Transmission electron microscopy 1

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Transmission electron microscopy 1

  1. 1. 5 Capítulo 1 DDeessccrriiççããoo ddaass ttééccnniiccaass eexxppeerriimmeennttaaiiss Neste capítulo apresenta-se uma breve introdução ao processo de deposição e aos métodos utilizados para a caracterização dos revestimentos bem como uma descrição dos equipamentos utilizados. Na primeira parte será feita uma breve descrição sobre a técnica de deposição – pulverização catódica, tentando realçar os aspectos físicos inerentes ao processo, que poderão de certo modo explicar determinadas propriedades apresentadas pelos revestimentos. A segunda parte deste capítulo foi reservada para uma pequena descrição das várias técnicas utilizadas na caracterização estrutural e na análise das propriedades dos revestimentos. 1.1 – Técnica de deposição – Pulverização catódica 1.1.1 – Aspectos gerais
  2. 2. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 6 A pulverização catódica é um dos métodos mais comummente utilizado para a deposição de filmes finos. Esta popularidade deve-se à simplicidade que envolve este processo físico, à versatilidade desta técnica e à flexibilidade para alterações e normalização dos parâmetros de deposição. As primeiras referências a esta técnica datam de 1852, quando Grove observou a deposição de metal pulverizado a partir de um cátodo onde estava aplicada uma descarga incandescente, sendo utilizada pela primeira vez no ano 1877 no revestimento de espelhos [1]. Contudo, o progresso tecnológico da pulverização catódica deve-se ao desenvolvimento do equipamento de vácuo. Estamos na presença do processo de pulverização catódica quando existe remoção de átomos de uma superfície por impacto de átomos ou iões de um gás. O equipamento para esta técnica de deposição é composto, basicamente, por um sistema de manipulação de gases, um alvo de material a depositar, pelo substrato e por um sistema de criação e aceleração de iões. O sistema de manipulação de gases destina-se a introduzir na câmara os gases que constituem a atmosfera de pulverização, em proporções controladas. A aplicação de uma diferença de potencial DC entre o cátodo (alvo) e o ânodo estabelece uma descarga eléctrica luminosa, o plasma. Os iões positivos criados pela descarga, são acelerados por acção do campo eléctrico, para embaterem no alvo e provocarem a pulverização. Deste impacto iónico resulta a libertação de átomos do material a depositar, que são condensados no substrato para formar o filme, libertando também uma pequena quantidade de electrões, designados por electrões secundários, os quais são acelerados e por colisão com os átomos do gás produzem um volume de ionização necessário para manter o plasma. Neste modo de funcionamento o cátodo, e portanto o alvo, deve ser de um material electricamente condutor, o que na prática limita o seu uso a metais. A deposição de filmes não condutores torna-se também possível com recurso a fontes de rádio frequência (RF). A erosão na pulverização é medida pelo rendimento de pulverização Y definido como o número médio de átomos removidos da superfície do alvo por cada partícula incidente: incidentepartícula removidosátomos Y = Os vários factores que afectam o rendimento da pulverização e o grau de ionização são:
  3. 3. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 7 • a tensão aplicada, que cria o campo eléctrico e acelera os iões determinando a energia disponível para os choques ionizantes; • a separação entre o ânodo e o cátodo, a qual deve ser grande comparada com o livre percurso médio dos electrões para evitar que a maior parte da sua energia seja dissipada no ânodo em vez de ser usada para ionização; • a pressão do gás que influencia a eficiência de duas maneiras: determina o livre percurso médio dos electrões e portanto está relacionada com a separação entre o ânodo e o cátodo, mas também determina o livre percurso médio dos átomos libertados e portanto relaciona-se com a distância entre o cátodo e o substrato. 1.1.2 – Interacção na superfície Tanto o alvo como o substrato são ambos eléctrodos, no entanto são dominados por processos diferentes. Assim sendo, esta secção irá descrever separadamente os processos que ocorrem no alvo e no substrato. Alvo Podem ocorrer os seguintes efeitos (figura 1.1) como consequência do bombardeamento do alvo com iões energéticos [2]: • o ião é reflectido e neutralizado neste processo; • electrões secundários são emitidos devido ao impacto iónico; • o ião arranca átomos do alvo; • o ião é implantado no alvo com ou sem ejecção simultânea de átomos. Para certas variações de energia, a interacção entre o ião e o alvo conduz à pulverização catódica. Esta interacção apresenta-se normalmente na forma de colisões duplas envolvendo trocas básicas de momento linear. Contudo, a ejecção de partículas do alvo pulverizado necessita de uma sequência de colisões, tal que o vector momento linear possa mudar de direcção relativamente à superfície do alvo. Iões incidentes Partículas pulverizadas Partículas reflectidas
