido de sp3. Por otra parte, es posible que dos recubrimientos con el mismo contenido de sp3 y porcentaje de hidrógeno, tengan propiedades ópticas y electrónicas diferentes porque difieran en la agrupación sp2, orientación sp2 o nanoestructura transversal. Los análisis Raman han sido realizados en IMDEA empleando un láser de argón operando a 10 mW en una longitud de onda de 532 nm. Dado que los recubrimientos DLC son sensibles a la temperatura y pueden experimentar cambios en su matriz si se exponen a condiciones muy agresivas. Por esto, es de vital importancia controlar la intensidad del láser evitar sobrecalentar y descomponer las muestras[25]. 2.3.6 Topografía y rugosidad El término topografía superficial se define como la estructura global de la superficie de un objeto. El interés en controlarla y medirla se debe a su influencia en las propiedades tribológicas. Los recubrimientos de capa fina reproducen la superficie del sustrato sobre la que se depositan, y tanto la orientación topográfica como la rugosidad afectan sobre la fricción y el desgaste del sistema tribológico. Es fundamental considerar las propiedades y características superficiales del sistema tribológico que se está simulando para lograr una mayor aproximación a la realidad. En contactos en seco, generalmente se produce un aumento de la fricción con la disminución de la rugosidad. Además, el desgaste aumenta en superficies con mayor rugosidad, ya que las asperezas que forman parte de la superficie experimentan deformaciones plásticas y elásticas que influyen el área real de contacto tribológico[26]. El perfil superficial se obtiene midiendo una línea a través de la superficie con un palpador (ver figura 22). Figura 22. Ejemplo de la medida de un perfil. El perfil superficial está compuesto por numerosos parámetros que se emplean para medir la rugosidad, de los cuales se van a medir únicamente el Ra y el Rz. La rugosidad media aritmética (Ra) 2. METODOLOGÍA 36 es el promedio de las desviaciones absolutas respecto a la línea de media del perfil. La altura máxima de la rugosidad (Rz) corresponde a la media aritmética del pico más alto y el valle más profundo[27]. Este parámetro proporciona una medida representativa de la irregularidad de la superficie (ver figura 23). Figura 23. Representación de los parámetros Ra y Rz en un perfil de superficie[27]. En los recubrimientos DLC, la rugosidad influye directamente a los mecanismos de desgaste. En la industria, los métodos de producción afectan al acabado superficial. Los rodamientos de 100Cr6 para sistemas rodantes aeroespaciales tienen un Ra entre 0,09 µm y 0,16 µm, este efecto se consigue puliendo los discos de 100Cr6 con una lija de 400. Las medidas de rugosidad se hacen con un rugosímetro Perthometer M2 de Mahr. Para el cálculo de los valores Ra, el equipo sigue las normas DIN EN ISO 4288 y DIN EN ISO 4287. La primera medida con el rugosímetro se realiza tras el pulido para controlar la calidad del acabado superficial del sustrato y valorar su aptitud para la deposición PECVD. Se realiza nuevamente una medida de la rugosidad a los sustratos con los dos tipos de recubrimiento DLC, para comprobar que los valores de rugosidad se mantienen estables y las deposiciones son exitosas. Para comparar las superficies de los dos recubrimientos DLC, es necesario realizar un análisis del área superficial, ya que se resalta las diferencias entre ellas como posibles características topográficas que analizando únicamente el perfil pasan desapercibidas. Un ejemplo de la pérdida de información que se produce en dos dimensiones son los picos, que en tres dimensiones pueden traducirse en valles que afectan en mayor medida a las propiedades superficiales (ver figura 24). Los análisis superficiales 3D aportan más puntos de datos, siendo los mapas superficiales representaciones más cercanas a la superficie real. 2. METODOLOGÍA 37 Figura 24. Ejemplo de perfil tomado de una medida 3D que presenta ambigüedad 2D[28]. El análisis del área superficial se realiza mediante microscopía confocal y se centra en los parámetros Sa y Sq: El Sa o rugosidad media real equivale a la media aritmética del valor absoluto de la altura dentro de una zona de muestreo. El Sq o rugosidad cuadrática media superficial corresponde al valor cuadrático medio de las desviaciones de la superficie en la zona de muestreo. Tiene más importancia estadística ya que es la desviación estándar de la rugosidad superficial. Los valores bajos indican superficies más homogénea y uniforme, mientras que los valores altos aparecen en superficies con mayor heterogeneidad topográfica[28]. 2.4 FASE 4. CARACTERIZACIÓN FUNCIONAL El estudio preliminar de los recubrimientos DLC permite anticipar el desempeño tribológico que los recubrimientos muestran durante los ensayos tribológicos. Mediante el análisis de los resultados de los ensayos y la caracterización de las probetas, es posible establecer conexiones entre el rendimiento tribológico y las transformaciones que experimentan. 