Efeito das intercamadas de Ti/Si e Ti/TiN/Si nas propriedades e no comportamento tribológico de um filme de a-C depositado sobre a liga de cobre-berílio SAE C17200. - Santos, Marcos Dantas dos (2022)
As ligas de cobre-berílio (Cu-Be) são amplamente utilizadas nas indústrias aeronáutica e automotiva devido às suas excelentes propriedades mecânicas, térmicas e de resistência à corrosão. No entanto, as baixas dureza e resistência ao desgaste podem limitar os seus usos em aplicações de processos de manufatura. Para superar essas limitações, filmes podem ser aplicados à superfície da liga Cu-Be, aumentando a sua resistência ao desgaste e simultaneamente reduzindo o coeficiente de atrito. Dentre às várias opções de revestimentos, os filmes de carbono amorfo (a- C) foram selecionados neste trabalho, pois contém misturas de estados de ligação híbridos (sp2 e sp3) e possuem uma diminuição significativa do coeficiente de atrito no contato. Por outro lado, esta seleção está acompanhada do desafio do uso de filmes a-C em ligas de Cu, em função da baixa adesão entre cobre e carbono. Com esta motivação, o objetivo deste trabalho se concentra no desenvolvimento de revestimento constituído de sistema de intercamadas, para aumentar a adesão, e um filme externo de a-C a ser utilizado em sistema abrasivo e de deslizamento a seco (sem lubrificação). Para alcançar esses objetivos, revestimentos foram depositados em discos C17200 Cu-Be e substratos de wafers de silício. Duas composições de intercamadas (Ti/Si e Ti/TiN/Si) foram analisadas. A composição de Ti/Si com diferentes valores do bias aplicado foram denominadas de C1 e C2. A outra composição de Ti/TiN/Si foi diferenciada pelo tempo de deposição de TiN e chamadas de condições C3 e C4. A configuração do sistema Pulverização Catódica por Corrente Continua pulsada (pDCMS) foi usada para depositar os revestimentos usando titânio policristalino, silício monocristalino e alvos de grafite policristalino. Para promover suporte com maior rigidez para a camada externa de a-C e evitar deformação do substrato uma camada intermediária de TiN foi obtida por processo pDCMS reativo utilizando gases de argônio e nitrogênio. Um alvo de grafite policristalino foi usado para produzir um filme de a-C, sobre as intercamadas. A microestrutura e a topografia dos revestimentos foram examinadas por Microscopia Eletrônica de Varredura de Emissão de Campo (FESEM) acoplada à espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS). O perfil de profundidade da composição química foi medido por espectroscopia de emissão óptica de descarga luminosa (GDOES), que confirmou camadas de revestimento distintas de Ti, Si, a-C nas condições C1 e C2. A presença de camada extra de TiN foi obtida para as condições C3 e C4 e confirmada por análise de XRD de pequeno ângulo. A espectroscopia de espalhamento Raman mostrou uma maior quantidade de ligações sp3 de carbono para as condições de revestimento C3 e C4 em comparação com C1 e C2. Testes de endentação instrumentada indicaram maior dureza e módulo de elasticidade reduzido para os sistemas de revestimento C3 e C4, corroborando os resultados Raman. Microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (AFM) e interferometria de correlação de coerência (CCI) foram usadas para caracterizar as características da superfície dos revestimentos e as trilhas de riscamento após os ensaios. Os resultados mostraram que nos testes de riscamento em macro escala as intercamadas de Ti/TiN/Si melhoraram a adesão do revestimento a-C, pois apresentaram cargas críticas de falha ii mais elevadas em comparação com outras combinações. Os ensaios de desgaste com movimento alternado em discos da liga de cobre-berílio, com revestimentos de Ti/TiN/Si/a-C em contato com esferas de aço AISI 52100, indicaram a possibilidade de formação de uma camada de transferência na superfície da esfera, promovendo menor quantidade de falhas nos revestimentos. Além disso, foi observada redução da taxa de desgaste quando comparados aos revestimentos de Ti/Si/a-C e com o substrato de Cu-Be. Nos ensaios de riscamento em microescala com carga crescente (em rampa) os filmes nas condições C1 e C2 delaminaram e para os revestimentos com TiN foram detectadas falhas de desplacamento (spalling) apenas no final da trilha. Em ensaio de microrriscamento com carga constante, com passe único ou múltiplos passes foram observadas discrepâncias entre os mecanismos de desgaste por abrasão. Em um mesmo risco, foram observados mecanismos de deformação plástica, sulcamento, corte e proa. Para complementar e facilitar a interpretação e o entendimento os resultados foram consolidados de forma que permitem relacionar as propriedades mecânicas e comportamento tribológico para os revestimentos testados. Foram igualmente identificadas as condições testadas com fenômenos observados nas trilhas de desgaste obtidas durante ensaios, sendo estas as principais contribuições e destaque deste trabalho.