Efeito da oxidação nas análises de dureza e atrito em filmes finos de Si3N4
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2011-08-30
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Revestimentos duros são altamente utilizados na engenharia de superfície de componentes
mecânicos devido à proteção contra o desgaste e à redução do coeficiente de atrito. Atualmente,
as técnicas de usinagem a seco estão exigindo novos materiais com propriedades mecânicas e
tribológicas inteligentes visando reduções de custos e de impacto ambiental. No entanto, o
excelente desempenho dos revestimentos de nitreto de silício em termos de sua resistência ao
desgaste e à oxidação nas ferramentas de cortes não foram totalmente entendidas.
Neste trabalho, filmes finos de nitreto de silício foram depositados em substrato de Si
(001) por magnetron sputtering reativo através de uma fonte de rádio frequência. A fim de
simular as condições de oxidação de uma ferramenta de corte em usinagem a seco, as amostras
foram submetidas ao tratamento termo-oxidativo em atmosfera de oxigênio em temperaturas de
500ºC e 1000ºC. Posteriormente, os filmes foram caracterizados por perfilometria elementar por
reação nuclear ressonante visando quantificar o conteúdo de oxigênio, ensaios de
nanoindentação e nanoscratch com deslizamento unidirecional visando medidas de dureza e de
atrito.
Após os tratamentos termo-oxidativo uma fina camada parcialmente oxidada de até 6 nm
de espessura foi obtida em temperatura de 1000º C e 4 horas de tratamento termo-oxidativo. A
presença desta camada parcialmente oxidada permite obter um coeficiente de atrito ultra-baixo,
ao mesmo tempo em que a dureza mantem-se constante em altas temperaturas, explicando a
elevada resistência ao desgaste dos revestimentos duros baseados em Si3N4. Finalmente, os
resultados são discutidos usando um modelo químico-cristalino, o qual relaciona o potencial
iônico e o coeficiente de atrito de vários sistemas de óxidos, permitindo expandir a sua
aplicabilidade a sistemas de nitretos.
Resumo
Hard coatings are widely used in surface engineering of mechanical components due to
their high wear resistance and reduced friction coefficients. Actually, the dry cutting techniques
are demanding new materials with smart mechanical and tribological properties allowing saving
cost and minimum environmental impact. However, the excellent behavior of silicon nitride
coatings in terms of wear and oxidation resistance in cutting tools are not well understood.
In this work, silicon nitride thin films were deposited on silicon (001) by reactive
magnetron sputtering by using a radio-frequency power supply. In order to simulate an oxidative
environment in cutting tool at dry machining conditions, samples were submitted to oxidative
annealing in oxygen atmosphere at temperatures of 500oC and 1000oC. A posteriori, the thin
films were characterized by resonant nuclear reaction elementar profilometry looking for oxygen
quantification in-depth and nanoindentation and nanoscratch with unidirectional sliding tests
looking for harness and friction measurements.
After oxidative annealing treatments, a thin film partially oxidized layer with
approximately 6 nm (T=1000oC) in-depth was formed in four times of oxidative annealing. Such
partial oxidized layer allows to obtain a ultra-low friction coefficient whereas the initial hardness
is maintained even at high temperatures and long times of oxidative annealing. Finally, the
results were discussed from the point of view of the crystal chemical approach, where the ionic
potential and the friction coefficient of various oxides are correlated, leading to expand the
model to nitride systems.