2.4.1 Ensayo tribológico perno sobre disco (ball on disc) Las pruebas a nivel de tribómetro conforman el primer nivel de ensayos en la Jerarquía de pruebas tribológicas de la Agencia Espacial Europea para simular rodamientos con aplicaciones espaciales. El ensayo seleccionado para la simulación es un ensayo ball on disc y el objetivo es aportar información sobre el comportamiento de fricción y desgaste, evaluando la eficiencia y durabilidad de los recubrimientos DLC en condiciones extremas. Los parámetros controlados durante el ensayo incluyen la carga aplicada, la velocidad de deslizamiento, el radio rodante, la atmósfera y la duración del ensayo. Tras el ensayo tribológico se analizan las probetas para obtener información sobre los mecanismos que gobiernan el comportamiento tribológico de los recubrimientos. El ensayo ball on disc es una forma rápida, eficaz y de bajo coste con la que seleccionar materiales de interés para escalar los ensayos y descartar los no aptos. 2. METODOLOGÍA 38 La cuantificación de la fricción y el desgaste de los ensayos tribológicos se representan simbólicamente por medio de la siguiente función: 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛,𝑑𝑒𝑠𝑔𝑎𝑠𝑡𝑒 =𝑓(𝑝𝑎𝑟á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑦 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠) La fricción se define como la resistencia al movimiento que experimenta un cuerpo al moverse respecto a otro. Se evalúa mediante el coeficiente de fricción (µ), una medida de la fuerza de rozamiento dividido por la carga normal (N) en el contacto (ver ecuación 3): µ= 𝐹 𝑁 (3) El mecanismo de fricción se puede explicar mediante el modelo teorizado por Bowden y Tabor (1950). Las asperezas de ambas superficies quedan soldadas por medio de adhesión al entrar en contacto. Conforme se produce movimiento en dirección tangencial, las microsoldaduras generan resistencia al desgaste hasta que se rompen y se vuelven a separar. Durante el deslizamiento, los procesos de formación y destrucción de uniones se producen de forma continua. Es importante remarcar que la fricción es una propiedad de los sistemas y no de los materiales que incluye la naturaleza de las superficies en contacto, el entorno, condiciones aplicadas y en cuanto al aparato de medición, la sujeción de la muestra y sus propias vibraciones[12]. Existen diversos mecanismos microscópicos de fricción: ploughing, interacción mecánica de asperezas superficiales, adhesión, deformación y/o fractura de las capas superficiales, deformación plástica a causa de partículas de desgaste, etc. Todos ellos están involucrados en la generación de fricción y, según la situación, predomina uno sobre los otros[24]. En recubrimientos DLC los tres componentes que contribuyen mayoritariamente a la fricción son la abrasión, la adhesión y el cizallamiento (ver figura 25). Figura 25. Esquema de las tres contribuciones fundamentales de la fricción en recubrimientos DLC[10]. La componente abrasiva se genera cuando algunas asperezas y partículas de desgaste quedan atrapadas en una contracara, rayando la otra. Análogamente, las partículas atrapadas que fluyen debido a las fuerzas de cizallamiento producen la componente de cizallamiento. Los recubrimientos fáciles de cizallar que se encuentran sobre sustratos duros y rígidos permiten alcanzar coeficientes de 2. METODOLOGÍA 39 fricción más bajos. Por último, la componente adhesiva, se manifiesta como consecuencia de la unión adhesiva entre las contracaras en contacto[10]. Como resultado del contacto tribológico entre dos superficies se produce desgaste, y se evalúa teniendo en cuenta el daño superficial producido, es decir, los cambios microestructurales y topográficos que ocurren en la capa superficial. La materia se separa de la superficie de tres formas: por disolución química, fusión o por separación física de átomos de la superficie. Los tipos principales de daños superficiales se agrupan en tres grandes categorías dependiendo del balance de materia que se produce: sin intercambio de materia, con pérdida de materia y con ganancia de materia. En sistemas reales, la mayoría de los desgastes son el resultado de la combinación de varios mecanismos de desgaste y la clave para solucionarlos reside en su anticipación[24]. 2.4.1.1 Descripción del equipo Los ensayos tribológicos se realizaron con un tribómetro de vacío MVT-2 de RTEC Instruments, capaz de simular y analizar las interacciones entre una bola fija y un disco en movimiento giratorio, generando fricción y desgaste de un deslizamiento puro en condiciones controladas (ver figura 26). Figura 26. Movimiento de deslizamiento producido en el tribómetro de vacío MVT-2 de RTEC. Imagen propia. El equipo está compuesto por una cámara de pruebas en la que se introduce el tribopar, un actuador Z para controla la aplicación de la carga, un sistema de monitorización del flujo de agua para supervisar la refrigeración del equipo, una caja de movimiento que dirige los discos, un controlador del instrumento cuya función es coordinar e integrar todas las partes del equipo, y, por último, un ordenador con el software de procesamiento de señal (ver figura 27). Las dimensiones del equipo incluyendo todos los componentes son 76x56x92 cm. 2. METODOLOGÍA 40 Figura 27. Esquema de las partes del tribómetro de vacío MVT-2 de RTEC[29]. El sistema de vacío incluye una bomba mecánica responsable de generar bajo vacío, una manguera principal que conecta la bomba mecánica con la bomba turbomolecular y la bomba turbomolecular (ver figura 28). (a) (b) (c) Figura 28. Sistema de vacío completo. a) Bomba mecánica. b) Manguera principal. c) Bomba turbomolecular. Imagen propia. La bomba turbomolecular integra un ventilador de enfriamiento para evitar su sobrecalentamiento, una unidad de control que permite regular su encendido/apagado y la velocidad de operación, un medidor combinado (cátodo frío para medir la presión en el rango de alto vacío y un medidor de Pirani para medir la presión en el rango de bajo-medio vacío) y una válvula de liberación automática con la que se realiza el venteo de forma segura (ver figura 29). 