Revestimentos de c-BN/Diamante em bicamada

Abstract

A presente dissertação tem como objectivo o desenvolvimento de revestimentos de nitreto de boro cúbico (c-BN), depositados por pulverização catódica magnetrão, sobre substratos de Si3N4, utilizando um revestimento intermédio de diamante microcristalino (MCD) ou de diamante nanocristalino (NCD), depositados por CVD. Procura-se com este sistema obter corpos com propriedades e características favoráveis ao bom desempenho em ferramentas de corte de materiais metálicos, em particular dos ferrosos. Este trabalho mostra que apesar de haver muita informação na bibliografia sobre a optimização das condições de deposição do c-BN, na generalidade dos casos o material do substrato é quase sempre o Si e portanto, sem utilização prática. Além disso, a transposição dos parâmetros de deposição sobre Si para materiais utilizados em sistemas mecânicos como os cerâmicos, na maioria das vezes não é bem sucedida, devido à falta de adesão dos revestimentos ao substrato. São poucos os trabalhos encontrados onde são reveladas boas propriedades de desempenho de revestimentos de c-BN sobre substratos cerâmicos. A utilização de uma interface à base de outro material tem sido, até agora, a melhor solução encontrada e utilizada. A presente dissertação permitiu consolidar novos conhecimentos e constatar que as técnicas de caracterização utilizadas não são sensíveis, de forma efectiva, à detecção do c-BN para espessuras inferiores a 1μm, quando depositados sobre substratos revestidos a diamante (MCD ou NCD). De todas as situações estudadas as melhores condições de deposição foram as seguintes: deposição do nitreto de boro sobre substratos de Si3N4, revestidos por um filme intermédio de diamante nanocristalino, com um alvo de h-BN, uma potência no alvo de 200 W (R.F.), sem polarização no substrato, a uma razão de deposição (Ar/N2) de 90/10 e temperatura no substrato igual à temperatura ambiente; ou deposição do nitreto de boro sobre substratos de Si3N4, revestidos com um revestimento intermédio de NCD, utilizando uma temperatura no substrato de 400ºC, uma razão de deposição (Ar/N2) de 70/30, uma potência no alvo de 41 W (R.F.), sem utilizar polarização no substrato e com um alvo de h-BN. Em ambas as condições seleccionadas foi possível depositar filmes de nitreto de boro com as fracções da fase c-BN maiores e de um modo mais eficiente. A determinação das melhores condições de deposição foi limitada ao tempo de utilização das técnicas e à experimentação realizada, todavia, reconhece-se a necessidade de mais estudos e novas estratégias para que seja possível inovar e efectuar a sua aplicação em ferramentas de corte de metais, em particular, de metais ferrosos.

ABSTRACT: The present dissertation has the purpose to develop cubic boron nitride coatings (c-BN), deposited by magnetron sputtering, on Si3N4 substrates, using an intermediate coating of microcrystalline diamond (MCD) or of nanocrystalline diamond (NCD), deposited by CVD, with properties and characteristics favourable to be used in metal cutting tools, particularly to cut ferrous materials . This work shows that in spite of having a lot of information in the bibliography, concerning to the optimization of the deposition conditions of the c-BN, in the generality of the cases the substrate material is mostly the Si, that is not suitable per practible applications. Besides that, the transposition of the deposition parameters for materials used in mechanical systems, such as ceramics, most of the time it is not well done, due to the lack of adhesion between the coatings and the substrate material. There are a few of works revealing the good performance of c-BN coatings on ceramic substrates. The use of an interface material has been, up to now, the best solution found and used. The present dissertation allowed to consolidate new knowledges and established that the characterization techniques are not sensitive to detect the c-BN phase for thicknesses lower than 1μm, when deposited on substrates coated by diamond films (MCD or NCD). Of all studied situations the best deposition conditions were the following ones: deposition of boron nitride over Si3N4 substrates, covered by an intermediate film of nanocrystalline diamond (NCD), with an h-BN target, a target bias of 200 W (R.F.), without polarization of the substrate, with a deposition ratio (Ar/N2) of 90/10 and a substrate temperature equal to the room temperature; or deposition of boron nitride over Si3N4 substrates, covered by an intermediate coating of NCD, using a temperature in the substrate of 400ºC, a deposition ratio (Ar/N2) of 70/30, a target bias of 41 W (R.F.), without using polarization in the substrate and with a h-BN target. In both selected conditions it was possible to deposit films of boron nitride with the highest fractions of the c-BN phase and trough a more efficient way. The determination of the best deposition conditions was limited by the time of use of the techniques and the accomplished experimentation, though, it is recognized the need of more studies and new strategies to make possible to innovate and apply these coatings in metal cutting tools, particularly to cut ferrous metals.