O Conceito de revestimentos de multicamadas

A aplicação da tecnologia de revestimento de múltiplas camadas no campo dos revestimentos duros resistentes ao desgaste é predominantemente motivada pelo desejo de alcançar uma forte adesão entre o filme e o substrato e a criação de um filme protetor ao desgaste com baixa reatividade química, baixo coeficiente de atrito e um aumento da dureza e da tenacidade (BOUZAKIS et al., 2006).

Os revestimentos multicamadas são promissores para aperfeiçoar propriedades e desempenho dos revestimentos. As camadas da interface podem ser utilizadas para melhorar a adesão de um revestimento ao substrato e assegurar uma suave transição entre as propriedades do revestimento e do substrato. Depositando várias camadas finas com diferentes propriedades mecânicas, a concentração de tensão na região da superfície e as condições de propagação de trincas podem ser alteradas. As propriedades de um revestimento composto por filmes diferentes dispostos em camadas podem ser melhores que a deposição de camadas individuais que separadamente tem características diferentes tais como resistência à corrosão, resistência ao

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desgaste, isolamento térmico, condutividade elétrica, barreira de difusão e adesão ao substrato (HSIEH et al., 1998).

Nos revestimentos multicamadas, filmes alternados de dois ou três diferentes compostos são depositados em uma determinada sequência. A espessura da camada individual pode variar de poucos nanômetros até 100 nm. As numerosas interfaces criadas entre as camadas individuais do revestimento de múltiplas camadas causam um drástico aumento na dureza e resistência. Camadas com estruturas epitaxiais podem ser formadas, notavelmente diferentes das estruturas encontradas em revestimentos de uma única camada. Revestimentos superestruturados são compostos de diferentes camadas nanométricas alternadas que se repetem com uma frequência na faixa de 5 a 10 nm. Com relação à dureza, os revestimentos são usualmente divididos em grupos com dureza inferior a 40 GPa e os superduros com dureza superior a 40 GPa. Os revestimentos multicamadas com base no TiAlN compostos de duas ou três camadas são atualmente o (Ti,Al)N/(Ti,Al)CN, (Ti,Al)N/(Ti,Nb)N, (Ti,Al)N/TiN, AlN/TiN/(Ti,Al)N, (Ti,Al)N/CrN, (Ti,Al)N/Mo e o WC/(Ti,Al)N (PALDEY et al., 2003).

O conceito de superestrutura é baseado na deposição alternada de finas camadas de dois materiais, com espessuras da ordem de grandeza de parâmetros de suas redes cristalinas. Os dois materiais dotados com a mesma estrutura cristalina providenciariam barreiras de energia para bloqueio da movimentação de discordâncias na interface e dentro das camadas. As propriedades mecânicas e tribológicas do revestimento são diferentes das camadas individuais dos dois materiais notadamente a dureza. O efeito de superestrutura depende também da espessura da interface, da diferença entre os módulos de cisalhamento e da periodicidade nanométrica da camada (DUCROS et al., 2006).

Os revestimentos multicamadas podem ser classificados isoestruturais e não isoestruturais. Os revestimentos isoestruturais são realizados com nitretos de metais de transição, nos quais as camadas individuais têm a mesma estrutura. Estes materiais possuem elevada dureza e, quando depositados em multicamadas em determinadas condições, a dureza final pode ser extremamente alta. Os revestimentos não isoestruturais são aqueles em que dois materiais com diferentes estruturas cristalinas que não podem formar uma interface coerente são depositados em camadas de espessura menor que 2 nm, dando origem a uma estrutura metaestável (YASHAR et al., 1999).