2. METODOLOGÍA 47 tendencias en su comportamiento tribológico, aunque los resultados no sean una representación exacta de la pérdida absoluta de material. Análisis de los discos: El cálculo del desgaste en las huellas de los discos se realiza mediante microscopía confocal ya que permite obtener una caracterización tridimensional de la superficie y conocer la profundidad del desgaste. Para asegurar la representatividad de los datos, se extraen los perfiles de seis puntos distintos de la huella, garantizando homogeneidad en las medidas. Con el software MountainsMap®, de la empresa Digital Surf, se procesan los perfiles y se calcula la superficie de desgaste. Finalmente, el volumen de desgaste se estima multiplicando la media de la superficie de desgaste de los perfiles (SW) por el perímetro (L) (ver ecuación 5): 𝑊𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜 =𝑆𝑊𝐿 (5) Estas medidas permiten comparar el desgaste cuantificado en los recubrimientos en distintas condiciones de ensayo y establecer relaciones con sistemas reales[32]. Por último, el cálculo de desgaste relativo del disco se realiza con una estimación del volumen de desgaste total si se hubiese consumido el recubrimiento por completo (Wtotal) frente a lo que realmente se ha consumido (WDisco) (ver ecuación 6). 𝐷𝑒𝑠𝑔𝑎𝑠𝑡𝑒(%)= 𝑊𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑥100 (6) 2.4.2.2 Composición química El análisis Raman se realiza sobre la superficie desgastada para detectar los cambios que experimenta el recubrimiento DLC en respuesta al ensayo tribológico. Durante la fricción, la acumulación de calor inducido desestabiliza gradualmente los enlaces C-H fomentando la liberación de hidrógeno. Sin embargo, los espectros de los recubrimientos ensayados mantienen la presencia de los picos D y G con una separación nueva indicadora de la amorfización del recubrimiento (ver figura 34). La estructura evoluciona formando una capa con mayor carácter grafítico sp2, es decir, incrementando el desorden. En el espectro, se traduce en un aumento del pico D y, por lo tanto, el aumento de la relación ID/IG. 2. METODOLOGÍA 48 (a) (b) Figura 34. a) Espectro Raman del recubrimiento DLC antes de ser ensayado. b) Espectro Raman del recubrimiento DLC después del ensayo tribológico[29]. El mecanismo autolubricante de los recubrimientos DLC se explica realizando un análisis comparativo de los espectros Raman antes y después de ser ensayados. Los cambios entre la separación de los picos D y G, así como la relación ID/IG, proporcionan información sobre la evolución del recubrimiento durante el ensayo tribológico. Estas variaciones permiten comprender la influencia de los parámetros de ensayo sobre el mecanismo autolubricante y predecir modelos de comportamiento que se acercan al desempeño en sistemas reales[10]. 2.5 DIAGRAMA DE GANTT El diagrama de Gantt (ver tabla 10) resume la planificación temporal de las principales actividades del proyecto. Este cronograma recoge la secuencia de tareas y su distribución temporal, facilitando realizar un seguimiento organizado del trabajo. Tabla 10. Diagrama de Gantt del TFM: Desarrollo de recubrimientos autolubricantes para mecanismos espaciales. Tarea/Mes Junio Julio Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Adquisición de conocimientos X X Definición del plan de trabajo X X Caracterización básica de los recubrimientos X X X X X X X Evaluación tribológica X X X X Caracterización final X X X Redacción del proyecto X X X X X 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 49 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN En este apartado se presentan y analizan los resultados obtenidos en los ensayos tribológicos y en la caracterización de los recubrimientos DLC antes y después de las pruebas tribológicas. A partir de estos datos, se discuten las posibles relaciones entre los parámetros de ensayo y la respuesta tribológica de los recubrimientos, con el objetivo de identificar las condiciones que favorecen el fenómeno autolubricante y de superlubricidad. 3.1 FASE 3. CARACTERIZACIÓN BÁSICA La parte del estudio correspondiente a la caracterización básica incluye los resultados obtenidos en la caracterización mecánica y estructural de los recubrimientos DLC. Se analizan propiedades como la adhesión, dureza y composición química, con el objetivo de comprender su influencia en el rendimiento y la estabilidad del material bajo distintas condiciones. 