Aplicação de filmes DLC a plasma pode aumentar a resistência de aços

Filmes DLC (diamond-like carbon) são revestimentos metaestáveis do carbono que possuem excelentes propriedades mecânicas e tribológicas. Visando à aplicação deles em componentes mecânicos, foram caracterizadas duas camadas de DLC produzidas por deposição física de vapor (PVD/PACVD). Para tanto, amostras de aço AISI H13 foram nitrocementadas a plasma para atuarem como camada de ligação do substrato com o filme DLC. Os revestimentos foram caracterizados por micrografia óptica e eletrônica de varredura, ao passo que sua nanodureza foi medida por meio de indentador do tipo Berkovich, operando com ciclo único de cargas de 12,5, 25 e 50 mN. Para melhor caracterizar as propriedades tribológicas e de aderência do filme ao substrato, dois ensaios de scratch foram realizados com cargas de 0,2 e 10,2 N, e taxa de 5 N/min.


F. F. Conde, F. E. Mariani e G. S. Takeya

Data: 29/06/2017

Edição: CCM Maio 2017 - Ano - XIII No 145

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Fig. 1 – Diagrama ternário C:H

A aplicação de revestimentos em aços proporciona a eles uma maior resistência superficial, assim como a redução de custos de manutenção no caso de ferramental e peças conformadas. Filmes permitem que produtos operem por mais tempo sob condições severas, por exemplo.

O revestimento de DLC é composto de ligações sp3/sp2, resultando em uma estrutura de diamante amorfa. A adição de hidrogênio estabiliza ligações pendentes e diminui a rigidez final do material. Diamond-like carbon é o nome atribuído a materiais que apresentam fases de carbono amorfo, alguns contendo de 1 at.% de hidrogênio (a-C) até 50 at.% de hidrogênio (a-C:H)(1-4).

Ele apresenta baixa condutividade térmica, além de alta dureza mecânica e inércia química(1-8), sendo um atrativo para o revestimento de motores a combustão, pois reduz a perda de calor e aumenta a eficiência térmica(9), e de moldes, por possuir baixo coeficiente de fricção e alta resistência ao desgaste abrasivo(6-8). Portanto, é muito utilizado para melhorar as propriedades superficiais de partes internas e externas.

O DLC possui uma baixa energia de superfície, conferindo ao material uma inércia físico/química relativamente alta(1,6). Muitas vezes é submetido a operações em que o uso de lubrificante é descartado. No entanto, sua utilização em componentes lubrificados deve ser estudada considerando a morfologia e o comportamento molecular do lubrificante (6,10,11).

Fig. 2 – MEV transversal dos revestimentos produzidos

A deposição direta de DLC em materiais metálicos não é apropriada por vários motivos como, por exemplo, a incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica com o de metais, resultando em fraca aderência entre as interfaces(8). Já o tratamento com duplo revestimento, conhecido como duplex, é indicado para os casos em que é visada a diminuição do gradiente de dureza do material, resultando em melhor adesão e menor desgaste(12-14).

A nitretação e a nitrocementação são muito utilizadas para aumentar a dureza de peças que serão revestidas com DLC pelo processo duplex(12-19). Estudos mostram que a nitrocementação com posterior deposição de DLC melhora significativamente a aderência do revestimento, sua vida sob fadiga e outras propriedades mecânicas(17-19). A utilização de titânio para a formação de camadas anteriores à do DLC, como Ti, TiN, TiCN e TiC, também é um método muito requisitado(14,15). A deposição de camadas de cromo no substrato proporciona proteção contra corrosão, e a adição deste elemento puro e /ou intercalado com alguns dos seus compostos, como CrC, aumenta a resistência à fadiga(20).

A rugosidade do substrato, quando grosseira, causa um maior desgaste do DLC e facilita o seu destacamento(20-22). A espessura do filme DLC não pode ser grande devido à sua tensão residual(16), a qual aumenta quando ele é depositado sob baixa temperatura, pois, para compensála, são necessárias maiores tensões compressivas para que o material adira à superfície, o que facilita o seu destacamento e lascamento(14). No que tange às aplicações recentes, elas abrangem o revestimento de lâminas de barbeadores, proporcionando a redução da espessura da lâmina e o aumento de sua vida útil(4), a deposição de camadas ultra finas em vidros, para a redução de riscamento, repulsão d’água e proteção contra corrosão(21), e deposição de camadas em PEAD para próteses de acetábulo femoral(22).

