Influência da pressão parcial de nitrogênio e da tensão de polarização dosubstrato durante processo PVD na aplicação de revestimento sobre o açorápido M2 - Teles, Fernando Spanholi (My University, 2026)
PVD (Physical Vapor Deposition) coatings are widely used in several applications due to their properties and the diversity of materials that can be utilized. Among them, Titanium (Ti), Chromium (Cr), and Aluminum (Al) stand out, which are combined with reactive gases such as Nitrogen (N2), Acetylene (C2H2) and Oxygen (O2). One of the main applications of these coatings is in the cutting tool industry, which uses their diverse properties to achieve higher performance and faster cutting speeds during machining. These coatings, when deposited onto materials such as high-speed steel (HSS) and cemented carbide, among others, play a major role in developing more efficient and faster processes. Over the last decades, significant efforts have been made to develop new techniques and deposition methods, among which Cathodic Arc Evaporation (CAE) stands out. This technique allows depositions with a high ionization rate and high energy. However, there are also disadvantages, such as a high degree of defects, including craters and macroparticles. Increasingly modern equipment and techniques are being developed annually to overcome these drawbacks. One approach is by altering process parameters, which can range from ionic cleaning (etching) to variables during the coating synthesis process, such as reactive gas pressure, substrate temperature, substrate bias voltage, and the distance between the substrate and the cathode, among others. Therefore, understanding how the process occurs and how the coatings react to these modifications is important for developing different coating characteristics. The objective of this study is to synthesize and characterize Aluminum Chromium Nitride (AlCrN) films by varying the nitrogen (N2) reactive gas pressure and the substrate bias, observing the coatings' behavior in response to these parameters. The samples were prepared on M2 high-speed steel using three different combinations of N2 partial pressure (2 Pa, 4 Pa, and 6 Pa) and two different substrate bias voltages (-40 V and -100 V). Thus, the samples were analyzed using X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mapping. The coating layer thickness was also measured using the Calotest technique. Roughness was obtained using a stylus profilometer. The samples were subjected to a nanoindentation test to determine their physical properties. For adhesion, the VDI 3198 indentation technique was used for a qualitative evaluation of the coatings. Tribological testing was conducted using the ball-on-disk technique, as well as a potentiodynamic polarization test to evaluate electrochemical behavior. It was found that the studied variables, when compared among the different samples, led to significant changes in their physical properties, such as thicknesses obtained between 2 and 6 µm, hardness which reached its highest value at 33.8 GPa for the 2Pa100V coating, and roughness which varied between 0.1 and 0.04 Ra. Samples with higher nitrogen pressure showed greater intensity in the [200] crystallographic plane. All coatings exhibited good adhesion and cohesion. Based on the research data, it can be stated that it is possible to obtain different characteristics in a coating by altering its N2 partial pressure and substrate bias voltage parameters. These characteristics can be strategically selected for applications in cutting tools. [resumo fornecido pelo autor]
Os revestimentos PVD (Physical vapor deposition), são amplamente usados em diversas aplicações, devido à suas propriedades e devido à diversidade de materiais que podem ser utilizados, dentre eles destacam-se o Titânio (Ti), Cromo (Cr), Alumínio (Al), que combinados a gases reagentes como por exemplo o Nitrogênio (N2) o Acetileno (C2H2) e o Oxigênio (O2). Uma das principais aplicações destes revestimentos, está na indústria de ferramentas de corte, que se utiliza das diversas propriedades dos revestimentos, para obter desempenho e maiores velocidade de corte durante a usinagem. Estes revestimentos, depositados aos materiais, como o aço rápido, o metal duro entre outros, desempenham um grande papel no desenvolvimento de processos mais eficientes e rápidos. Ao longo das últimas décadas, esforços foram aplicados no desenvolvimento de novas técnicas e de novas formas de deposição, entre elas destaca-se a deposição por arco catódico CAE. Esta técnica permite deposições com alta taxa de ionização e alta energia. Porém existem também as desvantagens, como o alto grau de defeitos, como crateras e macroparticulas. Equipamentos cada vez mais modernos e técnicas, estão sendo desenvolvidas anualmente, tentando resolver estas desvantagens. Uma destas formas é alterando parâmetros do processo, que podem variar desde a limpeza iônica ?etching?, até as variáveis durante o processo construtivo do revestimento, como a pressão do gás reativo, a temperatura do substrato, a tensão de polarização do substrato, distância entre o substrato e o catodo entre outros. Desta forma, entender como o processo ocorre e como os revestimentos reagem a estas modificações são importantes para o desenvolvimento de diferentes características nos revestimentos. O objetivo deste estudo é obter e caracterizar filmes de Nitreto de Alumínio Cromo ? AlCrN, variando a pressão do gás reagente nitrogênio N2 e a polarização do substrato, observando a reação dos revestimentos frente a estes parâmetros. As amostras foram preparadas em aço rápido M2, com três diferentes combinações de pressão parcial de N2 (2Pa, 4Pa e 6Pa) e duas diferentes tensões de polarização do substrato (-40V e -100V). Assim, as amostras foram estudadas por meio de difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) com mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Também foi feita a medida da espessura da camada dos revestimentos pela técnica de Calotest. A rugosidade foi obtida por meio de um rugosímetro de contato. As amostras foram submetidas a um ensaio de nanoindentação para obtenção das propriedades físicas. A adesão, foi usada a técnica VDI3198 de indentação para uma avaliação qualitativa dos revestimentos. O ensaio tribológico foi obtido usando a técnica ball-on-disk, assim como um ensaio para comportamento eletroquímico de polarização potencio dinâmica. Verificou-se que as variáveis estudadas, quando comparadas entre si nas diferentes amostras, tiveram relevante mudanças em suas propriedades físicas, tais como as espessuras obtidas entre 2 e 6 μm, a dureza que teve seu maior valor em 33,8 GPa para o revestimento de 2Pa100V e a rugosidade que variou entre 0,1 a 0,04 Ra. Amostras com mais alta pressão de nitrogênio, tiveram uma maior intensidade no plano cristalográfico [200]. Todos os revestimentos tiveram uma boa adesão e boa coesão. Com base nos dados da pesquisa, pode se afirmar que é possível obter diferentes características em um revestimento, alterando seus parâmetros de pressão parcial de N2 e a tensão de polarização do substrato. Características estas que podem ser selecionadas estrategicamente, para a aplicação em ferramentas de corte. [resumo fornecido pelo autor]
Keywords: Engenharia de produção; Ferramentas de corte; Engenharia de superfícies; Revestimentos; Production engineering; Cutting tools; Coatings; Surface engineering