3.1.1 Espesor Las figuras 36 y 37 corresponden a las imágenes tomadas con microscopía óptica de barrido (SEM) a los testigos de silicio equivalentes al DLC1 (fig. 35) y al DLC2 (fig. 36). Se aprecia la deposición de las intercapas mediante sputtering y la capa de DLC a-C:H depositado mediante PECVD. El DLC1 presenta un espesor de la capa a-C:H de 2,16 m. Figura 36. Esquema de capas del corte transversal de un testigo de silicio equivalente al DLC1. Imagen tomada con SEM. Imagen propia. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 50 El DLC2 presenta un espesor de la capa a-C:H de 2,17 m. Figura 37. Esquema de capas del corte transversal de un testigo de silicio equivalente al DLC2. Imagen tomada con SEM. Imagen propia. De acuerdo con la caracterización SEM, los recubrimientos superan el umbral de 2 µm establecido en la Fase 1 en base a la literatura. Por lo tanto, se esperaría que dichos recubrimientos dispongan de tensiones no despreciables acumuladas en la matriz, que podrían promover fenómenos de delaminación severa durante los ensayos tribológicos, los cuales obstaculicen la formación del tribofilm [10]. 3.1.2 Adhesión A continuación, se muestran los resultados obtenidos en los ensayos de indentación VDI 3198 y en las pruebas de rayado (scratch test) realizadas sobre los recubrimientos DLC. Los modos de fallo observados permiten analizar su relación con la resistencia a la delaminación de los recubrimientos y su capacidad adhesiva. 3.1.2.1 Ensayo de indentación VDI 3198: La huella Rockwell del DLC1 en la figura 38 presenta microfisuración y delaminación significativas al límite de la aceptabilidad, dentro del nivel de transición entre HF 3 y 4. Tal y como se postuló anteriormente, las tensiones internas de la matriz de este recubrimiento podrían estar originando una respuesta a la carga aplicada caracterizada por microfisuras que promueven la delaminación de la superficie. Esta respuesta se correspondería con una capacidad adhesiva muy limitada. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 51 Figura 38. Huella Rockwell del ensayo de indentación VDI 3198 del recubrimiento DLC1. Imagen propia. El recubrimiento DLC2, al igual que el recubrimiento DLC1, muestra una huella Rockwell con microfisuración significativa. Sin embargo, su porcentaje de delaminación es inferior (ver figura 39), clasificándose como fallo aceptable HF 3. Este resultado concuerda con los resultados presentados en la bibliografía relativos al efecto de los parámetros de proceso PVD en las características tensionales de los DLCs: Valores de Voltaje más bajos se asocian, tradicionalmente, a menor estrés interno durante la deposición. A partir de estos resultados, podemos concluir que la capacidad adhesiva de la matriz del recubrimiento DLC2 es aceptable, vinculada a una acumulación menor de tensiones durante su fabricación, a expensas de su valor de espesor. Figura 39. Huella Rockwell del ensayo de indentación VDI 3198 del recubrimiento DLC2. Imagen propia. 3.1.2.2 Ensayo de rayado (scratch test) Los fenómenos de fallo que se producen a lo largo del recorrido de aplicación de carga están relacionados con la capacidad de absorción energética de los recubrimientos y con su desempeño tribológico. En la tabla 11 se resumen los valores de cargas críticas del ensayo a las que se producen estos fenómenos: Tabla 11. Cargas críticas a las que aparecen modos de fallo en los recubrimientos DLC1 y DLC2. Recubrimiento LC1 LC2 LC3 DLC1 12 N 16 N 66 N DLC2 12 N 33 N 88 N 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 52 En el ensayo de scratch del recubrimiento DLC1 aparecen modos de fallo frágil desde cargas comparativamente bajas, indicando una baja resistencia al rayado, posiblemente causada por las tensiones internas de la matriz, comprometiendo su capacidad adhesiva. El primer modo de fallo que se produce se caracteriza por eventos de recovery spallation al llegar a la carga crítica (LC1) a 12 N. El segundo modo de fallo frágil, tensile cracking, se produce en la carga crítica (LC2) a 16 N y se trata de grietas perpendiculares a la dirección del rayado. Tras esta, la carga crítica (LC3) aparece a 66 N y supone el fallo por delaminación completa del recubrimiento DLC1 (ver figura 40). Figura 40. Micrografía del rayado resultante del scratch test realizado sobre el recubrimiento DLC1 y zooms de los eventos de fallo en las cargas críticas. Imagen propia. Confirmando las tendencias observadas en relación a la respuesta mecánica de los recubrimientos en función de los parámetros de fabricación, el recubrimiento DLC2 se caracteriza por un retraso en la aparición de modos de fallo a cargas más altas, en este caso de tipo dúctil, consecuencia de una mayor resistencia mecánica y de una unión adhesiva más eficaz. La primera carga crítica (LC1) del recubrimiento DLC2 coincide con la del recubrimiento DLC1 (12 N), esta vez suponiendo a penas un leve abombamiento (buckling) en la superficie, evidenciando una matriz mucho más resistente mecánicamente y dúctil (ver figura 40). Como consecuencia del abombamiento, al aplicar 33 N se produce la carga crítica 2 (LC2) y con ella la superficie se deforma produciendo pequeños levantamientos o espalaciones (spallation)del recubrimiento que dejan levemente desprotegido el sustrato. Finalmente, el rayado alcanza el sustrato en la carga crítica 3 (LC3) a 88 N (ver figura 41). