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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS CRESCIMENTO DE FILMES DE DIAMANTE CVD EM AÇO SAE 1045 Autor: José Eduardo Mateus Villas Bôas Orientador: Prof. Dr. João Roberto Moro Itatiba – SP 2006

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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU

EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS

CRESCIMENTO DE FILMES DE DIAMANTE CVD EM AÇO SAE 10 45

Autor: José Eduardo Mateus Villas Bôas

Orientador: Prof. Dr. João Roberto Moro

Itatiba – SP

2006

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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU

EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS

CRESCIMENTO DE FILMES DE DIAMANTE CVD EM AÇO SAE 10 45

Autor: José Eduardo Mateus Villas Bôas

Orientador: Prof. Dr. João Roberto Moro

Dissertação de mestrado apresentada à Banca

Examinadora, do Programa de Pós-Graduação Stricto

Sensu em Engenharia e Ciência dos Materiais, da

Universidade São Francisco, como parte dos requisitos

para a obtenção do título de Mestre em Engenharia e

Ciência dos Materiais.

Itatiba – SP

2006

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PUBLICAÇÕES GERADAS DURANTE O DESENVOLVIMENTO DESTA

DISSERTAÇÃO

Ao longo dos trabalhos desenvolvidos durante esta dissertação foram geradas as

seguintes publicações

1 –Trabalhos publicados/submetidos em eventos científicos

1.1 - Estudos de Crescimento de Diamante CVD em Substratos de Aço 1045, J. E. M.

Villas Boas, C. R. P. Lima, O. R. Bagnato, V. J. Trava-Airoldi, E. J. Corat, J. R. Moro, J. A.

F. Baptista. Submetido ao XXI Congresso Brasileiro de Aplicações de Vácuo na Indústria e

na Ciência, Londrina – PR, 2005.

1.2 – Crescimento de Diamante CVD Sobre Chapas de Aço 1045, J. E. M. Villas Boas;

J. R. Moro, IV Encontro de Pós-Graduação Stricto Sensu da Universidade São Francisco,

Itatiba – S.P., 2005.

1.3 - Crescimento de Diamante CVD Sobre Aço 1045, J. E. M. Villas Boas; J. R. Moro,

V Encontro de Pós-Graduação Stricto Sensu da Universidade São Francisco, Itatiba – S.P.,

2006.

1.4 - Aderência de Diamante CVD em Substratos de Aço SAE 1045, J. E. M. Villas

Boas, K. R. Zatta, C. R. P. Lima, O. R. Bagnato, V. J. Trava-Airoldi, E. J. Corat, A. Amorim,

J. R. Moro, J. A. F. Baptista. XXII Congresso Brasileiro de Aplicações de Vácuo na Indústria

e na Ciência, Itatiba – PR, 2006.

1.5 - Microstructural Analysis of Mo /Steel Sae 1045 Interface Obtained By Plasma

Spray Submmitted To Thermal Treatments, Bagnato, O. R; Francisco, R. F.; Moro, J. R. And

José E. M. V. Boas. V encontro da Sociedade Brasileira de Pesquisas em Materiais, SBPMat,

Florianópolis, 2006.

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1.6 - CVD Diamond Grown on SAE 1045 Steel Substrate, José Eduardo Mateus Villas

Boas; Carmo Roberto Pelliciari De Lima; Evaldo José Corat; Vladimir Jesus Trava-Airoldi;

Osmar Roberto Bagnato; João Roberto Moro. V encontro da Sociedade Brasileira de

Pesquisas em Materiais, SBPMat, Florianópolis, 2006.

1.7 – Crescimento de diamante CVD sobre aço 1045 tendo como barreira o molibdênio

aspergido termicamente, Jose Eduardo Villas Boas, Amauri Amorim, Carmo Roberto P. de

Lima, Osmar Roberto Bagnato, Evaldo Jose Corat, Valdimir J. Trava Airoldi e João Roberto

Moro. Trabalho completo publicado no III Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento

Térmico de 20 a 23 de junho na Estância de São Pedro – São Paulo

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Dedicatória

A Deus que nos deu a vida e um universo a ser descoberto;

Aos pais Manoel (em memória) e Abadia cuja luta, dedicação e amor me foram os

maiores exemplos;

A amada esposa Silene e filhos Ana Laura, José Arthur e Otávio Henrique, que são

a razão de minha existência;

A querida “tia Zica” minha segunda mãe.

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Agradecimentos

A realização dessa dissertação tornou-se possível devido à colaboração pronta e

generosa de muitas pessoas. Destaco, em especial, o Prof. Dr. João Roberto Moro, pela

orientação do trabalho.

Agradecemos também ao Prof. Dr. Carmo Roberto Pelliciari, do DEMA-Unicamp,

pelas amostras aspergidas termicamente. Ao Prof. Dr. Osmar Roberto Bagnato do Laboratório

Nacional de Luz Sincroton (LNLS) de Campinas, pelo tratamento térmico e análise das

amostras. Ao LME do LNLS pelas análises EDX, MEV e tratamento térmico. Ao Laboratório

Associado de Sensores e Materiais do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (LAS/INPE)

de São José dos Campos pela espectroscopia de espalhamento Raman. Ao Laboratório de

Polímeros da Universidade São Francisco, pela prensagem uniaxial. Ao Laboratório de

Metalografia da Universidade São Francisco pelo corte e polimento das amostras de aço. Ao

técnico de laboratório Sr. José Antônio Formenti Baptista pela preciosa colaboração.

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Resumo

Villas Boas, José Eduardo Mateus, Cescimento de filmes de diamante CVD em aço SAE

1045, Itatiba, Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia e Ciência dos

Materiais, Universidade São Francisco, 2006, p. 73, Dissertação de Mestrado.

O principal objetivo desse trabalho é realizar o crescimento de filme de diamante CVD

sobre aço SAE 1045, em um reator de filamento quente, tendo molibdênio aspergido

termicamente como barreira entre aço e diamante. Esta tecnologia, crescimento de diamante

CVD sobre aço, ampliaria a utilização do diamante em ferramentas de corte e abrasão de

materiais não ferrosos. Inicialmente aspergiu-se termicamente molibdênio em pó sobre aço

SAE 1045, a uma camada aproximada de 0,25 mm, e fez-se análise dos elementos presentes

na interface do conjunto aço-molibdênio. Dividiu-se as amostras do conjunto aço-molibdênio

em quatro grupos, que foram levadas ao reator CVD nas condições de crescimento do

diamante sobre molibdênio, descritas na literatura. As amostras do grupo I não passaram por

tratamentos, as do grupo II foram prensadas, as do grupo III passaram por tratamento térmico

a vácuo e as do grupo IV passaram por tratamento térmico e prensagem. Após o crescimento,

caracterizou-se o filme de diamante CVD, foram feitos testes de aderência e fez-se análise dos

elementos presentes na interface do conjunto aço-molibdênio nos quatro grupos de amostras

do conjunto aço SAE 1045-molibdênio. Comparou-se os resultados obtidos para os quatro

grupos no que diz respeito à aderência do conjunto aço-molibdênio-diamante, a qualidade do

filme crescido e o efeito dos tratamentos na difusão dos elementos envolvidos. Usou-se

espectroscopia de espalhamento Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura, EDX

(Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X) e teste de fita adesiva ou “Scotch tape

test”. Em todos os grupos de amostras houve crescimento de diamante. O tratamento térmico

a 8500C pouco contribuiu para a difusão do molibdênio no aço e vice-versa que poderia

promover o fortalecimento da fronteira entre o molibdênio e o aço. A prensagem não

contribuiu para a aderência do conjunto aço-molibdênio-diamante.

Palavras Chaves: DIAMANTE CVD, AÇO SAE 1045, MOLIBDÊNIO, FILAMENTO

QUENTE, ASPERSÃO TÉRMICA.

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Abstract

Villas Boas, José Eduardo Mateus, Growth of diamond film CVD over SAE 1045 steel,

Itatiba, Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia e Ciência dos Materiais,

Universidade São Francisco, 2006, p. 73, Dissertação de Mestrado.

The main objective of this dissertation is to obtain the growth of diamond film CVD

over SAE 1045 steel, in a hot filament reactor, having sputtered molybdenum thermally, as a

barrier between the steel and the diamond. This technology, growth of diamond CVD over

steel, would increase the diamond use in cut and abrasive tools of non-ferrous materials.

Initially, molybdenum in powder form was thermally sputtered over the SAE 1045 steel, on

an approximately layer of 0,25mm, and an analysis of the present elements found in the

interface of the molybdenum steel set was made. The samples of the molybdenum steel were

divided into four groups and taken to the CVD reactor in the diamond growth conditions over

molybdenum, described in the reference literature. The samples in the group I did not undergo

any treatment, the ones in group II were pressed, the ones in group III underwent a vacuum

thermal treatment and the ones in group IV underwent thermal and pressing treatment. After

the growth, CVD diamond film was characterized; adherence tests and analyses of the present

elements in the interface of the molybdenum steel alloy were applied in the four SAE 1045

steel samples groups. The results obtained were compared with the four groups concerning

adherence of the diamond-molybdenum-steel set, the quality of the grown film and the effect

of the treatments in the diffusion of the involved elements. Raman spectroscopy was used,

Sweeping Electronic Microscopy, EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and Scotch

tape test. There has been diamond growth in all the sample groups. The thermal treatment at

850ºC has contributed slightly for the reduction of the molybdenum diffusion by the steel and

other way round that will promote to fortify the interface between molybdenum and steel. The

pressing has not contributed for the diamond molybdenum steel set adherence.

Keys words: Diamond CVD, SAE 1045 STEEL, MOLYBDENUM, HOT FILAMENT,

THERMAL SPRAY.

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i

ÍNDICE

LISTAS v

GLOSSÁRIO x

1 INTRODUÇÃO 1

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3

2.1 Histórico 3

2.1.1 Ferro/aço 3

2.1.2 Molibdênio 3

2.1.2 Diamante 4

2.2 O aço e suas características 4

2.2.1 Conceitos 4

2.2.2 Denominação e Aplicação dos Aços Binários (Ferro – Carbono) 5

2.2.3 Estrutura Cristalina do Aço. 7

2.3 Difusão 9

2.4 O molibdênio e suas características 11

2.5 Aspersão térmica 12

2.5.1 Definição de Aspersão Térmica 12

2.5.2 Etapas da Aspersão Térmica 13

2.5.2 1 Materiais aspergidos 13

2.5.2.2 Métodos de deposição 13

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ii

2.5.2.3 Aceleração do material em direção ao substrato 14

2.5.2.4 A superfície de deposição 15

2.5.2.5 Revestimento depositado 16

2.6 O diamante e suas características 17

2.6.1 Algumas propriedades físicas 17

2.6.2 Estrutura cristalina do diamante 18

2.7 O diamante sintético 20

2.8 A reação CVD 20

2.9 Métodos para o crescimento de diamante CVD e tipos de reatores 22

2.9.1 Reator de filamento quente (HFCVD) 22

2.9.2 Reator de micro-ondas (MWCVD) 24

2.10 O substrato 25

2.10.1 Propriedades do substrato 25

2.10.2 Composição do substrato molibdênio-aço 27

2.10.3 Tratamento térmico para superfícies aspergidas 30

2.10.4 Preparação da superfície de deposição 30

2.11 Caracterização das amostras 30

2.11.1 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) 31

2.11.2 Espectroscopia de Espalhamento Raman 31

2.11.3 Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X - EDX 33

2.11.4 Teste de fita adesiva ou “Scotch tape test” 34

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iii

3 MATERIAIS E MÉTODOS 35

3.1 O preparo do aço SAE 1045 37

3.2 A aspersão térmica das amostras 38

3.3 O tratamento térmico das amostras 40

3.4 Prensagem das amostras 41

3.5 Divisão das amostras 41

3.6 A preparação da superfície de deposição 42

3.7 O sistema experimental utilizado 43

3.8 Rotina de utilização do reator CVD 47

3.8.1 Teste para verificar a influencia das condições de crescimento sobre a

aderência do conjunto aço-molibdênio

47

3.8.2 Crescimento de diamante CVD sobre o conjunto aço-molibdênio 47

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 48

4.1 Variação de espessura do molibdênio aspergido 48

4.2 Caracterização das amostras aspergidas 48

4.2.1 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) 48

4.2.2 Análise dos elementos presentes por EDX 50

4.2.3 Mapeamento do ferro e molibdênio na interface 53

4.3 Verificação da aderência do conjunto aço-diamante nas condições de crescimento 55

4.4 Crescimento do diamante sobre molibdênio/aço SAE 1045 55

4.4.1 Amostras do grupo I (aspergidas) 55

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iv

4.4.2 Amostras do grupo II (aspergidas e prensadas) 58

4.4.3 Amostras do grupo III (aspergidas e tratadas termicamente) 60

4.4.4 Amostras do grupo IV (aspergidas, tratadas termicamente e prensadas). 63

5. CONCLUSÕES 66

6. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS 68

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 69

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v

LISTAS

Figuras:

Figura 2.1 Diagrama de equilíbrio de fases do carbono. 8

Figura 2.2 Estrutura CCC da ferrita. 9

Figura 2.3 Estrutura CFC da austenita. 9

Figura 2.4 Difusão por lacunas. Esquema representativo do movimento de um átomo

hospedeiro ou de um átomo substitucional.