  4. 4. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 8 Figura 1.1 – Interacções iões/superfície na superfície do alvo. Assim é conveniente distinguir três situações qualitativamente diferentes [3]: o regime de colisão única, o regime em cascata linear e o regime em espiga (figura 1.2). No regime por colisão única os iões bombardeados transferem pequenas quantidades de energia para os átomos do alvo os quais depois de sofrerem um pequeno número de colisões são arrancados da superfície se a energia for suficiente para superar as forças de ligação. a) b) c) Figura 1.2 – Esquema do processo de pulverização catódica no regime de (a) colisão única; (b) colisão em cascata e (c) colisão em espiga. No regime em cascata linear e no regime em espiga os átomos são afastados da sua posição de equilíbrio e têm energia suficiente para gerar colisões secundárias e alguns deles podem aproximar-se da superfície do alvo e ultrapassar a “barreira”, isto é, saírem do alvo. O regime em cascata linear difere do regime em espiga pela densidade espacial do movimento dos átomos, a qual é pequena para o regime em cascata linear e extensa para o regime em espiga. Electrões secundários Alvo
  5. 5. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 9 Qualitativamente, o regime de colisão única recai sobre regiões de baixas e médias energias, apenas alguns eV. A região do regime em cascata linear é caracterizada para iões com energias de keV, excepto para iões mais pesados e com energias de cerca de 20 a 80 keV, os quais com esta energia ficam “presos” rapidamente e tendem a gerar o regime em espiga. Substrato A maior parte do fluxo chega ao substrato na forma atómica com energias que variam desde 2 a 40 eV. Estes átomos na fase de vapor condensam-se na superfície do substrato formando as chamadas ilhas de átomos (figura 1.3). A continuação da deposição levará à formação de uma distribuição uniforme desses pequenos grupos de átomos ou ilhas por toda a superfície do substrato. Assim, os mecanismos de crescimento e formação de um revestimento podem resumir-se a três etapas: • os átomos ao atingirem o substrato transferem energia cinética para a rede cristalina de átomos já depositados, tornando-se átomos ligados, caso as partículas atinjam o substrato com baixa energia ou ficando incorporados na rede, caso as partículas atinjam o substrato com uma energia relativamente elevada; • de seguida, estes átomos, por colisões ou difusão, deslocam-se sobre a superfície até que sejam desabsorvidos ou, para deposições mais relevantes, sejam absorvidos e incorporados; • por último, os átomos incorporados reajustam a sua posição dentro da rede por processos de difusão induzida pela temperatura e/ou energia transportada por espécies que bombardeiam o revestimento em crescimento (figura 1.4).
  6. 6. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 10 Fluxo de átomos Re-pulverização Substrato Difusão Átomos capturados pelas ilhas Fluxo de átomos ilhas Absorção por defeito ou impureza Figura 1.3 – Interacções na superfície do substrato. Em alguns casos estas partículas que bombardeiam o revestimento em crescimento são usadas intencionalmente para conceder certas propriedades ao filme. Este bombardeamento pode ser controlado quando uma polarização é aplicada ao substrato, tratando-se de pulverização catódica com polarização. Geralmente, é aplicada uma polarização negativa para utilizar os iões do gás de trabalho. Para substratos à temperatura ambiente e para uma energia de incidência baixa, os átomos incidentes só poderão relaxar para posições que não distam mais do que algumas distâncias inter-atómicas do ponto de impacto. Para energias de incidência superiores ou uma temperatura igualmente superior esses átomos já poderão relaxar para posições superficiais mais favoráveis a distâncias ligeiramente maiores do ponto de impacto. Assim para fornecer mais mobilidade aos átomos pode- se previamente aquecer o substrato. Figura 1.4 – Esquema representativo das par- tículas que bombar- deiam a são ejectadas da superfície do subs- trato. 1.1.3 – Pulverização Catódica em magnetrão Substrato Filme Radicais livresIões Fotões Iões Electrões Átomos