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 53 Figura 41. Micrografía del rayado resultante del scratch test realizado sobre el recubrimiento DLC2 y zooms de los eventos de fallo en las cargas críticas. Imagen propia. Los resultados del scratch test hacen visible la superioridad adhesiva del recubrimiento DLC2 sobre la del DLC1, dando peso a la hipótesis de la optimización del recubrimiento DLC2 debido a una mayor adaptabilidad de las intercapas depositadas y sus propiedades mecánicas. En conclusión, los modos de fallo del DLC1 son propios de recubrimientos frágiles con tendencia a experimentar delaminaciones, mientras que el DLC2 posee un carácter dúctil. Los resultados presentados relativos a las propiedades adhesivas de los recubrimientos inducen a pensar que, debido a las tendencias de los recubrimientos, en los ensayos característicos de la respuesta tribológica de los mismos, se esperaría observar un desgaste mayor y más frágil en los recubrimientos DLC1 que en los recubrimientos DLC2, pudiendo ser un primer punto de control (criterio pasa/no pasa) para su aplicación en condiciones de uso de sistemas de transmisión reales. 3.1.3 Dureza La medida de la dureza se realiza aplicando en primer lugar una carga de 6 mN a ambos recubrimientos, asegurando que la indentación no penetra más de una décima parte del espesor de la capa a-C:H. Sin embargo, en el recubrimiento DLC1, bajo la consideración de dicho valor de carga, únicamente se logró penetrar hasta aproximadamente el 5% del espesor del recubrimiento, una profundidad insuficiente para obtener una medida representativa de su dureza (ver figura 42). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 54 Figura 42. Gráfico de la Fuerza (μN) vs desplazamiento (nm) de todas las curvas generadas a 6 mN correspondiente al recubrimiento DLC1. Imagen propia. Por esta razón, se repite el ensayo incrementando la carga aplicada a 12 mN, lo que permite alcanzar la profundidad de penetración aconsejada por las guías de buen uso de la técnica (ver figura 43). Figura 43. Gráfico de la Fuerza (μN) vs desplazamiento (nm) de todas las curvas generadas a 12 mN correspondiente al recubrimiento DLC1. Imagen propia. El ensayo en el recubrimiento DLC2, al caracterizarse por una matriz más blanda, el valor de carga aplicada de 6mN cumple con los estándares de profundidad de indentación establecido por dichas guías (ver figura 44). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 55 Figura 44. Gráfico de la Fuerza (μN) vs desplazamiento (nm) de todas las curvas generadas a 6 mN correspondiente al recubrimiento DLC2. Imagen propia. Los resultados obtenidos coinciden con la literatura, siendo consistentes con las tendencias que recogen[10]. Los valores de dureza y módulo reducido de Young obtenidos a partir de dicha caracterización se resumen en la Figura 45. El DLC1 presenta valores de dureza y módulo reducido de Young comparativamente más altos (19 GPa y 173,6 GPa, respectivamente) que el DLC2. Estos valores vuelven a poner de manifiesto el carácter más rígido y tensionado del DLC1, caracterizado por una baja capacidad de deformación elástica frente a carga. Estas características micromecánicas de los recubrimientos se traducirían en valores superiores de resistencia a la abrasión en ensayos tribológicos posteriores. Sin embargo, dichas propiedades también repercutirían negativamente en la capacidad de absorción de impacto del recubrimiento, aumentando la probabilidad de experimentar rotura frágil y delaminaciones durante los ensayos. En contraste, el DLC2 presenta valores más bajos de dureza y módulo reducido de Young (8 GPa y 76 GPa, respectivamente), característicos de un recubrimiento con mayor capacidad de deformación elástica y resistencia a la rotura frágil. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 56 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 DLC 1 12 mN DLC 2 6 mN Dureza (GPa) Módulo reducido (GPa) Figura 45. Gráfico de barras de las propiedades mecánicas de los recubrimientos DLC1 y DLC2. Representada en azul claro la medida de la dureza (GPa) y en azul oscuro el módulo reducido (GPa), incluyendo las desviaciones estándar en rojo. Imagen propia. 3.1.4 Composición química (%H) El espectro Raman correspondiente al recubrimiento DLC1 muestra los picos D y G con apenas separación y una relación ID/IG de 0,56, dos indicativos de una matriz altamente ordenada, es decir, con carácter más diamantino (ver figura 46). Figura 46. Deconvolución gaussiana del espectro Raman del recubrimiento DLC1. Imagen propia. Tras la deconvolución gaussiana del espectro se traza la pendiente de los picos D y G, con la cual se obtiene el porcentaje de hidrógeno mediante la ecuación 3: 𝐻(%)𝐷𝐿𝐶1=21,7+16,6.