10

Figura 2.5 Difusão Intersticial. Esquema representativo da posição de um átomo

intersticial antes e depois da difusão.

10

Figura 2.6 Esquema representativo do processo de aspersão térmica. 13

Figura 2.7 Geometria da hibridação sp3. 19

Figura 2.8 Célula unitária para estrutura cristalina do diamante. 19

Figura 2.9 Estrutura da grafita. 19

Figura 2.10 Diagrama de fases do carbono. 21

Figura 2.11 Esquema de um reator HFCVD genérico. 23

Figura 2.12 Esquema do reator MWCVD genérico. 24

Figura 2.13 Diagrama Tenacidade×Resistência ao desgaste de materiais ultraduros. 26

Figura 2.14 Esquema representativo de tensões de compressão causadas pela variação

de temperatura.

27

Figura 2.15 Esquema mostrando filme como barreira entre aço e diamante. 28

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vi

Figura 2.16 Exemplos de microscopia eletrônica de varredura de filme policristalino

de diamante CVD

31

Figura 2.17 Espectroscopia de espalhamento Raman para o diamante natural. 32

Figura 2.18 Espectroscopias de espalhamento Raman de diamante CVD crescido

sobre substrato de molibdênio.

33

Figura 2.19 Esquema explicativo da emissão de raios-X pelo átomo de ferro ao ser

excitado por um feixe de elétrons.

33

Figura 2.20 Gráfico plotado a partir da energia liberada por uma amostra de ferro

excitada por um feixe de elétrons.

34

Figura 3.1 Fluxograma da parte experimental deste trabalho 36

Figura 3.2 Fotografia do Cutoff Arotec Cor 40 do laboratório de metalografia da

Universidade São Francisco em Itatiba.

37

Figura 3.3 Fotografia da Politriz Dupla APL-2D Arotec do laboratório de

metalografia da Universidade São Francisco em Itatiba.

38

Figura 3.4 Esquema mostrando a numeração nas peças de aço para se fazer medidas

de espessura.

38

Figura 3.5 (a) fotografia da pistola plasma spray usada na aspersão térmica. (b)

fotografia da pistola plasma spray em funcionamento

39

Figura 3.6 Fotografia do forno para tratamento térmico. 40

Figura 3.7 Fotografia Prensa Uniaxial do laboratório de polímeros da Universidade

São Francisco em Itatiba.

41

Figura 3.8 Desenho esquemático da montagem dos equipamentos, para crescimento

de diamante CVD.

44

Figura 3.9 Desenho esquemático de um reator de filamento quente. 45

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vii

Figura 3.10 Fotografia do um reator HFCVD do Laboratório de Diamante e Materiais

Relacionados da Universidade São Francisco.

45

Figura 3.11 Fotografia do substrato de aço-molibdênio no reator CVD para posterior

crescimento.

46

Figura 4.1 Microscopia óptica da interface aço-molibdênio sem tratamento térmico. 49

Figura 4.2 Microscopia MEV da interface aço-molibdênio: (a) com 5 horas de

tratamento térmico a 8500C e (b) com 19 horas de tratamento térmico a

8500C.

49

Figura 4.3 Análise química na interface aço-molibdênio: (a) Pontos da interface para

análise química, (b) do ponto 1 da interface, (c) ponto 2 da interface.

51

Figura 4.4 Análise química na interface aço-molibdênio após 19 horas de tratamento

térmico a 8500C: (a) Pontos da interface para análise química, (b) do

ponto 1 da interface, (c) ponto 2 da interface.

52

Figura 4.5 Mapeamento do molibdênio e ferro presentes na interface aço/molibdênio:

(a) Porção mapeada da interface, (b) Mapeamento do aço na interface e

(c) Mapeamento do molibdênio na interface.

53

Figura 4.6 Mapeamento do molibdênio e ferro presentes na interface aço-molibdênio

após tratamento térmico de 19 horas a 8500C: (a) Porção mapeada da

interface, (b) Mapeamento do aço na interface e (c) Mapeamento do

molibdênio na interface.

54

Figura 4.7 Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo I. 56

Figura 4.8 Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo I. 56

Figura 4.9 Fotografia do filme e substrato de aço; (a) filme de diamante e substrato

de aço, (b) verso do filme de diamante e substrato de aço, de amostra

típica do grupo I.

57

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viii

Figura 4.10 Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de

amostra típica do grupo I por EDX.

57

Figura 4.11 Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo II. 58

Figura 4.12 Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo II. 59

Figura 4.13 Fotografia do filme e substrato de aço; (a) filme de diamante e substrato

de aço, (b) verso do filme de diamante e substrato de aço, de amostra

típica do grupo II.

59

Figura 4.14 Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de

amostra típica do grupo II por EDX.

60

Figura 4.15 Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo III. 61

Figura 4.16 Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo III. 61

Figura 4.17 Fotografia do filme e substrato de aço de amostra típica do grupo III. 62

Figura 4.18 Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de

amostra típica do grupo III por EDX.

62

Figura 4.19 Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo IV. 63

Figura 4.20 Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo IV. 64

Figura 4.21 Fotografia do filme e substrato de aço de amostra típica do grupo IV. 64

Figura 4.22 Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de

amostra típica do grupo IV por EDX.

65

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ix

Tabelas:

Tabela 2.1 Denominações e características dos aços binários. 5

Tabela 2.2 Denominações e aplicações dos aços binários. 6

Tabela 2.3 Propriedades do aço SAE 1045 para duas faixas de temperatura 7

Tabela 2.4 Coeficiente de difusão do carbono em alguns substratos 11

Tabela 2.5 Propriedades do molibdênio. 12

Tabela 2.6 Características de materiais não ferrosos depositados por Aspersão

Térmica, utilizando-se diferentes métodos de deposição.

14

Tabela 2.7 Propriedades de alguns materiais e fator de dificuldade de fusão. 15

Tabela 2.8 Propriedades do diamante. 17

Tabela 3.1 Tabela com os parâmetros utilizados na Aspersão Térmica das

amostras pelo método Plasma Spray.

39

Tabela 3.2 Tabela com os parâmetros utilizados no tratamento térmico das

amostras.

40

Tabela 3.3 Tabela com os parâmetros utilizados na prensagem das amostras. 41

Tabela 3.4 Tabela explicativa sobre a divisão das amostras de aço SAE 1045 com

filme de molibdênio e seus respectivos tratamentos.

42

Tabela 3.5 Condições de crescimento dos filmes de diamante. 46

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x

GLOSSÁRIO

CVD do inglês, chemical vapor deposition, deposição química a partir da fase

vapor.

HFCVD do inglês, hot filament chemical vapor deposition, deposição química a partir

da fase vapor por filamento quente;

HPHT do inglês high Pressure – high Temperature, alta pressão e alta temperatura;

MEV microscopia eletrônica de varredura;

MWCVD do inglês, microwave chemical vapor depositon, deposição química a partir da

fase vapor por plasma de micro-ondas;

RSS do inglês Raman scattering spectroscopy, espectroscopia de espalhamento

Raman;

Sccm do inglês, standard cubic centimeters per minute, centímetro cúbico padrão

por minuto (unidade de vazão);

mbar Unidade de Pressão correspondente a 100 Pa

Torr unidade de pressão correspondente a 1 mmHg, isto é, 103,322 Pa.

EDX Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X

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1

1. INTRODUÇÃO

O presente trabalho de mestrado é fruto do Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu

em Engenharia e Ciência dos Materiais da Universidade São Francisco, PPGSS-ECM /

Universidade São Francisco. No programa foram desenvolvidos os requisitos acadêmicos e no

Laboratório de Diamante CVD e Materiais Relacionados da Universidade São Francisco

foram crescidas as amostras de diamante.

O crescimento do diamante sobre aço tem despertado o interesse de pesquisadores e

empresas ao longo dos anos. Esta tecnologia, crescimento de diamante CVD sobre aço,

ampliaria a utilização do diamante em ferramentas de corte e abrasão de materiais não

ferrosos, melhorando a sua qualidade, durabilidade e desempenho. Trabalhos confirmam a

possibilidade de crescimento de diamante sobre os mais diferentes tipos de aço, porem à custa

de nenhuma aderência[1, 2, 3] ou aderência não compatível com ferramentas de corte e

abrasão[4, 5, 6, 7]. O crescimento do diamante CVD sobre aço, com aderência compatível

para utilização de ferramentas de corte e abrasão, consistiria em uma primeira conquista,

motivando pesquisas para o crescimento de diamante CVD sobre aço nos mais diferentes

tipos e formatos cobrindo assim, toda a gama possível de aplicação do diamante nestes tipos

de ferramentas.

Objetivos

Este trabalho tem como objetivo promover o crescimento de filme de diamante CVD em

um reator assistido a filamento quente sobre aço SAE 1045, tendo o molibdênio aspergido

termicamente pelo processo “plasma spray” como barreira, utilizando-se as condições de

crescimento previstas na literatura[8, 9, 10, 11, 12]. Busca-se a diminuição da difusão do

carbono no aço, através dos poros do molibdênio aspergido, que poderá favorecer a aderência

do conjunto aço-molibdênio-diamante através de tratamentos dados no conjunto.

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2

Estrutura do texto

O trabalho é apresentado em uma forma tradicional para trabalhos experimentais:

Revisão Bibliográfica, Materiais e Métodos, Resultados e Conclusões.

O capítulo 1 é uma abordagem teórica sobre o aço suas características e propriedades

gerais; o molibdênio com suas características e propriedades gerais; a aspersão térmica com

seus processos, suas propriedades e aplicações; o diamante: sua origem, interesse,

propriedades gerais, reação no processo CVD, reatores; a difusão e seus mecanismos. O

capítulo 2 se dedica a descrever os materiais, os equipamentos e os procedimentos utilizados.

São apresentados neste capítulo os diferentes tratamentos realizados no conjunto aço-

molibdênio, a análise dos elementos presentes na interface aço-molibdênio antes e após o

tratamento térmico, bem como os testes de aderência e de qualidade no conjunto aço-

molibdênio e no conjunto aço-molibdênio-diamante. No capítulo 3 é feita a apresentação e

discussão dos resultados obtidos nos testes descritos no capítulo 2. Finalmente são

apresentadas as conclusões e perspectivas de trabalhos futuros no capítulo 4.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Histórico

2.1.1 – Ferro/aço

O início da utilização do ferro metálico remonta de 4500 anos atrás, quando era

encontrado in natura em meteoritos recolhidos por tribos da Ásia Menor[13]. A Idade do

Ferro, que representa o último estágio tecnológico e cultural da pré-história, começou na

Europa e Oriente Médio por volta de 1550 a.C e na China por volta de 400 a.C. Com a

exploração regular de jazidas, que se iniciou por volta de 1500 a.C, foi possível confeccionar

armas e utensílios, viabilizando a expansão territorial de diversos povos, mudando a face da

Europa e de parte do mundo [14].

