ES2897675T3 - Pieza mecánica revestida con una capa de carbono amorfo para su deslizamiento con respecto a otro componente menos duro - Google Patents

Abstract

Pieza mecánica provista de un revestimiento de carbono amorfo con al menos un 70% de at. de carbono excluyendo el hidrógeno y destinada a cooperar por deslizamiento con una pieza opuesta cuya dureza de superficie es como máximo dos tercios de la del revestimiento, teniendo este revestimiento una rugosidad Ra que, medida por perfilometría, es superior a 0,025 micrones y como máximo igual a 0,050 micrones y, medida por microscopía de fuerza atómica, una microrrugosidad que es al menos igual a 0,004 micrones y como máximo 0,009 micrones.

Description

DESCRIPCIÓN

Pieza mecánica revestida con una capa de carbono amorfo para su deslizamiento con respecto a otro componente menos duro

La invención se refiere al tratamiento de componentes mecánicos destinados a deslizarse bajo una carga pesada con respecto a componentes de materiales más blandos. Pretende especialmente, pero no exclusivamente, el tratamiento de ejes de pistón, en el interior de los motores de combustión, ya que estos componentes reciben un revestimiento duro de carbono amorfo (a veces se encuentra con la denominación «de tipo DLC» (también se habla de «carbonodiamante»); estos conceptos se especifican más adelante) y friccionan frente a materiales comparativamente blandos como el bronce o incluso las aleaciones de aluminio (ya sea de anillos cruzados por un tal eje, o cuerpos de pistón que reciben un tal eje). Sin embargo, la invención se refiere de manera más general al caso de un componente mecánico, la mayoría de las veces metálico, destinado para cooperar por deslizamiento con otro componente de menor dureza, en una aplicación tribológica que implique condiciones de cargas y de velocidad conocidas por ser susceptibles de inducir un desgaste significativo.

Estado de la técnica y problema técnico

El tratamiento de ejes de pistón, especialmente por un revestimiento de carbono amorfo, es conocido por los expertos en la técnica. El interés de aplicar este tipo de revestimiento es evitar el agarrotamiento del eje de pistón contra los componentes opuestos, a menudo hechos de bronce o aluminio.

Para este propósito, se puede hacer referencia al documento DE - 102011 102209, al documento WO - 2009/144076, o incluso al documento «The effect of various Surface treatments on pistón pin scuffing résistance» de I. Etsion, G. Halperin y E. Becher, publicado en Wear 261 (2006) paginas 785-791; este documento se puede encontrar en la siguiente dirección:

[http://www.technion.ac.il/~merei02/public/2_The%20effect%20of%20vari

ous%20surface%20treatments%20on%20piston%20pin.pdf]

El documento EP 1 479 946 también describe una pieza mecánica y su pieza opuesta, que comprende un revestimiento de carbono amorfo con poco hidrógeno. La capa de DLC se deposita sobre una capa inferior de CrN por PVD por arco y presenta una superficie con picos máximos de 0,03 pm (Ry) y una rugosidad de superficie (Ra) inferior a 0,01 pm. Por otro lado, el documento EP 2 647 738 describe un pistón y su pieza opuesta, que comprende un revestimiento de carbono amorfo con una concentración de hidrógeno de 4,5 a 30 at% con una rugosidad de superficie (rms) de 5 nm a 25 nm medida por AFM.

La aplicación de un tal revestimiento antiagarrotamiento se ha hecho necesaria debido al aumento creciente de la presión de contacto existente entre estos componentes. El aumento de la presión de contacto es resultado de la tendencia continua por disminuir las dimensiones de las piezas para reducir la masa y la energía perdida a causa de la inercia.

Los expertos en la técnica consideran en general que, en el interior de un par de dos componentes que cooperan entre sí por deslizamiento/fricción, el desgaste del componente que tiene la menor dureza disminuye con la rugosidad de superficie del componente que tiene la mayor dureza. Por lo tanto, en el caso de un eje de pistón, se considera, de manera habitual, que el desgaste de un componente de bronce o de aluminio disminuye con la rugosidad de un componente opuesto revestido con una capa de carbono amorfo; por eso, con el fin de limitar el desgaste del bronce o del aluminio, se presta especial cuidado a los ejes de pistón, a través de su estado de superficie antes del depósito. Sin embargo, la minimización de la rugosidad antes del depósito no es suficiente y, a menudo, debe ser complementada por una operación final de tratamiento destinada a reducir la rugosidad de la pieza revestida; una tal operación final puede consistir en un cepillado (según las modalidades conocidas por los expertos en la técnica).

