0870-8312 0870-8312 S0870-83122006000100005 Portugal Portugal Espanha Portugal Portugal 00 01 2006 00 01 2006 18 1-2 27 34

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

 

 

Texto completo disponível apenas em PDF.

Full text only available in PDF format.

 

 

REFERÊNCIAS

]]>

[1] K. Miyoshi, Friction and wear properties of as-deposited and carbon ion-implanted diamond films, Mater. Sci. Eng. A 209 (1996) 38-53.        [ Links ]

[2] S.A. Catledge, Y.K. Vohra, Mechanical properties and quality of diamond films synthesized on Ti-6A1-4V alloy using the microwave plasmas of CH4/H2 and CO/H2 systems, J. Appl. Phys. 83 (1998) 198-204.

[3] G.A. Jones, On the tribological behaviour of mechanical seal face materials in dry line contact, Part II. Bulk ceramics, diamond and diamond-like carbon films, Wear 256 (2004) 433-455.

[4] P. Hollman, H. Bjorkman, A. Alahelisten, S. Hogmark, Diamong coatings applied to mechanical face seals, Surf. Coat. Tech. 105 (1998) 169-174.

[5] A. Erdemir, G. R. Fenske. A. R. Krauss, D. M Gruen, T. McCauley, R. T. Csencsits, Tribological properties of nanocrystalline diamond films, Surf. Coat. Tech. 120-121 (1999) 565-572.

[6] P.J. Kelly, R.D. Arnell, M.D. Hudson, A.E.J. Wilson, G. Jones, Enhanced mechanical seal performance through CVD diamond films, Vacuum 61 (2001) 61-74.

[7] M. Belmonte, V.A. Silva, A.J.S. Fernandes, F. Costa, R. Silva, Surface pretreatments of silicon nitride for CVD diamond deposition, J. Am. Ceram. Soc. 86 [5] (2003) 749-754.

[8] P.D. Warren, Determining the fracture toughness of brittle materials by hertzian indention, J. Euro. Ceram. Soc. 15 (1995) 385-394.

[9] E. Zeiler, D. Klaffke, K. Hiltner, T. Grogler, S.M. Rosiwal, R.F. Singer, Tribological performance of mechanically lapped chemical deposited diamonf coatings, Surf. Coat. Tech. 116-119 (1999) 599-608.

[10] K. Mallika, R. Komanduri, Low pressure microwave plasma assisted chemical vapor deposition (MPCVD) of diamond coatings on silicon nitride cutting tools, Thin Solid Films 396 (2001) 145-165.

]]> [11] K. Miyoshi, R.L.C. Wu, Measurements and diagnostics of diamond films and coatings, Measurement 29 (2001) 113-126.

[12] T. Grogler, A. Franz, D. Klaffke, S.M. Rosiwal, R.F. Singer, Tribological optimization of CVD diamond coated Ti-6A1-4V, Diam. Relat. Mater. 7 (1998) 1342-1347.

[13] K. Miyoshi, M. Murakawa, S. Watanabe, S. Takeuchi, S. Miyake, R.L.C. Wu, CVD diamond, DLC, and c-BN coatings for solid film lubrication, Tribol. Lett. 5 (1998) 123-129.

]]> 1996 A 209 38-53