A diversificação da utilização do ferro está associada à evolução de seu modo de

obtenção: forno de lupa, forja catalã e por fim, em aproximadamente em 1444 d.C., os altos-

fornos[15].

O grande salto na utilização do ferro foi a descoberta do aço em 1857 [15]. A produção

mundial de aço em 2004 foi de 1,050 bilhão de toneladas com crescimento de 5% para 2005 e

crescimento esperado de 3,5% para 2006. O Brasil possui 24 usinas comandadas por 11

empresas, cuja previsão de investimentos é da ordem de US$ 12,5 bilhões entre 2005 e 2010,

com projeção de aumentar a capacidade instalada para 49,7 milhões de toneladas no final

desses 5 anos[14].

2.1.2 – Molibdênio

O molibdênio (do grego "molybdos" que quer dizer como o chumbo) é um mineral que

não ocorre livre na natureza, sendo que seus compostos eram confundidos com a grafite e o

chumbo até o século XVIII [16]. Em 1778 K. W. Scheele mostrou que, ao contrário da grafite,

a molibdenite formava uma "terra branca peculiar" quando tratada com ácido nítrico. Provou

que tinha propriedades ácidas e chamou-lhe "acidum molybdenae", isto é, ácido molibdênico.

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Em 1782, P. J. Hjelm isolou o elemento na forma de um pó metálico aquecendo ácido

molibdênico com carvão. Em 1893, químicos germânicos obtiveram o metal com um grau de

pureza de 96% e, no ano seguinte, Henri Moissan atingiu os 99,98% por redução do elemento

num forno elétrico[16].

As reservas do principal minério para obtenção do molibdênio, a molibdenite que

contém o dissulfureto de molibdênio, se encontram nos EUA (Colorado), Canadá (Columbia

Britânica) e no Chile[17].

2.1.3 – Diamante

As primeiras gemas de diamante foram encontradas em depósitos aluviais na Índia a

2800 anos. Inicialmente foram utilizadas por sua extrema dureza e impossibilidade e serem

quebradas com as ferramentas da época[18]. A palavra diamante deriva do grego antigo,

adamas, com significado de “invencível” e era utilizada para descrever a substância mais dura

conhecida[8].

Através dos tempos e culturas, o diamante vem associado à invulnerabilidade,

iluminação e magia simbolizando riqueza, durabilidade, status, nobreza, etc[9].

Com o esgotamento das fontes indianas, a partir do século XVIII, novas fontes foram

descobertas no Brasil, na África do Sul, no oeste do Canadá e na Austrália[18]. As

propriedades extremas do diamante tornam-no um excelente material de engenharia sendo que

a escassez e o alto custo do diamante “natural” limitam a sua aplicação[19].

2.2 O aço e suas características

2.2.1 Conceitos

O ferro é encontrado sob a forma de óxidos, nos minérios de ferro, que é extraído por

meio de um aquecimento na presença de coque ou carvão de madeira, em fornos

apropriados[13]. O óxido é reduzido, e o ferro resultante ligado ao carbono, forma uma liga

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em que a variação da porcentagem de carbono diferencia os produtos siderúrgicos e as suas

propriedades. Esses produtos siderúrgicos quando contém entre 0,008% e 2,11% de carbono

são chamados de aços e quando possuem entre 2,11% e 6,7% de carbono são chamados de

ferro fundido[20].

A importância do aço provem de vários fatores: boa resistência; ductibilidade; relativa

homogeneidade; possibilidade de ser forjado, laminado, estampado, caldeado, estirado,

moldado, soldado, perfurado, rosqueado. Apresenta ainda a possibilidade de ser modificado

em suas propriedades por meio de tratamentos mecânicos, térmicos e químicos[20].

2.2.2 Denominação e Aplicação dos Aços Binários (Ferro – Carbono)

A correta escolha do aço a ser utilizado depende do conhecimento detalhado do esforço

a que será submetido. As ligas de aço podem ser binárias, contendo ferro-carbono como

elementos principais, ou ainda podem ter a adição de metais (Níquel, Cromo, Molibdênio,

Manganês, etc) que tem por objetivo alterar suas propriedades[20].

A aumento da porcentagem de carbono, de 0,008% e 2,11%, determina maior

resistência à tração e, por conseqüência, a dureza. Entretanto, outros aspectos normalmente

indesejáveis serão reforçados como menor ductilidade e maior fragilidade, determinando a

sua aplicabilidade. Para os aços aço-carbono mostram-se estas relações resumidamente nas

Tabelas 2.1 e 2.2.

Tabela 2.1: Denominações e características dos aços binários[21].

Denominação Teor de Carbono Características

Aço baixo em carbono < 0,2% Dureza superficial e núcleo tenaz

Aço médio em carbono 0,2% – 0,50% Boa tenacidade e resistência.

Aço alto em carbono > 0,5% Elevadas dureza e resistência depois de

têmpera.

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Tabela 2.2: Denominações e aplicações dos aços binários[21]

Denominação Aplicações

Aço baixo em carbono Caixas para recozimento, engrenagens e limitadas aplicações

estruturais.

Aço médio em carbono Industrias automobilística e ferroviária, implementos e maquinário

agrícola, equipamentos para escavação e construção, etc.

Aço alto em carbono Matrizes, cilindros de laminadores, partes de máquina ferramenta,

etc.

A SAE (Society of Automotive Engineers) usa, em geral, o formato ABXX, para

classificar os aços. As duas primeiras letras (AB) representam os principais elementos

presentes no aço (tipos de aço). As duas últimas letras (XX), representam a porcentagem em

peso de carbono do aço multiplicado por 100[20].

Especificamente para o aço SAE 1045 apresentam-se na tabela 2.3 algumas de suas

propriedades físicas para duas faixas de temperatura.

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7

Tabela 2.3: Propriedades do aço SAE 1045 para duas faixas de temperatura[22].

Propriedade Unidade Faixa de

temperatura(0C)

0 --100 11,6 Coeficiente de expansão térmica 10-6 (1/°C)

0 --700 15,1

Condutividade térmica W/(m°C) 100 50,8

50 -- 100 486 Calor específico J/(kg°C)

350 -- 400 586

0 0,162 Resistividade elétrica µΩ.m

100 0,223

2.2.3 Estrutura Cristalina do Aço.

A sua obtenção é feita pelo forte aquecimento de óxido de ferro na presença de carbono.

A temperatura e quantidade de carbono determinam o tipo de liga existente e suas

propriedades, conforme mostrado no diagrama de equilíbrio de fases da Figura 2.1.

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Figura 2.1: Diagrama de equilíbrio de fases do carbono[23]

A cementita (Fe3C) é um carbeto de ferro com estrutura ortorrômbica e de alta dureza.

A ferrita (α) é uma solução sólida de carbono em ferro CCC, existente até a temperatura de

9120C. A austenita (γ) é uma solução sólida de carbono em ferro CFC existindo entre as

temperaturas de 9120C e 14950C. Para temperaturas acima de 13940C e baixos teores de

carbono (não representado no diagrama) temos a ferrita (δ) que é a solução sólida de carbono

em ferro CCC, sendo estável até 15380C, quando o ferro se liquefaz[20].

Os nomes ferrita α e ferrita δ servem para indicar a mesma solução sólida de carbono

em ferro CCC, ocorrendo em faixas de temperaturas diferentes.

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Figura 2.2: Estrutura CCC da ferrita[24] Figura 2.3: Estrutura CFC da austenita[24]

Para o aço, as quantidades de ferro e carbono, e outros elementos de liga, vão formar

uma solução que, de acordo com a temperatura, permitirão a existência de determinado

retículo cristalino. Para o aço binário SAE 1045, o diagrama mostra a presença de ferro α para

a temperatura ambiente.

2.3 Difusão

A difusão é o transporte de material pelo movimento de átomos. Esse transporte pode

ser no interior de um determinado sólido ou a partir de um líquido, de um gás ou de uma outra

fase sólida. A difusão pode ser classificada como interdifusão (difusão de impurezas) ou

autodifusão. No primeiro caso os átomos de um metal se difundem para o interior do outro

metal, enquanto no segundo caso, os átomos de um mesmo material, por exemplo, metal puro,

estão mudando de posição, indo de uma região de maior concentração para outra de menor

concentração[24].

Para os metais, os modelos dominantes para explicar a difusão são: a difusão por

lacunas e a difusão intersticial. Na difusão por lacunas, visualizada na Figura 2.4, o átomo se

desloca de uma posição normal para um sítio vago do retículo, ou lacuna adjacente, sendo que

a presença do maior ou menor número de lacunas limita este movimento. A difusão

intersticial, visualizada na Figura 2.5, envolve átomos que migram de uma posição intersticial

para outra vizinha que esteja vazia. Nesse mecanismo átomos pequenos, por exemplo:

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hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio, se encaixam no interior das posições intersticiais.

Este tipo de difusão ocorre mais rapidamente na maioria das ligas metálicas.

Figura 2.4: Difusão por lacunas. Esquema representativo do movimento de um átomo

hospedeiro ou de um átomo substitucional[24].

Figura 2.5: Difusão Intersticial. Esquema representativo da posição de um átomo intersticial

antes e depois da difusão[24].

A difusão depende do tempo e da temperatura. Materiais que estão em contato e

aquecidos a elevadas temperaturas, abaixo da temperatura de fusão de ambos os materiais, por

um longo período de tempo e resfriados à temperatura ambiente, apresentam uma troca de

massa por difusão. A menor ou maior capacidade de um material se difundir no outro é dado

pelo coeficiente de difusão. A Tabela 2.4 mostra o coeficiente de difusão do carbono em

alguns substratos.

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Tabela 2.4: Coeficiente de difusão do carbono em alguns substratos[24, 25].

Substrato Coeficiente de difusão ( m2/s ) Temperatura (0C)

Ferro α 1,7×10-10 900

Ferro γ 5,9×10-12 900

Molibdênio 9,087×10-15 800-1000

Silício 6,771×10-19 800-1000

Segundo Nitta et al[26], o coeficiente de difusão do molibdênio em ferro-α é

1,19×10-15 m2/s para uma temperatura de 8500C e um tempo de difusão de 0,5 h. Segundo o

autor o valor encontrado difere de trabalhos anteriores devido à metodologia empregada.

A difusão do ferro em liga ferro a 0.4% de molibdênio é de 7,78×10-16 m2/s para uma

temperatura de 8500C e um tempo de difusão de 0,58 h e a difusão do molibdênio em liga

ferro a 0.4% de molibdênio é de 1,14×10-15 m2/s para uma temperatura de 8500C e um tempo

de difusão de 0,58 h segundo Nitta et al[27].

2.4 O molibdênio e suas características

O molibdênio é um metal de transição externa. Tem a cor branco prateado, sendo muito

duro e com alto módulo de elasticidade. Dentre os metais mais comuns, somente o tungstênio

e o tântalo têm ponto de fusão mais alto [17]. Possui estrutura cristalina Cúbica de Corpo

Centrado, CCC (Figura 2.2), sendo utilizado como componente de liga, aumentando a

resistência a altas temperaturas e a dureza e a tenacidade do aço. A Tabela 2.5 apresenta

algumas propriedades do molibdênio.

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Tabela 2.5: Propriedades do molibdênio[28].