Sin embargo, se ha constatado que, en determinadas condiciones, ni el bronce, ni el aluminio se desgastan, mientras que el desgaste del revestimiento de carbono amorfo se vuelve anormalmente significativo, a pesar de la dureza significativa de un tal revestimiento de carbono amorfo. Por tanto, dos revestimientos que tienen características mecánicas y de rugosidad (en el sentido macroscópico del término, véase más abajo) idénticas pueden comportarse de manera bastante diferente. En un caso, se puede notar un fuerte desgaste de la pieza opuesta (de dureza mucho menor, o material «blando»), y un minúsculo desgaste del revestimiento, mientras que, en otro caso, el material blando se caracteriza por un desgaste mínimo en combinación con un desgaste fuerte del revestimiento, sin que se conozca la razón.

Se comprenderá fácilmente que, para un funcionamiento adecuado del sistema, cada una de las dos piezas opuestas debe presentar un desgaste mínimo con el fin de asegurar la longevidad de los componentes.

Por consiguiente, existe la necesidad de poder fabricar y caracterizar una pieza provista de un revestimiento de carbono amorfo (de al menos 70% at. de carbono, o incluso al menos 90% at., excluido el hidrógeno) de manera que garantice que, en combinación con una pieza opuesta de dureza sustancialmente menor (por ejemplo, menos de 2/3 de la dureza del revestimiento), ninguna de las dos piezas presenta un desgaste significativo en servicio.

Solución del problema técnico

Para permitir un control del desgaste de una pieza revestida con una fina capa dura de carbono amorfo, compuesta esencialmente de carbono (más del 70% atómico, excluyendo el contenido de hidrógeno), que está destinada a friccionar contra un material más blando, es decir cuya dureza es más de 1,5 veces menor que la del revestimiento, la invención enseña las condiciones sobre las rugosidades a escala macroscópica (medición convencional) y a escala microscópica (por microscopía de fuerza atómica, en la práctica en una superficie menor de 100 |jm2).

Más precisamente, la invención propone una pieza provista de un revestimiento de carbono amorfo (al menos 70% at. de carbono) y destinada para cooperar por deslizamiento con una pieza opuesta cuya dureza de superficie es como máximo los dos tercios de la del revestimiento, este revestimiento que tiene una rugosidad Ra que, medida por perfilometría, es superior a 0,025 micrones y como máximo igual a 0,050 micrones y, medida por microscopía de fuerza atómica, una microrrugosidad que es al menos igual a 0,004 micrones y como máximo igual a 0,009 micrones.

En este caso, se debe entender que la rugosidad Ra es la rugosidad de la pieza que lleva este revestimiento.

En efecto, se ha considerado que el cumplimiento de estos rangos de rugosidad, medidos según dos técnicas diferentes, condujo a un desgaste moderado de una tal pieza revestida, sin inducir un desgaste significativo de la pieza opuesta mucho menos dura, independientemente de las características particulares del eventual lubricante interpuesto entre las superficies de fricción.

Para distinguir estas dos nociones de rugosidad (en media aritmética), se reserva en lo sucesivo la palabra «rugosidad» para lo que se mide por un medio convencional) y se utiliza la expresión de «microrrugosidad» para la rugosidad medida por microscopía de fuerza atómica.

El medio de medición de rugosidad convencional está limitado en resolución, por el tamaño de la punta (típicamente tiene un radio local de 2 micrones); la punta aplicada en la microscopía de fuerza atómica AFM es de varios órdenes de magnitud más pequeña (típicamente tiene un radio local de 0,01 micrones o incluso inferior); por lo tanto, la punta AFM permite ver detalles más pequeños que los que puede detectar un medio convencional.

El principio de fijar valores máximos y mínimos para la rugosidad de una pieza revestida con una película de DLC (carbono diamante) ya ha sido propuesto, en el documento WO - 2012/073717; se recomienda un revestimiento de DLC que contenga de 4,5%at a 30%at. de hidrógeno, y una rugosidad cuadrática media comprendida entre 5 nm y 25 nm (o bien 0,005 y 0,025 micrones); sin embargo, la existencia de un umbral mínimo no se asocia en modo alguno a la preocupación de minimizar los desgastes de la capa de DLC y de una pieza opuesta, sino que se propone para garantizar un nivel de fricción suficiente para generar la energía necesaria a las reacciones que permitan la acción de los aditivos proporcionados en el interior del lubricante particular utilizado (el lubricante contiene un compuesto a base de molibdeno y adiciones de zinc y azufre, y la descripción dada en el documento tiende a garantizar la formación de MoS2); en efecto, este documento recomienda que las dos piezas sean de materiales comparables, por lo tanto, entre los cuales no existe una diferencia significativa de dureza y entre los cuales no puede presentarse el problema técnico en la base de la presente invención. En cualquier caso, este documento no divulga el interes de medir la rugosidad a través de la técnica de microscopía de fuerza atómica, ni con mayor razón el interés de fijar umbrales para, por un lado, la rugosidad medida de una manera convencional (por perfilometría) y, por otro lado, a través de esta técnica tan particular. Si se mantiene la única rugosidad por medición convencional (en rugosidad cuadrática y no Ra, en media aritmética), cabe señalar que este documento enseña un valor máximo muy inferior al valor máximo de la presente invención (en media aritmética Ra), que sería muy probablemente incompatible con el rango de microrrugosidad de AFM de la invención. En otras palabras, la invención enseña de manera implícita un rango de rugosidad, en medida convencional, que es superior al de este documento.