𝑙𝑜𝑔[0,86 0,70(µ𝑚)]=23,18 (3) 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 63 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 5000 1 1041,5 104 DLC 2 Vida útil en Vacío Coeficiente de Fricción [u. a.] t [s] Figura 52. Gráfica del coeficiente de fricción (u.a.) vs tiempo (s) del ensayo de vida útil en vacío del recubrimiento DLC2. Imagen propia. Los resultados obtenidos para el DLC2 desarrollado en este estudio evidencian un comportamiento tribológico superior en ambos medios (vacío y aire), comparado con los resultados reportados en la bibliografía para recubrimientos DLC autolubricantes [10,15]. Particularmente, el DLC desarrollado ofrece una evolución temporal del coeficiente de fricción más homogénea y estable que las tendencias observadas en bibliografía [15,29]. La duración de los ensayos de vida útil se utiliza para determinar las etapas características de los regímenes de autolubricidad y desgaste, fijando la duración de dichos ensayos. Ensayo de autolubricidad: El ensayo de autolubricidad se fija considerando un tiempo de ensayo correspondiente a un tiempo intermedio al periodo del denominado “steady state”, el cual se identificó en los ensayos previos de vida útil (Figura 51). La Figura 52 muestra la evolución temporal del coeficiente de fricción en el periodo determinado bajo el criterio descrito anteriormente. Tal y como se puede observar, en dicho intervalo, el coeficiente de fricción bajo condiciones de vacío experimenta un decrecimiento acusado hasta valores correspondientes a superlubricidad. Dicho comportamiento no se observa en condiciones de aire. Tal y como se ha citado anteriormente, el recubrimiento DLC2 se ensaya en vacío y repite el comportamiento exhibido en los ensayos de vida. El coeficiente de fricción durante el steady state oscila en la línea de 0,05, un valor que incluye a estos recubrimientos dentro de la categoría de superlubricantes [10,15]. La activación del mecanismo de autolubricidad se alcanza pasados los 1.000 segundos, tendencia que se observa en el ensayo de vida útil. Los picos observados en la señal de coeficiente de fricción en el steady state corresponden a episodios de delaminación del recubrimiento, de acuerdo con lo reportado en bibliografía para recubrimientos superlubricantes en vacío [29]. Estos eventos exponen capas subyacentes que aún no 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 64 han experimentado la transición de fase que activa el mecanismo de autolubricidad. Como resultado, el coeficiente de fricción aumenta temporalmente hasta que el proceso de transformación se completa y la superficie recupera su capacidad de reducir la fricción. Como resultado de este mecanismo autolubricante, los valores del coeficiente de fricción en vacío son hasta un orden de magnitud menores que en los ensayos en aire (ver figura 53). 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 DLC 2 Autolubricidad en Vacío Coeficiente de Fricción [u.a.] t[s] Figura 53. Gráfica del coeficiente de fricción (u.a.) vs tiempo (s) del ensayo de autolubricidad en vacío del recubrimiento DLC2. Imagen propia. Las paradas de ambos ensayos se programan en un punto intermedio del steady state, establecido mediante un análisis de los resultados previos de los ensayos de vida útil. Ensayo de desgaste: Estos ensayos están enfocados al estudio del desgaste superficial (de la bola y el DLC2) después de un tiempo de ensayo fijo. La parada se realiza a 8.000 s dado que los ensayos anteriormente realizados muestran que en aire y en vacío continua el comportamiento lubricante, indicador de la existencia de recubrimiento remanente. Los resultados de la evolución temporal del coeficiente de fricción muestran la misma tendencia que la reportada en los ensayos a vida y de autolubricidad, caracterizados por un aumento del valor medio del coeficiente de fricción en aire frente a los ensayos realizados en vacío (ver figura 54). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 65 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 DLC 2 Desgaste Aire 1 Aire 2 Vacío 1 Vacío 2 Coeficiente de Fricción [u.a.] t [s] 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 DLC 2 Desgaste Aire 1 Aire 2 Vacío 1 Vacío 2 Coeficiente de Fricción [u.a.] t [s] (a) (b) Figura 54. a) Gráfica del coeficiente de fricción (u.a.) vs tiempo (s) de los ensayos de desgaste en vacío del recubrimiento DLC2. b) Aumento de la gráfica del coeficiente de fricción (u.a.) vs tiempo (s) de los ensayos de desgaste en vacío del recubrimiento DLC2. Imagen propia. 3.2.2 Desgaste Los resultados del análisis de desgaste en las bolas y discos ensayados se presentan seguidamente. Se comparan las huellas de desgaste resultados de los ensayos realizados en aire y vacío, permitiendo valorar y cuantificar la pérdida de material por efecto del desgaste, así como su relación con los parámetros de ensayo, permitiendo identificar tendencias en el comportamiento del recubrimiento bajo distintas condiciones de operación. 3.2.2.1 Desgaste en las bolas de 100Cr6 Para analizar el desgaste en las bolas, se examinan las huellas generadas durante los ensayos en distintas condiciones. A partir de estas, se evalúa la pérdida de material y los mecanismos de degradación observados. Desgaste en aire: Las imágenes de los dos ensayos (repeticiones) de desgaste en aire (ver figura 55) muestran un deterioro de la superficie similar. El mecanismo de desgaste principal es abrasivo, dejando surcos unidireccionales orientados en la línea del deslizamiento a lo largo de toda la superficie del desgaste. Los resultados correspondientes a la altura máxima de la huella de desgaste y el volumen de desgaste revelan que no existen diferencias significativas entre el comportamiento a desgaste de dos repeticiones del mismo ensayo (ver tabla 14). 