Fig. 3 – MEV de topo do DLC

O chassi de um carro possui cerca de 300 peças estampadas que passaram por mais de 700 estampagens em matrizes diferentes. Em geral, a matriz é constituída de ferro fundido, material barato que pode facilmente ser conformado, usinado e fundido. Uma economia estimada de R$ 1.000 por carro é obtida apenas pela utilização de ferro fundido, ao invés de aço, na confecção de matrizes. No entanto, são gastos cerca de R$ 100.000 com o seu reparo durante o seu ciclo de vida(23). A cromagem de ferro fundido é muito utilizada, entretanto apresenta destacamento e trincamento devido à diferença de propriedades mecânicas dos materiais envolvidos, ao passo que a galvanoplastia de cromo possui compostos nocivos à saúde e ao meio ambiente.

A aplicação de DLC em matrizes de estampagem, embutimento e em outras ferramentas de conformação tem sido muito recorrente(24-30). No processamento de materiais aluminizados ou zincados muitas vezes ocorre destacamento do revestimento, sendo a utilização de lubrificantes necessária. No entanto, a aplicação de DLC pode diminuir o impacto ambiental por dispensar o uso de lubrificante, assim como reduzir a perda de peças e a frequência de reparos do ferramental(25).

Uma análise foi feita pela aplicação de DLC em uma matriz de estampagem de moedas, ferramenta que geralmente é revestida com cromo. Foi constatado que depois de mil estampagens, a rugosidade da moeda confeccionada em matriz revestida com DLC foi reduzida pela metade, em comparação com a das moedas processadas em matrizes cromadas, bem como que a deposição de camadas anteriores à de DLC melhora a adesão e, portanto, aumenta a vida útil da ferramenta(27). A estimativa é que a vida útil da matriz com DLC seja maior que o dobro da cromada.

Foram realizadas aplicações diretas em um processo de estampagem e corte seguido de cinco etapas de estampagem profunda, em que vários tipos de revestimentos foram aplicados para avaliar as suas condições após a conformação com e sem lubrificante. Apesar de a camada TiAlN apresentar maior dureza, menor rugosidade e maior carga para o surgimento de trincas, a camada CrN-DLC apresentou o menor coeficiente de atrito e carga muito próxima para o surgimento de trincas. Devido ao baixo coeficiente de atrito do material, o desgaste ocorrido nos testes foi muito pequeno, enquanto a camada TiAlN sofreu grande desgaste(28). Ficou evidente que a característica mais marcante deste revestimento é o baixo atrito gerado nas interfaces. A aplicação de revestimentos prévios pode garantir a sua melhor adesão.

Fig. 4 – Scratching test na amostra DH5. À esquerda: MEV SE; à direita: MEV BSE.

Fig. 5 – Scratching test na amostra DH6. À esquerda: MEV SE; à direita: MEV BSE.

O revestimento de ferramental de estampagem geralmente visa à obtenção de alta dureza para diminuir o seu desgaste, e, assim, o custo do seu reparo. Os revestimentos mais comuns são os de carbetos e nitretos, bem como os de titânio – por exemplo, TiN, TiC, TiCN e TiAlN. Uma nova tendência é a utilização de revestimentos relativamente duros, mas com baixo coeficiente de atrito, tais como MoS2 e compostos de carbono com o DLC. Eles evitam a ocorrência de galling, que consiste na deposição de material da peça submetida à estampagem na matriz, o que causa danos em peças subsequentes. Pode-se aplicar revestimentos duplex ou triplex, ou até mesmo uma deposição conjunta, formando um revestimento composto. Estes são usualmente depositados por PVD e/ou CVD(29).

Em moldes de injeção de polímeros também pode ser utilizado o revestimento DLC, que proporciona um aumento da vida útil do molde e dispensa o uso de lubrificantes e /ou desmoldantes em alguns casos(31-36). Até mesmo em bicos injetores, guias e ejetores, o DLC pode ser utilizado para diminuir o atrito e desgaste abrasivo(32-33). Moldes de injeção sofrem desgaste pela aderência e limpeza, assim como matrizes de extrusão pelo fluxo de material constante. A utilização de DLC pode ser adequada ao processamento de polímeros(31-36).

Materiais e métodos

Duas amostras de aço AISI H13 temperado e revenido foram lixadas, polidas e posteriormente receberam o tratamento de nitrocementação por meio de plasma. Inicialmente, foi realizado o sputtering, para a limpeza. A nitrocementação foi feita sob temperatura de 550°C durante 5 horas, com gás precursor composto de 77% H2, 20% N2, 3% CH4 .

Fig. 6 – Força de atrito durante o riscamento

Uma camada de CrN foi depositada via PVD/PACVD sobre o substrato, seguida de outra de DLC. Gás argônio foi utilizado para a limpeza e acetileno como gás precursor do DLC. A temperatura de processamento foi de 150 a 200oC. O revestimento Certess DCX foi fornecido pela HEF Groupe.

Ambas as amostras foram cortadas e suas seções transversais caracterizadas por microscópios óptico e eletrônico de varredura.