Según la invención, este valor de rugosidad Ra medido por perfilometría es superior a un umbral de 0,020 micrones, o incluso 0,025 micrones. En este caso, cabe señalar que se trata de la rugosidad del revestimiento, que puede ser diferente de la de la superficie antes del revestimiento.

De manera preferida, la rugosidad medida por perfilometría es como máximo igual a 0,046 micrones y la microrrugosidad de microscopía de fuerza atómica está comprendida entre 0,004 y 0,0075 micrones; tales rangos restringidos parecen ser aún mejor, capaces de garantizar un nivel bajo para los desgastes de las dos piezas opuestas; sin embargo, cabe señalar que la invención no pretende identificar una condición necesaria y suficiente para que los desgastes de las dos piezas sean moderados; simplemente está destinada para proporcionar una condición suficiente para obtener un tal resultado.

Según las características preferidas de la invención, eventualmente combinadas:

• El revestimiento contiene hidrógeno en un contenido de 20+/-5% at., medido según la técnica denominada ERDA, • La pieza incluye bajo el revestimiento de carbono amorfo, que está hidrogenado, una capa de como máximo un micrón de CrN,

• El revestimiento incluye un dopaje de tungsteno sobre como máximo un micrón a partir de la superficie de la pieza, para una película de al menos dos micrones.

La invención propone además un par de piezas que cooperan por fricción, que comprenden una pieza del tipo mencionado anteriormente y una pieza opuesta, cuya dureza de superficie es como máximo los dos tercios de la del revestimiento.

A título de ejemplos, esta pieza opuesta puede ser realizada de una aleación de cobre, tal como el bronce; en la variante, puede estar realizada de una aleación de aluminio, por ejemplo, de AISn. También se puede decir que se trata de aleaciones de estaño. Una tal pieza opuesta solo se puede formar de un tal material en la superficie.

Los objetos, características y ventajas de la invención surgen de la descripción que sigue, dada a título de ejemplo ilustrativo no limitativo con referencia al dibujo adjunto en el cual:

- La Figura 1 es un diagrama que correlaciona la rugosidad de varios ejemplos de piezas revestidas con el desgaste de esta pieza y la de una pieza opuesta de bronce, y

- La Figura 2 es un diagrama que correlaciona la microrrugosidad de varios ejemplos de piezas revestidas con el desgaste de esta pieza y con el de una pieza opuesta de bronce.

Exposición detallada de al menos un modo de realización

En lo sucesivo, se consideran piezas metálicas, en la práctica de acero, revestidas con una película de carbono amorfo, destinada a cooperar con una pieza opuesta de bronce (o incluso de aluminio), en condiciones que simulan las condiciones de servicio de un árbol (o eje) de pistón en el interior de un motor; puede tratarse de la articulación del árbol en el cigüeñal o de la articulación del árbol en el propio pistón.

Los ejemplos con un revestimiento de CrN sirven como elementos de comparación.

La medición de la rugosidad Ra convencional permite definir el nivel necesario requerido, según el enfoque habitual, con el fin de limitar el desgaste de la pieza (bronce o aluminio, especialmente) opuesta del eje revestido de la capa dura. Sin embargo, para un revestimiento determinado, las caracterizaciones convencionales de la pieza revestida no permiten determinar si el revestimiento sufrirá o no el desgaste. Para los mismos valores de rugosidad Ra (medidos de manera convencional) y de dureza, dos revestimientos aparentemente similares pueden, uno no sufrir ningún desgaste y el otro, por el contrario, sufrir un desgaste excesivo, sin que se haya comprendido todavía la razón (esto no puede ser simplemente abrasión debido al significativo nivel de la relación entre las durezas de las piezas opuestas). Según un aspecto de la invención, el examen de la superficie de las piezas a través de la tecnología de microscopía de fuerza atómica (o AFM) contribuye a permitir determinar la topografía ideal que debe tener la pieza revestida para minimizar el desgaste de las dos piezas opuestas.