Propriedade Unidade Valor

Massa específica do sólido kg/m3 10280

Ponto de fusão °C 2622 ± 40

Ponto de ebulição °C 4804

Condutividade térmica W/(m°C) 144,8

Calor específico J/(kg°C) 242,5

Coeficiente de expansão térmica 10-6 (1/°C) 5,35

Módulo de elasticidade GPa 329

Nas aplicações do molibdênio destacam-se: agente catalisador no refino de petróleo, em

eletrodos para fornos de aquecimento elétrico e em reatores nucleares e partes de aviões e

mísseis, em filamentos para componentes elétricos e eletrônicos, no fabrico de peças e

dispositivos sujeitos a grandes esforços em condições de utilização desfavoráveis, na indústria

dos corantes e dos pigmentos inorgânicos, como lubrificantes para altas temperaturas e é

elemento essencial para a nutrição das plantas[16, 17].

2.5 – Aspersão Térmica

2.5.1 – Definição de Aspersão Térmica

“Aspersão Térmica ou ”Thermal Spray”, é um grupo de processos nos quais materiais

metálicos ou não metálicos, finamente divididos, são depositados em uma condição fundida

ou semifundida sobre um substrato preparado, formando um depósito aspergido”[29]. A

Figura 2.6 representa esquematicamente o processo de Aspersão Térmica.

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Figura 2.6: Esquema representativo do processo de aspersão térmica[30].

É um processo de natureza sinergística, ou seja, existem diversas variáveis e

componentes envolvidas no processo, quando atuando juntas e propriamente aplicadas

produzem um efeito maior do que se consideradas em separadas. Dentre as propriedades que

os revestimentos térmicos pulverizados podem oferecer, destacam-se: tribológicas (desgaste,

resistência), resistência à corrosão, resistência ao calor, barreira térmica, etc[31].

2.5.2 –Etapas da Aspersão Térmica

2.5.2 1 –Materiais aspergidos

A seleção dos materiais aspergidos inclui os metais com baixo ponto de fusão como o

estanho, chumbo, cobre, cádmio, zinco, alumínio-silício e alumínio puro. O desenvolvimento

dos sistemas de aquecimento, pistolas e demais equipamentos propiciou a utilização de

materiais com alto ponto de fusão: cerâmicas, aços, ligas refratárias, molibdênio,

superligas[31]. A escolha do material depende das características esperadas do material

aspergido como adesão, coesão, porosidade, dureza, resistência, etc[32].

2.5.2.2 –Métodos de deposição

O tipo de material aspergido e as propriedades do revestimento definirão o método de

deposição empregado, se por combustão ou elétrico[33].

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14

O método da combustão possibilita a utilização de Chama (combustão por chama

convencional ou oxicombustível de alta velocidade) ou Detonação.

O método elétrico possibilita a utilização de Plasma de arco não-transferido (PSP ou

Plasma Spray), Plasma de arco transferido (PTA ou Plasma Transfered Arc) ou Arco Elétrico.

De uma forma simplificada apresenta-se a Tabela 2.6, com algumas características de

materiais não ferrosos depositados por Aspersão Térmica, utilizando-se diferentes métodos de

deposição.

Tabela 2.6: Características de materiais não ferrosos depositados por Aspersão Térmica,

utilizando-se diferentes métodos de deposição[34].

Processo

Resistência Adesiva

(MPA)

Limitação da

espessura (mm)

Densidade (% do

material bruto)

Combustão chama

convencional 7 - 34 0,5 - 5,0, 85 - 90

Oxicombustível de alta

velocidade 48 - 62 0,5 - 2,5 95 - 98

Plasma Spray 14 - 48 0,4 – 5,0 90 - 95

Arco elétrico 14 - 48 0,5 – 5,0 85 - 95

2.5.2.3 – Aceleração do material em direção ao substrato

Os materiais de revestimento se transformam em pequenas gotículas que são

aquecidas e aceleradas em direção ao substrato. A densidade do depósito aspergido, o

conteúdo de óxidos e os “stresses” residuais estão diretamente relacionados com a velocidade

das partículas, distância da pistola ao substrato, temperatura do substrato, pressão na câmara e

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15

a temperatura da fonte de calor[31, 35]. O principal indicador da facilidade de fusão do

material é o calor contido por unidade de volume do líquido no seu ponto de fusão e não o seu

ponto de fusão. Apresenta-se a Tabela 2.7 que ilustra as propriedades de alguns materiais

(Ponto de Fusão, Densidade e Calor Latente) e o fator de dificuldade de fusão (DMF):

Tabela 2.7: Propriedades de alguns materiais e fator de dificuldade de fusão[34]

Material Ponto de Fusão

(0 C)

Densidade

(g.cm -3)

∆Hm (cal.cm-1) DMF (∆Hm.ρ1/2)

Al 2O3 2050 4,0 3900 1450

ZrO2 2715 5,6 3470 1446

TiO2 1870 4,3 2550 1214

Cr2O3 2265 5,2 2600 1130

Fe 1536 7,9 2177 780

Mo 2619 10,2 2233 700

W 3427 19,35 2709 616

2.5.2.4 – A superfície de deposição

A superfície de deposição caracteriza o material impactando o substrato. O sucesso da

aspersão depende fortemente da preparação da superfície, que consiste, basicamente, em

limpeza e texturização[33].

A limpeza da superfície pode ser: química (detergência, desengraxamento ou

decapagem ácida) e/ou mecânica (princípio da abrasão).

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16

A texturização da superfície consiste em preparar a superfície para apresentar uma

rugosidade apropriada para que ocorra uma adesão satisfatória ao revestimento. A

texturização pode ser feita por jateamento abrasivo, já no processo de limpeza mecânica[32].

Ao atingir o substrato, o material aquecido e acelerado se deforma tomando o formato

lamelar (gota achatada). Estas gotículas ao colidirem com o substrato se resfriam a uma

velocidade extremamente alta e se ancoram mecanicamente nas irregularidades da superfície.

Estas lamelas não fazem um contato perfeito em toda a sua superfície, existindo entre elas

camadas de óxidos e impurezas, que comprometem a resistência do revestimento[36].

Comumente os materiais aspergidos termicamente apresentam uma faixa de

porosidade considerável. Uma maior ou menor quantidade de poros vai depender do material

e das condições de aspersão[35].

2.5.2.5 – Revestimento depositado

O revestimento depositado pode sofrer acabamentos e/ou pós-tratamentos.

O acabamento no revestimento aspergido tem por objetivo diminuir a rugosidade. Pode-

se destacar como processos de acabamento: o lixamento, a usinagem, o polimento e outros

métodos.

O pós-tratamento tem como objetivo melhorar ou preservar as características das

superfícies aspergidas quer preenchendo ou diminuindo a quantidade de poros presentes no

material aspergido quer protegendo o revestimento da corrosão e do ataque de outros

materiais. Pode-se destacar como pós-tratamentos: selagem, fusão, difusão, impregnação,

tratamentos mecânicos, prensagem isostática a quente e aquecimento a laser[34].

Por fim, as avaliações das propriedades dos revestimentos aspergidos devem ser

analisadas com um certo grau de cuidado por não serem totalmente normalizadas. Isto se deve

ao fato de as propriedades, dentro de um mesmo revestimento, não serem uniformes, podendo

ocorrer grandes variações[34]. As propriedades usadas para caracterizar os revestimentos são:

Adesão/Coesão: usa-se Tração, Fita, Dobramento, Cisalhamento.

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17

Dureza: usa-se Penetração (Indentação).

Desgaste: usa-se Análise Metalográfica.

2.6 - O diamante e suas características

2.6.1 Algumas propriedades físicas

A classificação do diamante como “material do século XXI”, feita por Paul May[19],

pode ser facilmente entendida observando-se a Tabela 2.8, que compara algumas propriedades

do diamante com as de outros materiais empregados em engenharia. Pode-se encontrar

materiais com alguma propriedade mais extrema que o diamante, mas com certeza, nenhum

outro material reúne tantas propriedades extremas, ou próxima delas.

Tabela 2.8: Propriedades do diamante: [10, 37].

Propriedade Unidade Comparação

Densidade g/cm3 Diamante: 3,5 Al2O3: 3,9

Dureza Vickers GPa Diamante: 90 Al2O3: 29

Módulo de Young ×1010 N/m2 Diamante: 110 SiC: 45

Coeficiente de fricção no

aço - Diamante:0,05 - 0,015 Al2O3: 0,1 – 0,5

Ponto de fusão 0C Diamante: 4000 Silício: 1420

Expansão térmica ×10-6/ 0C Diamante: 1 a 2 Silício: 2,6

Condutividade térmica W/cm-K Diamante: 10-20 Cu: 4

Velocidade do som Km.s-1 Diamante: 18,2 Berílio: 12,6

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Além das propriedades extremas mostradas acima, o diamante é transparente na região

espectral do ultravioleta ao infravermelho, possui alto índice de refração, admite vários tipos

de dopagens, é quimicamente inerte a temperatura ambiente, é resistente a radiações cósmicas

e atende requisitos para implantes ósseos [38]. Por isso a sua aplicação industrial ficava

restrita à sua escassez, custo e dificuldade de moldagem.

As primeiras tentativas de superar os obstáculos descritos acima datam da década de 50

do século passado, quando a General Eletric Corporation produziu industrialmente o diamante

pela técnica da alta temperatura e alta pressão (HPHT), simulando o processo natural, que

apesar de caro e dispendioso refletia um avanço. Na mesma época surgem as primeiras

tentativas de processos de baixa temperatura e baixa pressão, que resultariam na produção de

filmes de diamante, mudando de vez o panorama estabelecido até então[39].

2.6.2 Estrutura cristalina do diamante

O carbono, elemento do grupo IVA da Tabela periódica, possui 4 elétrons na camada de

valência. Com isto, os orbitais do tipo s se combinam com orbitais do tipo p, possibilitando a

formação de diferentes hibridações, que ao se combinarem com outros átomos de carbono dão

origem a diferentes substâncias, dentre as quais pode-se destacar o diamante e a grafite[12].

No diamante, os orbitais do carbono formam hibridação sp3, em que cada átomo se

ligará a outros quatro por ligações covalentes, conferindo uma geometria tetraédrica, dando

força e estabilidade às ligações que comporão a sua estrutura cristalina. As Figuras 2.7 e 2.8

ilustram a geometria da hibridação sp3 e a célula unitária do diamante, respectivamente. O

ângulo entre os orbitais é de 109,470 e o comprimento das ligações é de 1,54 Ǻ[11]. O

diamante possui célula unitária cúbica de 3,567 Ǻ sendo que a menor distância entre átomos

vizinhos é o próprio comprimento das ligações. A sua rede pode ser considerada vazia.

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19

Figura 2.7: Geometria da hibridação sp3[10] Figura 2.8: Célula unitária para estrutura

cristalina do diamante[24]

Na grafite, os orbitais do carbono formam hibridação do tipo sp2, em que cada átomo se

ligará a outros 3 por ligação covalente, em geometria planar, formando camadas de ligações

coesas (Figura 2.9). A ligação entre camadas é feita por forças de Van der Walls, que são

fracas e garantem características diferenciadas à grafite, como lubrificante sólido, por

exemplo[9].

Figura 2.9 – Estrutura da grafita[24].

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20

2.7. O diamante sintético

A primeira técnica desenvolvida para produção artificial de diamante simulava o

processo natural. Nessa técnica, conhecida por HPHT (High Pressure and High Temperature),

a grafite era submetida a altíssimas temperatura e pressão[25], produzindo diamante

monocristalino, pequeno, impuro e de baixa qualidade, tendo seu uso restrito a ferramentas de

corte e abrasão. Apesar do sucesso, esta técnica de produção artificial, permitia pouco

controle sobre as variáveis do processo, dificultando a redução dos custos de produção e a

melhoria da qualidade do material obtido.