  7. 7. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 11 O processo de pulverização catódica por descarga incandescente DC é limitado pelas baixas taxas de deposição, pelas baixas eficiências de ionização do plasma, e pelos efeitos de aquecimento do substrato. Estas limitações foram superadas pelo desenvolvimento da pulverização catódica em magnetrão. A ideia de usar um campo magnético para aumentar a ionização foi sugerida e posta em prática em 1940 por Penning mas só na década de 70 é que se desenvolveu a pulverização catódica em magnetrão como uma técnica de pulverização [4]. Os magnetrões com um campo magnético paralelo à superfície do alvo, obrigam os electrões secundários a permanecerem na vizinhança do alvo, e a percorrerem as linhas de campo numa trajectória helicoidal aumentando, assim substancialmente a probabilidade de ionização e colisão entre electrão – átomo. O aumento do rendimento de ionização junto aos magnetrões resulta num plasma mais denso na região do alvo. Este, por sua vez, conduz a um aumento do bombardeamento iónico do alvo, obtendo taxas de deposição mais elevadas. E assim, a posição do ânodo perde importância podendo ser colocado onde for mais conveniente, por exemplo nas paredes da câmara. O aumento da eficiência de ionização encontrada no modo magnetrão permite que o plasma seja mantido para baixas pressões de trabalho (tipicamente 0.1 Pa comparadas com 1 Pa) e a baixas tensões aplicadas ao alvo (-500 V comparadas com –2 a –3 kV) que não era possível no modo pulverização catódica por descarga incandescente DC [5]. Este sistema permite a adaptação de alvos com diferentes geometrias, sendo a mais popular a geometria rectangular planar ilustrada na figura 1.5. A figura 1.5b) mostra o magnetrão numa secção de corte simplificada vista através do plano B-B’ identificado na figura 1.5a). O item 1 corresponde ao invólucro de metal não magnético que integra o conjunto de ímanes; o item 2 é um isolante, o qual isola o conjunto de ímanes do invólucro; o item 3 é o fundo magnetizado junto ao conjunto de ímanes; o item 4 corresponde aos ímanes permanentes que fornecem o campo, sobre os quais é colocado o alvo. Para simplificar foram omitidas as necessárias vedações de vácuo e os canais de água para o arrefecimento. As desvantagens da pulverização catódica em magnetrão incluem a pouca utilização do material do alvo, devido ao facto de pela interacção dos campos magnético e eléctrico a região onde o plasma está concentrado ser uma pequena área limitada da área total da superfície do alvo. Esta concentração conduz à formação de
  8. 8. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 12 “pistas” visto que é pulverizado mais material neste local do que em qualquer outra parte do alvo. Assim tipicamente, no magnetrão convencional prevê-se que apenas 25-30% do material total do alvo seja pulverizado [2]. Figura 1.5 – (a) Esquema genérico de um magnetrão rectangular planar, (b) Magnetrão rectangular numa secção de corte. Foram os investigadores Windows e Savides os primeiros a avaliar a importância dos efeitos verificados quando variavam sistematicamente a configuração magnética do magnetrão convencional de uma forma diferente [6]. Eles vieram a demonstrar que podem ser geradas densidades de corrente iónica no substrato de 5 mA/cm2 e superiores usando um magnetrão assimétrico, isto é, superiores às obtidas para o magnetrão convencional. Nos magnetrões assimétricos o anel exterior dos ímanes é relativamente fortificado em relação ao pólo central. Neste caso, nem todas as linhas de campo fecham entre o pólo central e o pólo exterior do magnetrão, mas algumas são direccionadas para o substrato e alguns electrões secundários são capazes de “seguir” estas linhas de campo. Consequentemente, o plasma não se encontra fortemente confinado na região do alvo mas permite também um fluxo em direcção ao substrato, podendo-se, deste modo, extrair do plasma elevadas correntes iónicas. A configuração deste magnetrão assimétrico foi denominada “tipo 2” por Windows e Savides [6]. Contudo também consideraram o caso oposto (“tipo 1”) onde o pólo central é relativamente mais forte que o pólo exterior. Neste caso as linhas de campo não se fecham, uma vez que são direccionadas para as paredes da câmara. Esta alvo Linhas do campo magnético “pistas” de erosão (a) (b) alvo substrato Fonte de tensão
  9. 9. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 13 configuração não é habitualmente utilizado, porque a corrente iónica resultante no substrato é baixa. A comparação do confinamento do plasma obtido nos diferentes modos dos magnetrões é esquematizada na figura 1.6. Figura 1.6 – Esquema genérico do confinamento do plasma observado no magnetrão convencional e nos magnetrões assimétricos. Apesar das vantagens oferecidas pelos magnetrões assimétricos, continuava a ser difícil revestir uniformemente componentes complexos, por isso foi adoptado um sistema de múltiplas fontes. Num sistema com dois magnetrões, estes podem ter uma configuração em que a matriz magnética tem a mesma polaridade ou polaridades opostas. No primeiro caso a configuração é descrita como um “espelho reflectido” e