Uso de multicamadas de NbN/MoS2 para proteção contra corrosão e desgaste do aço inoxidável AISI 316L

Abstract

A busca de novas soluções técnicas em recobrimentos de superfícies para aplicações tribológicas na indústria, requer o desenvolvimento de materiais multifuncionais que atendam os desafios. Revestimentos monolíticos podem não ser o suficiente para atender as demandas cada vez mais agressivas do mercado, portanto filme fino do tipo multicamada para revestir superfícies vem sendo um atrativo estudo para muitos pesquisadores. Conceitos para deposição de tais recobrimentos avançados, podem ser sistematicamente desenvolvidos por meio de processos como: PVD – Physical Vapour Deposition ou CVD – Chemical Vapour Deposition . Neste trabalho, foi proposto estudar a utilização do nitreto de nióbio e dissulfeto de molibdênio (NbN e MoS2, respectivamente) para atuar como revestimento protetor. O NbN possui características de boa estabilidade térmica, alto ponto de fusão, propriedades mecânicas como alta dureza, alto módulo de elasticidade e boa resistência ao desgaste. Já o MoS2 foi escolhido por ser um material conhecido como um ótimo lubrificante sólido podendo ter um grande potencial em aumentar a resistência ao desgaste, atuando também como camada de ligação no sistema de multicamadas.Os filmes finos tipo multicamada foram depositadas por meio do processo de Magnetron Sputtering DC para o MoS2 e Magnetron Sputtering RF para o NbN, variando as espessuras das camadas, sempre iniciando a deposição com o NbN, e alternando as camadas de tal forma que a superfície de contato seja o MoS2. Além disso, não foi realizado o uso de nenhuma camada de adesão aos substratos, sendo eles: vidro, silício (100) e aço inoxidável AISI 316L. As análises de MEV e EDS, aliadas com DRX, permitiram a determinação da periodicidade das camadas, espessura das camadas individuais, cristalinidade e composição química. O ensaio 21 de desgaste por fretting permitiu o cálculo do coeficiente de desgaste e a taxa de desgaste. O teste de dureza IHT possibilitou a determinação de propriedades mecânicas, como módulo de elasticidade e dureza e com a análise de corrosão foi possível calcular a perda de massa.

The search for new technical solutions in surface coatings for tribological applications in industry, requires the development of multifunctional materials that meet the challenges. Monolithic coatings may not be enough to meet the increasingly aggressive demands of the market, so thin multilayer film to coat surfaces has been an attractive study for many researchers. Concepts for depositing such advanced coatings can be systematically developed through processes such as: PVD - Physical Vapor Deposition or CVD - Chemical Vapor Deposition. In this work, it was proposed to study the use of niobium nitride and molybdenum disulfide (NbN and MoS2, respectively) to act as a protective coating.NbN has characteristics of good thermal stability, high melting point, mechanical properties such as high hardness, high modulus of elasticity and good wear resistance. MoS2, on the other hand, was selected because it is a material known as a great solid lubricant and can have a great potential in increasing wear resistance, also acting as a bonding layer in the multilayer system. Thin multilayer films were deposited using the Magnetron Sputtering DC process for MoS2 and Magnetron Sputtering RF for NbN, varying the thickness of the layers, always initiating deposition with NbN, and alternating as layers in such a way that the surface contact is MoS2. In addition, the use of any layer of adhesion to the substrates was not carried out, namely: glass, silicon (100) and AISI 316L stainless steel. The analysis of SEM and EDS, combined with XRD, allows the determination of the periodicity of the layers, thickness of the individual layers, crystallinity and chemical composition. The fretting wear test calculates the wear coefficient and the wear rate. The IHT hardness test enabled the determination of mechanical properties, such as elasticity and hardness modulus and with a corrosion analysis it was possible to calculate the loss of mass.