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

 

C.S. Abreu^(1)*, F.J. Oliveira⁽²⁾, M. Belmonte⁽³⁾, A.J.S. Fernandes⁽⁴⁾, R.F. Silva ⁽²⁾, J.R. Gomes⁽⁵⁾

 

^(1)*Departamento de Física, Instituto Superior de Engenharia do Porto, ISEP, Portugal

csa@isep.ipp.pt

⁽²⁾ Departamento de Engenharia Cerâmica e do Vidro, CICECO, Universidade de Aveiro, Portugal

⁽³⁾ Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC, Cantoblanco, Madrid, Espanha

⁽⁴⁾ Departamento de Física, Universidade de Aveiro, Portugal

⁽⁵⁾ Departamento de Engenharia Mecânica, CIICS, Universidade do Minho, Portugal

 

ABSTRACT: Due to its extreme hardness natural diamond posses a high wear resistance. However, apart from the high cost, it is characterised by a strong anisotropy in terms of tribological behaviour. These limitations are overcome using diamond coatings produced by chemical vapour deposition (CVD) which due to their polycristalline nature, while retaining the extreme properties of natural diamond, make surfaces with high tribological performance.

CVD diamond coatings can be deposited on various types of substrates. However, in order to sustain high levels of adhesion, silicon nitride (Si₃N₄) based ceramics constitute a particularly attractive substrate material due to its carburizing nature and low thermal expansion coefficient mismatch with diamond.

In the present work, dense Si₃N₄ samples were diamond coated using the microwave plasma activated chemical vapour deposition (MPCVD) technique. The tribological tests were performed using a ball-on-flat (BOF) configuration on self-mated diamond CVD pairs, without the presence of lubrication in ambient atmosphere. The applied normal varied in the range 10-80 N, while keeping the frequency (1 Hz) constant throughout the tests.

The tribological behaviour was characterised by extremely low steady-state friction coefficient values (f ~ 0.03-0.04), accompanied by wear rates denoting a very mild to mild wear regime (10^-8£ K £ 10^-7 mm³N^-1m^-1). The main wear mechanism consisted on the truncating of diamond crystals parallel to the plane of sliding, resulting in a self-polishing of the interacting surfaces at the micro-scale level.

Keywords: CVD diamond, Silicon nitride, Friction, Wear.

 

 

RESUMO: 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.

No presente 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 (BOF), na ausência de lubrificação e em atmosfera ambiente, envolvendo pares próprios de diamante CVD. A carga normal aplicada variou entre 10 N e 80 N, mantendo-se constante a frequência (1 Hz) de oscilação da placa.

O comportamento tribológico foi caracterizado por valores do coeficiente de atrito em regime estacionário extremamente baixos (f ~ 0.03-0.04), acompanhados de taxas de desgaste denotando um regime de desgaste suave a muito suave (10^-8 ≤ K ≤10^-7 mm³N^-1m^-1). 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.

Palavras chave: Diamante CVD, Nitreto de Silício, Atrito, Desgaste

 

 

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