En los siguientes ejemplos, los ejes de pistón, inicialmente idénticos (con las tolerancias de fabricación cercanas), se han revestido respectivamente con depósitos de nitruro de cromo CrN y varios tipos de materiales a base de carbono amorfo; actualmente se utiliza con bastante frecuencia la sigla DLC como sinónimo de todas las formas de carbono amorfo; en efecto, la sigla DLC («Diamant-Like Carbón») designa el carbono que tiene átomos de carbono que presentan una hibridación tal como en el diamante y se debe reservar para esta forma de carbono amorfo. En lo sucesivo, las denominaciones abreviadas retomarán la sigla DLC para las diversas formas de carbono amorfo, por razones de simplicidad, ya sea de carbono amorfo hidrogenado, carbono amorfo no hidrogenado (para el cual la sigla DLC parece totalmente exacta), o carbono amorfo hidrogenado de dopaje de tungsteno

Los ejes de pistón han sido caracterizados, antes del depósito, por una medición de rugosidad Ra de 0,025 pm y una medición de rugosidad Rpk de 0,040 pm. En este caso, las mediciones de rugosidad Rpk se dan en complemento de las mediciones de rugosidad, para completar la caracterización de los ejemplos. Como se indicó anteriormente, los revestimientos que se depositarán pueden tener rugosidades muy diferentes, dependiendo especialmente de las modalidades de formación de estos revestimientos.

En lo sucesivo, las medidas de dureza Hv corresponden a una carga de 10 a 30 mN, adaptada al espesor del revestimiento ya su dureza, de modo que la profundidad de indentación es del orden de una décima pieza del espesor del depósito; por tanto, la medición de la dureza no integra de manera significativa la dureza del sustrato.

Las capas de CrN han sido elaboradas por pulverización magnetrónica, siendo precisado que este tipo de depósito suele dar capas subestequiométricas. El contenido de nitrógeno se situó en 40+/-5% atómico. Estos depósitos de CrN se caracterizan en la práctica por una dureza Vickers de 1800+/-200 Hv. Se consideraron dos espesores de depósito, 1 pm y 2 pm, de ahí las designaciones CrN1 y CrN2, respectivamente.

Los depósitos de carbono amorfo hidrogenado se realizan de manera convencional por depósito químico en fase de vapor (Depósito de vapor químico, o CVD) bajo argón; de preferencia la técnica de depósito es una forma particular de CVD, es decir, un depósito de CVD asistido por un plasma - en inglés «Plasma assisted CVD» o «PACVD» o «Plasma Enhanced CVD» o «PECVD») Estas capas se caracterizan por una dureza de 3000+/-400Hv, que corresponde a un contenido de hidrógeno medido en ERDA de 20+/-5 at. %. Estas capas han sido depositadas con un espesor de 2 micrones sobre una subcapa de CrN que tiene dos espesores posibles:

- Un depósito doble de 0,8 |jm de CrN y luego de 2,0 |jm de carbono amorfo hidrogenado se denomina, en este caso, DLC1,

- Un depósito doble de 1,5 jm de CrN y luego de 2,0 jm de carbono amorfo hidrogenado se denomina, en este caso, DLC2.

Como variante de la referencia DLC1, se formó otro depósito de carbono amorfo hidrogenado haciendo variar las condiciones de depósito de CrN, especialmente, aumentando la presión total de argón; este depósito se designa en lo sucesivo por DLC3.

El revestimiento de carbono amorfo no hidrogenado se elabora a través de una tecnología de depósito de evaporación por arco catódico. Su dureza ha sido medida a 4500 Hv. Se consideró que tenía un solo espesor, es decir, un espesor de un micrón; por tanto, en lo sucesivo, el revestimiento obtenido se designa por DLC4. El depósito de carbono amorfo no hidrogenado, DLC (o taC) se forma a través de una técnica de PVD (evaporación por arco catódico de grafito).

Finalmente, el depósito de carbono amorfo hidrogenado de dopaje de tungsteno ha sido elaborado por pulverización catódica con magnetrón a partir de un blanco de carburo de tungsteno, en una atmósfera que contenía una presión parcial de hidrocarburo. Este depósito se caracterizó por una dureza de 1400Hv y un contenido de W de 10% atómico (excluyendo el hidrógeno). Se puede analizar como está formado por una subcapa de WC recubierta de carbono (con una elevación progresiva del contenido de carbono hasta llegar al 90%; en este caso, el revestimiento considerado incluía una capa de WC de 0,6 jm de espesor (que se va enriqueciendo de manera progresiva de carbono) para un espesor total de 2,5 jm ; en lo sucesivo, este revestimiento se denomina DLC5.

