Investigaciones a largo plazo de revestimientos autolubricantes de dispersión de plata

Debido a los largos tiempos de funcionamiento que requieren las conexiones de enchufe, éstas se tratan previamente con lubricantes de contacto. Como alternativa a esto, se investigó la idoneidad de los recubrimientos de dispersión de plata con diversos lubricantes secos como dispersoides para aumentar la resistencia al desgaste de las conexiones de enchufe conductoras de corriente.

Introducción

La tendencia a la miniaturización en la ingeniería eléctrica y el consiguiente aumento de las prestaciones representan un reto cada vez mayor, en particular para el recubrimiento de las conexiones de enchufe conductoras de corriente. Los conectores con un elevado número de ciclos de acoplamiento o fricción suelen pretratarse con un lubricante de contacto para minimizar el desgaste por fricción durante el funcionamiento. Para alcanzar los tiempos de funcionamiento requeridos, de varias décadas en algunos casos, el lubricante de contacto debe estar diseñado para ofrecer estabilidad a largo plazo y resistencia a la temperatura. Por estas razones, se suelen utilizar como lubricantes productos fluoroquímicos, que son críticos tanto en términos de producción como de eliminación.

Como alternativa a los lubricantes de contacto utilizados habitualmente, se examinaron recubrimientos de dispersión de plata con diversos lubricantes secos como dispersoides bajo la influencia de temperaturas elevadas para determinar su idoneidad para aumentar la resistencia al desgaste de las conexiones de enchufe conductoras de corriente. Basándose en los resultados de ensayos publicados anteriormente [1], se envejecieron plata pura, _plata-MoS2, recubrimientos de _plata-WS2 y sistemas de plata-grafito en ensayos de larga duración a temperaturas cercanas a las de aplicación (140 °C y 180 °C). Para validar las capas de dispersión de plata, se analizaron sus propiedades de fricción y desgaste, así como su dureza y microestructura. Una característica especial de esta serie de pruebas es la omisión deliberada de una barrera de difusión entre la capa de dispersión de plata y el material base.

Resultados experimentales

Los ensayos de envejecimiento se realizaron con dos tipos de muestras diferentes. Para la caracterización del material se fabricaron películas sin soporte. Para los ensayos tribológicos, se utilizaron sustratos planos de latón, que fueron precobreados con cianuro y precobreados con plata. Para investigar la influencia de los dispersoides en el comportamiento de difusión del zinc del material base y del cobre de la capa intermedia de cobre en las capas de dispersión de plata, se omitió deliberadamente una capa intermedia de níquel en la serie de ensayos. Las muestras utilizadas en este estudio figuran en la Tabla 1 . Para más detalles sobre la preparación de las muestras, véase [1].

Para evaluar los cambios topográficos iniciados por el ensayo a largo plazo, las muestras seleccionadas se analizaron en detalle mediante microscopía electrónica de barrido (Gemini SEM 300 de Zeiss). La composición química de las capas se determinó mediante espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDX).

Fig. 1: Imágenes SEM de la superficie de la muestra antes y después del envejecimiento a 180°C durante 2000h (plata pura, plata-grafito, _plata-WS2, _plata-MoS2)

Las propiedades tribológicas se determinaron mediante un ensayo pin sobre disco con un tribómetro "CSEM Pin On Disk Tester" y una bola de 100Cr6 recubierta de plata pura como contra-cuerpo a una fuerza normal de 1 N y una velocidad de deslizamiento de 52,4 mm/s. La temperatura para el ensayo "pin on disc" fue de 23 °C con una humedad relativa del 50 %.

Para evaluar la dureza del revestimiento, se realizaron ensayos de indentación instrumentados en los distintos revestimientos mediante esmerilado metalográfico (Fischerscope HM500). La carga máxima de ensayo fue de 30 mN. El indentador era un indentador Vickers.

Resultados

Fig. 2: Imágenes de secciones transversales tras envejecimiento ' a 180°Cdurante 2000 h (plata pura, plata-grafito, _plata-WS2, plata-MoS2)Según los exámenes con microscopio electrónico de barrido, los elementos cobre y oxígeno, y en algunas muestras también zinc, pueden detectarse en la zona próxima a la superficie a partir de un tiempo de envejecimiento de 500 h a 140 °C en todas las muestras examinadas. Sin embargo, sólo se observa un cambio real en la topografía de la superficie a 140 °C en las muestras de _MoS2 plateado después de 2000 horas. De ello se deduce que las especies difusoras aún no han penetrado completamente en la capa de plata en las capas de plata pura y en las capas de dispersión de _plata-WS2 y plata-grafito. A una temperatura de exposición de 180 °C, se observan cambios en la estructura superficial de todas las muestras. En la figura 1 se compara la topografía superficial de las distintas muestras en su estado inicial y tras 2000 h de envejecimiento a 180 °C utilizando imágenes del detector de retrodispersión. La interacción entre la intensidad de la retrodispersión y el número atómico medio permite detectar cambios en la composición elemental de la superficie.