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 66 Figura 55. Micrografía tomada con microscopio electrónico de las bolas correspondientes a los ensayos de desgaste en aire. Imagen propia. Desgaste de las bolas en vacío: La figura 56 muestra la huella de desgaste de las bolas ensayadas a vacío. El mecanismo de desgaste predominante en la superficie de las bolas de 100Cr6 ensayadas contra el recubrimiento DLC2 es abrasivo en condiciones de vacío. Aunque a nivel cualitativo, la respuesta de la bola en términos de desgaste es similar a la observada en los ensayos en aire, el volumen de desgaste es ligeramente mayor en los ensayos realizados en vacío (ver tabla 13). Esto se debe a que el vacío favorece el desgaste del recubrimiento DLC2, debido a su propia naturaleza blanda, provocando un mayor deterioro en la superficie de los discos y, por lo tanto, modificando el contacto tribológico [10]. Como resultado, el desgaste que se produce en las bolas es más intenso en vacío. Figura 56. Micrografía tomada con microscopio electrónico de las bolas correspondientes a los ensayos de desgaste en vacío. Imagen propia. La tabla 13 resume los parámetros de desgaste de las bolas calculados mediante la metodología expuesta: Tabla 14. Parámetros de desgaste de las bolas de 100Cr6 correspondientes a los ensayos de desgaste. Ambiente Bola h (μm) Wbola (μm3) Aire 1 9,59 1,412x106 2 7,57 8,84x105 Vacío 3 12,42 2,37 x106 4 15,97 3,90 x106 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 67 3.2.2.2 Desgaste del recubrimiento sobre los discos de 100Cr6 Para analizar el desgaste en los discos, se examinan las huellas tribológicas generadas en ambas condiciones de ensayo. La evaluación de la topografía y el volumen de material perdido permite identificar las diferencias en el deterioro del recubrimiento DLC2 y su respuesta frente al deslizamiento en aire y vacío. Desgaste en vacío: A partir de la medida con microscopía confocal se obtiene el perfil de la huella de desgaste (ver figura 57). La forma en la que se produce el desgaste está concentrada en el centro de la huella, donde la profundidad alcanzada es entre 1,5 µm y 2 µm, mientras que en los extremos el deterioro es algo menor. -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 1950 2000 2050 2100 2150 µm mm Figura 57. Gráfica del perfil de la huella de desgaste del recubrimiento DLC2 resultante del ensayo de desgaste en vacío. Imagen propia. Con la revisión del mapa topográfico del desgaste (ver figura 58) es posible identificar a que corresponde tridimensionalmente. El desgaste es homogéneo en el centro del ancho de la huella, debido a que a medida que la bola se desgasta durante el ensayo, su contacto con la superficie aumenta, influyendo en la distribución del desgaste. Las zonas en rojo en el mapa topográfico corresponden a la acumulación de partículas de desgaste que migran de la zona de contacto por efecto del movimiento giratorio del disco. Los resultados de los parámetros topográficos de la huella de desgaste se indican en la tabla 15. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 68 Figura 58. Mapa topográfico del desgaste del recubrimiento DLC2 resultante del ensayo de desgaste en vacío. Imagen propia. Medidas de desgaste en aire: Análogamente, se toman medidas con microscopía confocal para obtener el perfil de la huella de desgaste (ver figura 59). El ancho de la huella de desgaste es notablemente desigual mientras que la profundidad se mantiene por debajo de 2 µm, indicando que no se ha penetrado hasta el sustrato de 100Cr6. -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 1500 2000 2500 µm mm Figura 59. Gráfica del perfil de la huella de desgaste del recubrimiento DLC2 resultante del ensayo de desgaste en aire. Imagen propia. El mapa topográfico de desgaste muestra que el valle corresponde a una zona delaminada (ver figura 60). El mecanismo de lubricidad de los recubrimientos DLC se encuentra parcialmente impedido en los ensayos en aire[10]. Como consecuencia, se dificultaría la transición de la fase de la matriz del recubrimiento a una más blanda (más relajada). Dicho impedimento podría estar detrás de los resultados observados, correspondiente a una delaminación más severa en puntos discretos del recubrimiento ensayado tribológicamente en aire. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 69 Figura 60. Mapa topográfico del desgaste del recubrimiento DLC2 resultante del ensayo de desgaste en aire. Imagen propia. La tabla 15 resume las mediciones realizadas en cada disco en seis puntos diferentes. A partir de estas se calcula la pérdida de material y su relación con las condiciones de ensayo. Tabla 15. Parámetros de desgaste de los recubrimientos DLC2 correspondientes a los ensayos de desgaste Ensayo Área de desgaste (Sw) (µm2) Desviación estándar de (Sw) (µm2) Anchura de la huella (µm) Desviación estándar Anchura de la huella (µm) Volumen de desgaste total (mm3) Desgaste (%) DLC2 en vacío 1065,68 194,64 785,80 7,38 0,03197 19,98% DLC2 en aire 88,09 35,78 667,16 14,81 0,0083 6,08% El desgaste del recubrimiento es más pronunciado en los ensayos realizados en vacío, en concordancia con lo reportado en la literatura para recubrimientos DLC blandos. Una posible explicación a dichos resultados sería que, en ausencia de moléculas de agua, el mecanismo de autolubricidad se activa de manera más eficiente, lo que ablanda la superficie. Como resultado, el material presenta una menor resistencia al desgaste, provocando una mayor pérdida de material en comparación con los ensayos efectuados en aire. Este comportamiento resulta beneficioso en aplicaciones aeroespaciales, ya que el bajo volumen de desgaste observado en aire implica que, durante las pruebas en tierra, el recubrimiento apenas sufre deterioro. Esto permite que el material conserve sus propiedades hasta su operación en vacío, donde el mecanismo de autolubricidad se activará en el entorno real de uso, asegurando un rendimiento óptimo en condiciones espaciales. 