Es importante recordar (véase más arriba) que las durezas mencionadas anteriormente son en efecto las durezas de los revestimientos, a pesar de sus bajos espesores, y no las durezas de los materiales subyacentes.

Los revestimientos de carbono amorfo son notablemente más duros que los de CrN, especialmente cuando no están hidrogenados (en general formados del 100% de carbono - el caso del DLC), con la excepción del revestimiento del carbono amorfo hidrogenado de dopaje de tungsteno; por consiguiente, los revestimientos de carbono amorfo (hidrogenados o no hidrogenados, sin dopajes de tungsteno) tienen de manera habitual una resistencia al desgaste, especialmente por abrasión, más elevada que los revestimientos de CrN.

Finalmente, estos revestimientos han sufrido, o no, una etapa final de cepillado más o menos intensa según las modalidades conocidas.

El cepillado se caracterizó por dos magnitudes principales, la presión de soporte del cepillo y el número de pasos debajo del cepillo, así como se desprende de la siguiente tabla.

Un tal cepillado permite hacer desaparecer los crecimientos que puedan haberse formado durante la operación de depósito de las capas y que constituyen picos susceptibles de agravar el desgaste de la pieza opuesta, a modo de un rallador. Estos crecimientos tienen una resistencia mecánica muy baja, por lo que se eliminan al final del cepillado más ligero. Los cepillados más intensos tienen como consecuencia pulir la superficie del depósito.

El conjunto de estas piezas ha sufrido caracterizaciones de rugosidad por perfilometría, pero también a mediciones de microrrugosidad utilizando la técnica denominada de microscopía de fuerza atómica «AFM» efectuando imágenes de 5x5 jm . En otras palabras, las diversas piezas han sido objeto de una medición macroscópica (convencional) de rugosidad a través de un rugosímetro (a escala de una décima de micrón) y una medición nanométrica por AFM (a escala de la decena de nanómetros); como se indicó anteriormente, esta rugosidad se denomina «microrrugosidad» para identificarla con respecto a la rugosidad macroscópica.

Finalmente, todas estas piezas han sido caracterizadas en el plano tribológico, con el objetivo de cuantificar el desgaste de la pieza revestida, pero también el desgaste de la pieza opuesta realizada en un metal, en este caso, calificado de blando (es decir, cuya dureza es como máximo dos tercios de la del revestimiento considerado).

En los ejemplos que siguen, el metal blando es un cilindro de bronce de 10 mm de diámetro, cuyo Ra de 0,3 |jm es representativo de una pieza real. Las pruebas de fricción se llevaron a cabo en una configuración de tipo ejes cruzados: el movimiento relativo se produjo en el sentido paralelo a las estrías sobre el eje de pistón y el punto de contacto ha sido desplazado en un generador del eje de bronce en una carrera de 10 mm. La carga aplicada ha sido de 11,6 N. La velocidad promedio de deslizamiento ha sido de 100 mm/s según un movimiento alternativo dado por un sistema excéntrico. Antes de la prueba, el contacto se humedeció con una gota de aceite SAE5W30. El sistema se calentó a 110 °C.

Al final de los 9000 ciclos de prueba, el desgaste ha sido caracterizado a través de la medición de las dimensiones de la zona de fricción. Para el eje de bronce, la medición se ha hecho según el ancho de la marca de fricción. Para la pieza revestida, la medición del desgaste se ha hecho en la dirección de fricción. Cabe señalar que el ancho inicial de contacto en el bronce ha sido de 320 jm ; por consiguiente, las dimensiones de las marcas de fricción, en el bronce, del orden de 320 jm hasta 340 jm , denotan un desgaste del bronce bajo o nulo. De la misma manera, la dimensión del área inicial de contacto sobre el eje revestido, en la dirección de fricción, ha sido de 240 jm ; por lo tanto, las dimensiones de van hasta 260 jm indican bajos desgaste del revestimiento. Cabe señalar que, ya que los revestimientos son sustancialmente más duros que las piezas opuestas, su desgaste no puede corresponder a la abrasión.

La siguiente tabla correlaciona varias características de los revestimientos. Las medidas de desgaste pueden corresponder a valores inferiores a las medidas iniciales que se mencionan más adelante, especialmente debido a las incertidumbres de medidas (en efecto, las probetas son cilindros cuya rugosidad y geometría no son tan ideales como las características utilizadas para el cálculo de las dimensiones del contacto; la geometría y la topografía reales pueden tener el efecto de que el área inicial, que teóricamente corresponde a una elipse, puede ser ligeramente inferior a 240 jm .