A técnica de produção artificial a baixa temperatura e baixa pressão, datada da mesma

época do processo HPHT, iniciada por grupos dos Estados Unidos, teve seu amadurecimento

a partir do final da década de 80 do século passado, onde os grupos de pesquisa se

multiplicavam[39]. A técnica CVD, deposição química a partir da fase de vapor, permite o

crescimento de diamante sobre vários tipos de substrato e nos mais diferentes graus de pureza,

ampliando o leque de aplicabilidade industrial do diamante, a menor custo e com maior

precisão. A cada passo no refino da técnica CVD novas aplicações do diamante se tornam

possíveis, confirmando o potencial deste material de engenharia. Estas aplicações são

evidenciadas nas referências [38] e [39].

2.8 A reação CVD

O fato da grafite e diamante serem formados pelo mesmo elemento, o carbono, não

facilita a transformação do primeiro no segundo. Apesar de suas entalpias se diferirem por

apenas 2,9 KJ.Mol-1, a grafite é a forma alotrópica termodinamicamente estável do carbono, à

temperatura e pressão ambiente. Com isto, a grande energia de ativação que impede a

transformação da grafite em diamante, à temperatura e pressão ambientes, garante a não

transformação do diamante em grafite, nestas mesmas condições [19]. Por isto, as primeiras

tentativas de fabricação do diamante, simulavam condições nas quais o diamante é a fase

estável do carbono, ou seja, alta temperatura e alta pressão[12]. Este processo conhecido por

HPHT, High Pressure and High Temperature, fornece diamante para a industria sendo

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21

utilizados em ferramentas de corte e abrasão[11]. O diagrama de fases do carbono, da Figura

2.10, mostra as condições em que se pode formar o diamante.

Figura 2.10: Diagrama de fases do carbono[40].

Outro processo desenvolvido paralelamente ao primeiro é conhecido por CVD. No

processo CVD, Chemical Vapor Deposition, há a formação de diamante, a baixas temperatura

e pressão, a partir de uma reação química.

A síntese pelo processo CVD assistido a filamento quente pode ser descrita pelos

seguintes passos[8]:

a) Uma mistura gasosa, contendo hidrogênio e metano, é lançada na câmara de

vácuo;

b) Esta mistura passa por uma região de ativação fornecendo energia às espécies

gasosas, elevando a temperatura a centenas de graus Celsius;

c) Ocorre a dissociação das moléculas em radicais H+, CH, CH2 e CH3.

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22

d) Os átomos de carbono, ao encontrarem o substrato, permitem o crescimento

do diamante ou retornam à fase gasosa repetindo-se o processo.

Deve-se observar a importância do hidrogênio atômico (H+) no processo CVD. É ele

quem “ataca” a superfície do diamante já depositado e do metano retirando átomos de

hidrogênio inicialmente ligados ao carbono. Com isto radicais CH3 podem se ligar à rede

cristalina do diamante, continuando o processo de deposição.

2.9 Métodos para o crescimento de diamante CVD e tipos de reatores

O que muda de uma técnica de produção para outra é a forma como é feita a ativação do

gás, resultando nos diferentes tipos de reatores CVD utilizados para crescimento do diamante,

entre outros, reator a filamento quente (HFCVD), reator de plasma de microondas

(MWCVD)[39].

2.9.1 Reator de filamento quente (HFCVD)

A técnica assistida a filamento quente é consistida dos seguintes sistemas[39]:

uma câmara refrigerada na qual será crescido o diamante;

um sistema elétrico que fornecerá energia para a reação;

uma bomba de vácuo que estabilizará a câmara a pressões estabelecidas;

um sistema de fornecimento de gases.

O esquema simplificado de um reator HFCVD é mostrado na Figura 2.11.

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23

Figura 2.11: Esquema de um reator HFCVD genérico.[39]

O substrato para crescimento é colocado na câmara a uma distância de milímetros do

filamento, geralmente de tungstênio. O sistema de vácuo mantém uma pressão constante e

pré-estabelecida entre 10 torr e 100 torr. É aplicada uma corrente elétrica que mantém o

filamento (região de ativação) a uma temperatura constante e maior que 21000C. Uma mistura

gasosa, de H2 e CH4 na razão aproximada de 99:1, ao passar pelo filamento produz hidrogênio

atômico e radicais de hidrocarboneto que reagem com o substrato ou diamante ali contido

(região reativa) provocando o crescimento do diamante[39].

Os valores apresentados acima variam, dentro de determinados limites. A distância do

filamento ao substrato varia de 2 mm para Gozeloto[11] até 10 mm para Wang[41]. A pressão

pode variar de 50 torr para Trava-Airoldi[42] até 65 torr para Wang[41]. A temperatura do

filamento pode variar de 20000C para Glozman[43] até 24400C para Gozeloto[11]. A razão

(CH4:H2)% pode variar de 0.5% para Buijnsters[4] até 3% para Wang[41].

Esta técnica produz um filme policristalino de diamante a uma taxa de crescimento que

pode variar de 1µm.h-1 a 10µm.h-1[19]. Variáveis como pressão, composição gasosa,

temperatura e tipo de filamento são facilmente controladas. São elas que determinarão

características importantes do diamante crescido como: tensões, taxa de crescimento, grau de

contaminação e orientação dos grãos.

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24

A técnica CVD assistida a filamento quente apresenta vantagens econômicas com

relações as demais, principalmente quando o produto obtido é destinado a ferramentas de

corte, que exige apenas propriedades mecânicas do diamante. Outras propriedades, como as

óticas, por exemplo, ficam comprometidas com a contaminação proveniente da oxidação do

filamento e da presença de formas amorfas do carbono[12].

2.9.2 Reator de micro-ondas (MWCVD)

O reator de micro ondas, MWCVD, difere do reator HFCVD apenas pela forma de

ativação dos gases. No MWCVD o filamento é subtraído do sistema, sendo a ativação feita

por micro-ondas. As micro ondas são inseridas na câmara através de uma janela dielétrica

(geralmente quartzo) que, ao colidirem com as moléculas do gás, formarão um plasma sobre o

substrato. Neste plasma ocorrerá a formação de radicais livres que reagirão com o substrato

formando o diamante[19]. Sem a presença dos filamentos, eliminam-se as impurezas

provenientes da corrosão, conseguindo-se um diamante mais puro, e aumenta-se a gama de

aplicações, como em eletrônica, por exemplo. O esquema simplificado de um reator MWCVD

é mostrado na Figura. 2.12.

Figura 2.12: Esquema de um reator MWCVD genérico[39].

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25

O alto custo de produção e as pequenas áreas de deposição são os fatores limitantes

deste método. As taxas de crescimento são compatíveis com as do método HFCVD, sendo

que o aumento nestas taxas depende de um aumento de potência do gerador de micro ondas

[19], encarecendo o processo.

2.10 O substrato

2.10.1 Propriedades do substrato

A determinação do substrato é ponto crucial no processo de deposição de diamante

CVD. Vários fatores como: adequação ao processo de crescimento, favorecimento do

processo de deposição, compatibilidade com a utilização requerida e custo devem ser

observadas na escolha do substrato.

No processo CVD a deposição do diamante exige que o substrato seja submetido a

temperaturas da ordem de centenas de graus Celsius, limitando a utilização de alguns

materiais. Materiais como polímeros, ligas de alumínio, algumas vidrarias e outros metais

com ponto de fusão menor que 12000C não se adequam ao processo CVD[9].

Outro fator limitante é a grande solubilidade que o carbono apresenta em diversos

metais. Em metais como ferro, cobalto, paládio e níquel, entre outros, o carbono depositado se

dissolve na superfície formando soluções sólidas. Como a deposição do diamante se inicia

com a saturação de carbono no substrato, a grande quantidade de carbono dissolvida acaba

por alterar as propriedades físicas do material[19].

A formação de carbetos, presentes em alguns substratos, antes do início do crescimento

do diamante, funciona como uma interface adesiva entre o substrato e o diamante crescido.

Metais como titânio, zircônio, vanádio, nióbio, cromo, molibdênio, entre outros e os não

metais como boro, silício e seus compostos se enquadram nesta categoria[11].

As propriedades do conjunto substrato-diamante determinarão as aplicações do produto.

Para ferramentas de corte e abrasão, a Figura 2.13 mostra que a dureza e resistência à abrasão

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26

do diamante combinada com a tenacidade de alguns tipos de aço trariam ferramentas com

propriedades únicas.

Figura 2.13: Diagrama Tenacidade×Resistência ao desgaste de materiais ultraduros[11].

Por fim, deve-se observar que os coeficientes de dilatação térmica do substrato e do

diamante não devem apresentar grande diferença de valores, com a penalidade de se

comprometer à integridade do conjunto substrato diamante. O menor coeficiente de dilatação

térmica do diamante garante que o filme se contraia menos que o substrato no resfriamento,

gerando tensões compressivas mostradas na Figura 2.14. Isto pode comprometer a aderência,

soltar ou até mesmo romper o filme de diamante depositado.

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27

Figura 2.14: Esquema representativo de tensões de compressão causadas pela variação de

temperatura [44].

2.10.2 Composição do substrato molibdênio-aço

Conforme Paul May[19] existe a impossibilidade de deposição de diamante CVD

diretamente sobre aços em geral. Buijnsters et al[4] obteve a formação de grafite ao tentar

depositar diamante pela técnica CVD assistida a filamento quente, sobre aço AISI 316. A

tentativa de se contornar os problemas que impedem a deposição se faz necessária, haja vista

as propriedades dos aços, sua abundância, seu baixo custo e sua utilização estar plenamente

estabelecida.

Uma tentativa seria a utilização de um, ou mais materiais, em formato de filmes que

funcionem como barreiras entre o aço e o diamante, conforme mostrado na Figura 2.15.

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28

Figura 2.15: Esquema mostrando filme como barreira entre aço e diamante

Alguns elementos já foram testados como barreira para crescimento de diamante

CVD: CrN por Glozman et al[43] e Buijnsters[4] et al, Si por Buijnsters et al[1], Ti por Fan et

al[5], Ni/Cu/Ti por Silva et al[6], Si/Mo/Ti/Pt/Ag/TiN/SiO2 por Lee et al[45], entre outros.

O material utilizado como barreira deve preencher quesitos como:

a) permitir deposição de diamante CVD, de boa qualidade, em sua superfície

com boa aderência;

b) ter boa aderência ao aço;

c) formar um conjunto aço-barreira-diamante com qualidade mínima para a

aplicação a que se destina.

Amorim[8] estabeleceu condições de crescimento de diamante CVD em substrato de

silício para grandes áreas, Fujiy cresceu sobre cromo e molibdênio[10], Wang[41], Ece[46] e

Trava-Airoldi[22] usaram o molibdênio como substrato. Estes materiais, entre outros,

permitem crescimento de diamante CVD com boa qualidade e aderência, o que os tornam

possíveis candidatos à barreira aço-diamante.

A fixação da barreira ao substrato depende, entre outras, da técnica de obtenção desta

barreira e do material utilizado como barreira. Várias técnicas de deposição de filmes finos e

filmes espessos poderiam se utilizadas para a deposição da barreira sobre o substrato.

“Sputtering”, pulverização catódica e evaporação térmica foram as mais utilizadas pelos

autores referenciados acima.

Outra técnica possível para deposição da barreira aço-diamante seria a aspersão térmica.

Como possíveis vantagens desta técnica pode-se destacar[34]:

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29

a) permite pulverizar metais, ligas, cerâmicas e carbetos, mesmo sendo

metalurgicamente incompatíveis com o substrato,

b) possui vários métodos de deposição,

c) os materiais pulverizados apresentam boa aderência ao substrato,

d) permite vários tipos de pós-tratamento, dentre eles o térmico.

Como desvantagem pode-se destacar[34]:

a) a grande quantidade de poros presente nos revestimentos,

b) a superfície depositada é muito irregular

c) a estrutura do material aspergido ser diferente do material bruto.

O molibdênio aspergido termicamente forma uma forte ligação com a maioria dos aços,

aço inox e aços fundidos[34], constituindo uma boa opção como barreira entre o aço e o

diamante.