Para a medição da dureza instrument al s eguiu s e a norma ASTM E2546-07. Foi utilizada uma estação de testes mecânicos, com indentador do tipo Berckovich, sendo as indentações realizadas com carga de 12,5, 25 e 50 mN com ciclo único de teste sob temperatura de 23oC. Cargas maiores que 50 mN foram desconsideradas por penetrarem em mais de 10% da espessura da camada de DLC, fazendo com que o resultado de dureza sofresse influência do substrato.

As propriedades tribológicas foram determinadas por ensaios de riscamento (scratch) para avaliar a aderência do filme de acordo com a norma ASTM C1624-05, bem como o coeficiente de atrito. A operação foi feita em uma estação de testes mecânicos, utilizando um indentador Rockwell C com ângulo de ponta de 120°, com força normal progressiva de 0,2 a 10,2 N, a uma taxa de 5 N/min. Foram realizadas MEVs do tipo back scattered electron (BSE), as quais geram um contraste entre as composições químicas, e do tipo secondary elec tron ( SE) , o qual se concentra no relevo e na topografia da amostra.

Resultados e discussão

Micrografia

A figura 2 mostra o aço AISI H13 após nitrocementação e deposição de DLC.

Uma microscopia eletrônica de varredura de topo foi realizada para confirmar a sua morfologia colunar resultante do processamento PACVD realizado, como mostra a figura 3.

Dureza

A dureza do aço AISI H13 temperado e revenido foi de 869,95 HV, passando para 1.340,35 HV após a sua nitrocementação. Pelo ensaio de nanodureza verificou-se a dureza do revestimento de DLC, sendo ela de 2.456 e 2.203 HV para as amostras DH5 e DH6, respectivamente (figuras 4 e 5).

Scratch

Um ensaio de riscamento foi realizado no revestimento de DLC para caracterizar a sua aderência e avaliar as propriedades tribológicas juntamente com os dados obtidos no calotest.

Comparando as camadas produzidas por PACVD por meio de dados provenientes do teste de riscamento, foi constatado que a amostra DH5 sofreu um destacamento posterior ao da amostra DH6. Como a amostra DH5 possuía uma camada-base maior, o gradiente de dureza foi mais suave e, portanto, otimizou a aderência do DLC ao substrato. Uma vez que a aderência é maior, o destacamento demora mais para ocorrer.

Fig. 7 – Emissão acústica realizada ao longo do ensaio de riscamento

A figura 7 mostra que a emissão acústica captada no ensaio da amostra DH5 ocorreu posteriormente à da DH6. O primeiro pico de som aponta o destacamento e a ruptura do filme, assim como um aumento da força de atrito. Como a força normal varia de 0,2 a 10,2 N linearmente, o salto da curva de força de atrito representa uma mudança do valor do coeficiente de atrito. A camada de diamante foi perfurada e o filme começou a delaminar.

A análise do scratching corrobora a dureza, uma vez que a emissão acústica da amostra DH5 tem valores maiores em comparação à da DH6. Isso demonstra o caráter de ruptura mais frágil devido à maior dureza da amostra DH5, produzindo maiores emissões acústicas.

Além disso, o gráfico da força de atrito comprova o caráter mais duro e frágil dessa amostra pela maior oscilação da força ao iniciar o destacamento da camada. Quanto mais suave é a curva de ruptura, menos duro é o revestimento.

Também foi gerado um gráfico relacionando a força de atrito, a normal e o coeficiente de atrito. No caso do par indentador de diamante e da camada DLC, o coeficiente de atrito é muito baixo (entre 0,01 e 0,1). No entanto, a partir da delaminação do DLC o coeficiente vai sofrendo alterações. A força de atrito da amostra DH5 oscila mais que a da DH6. Isso é devido a uma boa aderência do DLC/CrN ao substrato, e, em parte, a um gradiente de dureza suave. Devido à maior dureza da amostra DH5, o avanço do indentador requereu mais força. Uma vez que é obtida uma forçalimite, o revestimento é destacado pela propagação de microtrincas, o que facilita o avanço do indentador. O gráfico da força mostrado nas figuras 8 e 9 (pág. 23) aponta quedas rápidas (pop ins).

Fig. 8 – Forças atuantes na amostra DH6 durante o riscamento

Fig. 9 – Relação entre a força normal, o atrito e coeficiente de atrito. O aumento da força e no coeficiente de atrito é resultado do rompimento do filme DLC.

Pelo MEV das amos tras foi observada a formação de sulcos laterais devido ao destacamento e à alta dureza do revestimento.

Conclusão

A aplicação de DLC é comumente feita em componentes mecânicos de precisão que executam movimentos repetitivos, operando sob altos ciclos, devido ao menor desgaste proporcionado por este tipo de revestimento, que confere alta dureza e menor coeficiente de atrito, melhorando as propriedades tribológicas. No entanto, essas propriedades podem ser otimizadas quando são realizados tratamentos anteriores como, por exemplo, nitrocementação.

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