Estos resultados se visualizan además en el gráfico de la Figura 1 (mediciones de rugosidad Ra a través de un rugosímetro que tiene un palpador de 2 jm de radio) y en el gráfico de la Figura 2 (microrrugosidad de AFM, indicada por jR a abreviado):

- Los cuadrados representan los desgastes en micrones de una pieza de bronce frente a un revestimiento de DLC (escala de la izquierda),

- Los rombos representan los desgastes de los revestimientos de DLC (escala de la derecha),

- Los triángulos representan los desgastes de una pieza de bronce frente a un revestimiento de CrN (escala de la izquierda), y

- Las cruces representan los desgastes de los revestimientos de CrN (escala de la derecha).

Se puede suponer que las dos escalas de medición de rugosidad no dan exactamente la misma información: la rugosidad macroscópica resulta en gran parte del mecanizado de la pieza antes de que se deposite el revestimiento, mientras que la microrrugosidad caracteriza principalmente el crecimiento del revestimiento, con una menor incidencia del mecanizado antes mencionado.

En el diagrama de la Figura 1, se encuentra un resultado del estado de la técnica, es decir, que el desgaste del bronce está relacionado con la rugosidad de la pieza opuesta, cuando se mide de manera convencional. La disminución de la rugosidad de la pieza revestida induce de manera natural la disminución del desgaste de la pieza opuesta, que es más blanda.

Este diagrama de la Figura 1 muestra por otro lado, a diferencia de lo que se podría suponer, que los revestimientos de DLC pueden sufrir un desgaste significativo, aunque su naturaleza no los predispone a desgastarse (son más duros que las piezas de bronce). Además, el desgaste de los revestimientos no está relacionado con su rugosidad. En efecto, en lo que respecta a los revestimientos de CrN, se observa un desgaste que parece no depender de la rugosidad del revestimiento, mientras que, en lo que respecta a los revestimientos de DLC, incluso se cree que se puede leer una correlación negativa, es decir, cuanto menor sea la rugosidad, mayor será el desgaste.

Se pueden hacer comentarios similares sobre el diagrama de la Figura 2, siendo precisado que el desgaste de las piezas de bronce es casi proporcional a la rugosidad de AFM (el promedio intercepta la línea de abscisas para un valor muy bajo de la rugosidad de AFM). En cuanto al desgaste de las piezas revestidas de carbono amorfo, parece ser razonable siempre que esta rugosidad de AFM sobrepase el orden de 0,0050 micrones (en lo que respecta a los revestimientos de CrN, el desgaste permanece bajo en todos los casos).

En otras palabras, estas mediciones de rugosidad y microrrugosidad ponen en evidencia que existe una relación inversamente proporcional entre la rugosidad y la microrrugosidad de la pieza revestida y su desgaste frente a una pieza opuesta, aunque sea menos dura (o más blanda), ya que parece que son las capas de carbono amorfo más lisas las que presentan los desgastes más significativos.

Más precisamente, entre las capas de carbono amorfo hidrogenado (DLC1 a DLC3):

• Los desgastes de las piezas opuestas de bronce apenas disminuye cuando se cepillan los revestimientos (incluso se puede notar que, con las incertidumbres de medición, no hay diferencia evidente entre los ejemplos 3 y 6), • El desgaste de estas piezas opuestas de bronce no disminuye (incluso aumenta) a medida que se mejora el cepillado (véanse los DLC1),

• La rugosidad Ra del revestimiento disminuye cuando se efectúa un cepillado, pero una prolongación del cepillado no necesariamente tiene un efecto favorable en esta reducción,

• Por otro lado, la microrrugosidad de AFM del revestimiento disminuye cuando se efectúa un cepillado y disminuye aún más a medida que este cepillado se continúa, siendo la mínima microrrugosidad observada con los DLC1 (con la subcapa de CrN más baja)

• Un cepillado no conduce a una reducción del desgaste del revestimiento (DLC2, DLC3); si se constata una baja reducción con respecto al DLC1, una prolongación del cepillado tendrá incluso el efecto de favorecer el desgaste, • Excepto en lo que respecta a estos DLC1 que hayan sufrido un cepillado prolongado, el desgaste del revestimiento sigue siendo moderado (por debajo de 260 micrones)

• El aumento de la capa subyacente de CrN no tiene un efecto favorable sobre el desgaste de las piezas de bronce; por el contrario, solo los revestimientos de DLC1, con un espesor de capa subyacente de solo 0,8 micrones, presentan un desgaste moderado, en un estado sin cepillar o poco cepillado,

• El aumento de la presión de argón durante el depósito del revestimiento no tiene un efecto positivo visible (comparar los DLC2 y los DLC3).