O crescimento do diamante CVD e a boa aderência do conjunto aço-barreira-diamante

dependem, em parte, da eficiência do revestimento aspergido em impedir a migração de

átomos de carbono entre as lamelas até a superfície do aço. O molibdênio aspergido

termicamente pode apresentar uma faixa de porosidade entre 5% e 10%[47], que pode

significar um caminho para a migração do carbono até o aço durante o processo de deposição

do diamante CVD.

A diferença entre os coeficientes de dilatação térmica entre aço SAE 1045

(11,6.10-6 0C-1 a 200C) , molibdênio (4,8.10-6 0C-1 a 200C) e diamante (1,0.10-6 0C-1 a 200C )

podem gerar tensões que acabarão por comprometer a aderência do conjunto aço-molibdênio-

diamante. Deve-se ressaltar que os valores dos coeficientes de dilatação térmica aumentam

com o aumento de temperatura.

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30

2.10.3 Tratamento térmico para superfícies aspergidas

Para Alencar[36], o tratamento térmico pode melhorar a adesão por difusão ou reação

química entre o revestimento e o substrato.

Godoy et al[48] observou a melhora gradativa da adesão de NiCrAl aspergido

termicamente pelo processo plasma spray sobre aço inox 304 para tratamentos térmicos por 4

horas e 10 horas a temperaturas de 4000C, 6000C e 8000C. Esta melhora de adesão ocorreu

nos materiais em que o coeficiente de dilatação térmica do substrato era maior que o

coeficiente de dilatação do revestimento.

Laribi et al[49] observou que a formação de Molibdeto de Ferro (FexMoy) por difusão

empobrece a adesão de uma camada de 0,4 mm de molibdênio aspergido por plasma spray

sobre aço liga, após tratamento térmico de 1 hora a 8500C em vácuo.

1.10.4 Preparação da superfície de deposição

O processo de deposição não mostra quando nem como se inicia o processo de

crescimento e sim a deposição sobre camadas já depositadas. Com isto utilizam-se técnicas de

preparo que incluem a incrustração de diamante sobre a superfície e/ou o riscamento da

mesma. Deve-se ressaltar que estas técnicas, além de favorecer o processo de crescimento,

devem possibilitar uma aderência mínima do diamante depositado ao substrato. Dentre as

técnicas de tratamento de superfície destacam-se: polimento utilizando pasta de diamante,

imersão em banho de ultra-som com pó de diamante e jateamento abrasivo com óxido de

alumínio[10].

2.11 - Caracterização das amostras

A caracterização das amostras que envolvem o filme de diamante depositado e o

conjunto aço-molibdênio-diamante foi feita “ex-situ”, ou seja, ao final do processo de

crescimento de diamante. Para as caracterizações das amostras foram utilizadas microscopia

eletrônica de varredura, microscopia óptica, espectrometria de energia dispersiva de Raios-X,

espectroscopia de espalhamento Raman e teste de fita adesiva.

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31

2.11.1 - Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é utilizada para determinar a morfologia,

percentual de cobertura do substrato, cristalinidade, granulometria, orientação dos cristais e

espessura do filme obtido[8]. Na Figura 2.16 são mostradas microscopias eletrônicas de

varredura de diamante CVD para dois tipos de filmes diferentes.

(a)

(b)

Figura 2.16: Exemplos de microscopia eletrônica de varredura de filme policristalino de

diamante CVD[8].

2.11.2 - Espectroscopia de Espalhamento Raman

É utilizada para a determinação da qualidade do diamante obtido, permitindo a

identificação de diamante, grafite e fases amorfas de carbono em uma amostra[8].

O efeito Raman, em geral, ocorre pela interação entre os fótons incidentes e as

freqüências de vibrações e rotação entre ligações químicas entre os átomos[50].

Quando um fóton incide sobre uma superfície, pode haver uma interação e a emissão de

um novo fóton, que pode ter energia igual ou diferente do fóton incidente.

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32

Quando o fóton espalhado possui energia igual ao fóton incidente, diz-se que ocorreu

um choque perfeitamente elástico entre o fóton incidente e a molécula da superfície, sendo

chamado de espalhamento Rayleigh.

Quando o fóton espalhado possui energia diferente do fóton incidente, diz-se que

ocorreu um choque inelástico entre o fóton incidente e a molécula da superfície, sendo

chamado de espalhamento Raman. A medida da energia dos fótons emitidos em comparação

aos fótons incidentes permite então identificar as possíveis ligações químicas da molécula. O

espalhamento Raman é comparativamente muito mais sensível para a detecção das ligações

C-C sp² do que para a detecção das ligações C-C sp³[50].

Os espalhamentos da radiação pelo diamante, pela grafite e pelas formas amorfas de

carbono apresentam um pico estreito de deslocamento em torno de 1332 cm-1, uma banda

larga centrada em 1355 cm-1 e uma banda muito larga centrada em 1550 cm-1,

respectivamente. Na Figura 2.17 apresenta um espectro Raman para o diamante natural.

Figura 2.17: Espectroscopia Raman para o diamante natural[8].

A figura 2.18 mostra duas espectroscopias de espalhamento Raman de diamante CVD

crescido sobre substrato de molibdênio feitas por Fujiy[10].

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33

(a) (b)

Figura 2.18: Espectroscopias de espalhamento Raman de diamante CVD crescido sobre

substrato de molibdênio[10].

2.11.3 - Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X - EDX

É uma forma de determinar quantitativamente os elementos presentes em uma amostra.

A técnica de raios-X é não-destrutiva para todos os tipos de amostras, incluindo sólidos,

líquidos, pós, discos, etc. O funcionamento pode ser entendido como se segue: quando um

feixe de elétrons incide sobre uma superfície, ele arranca elétrons das camadas eletrônicas do

material constituinte desta superfície, criando-se uma lacuna no lugar deste elétron. Elétrons,

de camadas mais externas, com maior energia, saltam para estas camadas, de menor energia.

Ao saltarem eles perdem energia, na forma de raios-X, que varia de intensidade para os mais

diferentes tipos de materiais[51].

Para o ferro, a Figura 2.19 ilustra a situação

Figura 2.19: Esquema explicativo da emissão de raios-X pelo átomo de ferro ao ser excitado

por um feixe de elétrons [52]

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34

Quando o elétron salta da camada M para a camada K libera 5057 eV. Da camada M

para a camada L libera 704 eV e da camada L para a camada K libera 6400 eV. [52]. Um

detector capta esta energia e plota o gráfico, como o mostrado na Figura 2.20.

Figura 2.20: Gráfico plotado a partir da energia liberada por uma amostra de aço SAE 1045

excitada por um feixe de elétrons, feito no LAS INPE.

Além da identificação do elemento químico, o equipamento permite o mapeamento da

distribuição de elementos químicos por minerais, gerando mapas composicionais de

elementos desejados[53].

2.11.4 – Teste de fita adesiva ou “Scotch tape test”

É um teste realizado para determinar de forma qualitativa a aderência de um

recobrimento em um determinado substrato. Consiste da aplicação de uma fita adesiva sobre

um substrato sendo a aderência analisada através do destaque da fita[54].

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35

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Nesse capitulo descreve-se a parte experimental proposta: preparação do aço, aspersão

térmica, os tratamentos dados ao conjunto aço-molibdênio, o crescimento propriamente dito e

as análises do diamante crescido e do conjunto aço-molibdênio-diamante.

O fluxograma apresentado na figura 3.1 mostra esquematicamente a parte experimental

do trabalho.

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36

Figura 3.1: Fluxograma da parte experimental do trabalho

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37

3.1 - O preparo do aço SAE 1045

A escolha do aço como substrato se baseou no diagrama resistência ao desgaste ×

tenacidade (Figura 2.13) que qualifica alguns aços como boas opções para tenacidade.

Especificamente o aço SAE 1045 foi escolhido devido à sua boa tenacidade (Tabela 2.1) e ser

utilizado em ferramentas de perfuração (Tabela 2.2), além de ser um material abundante,

barato e de larga aplicação comercial.

Adquiriu-se uma barra de aço SAE 1045 secção retangular, de dimensões

1000mm×25,4mm×6,34mm. Esta barra foi cortada em peças de aproximadamente 15 mm de

largura, 25,4 mm de comprimento e 6,34 mm de espessura. Uma face de 15mm×25,4mm de

cada peça foi polida. Para tanto se utilizaram os equipamentos Cutoff Arotec Cor 40 e Politriz

Dupla APL-2D Arotec, que estão mostrados nas Figuras 3.2 e 3.3 respectivamente.

Figura 3.2: Fotografia do Cutoff Arotec Cor 40 do laboratório de metalografia da

Universidade São Francisco em Itatiba.

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38

Figura 3.3: Fotografia da Politriz Dupla APL-2D Arotec do laboratório de metalografia da

Universidade São Francisco em Itatiba.

As amostras foram marcadas e suas espessuras foram medidas em cinco pontos. A

Figura 3.4 mostra os pontos em que foram feitas as medidas de espessura. Para tanto se

utilizou Micrômetro Digital Mitutoyo, 0 – 25 mm, com precisão de 0,001 mm.

Figura 3.4: Esquema mostrando a numeração nas peças de aço para se fazer medidas de

espessura.

Para cada peça foi calculada a média aritmética das medidas de espessura destes cinco

pontos. O valor encontrado (∆EAA) foi tomado como a espessura média da peça, antes da

aspersão térmica.

3.2 - A aspersão térmica das amostras

Amostras foram aspergidas termicamente com molibdênio em pó Sulzer-Metco, pelo

método Plasma Spray, com o equipamento Sulzer-Metco modelo 3MBII, após jateamento

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39

abrasivo com alumina. A aspersão térmica foi feita manualmente. A Figura 3.5(a) mostra foto

da pistola plasma spray e a Figura 3.5(b) mostra a foto da mesma pistola em funcionamento.

(a) (b)

Figura 3.5: (a) fotografia da pistola plasma spray usada na aspersão térmica. (b) fotografia

da pistola plasma spray em funcionamento.

Os parâmetros utilizados na aspersão térmica são mostrados na Tabela 3.1.

Tabela 3.1: Tabela com os parâmetros utilizados na aspersão térmica das amostras pelo

método Plasma Spray.

Tensão (V) Corrente (A) Distância de

Trabalho (mm)

Granulometria do

Molibdênio (µm)

Granulometria da

Alumina para

jateamento (µm)

40000 350 100 90 45

Conforme descrito em 3.1 cada amostra aspergida teve a sua espessura média calculada.

O valor encontrado (∆EPA) foi tomado como a espessura média da peça, pós-aspersão térmica.

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40

3.3 - O tratamento térmico das amostras

Um grupo de amostras foi encaminhado para tratamento térmico em um formo não

comercial do Laboratório Nacional de Luz Sincroton em Campinas SP, mostrado na

fotografia da Figura 3.6

Figura 3.6: Fotografia do forno para tratamento térmico.

Os parâmetros utilizados no tratamento térmico são mostrados na Tabela 3.2.

Tabela 3.2: Tabela com os parâmetros utilizados no tratamento térmico das amostras.

Tempo de Tratamento (horas) Temperatura (0C) Pressão (mbar)

24 850 3×10-5

Pretende-se com este tratamento melhorar a densidade, ductibilidade, resistência

mecânica do revestimento. Com isto espera-se uma diminuição da porosidade do revestimento

aspergido e que ocorra a difusão do molibdênio para o aço e vice-versa, melhorando a adesão

do conjunto aço-molibdênio pela formação de ligações metalúrgicas.

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41

3.4 - Prensagem das amostras

Outro tratamento dado foi a prensagem em um grupo de amostras, em uma prensa

uniaxial Marconi de 15 toneladas com placas de aquecimento, mostrada na Fotografia da

Figura 3.7.

Figura 3.7: Fotografia da Prensa Uniaxial Marconi

Com este tratamento espera-se fechar os poros superficiais conectados melhorando o

nível de acabamento superficial[34]. Os parâmetro utilizados para a prensagem são mostrados

na tabela 3.3.