Las muestras de plata pura y plata-grafito muestran el mayor cambio en la intensidad de retrodispersión. En comparación, en las muestras de plata _WS2 y plata _MoS2 sólo se observan cambios localizados, sobre todo en la zona de los dispersoides que sobresalen de la superficie (véanse las marcas).

La figura 2 muestra imágenes transversales de las capas de plata pura y de plata en dispersión tras el envejecimiento a 180 °C durante 2000 horas. Se puede observar que la estructura de la matriz de plata de las capas de dispersión de _{plata Silver-WS2} y _SilverMoS2 está fuertemente alterada en las proximidades de los dispersoides incorporados. En estos puntos se detectan mayores concentraciones de las especies difusoras cobre y zinc, especialmente en la zona de los límites de grano.

La figura 3 muestra los coeficientes de fricción medios tanto de la plata pura como de las capas de dispersión de plata antes y después del envejecimiento a 180 °C durante 2000 h. Los ensayos realizados con las capas de plata pura sirven de referencia. Todas las capas de dispersión de plata examinadas muestran buenas propiedades tribológicas incluso después del envejecimiento a 140 °C o 180 °C en comparación con la capa de plata pura. Los tratamientos térmicos apenas influyen en el coeficiente medio de fricción de las capas de dispersión de plata.

Fig. 3: Coeficiente de fricción de la respectiva capa de dispersión de plata en comparación antes y después del envejecimiento a 180 °C durante 2000 h

Los resultados de los ensayos de indentación instrumentados muestran una ligera disminución de la dureza del recubrimiento en el estado inicial como consecuencia de la incorporación de los distintos dispersoides. Además, se registra una disminución de la dureza en todos los sistemas durante el proceso de envejecimiento (véanse las Figs. 4 y 5). El sistema de plata pura presenta el mayor cambio de dureza, con una disminución de aproximadamente 105 HV a aproximadamente 60 HV a 140 °C y 180 °C después de 100 h respectivamente. El cambio de dureza en el sistema plata-grafito es menos pronunciado; los valores descienden del valor inicial de 96 HV a 74 HV después de 100 h a 140 °C y 180 °C respectivamente. Tras un nuevo envejecimiento a 140 °C, los valores permanecen constantes, mientras que la dureza desciende a 66 HV a 180 °C. El comportamiento de las capas _{de plata-MoS2} es similar al de las capas de plata-grafito. Comenzando con algo menos de 100 HV, la dureza cae a 77 HV después de 100 h, y a aproximadamente 70 HV con un envejecimiento aún más prolongado. Con _{la plata-WS2}, la caída de la dureza es algo menos pronunciada (de 93 HV a 80 HV después de 100 h o hasta el final del envejecimiento). El descenso observado en la dureza es conocido para los recubrimientos de plata y suele estar causado por el crecimiento del grano como resultado del tratamiento térmico. La presencia de partículas dispersas parece reducir este proceso. Dado que los valores de dureza de las capas de dispersión, al menos para los sistemas plata-C y _plata-WS2, aún no han alcanzado un valor de meseta tras 1000 horas de envejecimiento a 180 °C, no se puede descartar un nuevo descenso de la dureza con un estrés térmico prolongado.

Fig. 4: Valores de dureza de los respectivos sistemas de recubrimiento al principio, después de 100 h, 500 h y 1000 h de envejecimiento a 140 °C

Resumen

Fig. 5: Valores de dureza del sistema de recubrimiento correspondiente al principio, después de 100 h, 500 h y 1000 h de envejecimiento a 180 °C Envarias pruebas, los recubrimientos de dispersión de plata con diferentes dispersoides incrustados (grafito, _WoS2, _MoS2) se expusieron a temperaturas elevadas en una prueba de larga duración. Los resultados de las pruebas muestran que, en general, existe una buena unión entre la plata y los dispersoides utilizados. Los sistemas plata-grafito, _plata-MoS2 y _plata-WS2 destacan en comparación con los recubrimientos de plata pura por sus buenas propiedades tribológicas. Estos sistemas presentan un coeficiente de fricción relativamente bajo tanto antes como después del envejecimiento térmico. La incorporación de dispersoides ralentiza la disminución de la dureza como resultado del tratamiento térmico en comparación con los recubrimientos de plata pura. En casi todos los sistemas pudo detectarse la difusión de cobre desde la capa intermedia aplicada o de zinc desde el material base hasta la superficie del recubrimiento. Sólo el sistema plata-grafito mostró una difusión más lenta de los elementos cobre y zinc.

Bibliografía

[1] Arnet, R.; Egetenmeyer, A.; Kappl, H.; Willing, H.: Silver dispersion coatings with self-lubricating properties, Galvanotechnik 112 (2021) 1, p. 21 ss.