3.2.3 Composición química Se realiza el análisis químico de los recubrimientos DLC tras los ensayos tribológicos mediante espectroscopía Raman. Este análisis permite identificar posibles cambios en la estructura química inducidos por el desgaste y evaluar la evolución del mecanismo de autolubricidad en función de las condiciones de ensayo. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 70 Análisis Raman del recubrimiento DLC2: Para realizar estos análisis se han considerado zonas ensayadas tribológicamente susceptibles de contener tribofilm, es decir, en forma de pequeñas acumulaciones de escombros adheridos como producto de la fricción (ver figuras 61 y 62). Al seleccionar estas zonas se pretende observar la transición de fase sp3 a sp2 responsable del mecanismo autolubricante en los correspondientes espectros Raman[29]. Figura 61. Zonas seleccionadas correspondientes a los espectros Raman de ensayos realizados en aire Figura 62. Zonas seleccionadas correspondientes a los espectros Raman de ensayos realizados en vacío El espectro Raman del recubrimiento DLC2 ensayado en condiciones de aire revela un cambio de fase como resultado de los ensayos tribológicos. La separación de los picos D y G y el aumento del valor de ID/IG a 0.81 son dos indicativos de la amorfización del recubrimiento a una fase con carácter más grafítico (ver figura 63). Figura 63. Espectro Raman de la superficie del recubrimiento DLC2 ensayado en aire. Imagen propia. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 71 En el caso de los ensayos a vacío, el espectro correspondiente es similar al que se generaba del análisis del recubrimiento DLC2 sin ensayar. Este análisis no es capaz de demostrar la formación de tribofilm en condiciones de vacío a pesar de mostrar coeficientes de fricción similares que sugieren lo contrario (ver figura 64). Sim embargo, estudios anteriores reportan la formación de tribofilm en ensayos en vacío a cargas y presiones de Hertz similares. Para confirmar la formación de tribofilm, es necesario realizar un análisis Raman también a las bolas ensayadas[29]. Figura 64. Espectro Raman de la superficie del recubrimiento DLC2 ensayado en vacío. Imagen propia. Análisis Raman de las bolas de 100Cr6 Las figuras 65 y 66 corresponden a las zonas seleccionadas en cada bola para realizar los análisis Raman. (a) (b) Figura 65. a) Zona seleccionada para el análisis Raman de la huella de desgaste de la bola correspondiente al ensayo de vida útil en aire. b) Zona seleccionada para el análisis Raman de la huella de desgaste de la bola correspondiente al ensayo de autolubricidad en aire. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 72 (a) (b) Figura 66. a) Zona seleccionada para el análisis Raman de la huella de desgaste de la bola correspondiente al ensayo de vida útil en vacío. b) Zona seleccionada para el análisis Raman de la huella de desgaste de la bola correspondiente al ensayo de autolubricidad en vacío. Los resultados del espectro Raman de las dos bolas ensayadas en aire y en vacío corresponden a los ensayos de vida útil y autolubricidad. Originalmente las bolas seleccionadas para este análisis correspondían a los ensayos de autolubricidad, pero tras los resultados obtenidos en los ensayos de vida útil se optó por incluir estas bolas para poder completar la información. Los espectros correspondientes a los ensayos en aire de vida útil (figura 67.a) y de autolubricidad (figura 67.b) muestran en los dos casos una separación de los picos D y G y un aumento del valor ID/IG indicativos de la amorfización del recubrimiento. El tribofilm formado durante el ensayo tribológico se observa tanto en las bolas como en los discos (ver figura 63) confirmando la formación de una fase autolubricante como respuesta del recubrimiento DLC2 a los ensayos tribológicos. El pico de mayor intensidad que aparece en el espectro Raman no es identificado mediante esta técnica, es posible que corresponda a algún óxido generado por la exposición al aire. (a) (b) Figura 67. a) Espectro Raman de la bola del ensayo de vida útil en aire. b) Espectro Raman de la bola del ensayo de autolubricidad en aire. Las bolas de los ensayos de vida útil y lubricidad en vacío (figura 68.a y figura 68.b) muestran separación de los picos D y G y un aumento del valor ID/IG. Esto es indicativo de la formación del tribofilm, el cual no se observa en el Raman de la zona de ensayo del disco correspondiente (ver figura 64). La amorfización es más pronunciada en el espectro Raman correspondiente al ensayo de lubricidad en vacío que en el ensayo de vida útil. Debido a que las condiciones de ensayo sólo difieren