Tabela 3.3: Tabela com os parâmetros utilizados na prensagem das amostras.

Tempo de Prensagem (horas) Temperatura (0C) Pressão (MPa)

6 260 257,2

3.5 – Divisão das amostras

As amostras de aço SAE 1045 com filme de molibdênio aspergido termicamente

foram divididas em quatro grupos que são mostrados na tabela 3.4.

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42

Tabela 3.4: Tabela explicativa sobre a divisão das amostras de aço SAE 1045 com filme de

molibdênio e seus respectivos tratamentos.

Grupo Condição da Amostra

I Aspergida

II Aspergida e Prensadas

III Aspergida e Tratada Termicamente

IV Aspergida, Tratada Termicamente e Prensada.

3.6 – A preparação da superfície de deposição

Os substratos de aço com um filme de molibdênio aspergido termicamente passaram

por um tratamento superficial: a ultra-sonificação de uma dispersão de pó de diamante, que

visa depositar uma fina e uniforme camada de pó de diamante sobre a superfície do substrato.

Esse tratamento é denominado de “semeadura de pó de diamante”. Sua utilização deu-se da

seguinte forma [10]:

a) Limpeza do substrato, em ultra-som com banho de acetona, por 30 minutos, com a

finalidade de desengordurar e retirar resíduos de poeira;

b) Ultra-sonificação em uma suspensão com pó de diamante de grão de 0,25 µm da M.

Almeida por 30 minutos. O líquido dispersante utilizado foi o n-hexano da Synth P. A. ACS.

c) Decantação do pó de diamante por 1 minuto após a paralisação do banho de ultra-

som.

d) Retirada do substrato da suspensão e secagem ao ar.

e) Remoção do excesso de pó de diamante em banho ultra-sônico por 5 minutos

utilizando novamente o mesmo dispersante.

Esse procedimento descrito para preparação do substrato foi adotado em todos os

crescimentos realizados.

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43

3.7 - O sistema experimental utilizado

Quando esse trabalho se iniciou, o Laboratório de Diamante e Materiais Relacionados

da Universidade São Francisco em Itatiba já possuía o reator tubo HFCVD, e este já era

utilizado para crescimentos em pequenas superfícies.

Entre os diversos equipamentos do Laboratório de Diamante e Materiais Relacionados

da Universidade São Francisco, foram utilizados os seguintes:

a) Transdutores de Pressão Absoluta MKS Baratron;

b) Controladores de Fluxo de Massa MKS;

c) Fluxímetros Digitais MKS 247 Tipo D com 4 entradas;

d) Medidor de Vácuo MKS 937;

e) Fonte de Tensão DC 5040 Suplitec

f) Bomba de Vácuo E2M8 Boc Edwards;

g) Pirômetro Óptico Mykron M90H (600°C a 3000°C);

h) Termopares de cromel-alumel;

i) Reator tubo HFCVD para crescimento de diamante;

j) Aparelho de ultra-som para banho no substrato da marca Thornton.

Os gases hidrogênio (H2) e metano (CH4) são guardados em recipientes distintos, e

misturados, após a passagem por dois fluxímetros digitais MKS 247 Tipo D. Após a

passagem pelo misturador, são introduzidos na câmara de vácuo do reator, que é refrigerada à

água na sua parte externa.

A câmara de vácuo é ligada a uma bomba de vácuo, que mantém a pressão constante no

interior da mesma, propiciando uma das condições de crescimento do diamante.

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44

Filamentos de tungstênio são utilizados no reator. Os filamentos são alimentados por

uma fonte DC 5040. Os condutores de corrente de dentro do reator são blindados e

refrigerados a água.

A Figura 3.8 mostra o esquema do sistema utilizado:

Figura 3.8: Desenho esquemático da montagem dos equipamentos, para crescimento de

diamante CVD.

Na Figura 3.9 é apresentado um desenho esquemático detalhando interior do reator,

representando o porta substrato, porta filamentos janelas de observação do porta substrato.

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45

Figura 3.9: Desenho esquemático de um reator de filamento quente.

A Figura 3.10 mostra a fotografia do reator HFCVD do Laboratório de Diamante e

Materiais Relacionados da Universidade São Francisco em Itatiba

Figura 3.10: Fotografia do reator HFCVD do Laboratório de Diamante e Materiais

Relacionados da Universidade São Francisco em Itatiba

A Figura 3.11 mostra o conjunto aço-molibdênio colocado no reator CVD para posterior

crescimento.

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46

Figura 3.11: Fotografia do substrato de aço-molibdênio no reator CVD para posterior

crescimento.

As condições de crescimento dos filmes de diamante, para os conjuntos aço-molibdênio

aspergido, foram fixadas observando-se os limites estabelecidos na literatura e consagradas

por trabalhos anteriores feitos no Laboratório de Diamante e Materiais Relacionados da

Universidade São Francisco[8, 9, 10, 11, 12]. Estes parâmetros são mostradas na Tabela 3.5.

Tabela 3.5: Condições de crescimento dos filmes de diamante

Pressão no reator 50 mbar

Fluxo de H2 65 sccm

Fluxo de CH4 0,82 sccm

Número de Filamentos 4

Distância do filamento ao substrato 5 mm

Diâmetro do filamento 0,123 µm

Intensidade de corrente no filamento 6,5 A

Temperatura do Substrato 850 °C

Temperatura do filamento 2 200 °C

Tempo de crescimento 20 h

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47

3.8 – Rotina de utilização do reator CVD

3.8.1 – Teste para verificar a influencia das condições de crescimento sobre a aderência

do conjunto aço-molibdênio

Pelo processo de aspersão térmica uniram-se dois metais de coeficientes de dilatação

térmica muito diferentes (aço e molibdênio). A técnica CVD utilizada exige substratos com

temperatura em torno de 8500C.

Uma amostra de cada grupo (I, II, III, IV), teve a aderência e integridade da camada de

molibdênio aspergido testada, através de uma análise visual e de um teste de fita. Este teste é

para avaliar se há avarias na camada aspergida ou se a mesma está soltando do substrato de

aço.

Estas mesmas amostras (Grupos I, II, III, IV) foram levadas ao reator CVD nas

condições propostas na tabela 3.5, sem presença de CH4. Espera-se verificar a influência da

temperatura no conjunto aço-diamante durante o crescimento de diamante CVD. Fez-se

novamente teste de fita e análise visual após o reator CVD.

3.8.2 – Crescimento de diamante CVD sobre o conjunto aço-molibdênio

Nesta etapa são feitos os crescimentos dos filmes de diamante CVD sobre os

substratos de aço-molibdênio descritos nos grupos I, II, III, IV. As condições de crescimento

são as descritas na tabela 3.5 (com a presença do CH4).

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48

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 Variação de espessura do molibdênio aspergido

A aspersão térmica feita manualmente dificulta o controle preciso da espessura da

camada do material aspergido. Fez-se o cálculo da camada do molibdênio aspergido com

medições de espessura das peças antes e após aspersão térmica.

Foi calculada a variação de espessura média do molibdênio (∆E = ∆EPA - ∆EAA), que

representa a diferença de espessura média das amostras após aspersão térmica e antes da

aspersão térmica. A variação de espessura média de cada amostra, ∆E, será considerada como

a espessura média do revestimento aspergido para esta amostra.

O menor valor médio calculado para a camada de molibdênio aspergido termicamente

foi de (0,185 ± 0,045) mm e o maior valor foi de (0,294 ± 0,165) mm.

A espessura da camada depende da técnica de deposição e da quantidade de camadas

que foram utilizadas como barreira. As espessuras limites do molibdênio aspergido garantem

uma intercamada com espessura acima dos valores encontrados na literatura que variam de

150nm[1] até 42µm[6]. Esta grande diferença na espessura da camada intercamada, valor

calculado neste trabalho e valor encontrado na literatura, se deve ao método de deposição

empregado.

4.2. Caracterização das amostras aspergidas

4.2.1 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

Tendo por objetivo uma análise qualitativa dos efeitos do tratamento térmico de 8500C a

uma pressão de 3.10-5 mbar sobre o molibdênio aspergido termicamente pelo processo

“Plasma Spray”, foram feitas microscopias MEV: antes do tratamento térmico, outra após 5

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49

horas de tratamento térmico e por fim outra com 19 horas de tratamento térmico. As

microscopias Óptica da interface aço/molibdênio aspergido, antes do tratamento térmico,

podem ser visualizada nas Figuras 4.1(a) e 4.1(b). As microscopias MEV após 5 horas e 19

horas de tratamento térmico podem ser visualizadas nas Figuras 4.2(a) e 4.2(b),

respectivamente.

X 50 25 mm

Grupo de Materiais - Laboratório Nacional de Luz Sincroton Grupo de Materiais - Laboratório Nacional de Luz Sincroton

X 100 50 mm

(a) (b)

Figura 4.1- Microscopia Óptica da interface aço-molibdênio sem tratamento térmico.

(a) (b)

Figura 4.2- Microscopia MEV da interface aço-molibdênio: (a) com 5 horas de tratamento

térmico a 8500C e (b) com 19 horas de tratamento térmico a 8500C

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50

As microscopias antes e pós-tratamento térmico, sugerem uma diminuição da porosidade

do material aspergido para o tratamento térmico de 19 horas.

As conclusões após análise das microscopias devem levar em consideração os seguintes fatos:

a) a microscopia permite apenas uma análise qualitativa do revestimento,

b) dificilmente consegue-se localizar com exatidão o mesmo ponto para análise, em

momentos distintos,

c) os materiais aspergidos não apresentam uniformidade em toda a sua extensão.

4.2.2 Análise dos elementos presentes por EDX

Tendo por objetivo uma análise quantitativa dos efeitos do tratamento térmico de 8500C

a uma pressão de 3.10-5 mbar sobre a difusão do molibdênio aspergido termicamente pelo

processo “Plasma Spray” e o aço SAE 1045, foram feitas análises dos elementos presentes por

EDX: antes do tratamento térmico e com 19 horas de tratamento térmico. A análise dos

elementos presentes na interface aço/molibdênio por EDX, antes do tratamento térmico, pode

ser visualizada nas Figuras 4.3(a), 4.3(b) e 4.3(c) e após tratamento térmico de 19 horas a

8500C nas Figuras 4.4(a), 4.4(b) e 4.4(c).

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51

(a)

(b)

(c)

Figura 4.3: Análise dos elementos presentes na interface aço/molibdênio: (a) Pontos da

interface para análise, (b) do ponto 1 da interface-molibdênio, (c) ponto 2 da interface-

aço.

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52

(a)

(b)

(c)

Figura 4.4: Análise dos elementos presentes na interface aço/molibdênio após 19 horas de

tratamento térmico a 8500C: (a) Pontos da interface para análise, (b) do ponto 1 da

interface-molibdênio, (c) ponto 2 da interface-aço.

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53

A análise dos elementos presentes na interface aço/molibdênio por EDX sugere uma

pequena difusão do ferro no molibdênio e do molibdênio no ferro após tratamento térmico,

tanto de 5 horas como de 19 horas.

4.2.3 - Mapeamento do ferro e molibdênio na interface

Utilizando-se técnicas de EDX foi realizado o mapeamento do molibdênio e ferro

presentes na interface aço/molibdênio.O mapeamento antes do tratamento térmico está

mostrado nas Figuras 4.5(a), 4.5(b), 4.5(c) e 4.5(d) e após o tratamento térmico de 19 horas a

8500C nas Figuras 4.6(a), 4.6(b), 4.6(c) e 4.6(d).

(a)

(b) (c)

Figura 4.5: Mapeamento do molibdênio e ferro presentes na interface aço/molibdênio: (a)

Porção mapeada da interface, (b) Mapeamento do aço na interface e (c) Mapeamento do

molibdênio na interface.

