Efeito da oxidação nas análises de dureza e atrito em filmes finos de Si3N4
Abstract
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.