Revestimentos de diamante CVD em Si3N4: Atrito e desgaste no deslizamento de pares próprios sem lubrificação

Abstract

O diamante natural, dada a sua extrema dureza, apresenta elevada resistência ao desgaste. No entanto, além do seu elevado custo, caracteriza-se por uma forte anisotropia no comportamento tribológico. Estas limitações são ultrapassadas pela utilização de revestimentos de diamante obtidos por deposição química em fase vapor (CVD), que pela sua natureza policristalina combinada com a retenção das propriedades de excepção do diamante, proporcionam superfícies com elevado desempenho tribológico. Os revestimentos de diamante CVD podem ser depositados sobre substratos de natureza diversa. Porém, de modo a garantir elevados níveis de adesão, os cerâmicos à base de nitreto de silício (Si3N4) são substratos particularmente atractivos dado possuírem natureza carburígena e um coeficiente de expansão térmica próximo do do diamante. Deste modo, a nucleação do diamante é potenciada e as tensões de origem térmica na interface substancialmente reduzidas. Neste trabalho foram produzidas por sinterização amostras densas de Si3N4, as quais foram posteriormente revestidas a diamante obtido por deposição química a partir da fase gasosa activada por plasma de micro-ondas (MPCVD). Os testes tribológicos foram realizados na configuração esfera-placa, com movimento linear alternativo da placa, envolvendo pares próprios de diamante CVD. O deslizamento ocorreu na ausência de lubrificação, ao ar e à temperatura ambiente. A carga normal variou entre 10N e 80N, mantendo-se constante a frequência de oscilação da placa em 1Hz. Foi quantificado o atrito e o desgaste e identificados os mecanismos de desgaste dominantes com base na caracterização das superfícies desgastadas por SEM, AFM e micro-Raman. Os revestimentos de diamante caracterizaram-se por um elevado grau de pureza, forte adesão ao substrato e excepcional resposta tribológica. Os valores do coeficiente de atrito em regime estacionário foram extremamente baixos (f~0.04), embora tendo apresentado um pico inicial elevado (f~0.65), correspondendo a uma forte interacção por abrasão entre as superfícies oponentes. O coeficiente de desgaste denotou a ocorrência de um regime de desgaste suave (10-8≤K≤10-7mm3N-1m-1), não obstante tratar-se de pares próprios em deslizamento na ausência de lubrificação. O principal mecanismo de desgaste consistiu na clivagem dos cristais de diamante paralelamente ao plano de deslizamento, resultando no polimento à escala fina das superfícies em interacção tribológica.