Amplificação da dureza de estruturas de multicamadas de filmes finos CrN/Si3N4
Abstract
A engenharia de superfície tem buscado atender a demanda da indústria por
ferramentas, peças e outros componentes com maior vida útil e resistência frente ao desgaste,
utilizando como revestimentos protetores, materiais cujas propriedades mecânicas,
tribológicas e físico-químicas, tais como dureza, atrito, desgaste, resistência à corrosão e à
oxidação, entre outras podem ser otimizadas. Uma das condições que podem influenciar
diretamente essas propriedades é o tipo de estrutura do revestimento, bem como a temperatura
do substrato durante a deposição dos filmes. Neste trabalho foram estudados revestimentos
compostos por multicamadas de CrN/Si3N4 depositados sobre substrato de silício (001) a uma
temperatura de 300 °C, variando-se a espessura do período da bicamada entre 2 e 10 nm.
Diversas técnicas de caracterização físico-química foram utilizadas. Como caracterização de
propriedades mecânicas, foi utilizado nanoindentação. Os filmes de camadas individuais
produzidos apresentaram razões de Cr/N de 1,02 ± 0,05 e de Si/N de 0,74 ± 0,03, ou seja,
estequiométricos e livres de contaminantes. Para CrN atingiu-se uma dureza de 12 GPa, já
para Si3N4, 26 GPa. Os parâmetros de deposição para os quais as camadas individuais
alcançam durezas próximas ao máximo (12 a 15 GPa para CrN e 18 a 22 GPa para Si3N4)
também contribuem para o aumento de dureza, objetivo deste trabalho. Dos períodos de
multicamadas avaliados a dureza máxima (34,6 ± 1,27 GPa) foi atingida para um período de 4
nm, representando um aumento de 40% em relação ao Si3N4. Os resultados da caracterização
físico-química das amostras apresentam formação efetiva de uma estrutura de multicamadas e
permitiram determinar as espessuras de ordem nanométrica, a distribuição dos elementos em
profundidade, as ligações químicas presentes na amostra, assim como interfaces abruptas.
Além disso, o CrN tem estrutura cristalina e o Si3N4, essencialmente amorfo, satisfazem uma
condição prevista na literatura de aumento de dureza pelo mecanismo de travamento das
discordâncias nas interfaces cristalino-amorfo.