En lo que respecta a los DLC no hidrogenados (DLC4):

• Un cepillado del revestimiento parece ser necesario para mantener a un nivel razonable el desgaste de la pieza opuesta de bronce, pero en detrimento del desgaste del revestimiento,

• Se puede pensar que un cepillado moderado es susceptible de conducir a un compromiso aceptable.

Finalmente, en lo que respecta a los DLC de tungsteno (DLC5):

• Un cepillado parece tener un efecto positivo en el desgaste de la pieza opuesta de bronce, pero este desgaste permanece moderado incluso en ausencia de un tal cepillado.

• Por otro lado, el efecto positivo del cepillado para la pieza opuesta aparece en detrimento del desgaste del revestimiento.

Se puede señalar que el hecho de efectuar un cepillado es una operación prevista por los pliegos de condiciones de los fabricantes de ejes de pistón con el fin de eliminar los defectos de crecimiento del revestimiento; sin embargo, teniendo en cuenta su muy baja densidad (excepto para los depósitos de carbono amorfo no hidrogenado, que según las particularidades de la técnica de elaboración, pueden presentar cantidades muy grandes de defectos de crecimiento), parece dudoso que estos defectos puedan tener un influencia significativa en los fenómenos de desgaste indicados anteriormente.

Cabe señalar que los ejemplos 1 y 7 a 9 son casos de acuerdo con una situación conocida por los expertos en la técnica, es decir, que se constata un desgaste significativo de las piezas opuestas de bronce con las probetas revestidas más rugosas (más de 0,050+/-0,001 micrones de rugosidad Ra), incluso si no existe una proporcionalidad real entre las rugosidades y los desgastes (el ejemplo 1 es más rugoso que el ejemplo 7 a la vez que conduce a un menor desgaste; la rugosidad no es el único parámetro que interviene). Cabe señalar que las microrrugosidades de constatadas en estos ejemplos hacen parte de los valores más elevados constatados (superiores a 0,0090).

En cuanto a los ejemplos 5, 6, 10 y 12, se puede señalar que corresponden a valores significativos de desgaste de los revestimientos. Este resultado parece sorprendente para los expertos en la técnica ya que los revestimientos de estas piezas no difieren en términos de características mecánicas o químicas de sus capas opuestas más rugosas. Aunque los revestimientos sean mucho más duros que la pieza opuesta de bronce (sustancialmente más blando), se manifiesta un fuerte desgaste. El examen de la rugosidad a través de la técnica de AFM revela que, en una escala de unos pocos |jm2, estas capas se distinguen de otras capas por una Ra particularmente baja (inferior a 0,004 jm).

Se puede señalar que el ejemplo 11 corresponde a un desgaste de la pieza de bronce apenas superior al umbral indicado y se puede considerar como que es limitativo.

Esto conduce a considerar que, cuando un revestimiento de carbono amorfo (al menos 70% at. de carbono) tiene una rugosidad Ra como máximo igual a 0,050 micrones, en combinación con una microrrugosidad Ra de AFM superior a 0,004 micrones, pero inferior a 0,009 micrones, se combina un bajo desgaste del revestimiento y de la pieza opuesta de bronce (aunque sea sustancialmente menos dura que el revestimiento).

En efecto, solo los ejemplos que satisfacen la condición doble antes mencionada conducen a bajos desgastes de las dos piezas en fricción recíproca.

Parece que los desgastes son incluso más bajos que la rugosidad del revestimiento:

- Es como máximo igual a 0,046 micrones en medición convencional

- Y está comprendido entre 0,004 y 0,0075 micrones de AFM.

Por tanto, cabe señalar que los buenos ejemplos identificados corresponden a los revestimientos sin cepillar o apenas cepillados, con un carbón amorfo hidrogenado (de preferencia con un contenido de hidrógeno que tiene una capa subyacente baja de CrN (aparentemente no más de un micrón) o un carbón amorfo hidrogenado de dopaje de tungsteno (aparentemente, tampoco más de un micrón) Con respecto a los carbonos amorfos no hidrogenados, parece que un cepillado moderado puede conducir al cumplimiento de las condiciones antes mencionadas y por lo tanto, a los desgastes recíprocos moderado.