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54

(a)

(b) (c)

Figura 4.6: Mapeamento do molibdênio e ferro presentes na interface aço/molibdênio

após tratamento térmico de 19 horas a 8500C: (a) Porção mapeada da interface, (b)

Mapeamento do aço na interface e (c) Mapeamento do molibdênio na interface.

Pela análise feita, o mapeamento na fronteira aço/molibdênio sugere uma pequena

difusão do ferro no molibdênio e do molibdênio no ferro. Isto pode ser explicado pelo

pequeno coeficiente de difusão do molibdênio em ferro-α (1,19×10-15 m2/s)[26] e pelos

pequenos coeficientes de auto difusão: 7,78×10-16 m2/s para o ferro em liga de ferro-

molibdênio, e 1,14×10-15 m2/s para o molibdênio em liga de ferro-molibdênio[27].

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55

4.3 - Verificação da aderência do conjunto aço-diamante nas condições de crescimento.

A análise visual e o teste de fita feito em uma amostra de cada grupo (I, II, III, IV)

antes de serem levadas ao reator CVD nas condições de crescimento, sem a presença de CH4,

mostrou uma superfície aspergida e integra que se manteve aderente após um teste com uma

fita adesiva comercial.

Nova análise das amostras após reator CVD nas condições de crescimento, sem a

presença de CH4, mostrou uma superfície aspergida e integra que se manteve aderente após

um teste com uma fita adesiva comercial.

Os testes, com fita adesiva, realizados nas amostras, antes e após reator CVD sem a

presença de CH4, não evidenciou uma fragilização da camada de molibdênio que se manteve

intacta. Isto sugere que a temperatura do substrato nas condições de crescimento(≈ 8500C)

não contribui de forma decisiva para a fragilização da fronteira aço-molibdênio devido à

diferença de coeficiente de dilatação térmica dos dois metais.

4.4 - Crescimento do diamante sobre molibdênio/aço SAE 1045

Nas condições de crescimento propostos na Tabela 3.5, houve o crescimento de

diamante CVD.

Apresentam-se as microscopias, as espectroscopias de espalhamento Raman, as

análises dos elementos presentes nas amostras por EDX e fotografias. São mostrados os

resultados para uma amostra típica de cada grupo (I, II, III, IV).

4.4.1 - Amostras do grupo I (aspergidas)

Amostras aspergidas foram levadas ao reator CVD. Houve o crescimento de diamante

de boa qualidade, conforme espectroscopia de espalhamento Raman, Figura 4.7, e

microscopia eletrônica de varredura (MEV). Pode-se observar a granulometria típica de

filmes de diamante CVD na Figura 4.8.

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56

800 1000 1200 1400 1600 1800

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Inte

nsid

ade(

U.A

.)

Deslocamento Raman (cm-1)

Figura 4.7: Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo I.

Figura 4.8: Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo I.

O conjunto molibdênio aspergido-diamante soltou-se do substrato de aço, logo após

ser retirado do reator CVD. A Figuras 4.9(a) e 4.9(b) mostram fotografias dos filmes e seus

substratos de amostra típica do grupo I.

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57

(a) (b)

Figura 4.9: Fotografia do filme e substrato de aço; (a) filme de diamante e substrato de

aço, (b) verso do filme de diamante e substrato de aço, de amostra típica do grupo I.

Foram feitas as análises dos elementos presentes por EDX, para o verso do filme de

diamante. A análise para uma amostra típica do grupo I é mostrada na Figura 4.10.

Figuras 4.10: Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de amostra

típica do grupo I por EDX.

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58

4.4.2 - Amostras do grupo II (aspergidas e prensadas)

Amostras aspergidas e prensadas foram levadas ao reator CVD. Para as amostras do

grupo II, houve o crescimento de diamante de boa qualidade, conforme espectroscopia de

espalhamento Raman e microscopia eletrônica de varredura (MEV), mostradas nas Figuras

4.11 e 4.12.

800 1000 1200 1400 1600 1800-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Inte

nsid

ade

( U

.A.)

Deslocamento Raman (cm-1)

Figura 4.11: Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo II

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59

Figura 4.12: Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo II

O conjunto molibdênio aspergido-diamante soltou-se do substrato de aço logo após ser

retirado do reator CVD. A Figuras 4.13(a) e 4.13(b) mostram fotografias dos filmes e seus

substratos para amostra típica do grupo II.

(a) (b)

Figura 4.13: Fotografia do filme e substrato de aço; (a) filme de diamante e substrato de aço,

(b) verso do filme de diamante e substrato de aço, de amostra típica do grupo II.

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60

Foram feitas as análises dos elementos presentes por EDX, para o verso do filme de

diamante. A análise para uma amostra típica do grupo II é mostrada na Figuras 4.14.

Figuras 4.14: Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de amostra

típica do grupo II por EDX.

Os elementos presentes no verso do filme de diamante seguem as mesmas

características da amostra do grupo I.

4.4.3 - Amostras do grupo III (aspergidas e tratadas termicamente)

Amostras aspergidas e tratadas termicamente foram levadas ao reator CVD. Para as

amostras do grupo III, houve o crescimento de diamante de boa qualidade, conforme

espectroscopia de espalhamento Raman e microscopia eletrônica de varredura (MEV),

mostradas nas Figuras 4.15 e 4.16.

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61

800 1000 1200 1400 1600 1800

0

1000

2000

3000

4000

Inte

nsid

ade

(U.A

)

Deslocamento Raman (cm-1)

Figura 4.15: Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo III.

Figura 4.16: Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo III.

O conjunto molibdênio aspergido-diamante soltou-se do substrato de aço logo após ser

retirado do reator CVD. A Figura 4.17 mostra fotografia do filme e seu substrato para amostra

típica do grupo III.

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62

Figura 4.17: Fotografia do filme e substrato de aço de amostra típica do grupo III.

Foram feitas as análises dos elementos presentes por EDX, para o verso do filme de

diamante. A análise para uma amostra típica do grupo III é mostrada na Figura 4.18.

Figuras 4.18: Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de amostra

típica do grupo III por EDX.

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63

A análise dos elementos presentes para amostra típica do grupo III mostra a presença

de elementos conforme amostras dos grupos I e II, sem contudo a presença de uma grande

quantidade de carbono para os pontos analisados.

4.4.4 - Amostras do grupo IV (aspergidas, tratadas termicamente e prensadas).

Amostras aspergidas, tratadas termicamente e prensadas foram levadas ao reator CVD.

Para as amostras do grupo IV, houve o crescimento de diamante de boa qualidade, conforme

espectroscopia de espalhamento Raman e microscopia eletrônica de varredura (MEV),

mostradas nas Figuras 4.19 e 4.20.

800 1000 1200 1400 1600 1800

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Inte

nsid

ade

(a.u

.)

Deslocamento Raman (cm-1)

Figura 4.19: Espectroscopia de espalhamento Raman de amostra típica do grupo IV.

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Figura 4.20: Microscopia eletrônica de varredura MEV de amostra típica do grupo IV.

O conjunto molibdênio aspergido-diamante soltou-se do substrato de aço logo após ser

retirado do reator CVD. A Figura 4.21 mostra fotografia do filme e seu substrato para amostra

típica do grupo IV.

Figura 4.21: Fotografia do filme e substrato de aço de amostra típica do grupo IV.

A utilização do tratamento térmico por 24 horas a 8500C no conjunto aço-molibdênio

possibilitou o crescimento de filmes de diamante que, ao se soltarem do substrato de aço,

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quebraram em vários pedaços. Filmes crescidos em amostras que não foram beneficiadas por

este tipo de tratamento soltaram-se em maiores áreas. Isto sugere a maior facilidade de

destaque dos filmes de diamante das amostras que não foram tratadas termicamente,

sugerindo o relativo sucesso deste tipo de tratamento.

Foram feitas as análises dos elementos presentes por EDX, para o verso do filme de

diamante. A análise para uma amostra típica do grupo IV é mostrada nas Figura 4.22.

Figuras 4.22: Análise dos elementos presentes no verso do filme de diamante, de amostra

típica do grupo IV.por EDX.

Os elementos presentes no verso do filme de diamante seguem as mesmas

características da amostra do grupo III.

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5 - CONCLUSÕES

Para todas as amostras houve crescimento de diamante CVD, de boa qualidade,

confirmada pela espectroscopia de espalhamento Raman e pelas microscopias dos filmes de

diamante.

O estilhaçamento dos filmes tratados por 8500C por 24 horas sugere um relativo sucesso

deste tratamento em relação aos filmes não tratados, no que diz respeito à aderência do

conjunto aço-molibdênio-diamante. Os filmes de diamante crescidos sobre amostras

prensadas com 257,2 MPa por 6 horas a 2600C não apresentaram qualquer evidência que

sugerisse a eficácia deste método de tratamento, no que diz respeito à adesão do conjunto aço-

molibdênio-diamante.

A difusão do carbono pelo material aspergido aparentemente foi reduzida pelo

tratamento térmico, haja vista a pequena quantidade deste elemento no verso dos filmes de

diamante que se soltaram. A prensagem com 257,2 MPa por 6 horas a 2600C aumentou a

difusão do carbono pelo molibdênio aspergido. Deve-se ressaltar que a grande capacidade de

difusão do carbono no aço, sugere que a quantidade de carbono que penetra através do

molibdênio é maior que a mostrada pela análise dos versos dos filmes de diamante.

As análises dos versos dos filmes de diamante mostraram o desprendimento do filme

na interface aço-molibdênio. A fragilização da interface aço-molibdênio em relação à

interface molibdênio-diamante se deve à boa aderência do diamante CVD sobre o molibdênio

e a pouca contribuição do tratamento térmico para o fortalecimento desta interface.

Pode se considerar as tensões térmicas como as principais responsáveis pela não

aderência do conjunto aço-molibdênio-diamante. A grande diferença de coeficiente de

dilatação térmica entre aço-molibdênio (12:4,8) e aço-diamante (12:1), a boa aderência do

diamante crescido sobre molibdênio e a fragilidade da fronteira aço-molibdênio, não

beneficiada pelo tratamento térmico tornaram esta interface o ponto deficitário do conjunto

por onde o filme se soltou.

Testes usando fita adesiva antes e após tratamento térmico de 24 horas a 8500C, não

evidenciaram uma visível fragilização da fronteira aço-molibdênio, durante este tratamento,

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haja vista as temperaturas de tratamento térmico e de crescimento de diamante HFCVD serem

próximas.

A utilização de tratamentos térmicos à temperatura de 8500C por um período de 24

horas em um forno a vácuo, não contribuiu significativamente para a melhora da adesão do

conjunto aço, molibdênio aspergido termicamente pela técnica “Plasma Spray” e diamante

crescido pela técnica HFCVD.

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6. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

A problemática da deposição de diamante CVD sobre aço usando intercamadas está

calcada sobre a aderência do conjunto aço-molibdênio-diamante. Como sugestão de melhora

deste quesito propõe-se:

a) Para redução da mobilidade do carbono e melhora da aderência intercamada-aço:

Na mesma linha de pesquisa (molibdênio aspergido por “plasma spray”) pode-

se estudar os efeitos da Prensagem Isostática a Quente sobre a difusão do ferro pelo

molibdênio e vice-versa, bem como a mobilidade do carbono pelo material

aspergido.

Aplicar uma fina camada de outro material antes da aspersão do molibdênio,

com o objetivo de se evitar a fragilização da fronteira aço-molibdênio pela possível

formação de FexMoy, descrita por Laribi et al, durante o processo de crescimento de

diamante;.

Aplicar o molibdênio por outro processo gerando camada mais fina e menos

porosa,

b) Para contornar o efeito das tensões térmicas:

Deposição de intercamadas utilizando-se materiais com diferentes coeficientes de

dilatação térmica ordenados de forma decrescente: do aço ao diamante;

Promover tratamento térmico das intercamadas propostas acima fortalecendo suas

fronteiras.

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