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Nos revestimentos de camada simples, as trincas são praticamente retas e vão diretamente para o substrato. Nos revestimentos de multicamadas há um grande número de interfaces dificultando a propagação de trincas. Uma explicação para a tenacidade dos revestimentos multicamadas está na redução do tamanho dos grãos e defeitos impostos pela frequente nucleação nas inúmeras interfaces (WIKLUND et al., 1997). Uma trinca partindo da superfície do revestimento pode se dividir e defletir no contorno de grão ou de fase dentro de uma camada ou na zona de interface entre as camadas. Por outro lado, delaminação local pode ocorrer na interface através da abertura de vazios nanométricos, o qual pode resultar em relaxação local de tensão e mesmo até plasticidade em escala nanométrica. Além disso, poderia haver uma interação de trincas com campos periódicos de deformação e tensão através da interface nos revestimentos de multicamadas nanométricas e também uma interação das trincas com o material do substrato (STUEBER et al., 2009). O volume da interface pode ser considerado de uma maneira bem simplificada como uma camada aglomerante macia entre camadas duras de material cerâmico. A energia de dissipação na interface deve ser capaz de reduzir a fragilidade do revestimento (HOLLECK et al., 1995).

2.3.1 Multicamadas TiN/TiAlN

A melhoria de dureza dos revestimentos de camadas nanométricas é principalmente causada pela diferença do módulo de cisalhamento dos materiais que formam as camadas e pela espessura da interface que é função da miscibilidade dos materiais. Quando a diferença dos módulos de cisalhamento é alta, a força necessária para mover as discordâncias também é alta e esta força aumenta com a periodicidade das camadas. Além disso, a espessura da interface nunca é zero em função da miscibilidade dos materiais e das condições de deposição. A dureza dos revestimentos superestruturados decresce com o aumento da espessura da interface. A presença de uma região de interface definida pela difusão e miscibilidade entre TiN/TiAlN restringe a elevação da dureza nos revestimentos de múltiplas camadas. Um fator de influência é a alta difusão do alumínio no TiN. Além disso, os módulos de cisalhamento de TiN e TiAlN são bem

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similares. Para revestimentos de TiN/TiAlN o pico de dureza ocorre para a periodicidade de 9,6 nm. O valor de dureza é apenas levemente maior que o valor definido pela regra das misturas (BARSHILIA et al., 2006). Nos revestimentos de multicamadas TiN/TiAlN os dois materiais possuem a mesma estrutura cristalina com parâmetros de rede de 0,42850 e 0,42681 nm respectivamente, ou seja, a diferença dos parâmetros é próxima de zero (aproximadamente 0,4%). O revestimento apresenta alta resistência à oxidação em função da alta resistência do TiAlN (BARSHILIA et al., 2006).

A comparação entre revestimento de camada simples de TiAlN e o revestimento de múltiplas camadas TiN/TiAlN mostra que o revestimento de TiN/TiAlN apresenta-se com adesão superior ao substrato. No fresamento, ambos os revestimentos apresentam praticamente o mesmo desempenho até um valor de desgaste VB = ~0,12 mm. A partir dai o desenvolvimento do processo de falha do revestimento de TiN/TiAlN é menos intenso, garantindo uma maior vida da ferramenta (BOUZAKIS et al., 2006).

Os revestimentos de camada nanométrica de TiN-AlTiN apresentam o menor par ordenado desgaste de flanco x força de corte, gerando maior vida para a ferramenta. A associação de dureza elevada e bom desempenho tribológico garantem o sucesso no torneamento de inconel 718. A nanocamada de TiN/AlTiN é também muito efetiva para evitar o desgaste abrasivo. O desgaste abrasivo é limitado pela elevada dureza obtida em função do efeito de superestrutura (DUCROS et al., 2006).

O revestimento de multicamadas nanométricas com periodicidade de 10 a 30 nm possui tamanho de grãos da ordem da espessura de uma camada individual do revestimento, sem apresentar aparência colunar. A dureza do revestimento multicamadas é apenas um pouco maior que a dureza da camada individual, o que é relativamente esperado em função da proximidade do valor dos módulos de cisalhamento dos dois revestimentos. Ensaios de desgaste de pino sobre disco demonstraram uma grande melhoria nas propriedades de desgaste do revestimento multicamadas quando comparado com revestimento de camadas simples. Isto ocorre em função da redução do mecanismo de desgaste adesivo do revestimento multicamadas (ANDERSEN et al., 2000). Em geral os revestimentos multicamadas de TiN/AlTiN tem baixa taxa de desgaste quando comparado com os revestimentos de TiAlN (HSIEH et al., 1998).

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