Además, de lo anterior se desprende que la naturaleza del revestimiento es determinante ya que los ejemplos 1 a 12, que comprenden una capa dura a base de carbono amorfo (más del 70% atómico excluyendo hidrógeno), conducen a conclusiones diferentes de los ejemplos 13 a 15, obtenidos con un revestimiento de CrN. Especialmente, como con las capas de carbono amorfo, los depósitos de CrN conducen a un mayor desgaste del bronce cuando aumenta la rugosidad de la pieza revestida, mientras que, con una baja o muy baja rugosidad, las capas de CrN no se desgastan y no desgastan la pieza opuesta de bronce. Estos resultados muestran que el fenómeno de desgaste de los revestimientos de carbono amorfo no es mecánico ni abrasivo, ya que estas capas son más duras que el CrN o significativamente más de 1,5 veces más duras que la pieza opuesta. Por tanto, el fuerte desgaste de las capas de carbono amorfo con muy bajas rugosidades no es un fenómeno común y conocido por los expertos en la técnica. Como los revestimientos en cuestión están compuestos mayoritariamente de carbono, se puede imaginar, sin querer ceñirse a una tal interpretación, que interviene un mecanismo que puede ser del tipo triboxidación y, por lo tanto, insensible a la dureza de las capas de carbono.

Sólo desde el punto de vista de la resistencia al desgaste, una capa muy lisa de CrN cumple la función esperada. Por otro lado, con la preocupación constante de reducir la fricción, se prefieren los revestimientos de carbono amorfo sobre el CrN ya que permiten coeficientes de fricción más bajos. Los rangos de rugosidad identificados anteriormente permiten garantizar los niveles razonables de desgaste.

Se puede señalar que, en la tabla anterior, se ubica una columna entre las columnas Ra y pRa (AFM), cuyo título es RPk; esta columna hace una lista de la rugosidad obtenida según una variante de medición de rugosidad. Se puede señalar que esta otra manera de caracterizar la rugosidad permite conclusiones similares.

Las conclusiones anteriores se generalizan a otros pares de materiales; por tanto, de manera más general, la pieza opuesta (que tiene la dureza baja definida anteriormente) puede estar en cualquier aleación de cobre, o en cualquier aleación de aluminio; este puede ser, especialmente, el caso de los ejes de pistón. Puede tratarse de una aleación de estaño tal como el AlSn (especialmente utilizado en algunos cojinetes de cigüeñal o en al nivel de la cabeza de una biela). Se entiende que esta pieza opuesta solo puede ser de un material blando en la superficie (e incluir un núcleo de otro material).

Cabe destacar que está al alcance de los expertos en la técnica, conociendo la rugosidad y la microrrugosidad que se va a obtener, ajustar las condiciones de depósito. En efecto, los expertos en la técnica disponen de un conjunto de parámetros operativos para hacer variar la morfología de los depósitos e incluso de las subcapas de PVD; las capas de PVD en general crecen con una estructura de columnas cuyo tamaño aumenta con el espesor, lo que influye en la rugosidad.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Pieza mecánica provista de un revestimiento de carbono amorfo con al menos un 70% de at. de carbono excluyendo el hidrógeno y destinada a cooperar por deslizamiento con una pieza opuesta cuya dureza de superficie es como máximo dos tercios de la del revestimiento, teniendo este revestimiento una rugosidad Ra que, medida por perfilometría, es superior a 0,025 micrones y como máximo igual a 0,050 micrones y, medida por microscopía de fuerza atómica, una microrrugosidad que es al menos igual a 0,004 micrones y como máximo 0,009 micrones.

2. Pieza según la reivindicación 1, cuya rugosidad, medida por perfilometría, es como máximo igual a 0,046 micrones y la microrrugosidad en microscopía de fuerza atómica está comprendida entre 0,004 y 0,0075 micrones.

3. Pieza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, cuyo revestimiento contiene hidrógeno en un contenido de 20+/-5% at., medida según la técnica denominada ERDA.

4. Pieza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende bajo el revestimiento de carbono amorfo, que está hidrogenado, una capa de como máximo un micrón de CrN.

5. Pieza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende un dopaje de tungsteno sobre como máximo un micrón a partir de la superficie de la pieza, para una película de al menos dos micrones.

6. Par de piezas que cooperan por fricción que comprenden una pieza según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 y una pieza opuesta cuya dureza de superficie es como máximo los dos tercios de la del revestimiento.

7. Par de piezas según la reivindicación 6, en el cual la pieza opuesta es de aleación de cobre.

8. Par de piezas según la reivindicación 6, en el cual la pieza opuesta es una aleación de aluminio.

9. Par de piezas según la reivindicación 6, en el cual la pieza opuesta es de una aleación de estaño.