Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2016-02-23T04:01:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2015 / Filmes finos de carbono amorfo, chamados Diamond?like carbon (DLC), tem atraído a atenção da comunidade industrial e científica graças as suas excepcionais propriedades mecânicas e tribológicas. Recentemente no Laboratório de Materiais (LabMat) da UFSC, foi desenvolvido um processamento via PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) para substratos de aço carbono. O processo consiste da nitretação e posterior deposição de um filme de DLC hidrogenado do tipo a?C:H, patenteado com o nome de CH?®. Neste contexto, o entendimento da influência de materiais alternativos de substrato com potencial aplicação industrial nas propriedades dos filmes, durante e após o processamento PECVD, é essencial. Dentre estes materiais, destacam se os ferros fundidos cinzentos (FC) e ferros fundidos nodulares (FN) pela sua ampla gama de aplicações industriais, além da alta resistência mecânica à fadiga e ao desgaste em sua faixa de custo. Todavia, um fator crítico para a utilização destes materiais como substratos para aplicação de revestimentos é a presença de descontinuidades na camada metálica superficial na forma de grafitas lamelares no caso do FC e esféricas no caso do FN. No presente estudo, foram investigadas as propriedades das camadas nitretadas e de DLC do processo CH?® aplicado ao FC e ao FN, com foco na influência dos diferentes tipos de grafitas na topografia após o processo e no desempenho tribológico dos filmes de DLC. Amostras de ambos os materiais com a superfície polida foram tratadas com o processo CH?®, o qual gera alterações de grande magnitude em ambos os materiais, aumentando a rugosidade inicial média (Sq) em três vezes para o FN e em cinco vezes para o FC. Além disso, o processo causa o surgimento de elevações de até 20 µm sobre as grafitas lamelares do FC. Foi demonstrada a propriedade de bloqueio à difusão causada pelas lamelas de grafitas dependendo da sua orientação em relação à superfície através de análises de DRX, EDS em linha, MEV e perfis de microdureza. Desta forma, é possível afirmar que as grafitas com orientação inclinada em relação a superfície de tratamento são as mais críticas para o surgimento das elevações em FC. Para o FN, o efeito dos nódulos de grafita na superfície se refletiu em diferentes profundidades das depressões na topografia associadas às mesmas, onde ocorreu um aumento significativo destas profundidades após a nitretação provavelmente associado ao processo de sputtering, e uma subsequente redução da profundidade das depressões devido a um efeito de preenchimento pelo filme de DLC. Adicionalmente, foram realizados ensaios tribológicos de durabilidade a seco em atmosfera ambiente, onde ambos os materiais revestidos são submetidos à condições cada vez mais severas até a falha do filme. Ambos materiais obtiveram valores de durabilidade (Força Normal x Distância de deslizamento) semelhantes. Todavia, os ensaios com FC apresentaram um coeficiente de atrito (COF) de 0,06 no regime de lubricidade, muito inferior ao COF nos ensaios com FN (COF = 0,14). Através de ensaios de durabilidade interrompidos no regime de lubricidade, foi possível associar as diferenças no COF à formação de tribocamadas com fácil cisalhamento nas regiões efetivas de contato para o FC através de análises de MEV, EDS, espectroscopia Raman e interferometria óptica de luz branca. Estas tribocamadas provém de reações com a atmosfera à medida que os debris são formados a partir da pista e da esfera, cominuídos e se acumulam nas elevações presentes na topografia do material. Debris semelhantes foram encontrados para o FN, porém estes não se localizam na região efetiva de contato, se acumulando nas depressões presentes no material e evitando a formação das tribocamadas associadas ao baixo atrito. Finalmente, devido ao mecanismo de desgaste com desplacamentos associados às elevações na topografia, o filme de DLC em FC apresentou um volume desgastado três vezes superior ao em FN no ensaio interrompido analisado.<br> / Abstract : Amorphous carbon thin films, called Diamond-like carbon (DLC), attracted the attention from the industrial and scientific communities due its outstanding tribological and mechanical properties. Recently, in the Materials Laboratory (LabMat) from UFSC, a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) process was developed using plain carbon steel as substrate. The process consists of plasma nitriding followed by a coating with DLC with hydrogen (a-C:H), with a patent under the name CH?®. In this context, the understanding of the influence that suitable alternative substrate materials have in the film properties, during and after the PECVD process, is essential. Among these materials, gray cast irons (FC) and nodular cast irons (FN) stand out due their vast industrial uses, consequence of its relative high mechanical strength associated with low cost. However, a critical issue regarding the usage of such materials with coatings is the presence of discontinuities on the metallic surface in the form of graphite flakes for FC and spheroidal graphite for FN. Therefore, the properties of nitrided and DLC layers produced using the CH?® process applied in FN and FC substrates were investigated, focusing on the influence of different graphite morphology in the topography after the process and in the tribological behavior of DLC films. Samples of both materials with polished surfaces were treated using CH?® process, which causes significant changes in the resulting topography, increasing the average roughness deviation (Sq) by threefold for FN and by fivefold for FC. Additionally, elevations as high as 20 µm were found on the topography of FC over graphite flakes after nitriding. These elevations could be related to the fact that graphite flakes act as a diffusion barrier for nitrogen depending on their orientation relative to the surface, shown via DRX, EDS linescans, SEM imaging and microhardness profiles. It was possible to show that graphite flakes askew to the surface being treated represent the most critical points favoring the formation of elevations in FC. For FN, graphite nodules effect was mainly related to the depth of depressions, where a significant increase was found after nitriding possibly related to sputtering processes, after coating with DLC a decrease of these depths was observed due a filling effect related to DLC growth mechanisms. Additionally, tribological durability tests under dry conditions in humid air were conducted, where both coated materials were submitted to ever growing demanding conditions until the failure of films. Both materials provided similar durability values (Normal Load vs Sliding Distance), however, FC tests presented a friction coefficient (COF) of 0.06 during the lubricity regime, much lower values than FN (COF = 0.14). By stopping a test in the lubricity regime for both materials it was possible to link these differences in the COF to the formation of slippery tribolayers in the actual contact regions for FC, shown via SEM, EDS, Raman spectroscopy and white light interferometry. These tribolayers form from reactions with the atmosphere as debris are generated from wear of the test track and the sphere, grinded and accumulated in the elevations present on the topography of FC. Similar debris were found in FN, but these were rather into depressions than participating in the contact, prohibiting the formation of tribolayers related to low friction. Finally, DLC films on FC substrate presented a threefold increase on the wear volume compared to FN, in the same conditions of the interrupted durability test.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/159403 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Giacomelli, Renan Oss |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Mello, José Daniel Biasoli de, Binder, Cristiano |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | 167 p.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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