Painel PEMM 2011 – 10 e 11 de novembro de 2011 – PEMM/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil

Caracterização de Propriedades Mecânicas de Revestimentos de Carbono Amorfo Tipo Diamante (DLC) sobre Aços

Leonardo Manhães Malheiro*

*lmalheiro@metalmat.ufrj.br, bolsista de IC com bolsa Usiminas

Laboratório de Recobrimentos, PEMM-COPPE-UFRJ

CP 68505, 21941-972, Rio de Janeiro, RJ

Resumo Revestimentos de carbono amorfo do tipo diamante (DLC) se constituem no estado da arte em termos de revestimentos de alta dureza, resistência ao desgaste e abrasão, dentre outras excelentes propriedades. No entanto, uma aplicação em larga escala destes revestimentos em aços, ainda depende da constatação e aperfeiçoamento da técnica para a obtenção dessas boas propriedades mecânicas e tribológicas, em conjunto com a otimização de sua resistência à corrosão. Este trabalho visa a caracterização das propriedades mecânicas, tais como dureza e módulo elástico de revestimentos com base em DLC para chapas de aço para utilização na indústria petrolífera. Palavras-chave: DLC; Nano-indentação. Introdução O presente trabalho visa à avaliação de propriedades mecânicas (dureza e módulo elástico) em filmes de carbono amorfo do tipo diamante (na sigla em inglês: DLC – “diamond like carbon”), além da observação de fenômenos de trincas, delaminações e lascamentos, com o intuito de poder estabelecer um estudo sobre a fratura de tais filmes e métodos para avaliar sua tenacidade à fratura. Para tal objetivo, serão apresentados, inicialmente, conceitos e propriedades fundamentais de filmes DLC, assim como uma breve descrição do processo de deposição adotado. O mecanismo e a fundamentação teórica que permite retirarmos valores de dureza e módulo elástico de experimentos típicos de indentação também serão estudados. Os resultados já obtidos até o momento serão apresentados e discutidos, assim como uma explanação sobre trabalhos em andamento e previstos. Materiais e métodos Os revestimentos com base em DLC foram depositados em diferentes condições sobre chapas de aço carbono de cerca de 10cm² utilizando o sistema de deposição a plasma CVD

disponível no Laboratório de Recobrimentos Protetores do PEMM/COPPE. O ensaio mecânico de dureza e módulo elástico será realizado por meio do nanoindentador Agilent Nano-G200 através de oito ciclos de indentação, compreendendo carregamento e descarregamento em até 90% da carga máxima atingida em cada série. O referido aparelho permite uma carga máxima de 500mN, que será a carga máxima aplicada no oitavo ciclo. Duas pontas diferentes serão utilizadas: Berkovich e Canto de Cubo. De forma complementar, foi realizado também uma microscopia eletrônica de varredura (MEV) na matriz de indentações realizadas com a ponta canto de cubo. Resultados e discussão Um resumo dos diferentes parâmetros de deposição utilizados e a espessura obtida pode ser vista na Tabela 1. Além disso, uma comparação entre os valores de dureza e módulo elástico para cada amostra relacionada acima e o substrato de aço 1020 sem recobrimento pode ser vista na Tabela 2. Com isso, notamos que a amostra 1 foi a que obteve maior espessura e maiores valores de módulo elástico e dureza. Vale notar, igualmente, o incremento significativo

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na dureza proporcionado pelos filmes DLC. Gráficos Carga versus Profundidade Penetrada foram realizados para a Amostra 1 e utilizando dois tipos de ponta, Berkovich e Canto de Cubo. Tais gráficos podem ser visto na Figura 1. Tabela 1 - Espessura obtida em função dos diferentes

parâmetros utilizados.

Amostra Composição Self-Bias

Tempo de deposição

Espessura medida

1 C2H2 800V 90 min 7 µm

2 C2H2 + 5%

SiH4 1000V 60 min 3,2 µm

3 C2H2 + 10%

SiH4 1000V 60 min 2,6 µm

4 C2H2 + 30%

SiH4 1000V 53 min (interrompido) 3,2 µm

Tabela 2 - Valores de Mod. Elástico e Dureza para carga de 500mN e ponta Berkovich.

Amostra Mod. Elástico (GPa) Dureza (GPa) 1 219,8 25,1 2 160,9 15,2 3 108,5 7,1 4 103,7 5,6

Aço 172,2 1,8

Figura 1 - Carga versus Profundidade para as pontas

Berkovich (em cima) e Canto de Cubo (embaixo).

Por fim, foram realizadas microscopias eletrônica de varredura (MEV) na matriz de indentações da Amostra 1 com a ponta Canto de Cubo. A Figura 2 mostra uma imagem ampliada.

Figura 2 - Indentação com a ponta Canto de Cubo,

500mN

Conclusões Até cargas de 500mN, e para ambas as pontas utilizadas, o filme estudado não apresenta qualquer fenômeno de fratura. Micro-indentações instrumentadas, com cargas superiores a 500mN devem ser realizadas com o intuito de alcançar a carga crítica de fratura. Além disso, novas deposições, que proporcionem filmes mais espessos, deverão ser elaboradas.

Agradecimentos À equipe do Laboratório de Recobrimentos do PEMM-COPPE-UFRJ, e à USIMINAS como agente financiadora deste projeto.

Referências [1] Robertson J., Materials Science and Engineering,

v.37, 2002.

[2] Oliver W.C., Pharr G.M., Journal of Materials Research, v.19, pp.3-20, 2004.

[3] Michél M.D., “Propriedades Mecânicas e Fraturas Induzidas por Nanoindentação em Filmes de Carbono Amorfo Hidrogenado”, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2005.