Diamante nanocristalino CVD sobre graus WC-Co submicrométricos

Abstract

O diamante possui propriedades mecânicas, térmicas e eléctricas excepcionais que o tornam um material de eleição para várias aplicações. A deposição de filmes finos de diamante CVD encontrou uma das suas mais promissoras aplicações na área das ferramentas de corte. Devido à elevada dureza, estes revestimentos são muito interessantes para aplicações tribológicas. O objectivo deste trabalho consistiu no estudo da adesão de revestimentos de diamante obtidos pela técnica de HFCVD em substratos de metal submicrométricos. Estudou-se o efeito de diferentes teores de cobalto e tamanhos de grão de WC. Foram realizados ataques químicos de modo a preparar a superfície de WC-Co para a deposição de diamante, minimizando assim o efeito prejudicial do cobalto e melhorando a ancoragem mecânica do diamante. Produziram-se assim amostras com vários tipos de revestimento, nomeadamente, diamante microcristalino (MCD) e diamante nanocristalino facetado (f-NCD). Através das técnicas de microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de Raman, perfilometria e microscopia de força atómica, foi possível caracterizar os diferentes substratos e filmes de diamante. Foi estudado o comportamento tribológico dos diversos filmes, na forma de pares homólogos do tipo movimento linear alternativo esfera-sobre-disco, na ausência de lubrificação. O revestimento MCD mostrou ter uma rugosidade superficial maior, proporcionando valores de atrito inicial superiores mas cargas críticas de delaminação maiores. O substrato MD22 (combinação do maior tamanho de grão WC e maior teor de cobalto) apresentou os melhores resultados na avaliação da adesão através de testes de indentação estática (cargas superiores a 1000 N) e apresentando os valores mais altos de cargas suportadas nos ensaios tribológicos (30N e 50N para os filmes f-NCD e MCD, respectivamente). Os coeficientes de desgaste obtidos nas placas em testes curtos (2 h) foram na ordem de grandeza de 10-7 mm3 N-1 m-1 para os filmes MCD e f-NCD sobre os diferentes graus de metal duro, denotando um regime de desgaste suave. Nos ensaios longos (16 horas), verificou-se uma tendência da diminuição dos valores de coeficiente de desgaste para uma ordem de grandeza de 10-8 mm3 N-1 m-1.

Diamond possesses mechanical, thermal and electrical properties that make it an elegible material for several applications. The deposition of of thin CVD diamond films has founded one of its most promising applications in the cutting tools field. Due to the high hardness, these coatings are very interesting for tribological applications. The objective of this work was to study the adhesion of diamond coatings, by the HFCVD technique on substrates with submicrometric degrees of WC-Co, i.e., with different cobalt content and WC grain sizes. Chemical attacks were made in order to prepare the WC-Co surface for the diamond deposition, therefore minimizing the harmful effect of cobalt and improving the mechanical anchoring of the diamond. Several samples with different coating types were produced, namely microcrystalline diamond (MCD) and faceted nanocrystalline diamond (f-NCD). The several coatings were characterized by SEM, Raman spectroscopy, perfilometry and AFM. Thus the tribological behavior of the different coating was studied in homologous pairs of the type linear alternative movement sphere-on-disc, in the absence of lubrication. The MCD coating revealed a higher surface roughness, which provided for higher initial friction but critical delamination load values. The MD22 substrate (combination with higher WC grain size and higher cobalt content) presented the best adhesion values by static indentation tests and the higher load bearing values on the tribological essays (30 N and 50 N for the f-NCD and MCD, respectively). The wear coefficient values obtained in the plates on short tests (2 h) were of the order of 10-7 mm3 N-1 m-1 for the films f-NCD and MCD about the different grades of carbide, therefore denoting a soft wear regime. On long tests (16 h), there was a trend of drecrease in Kd values for an order of magnitude of 10-8 mm3N-1m-1.