no segundo caso como “campo fechado”. No caso “espelho reflectido” as linhas de campo são direccionadas para as paredes da câmara, e os electrões que seguem estas linhas de campo são “perdidos”, resultando numa baixa densidade do plasma na região do substrato. Contrariamente, na configuração “campo fechado”, as linhas de campo são unidas entre os magnetrões (figura 1.7). As perdas para as paredes da câmara são pequenas e na região do substrato o plasma permanece com elevada densidade. Assim no modo de operação em campo fechado resulta uma taxa de iões por átomo que atinge o substrato/filme cerca de 2-3 vezes maior que o obtido sobre as mesmas condições na configuração “espelho reflectido” ou na configuração de um só magnetrão assimétrico [5]. substrato substrato substrato alvoalvoalvo Magnetrão simétrico Magnetrão assimétrico do tipo 1 Magnetrão assimétrico do tipo 2 ânodo
  10. 10. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 14 Figura 1.7 – Esquema do sis- tema de configuração campo fechado com magnetrões re- tangulares assimétricos do tipo 2. O porta substratos é colocado no centro da confi- guração. 1.1.4 – Pulverização Catódica reactiva A maior parte das partículas quando libertadas do alvo são altamente reactivas e combinam-se facilmente com gases não nobres, que existam na câmara, pelo que é vantajoso evacuar a câmara até cerca de 10-4 Pa. Este efeito pode ser usado deliberadamente para depositar compostos do material do alvo, especialmente óxidos e nitretos. Este processo é denominado por pulverização catódica reactiva. Esta tem a vantagem de se poder formar um composto complexo através da pulverização DC em plasma de gás reactivo de um simples alvo metálico. O gás reactivo deve ser introduzido com um fluxo constante porque sendo consumido na reacção este esgotar- se-á rapidamente se não houver fornecimento contínuo. A reacção química entre o gás reactivo e as partículas pulverizadas ocorrem, geralmente, na superfície podendo ser a superfície do alvo ou do substrato. Para baixas pressões parciais do gás reactivo e elevadas taxas de pulverização do alvo todas as interacções ocorrem no substrato. A taxa de formação do composto no substrato é mais lenta que a taxa de pulverização do alvo. A este regime de funcionamento é chamado regime metálico. Para elevadas pressões parciais do gás reactivo a transição ocorre desde o regime metálico até ao regime composto, onde a taxa de formação do composto na superfície do alvo excede a taxa de pulverização. Esta transição é acompanhada por uma diminuição acentuada no rendimento de pulverização e consequentemente uma diminuição acentuada na taxa de deposição. Com a diminuição do fluxo do gás reactivo, o retorno ao regime metálico, não ocorrerá para o mesmo valor do fluxo, mas sim para um valor inferior, pois esse retorno só ocorrerá quando o gás de trabalho estiver suficientemente limpo para que a camada
  11. 11. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 15 composta, entretanto formada sobre o alvo, seja arrancada. Este efeito é denominado de histerese e está apresentado na figura 1.8 para uma tensão de descarga constante; este efeito também ocorre para a taxa de deposição. Figura 1.8 – Curva genérica da histerese para a tensão do cátodo em função do fluxo do gás reactivo para uma corrente de descarga constante. O alvo no qual é formada a camada de composto é denominado alvo “envenenado”. Num modo de tensão constante, a tensão no alvo diminui com o envenenamento do alvo [5]. Uma excepção a este comportamento é a pulverização reactiva do Ti em Ar/N2 para a deposição de filmes finos de TiN onde a tensão no alvo de Ti aumenta com o aumento da pressão parcial de N2. 1.1.5 – Influência de um campo magnético axial externo nas características do plasma A distribuição do campo magnético entre o substrato e o alvo no sistema de pulverização catódica reactiva em magnetrão pode ser alterada com a sobreposição de um campo magnético externo axialmente simétrico ao campo original do magnetrão [7-9]. Os investigadores I. Ivanov et al [7] descreveram as características do plasma em função do campo magnético externo, verificando que este provoca mudanças significativas no potencial e densidade do plasma junto ao substrato. Por exemplo quando variavam a corrente na bobine (Ib) que cria o campo magnético de +4 para –4 A, a que corresponde uma variação do campo magnético no substrato de –3,1 para 10,3 mT, a densidade do plasma aumentou umas 30 vezes e o potencial do plasma mudou de –1 V para –11 V. Este aumento do potencial do plasma pode ser explicado pelo facto da polarização negativa aplicada no substrato repelir os electrões os quais neste caso movem-se em direcção às paredes da câmara estando, no entanto, o seu
  12. 12. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 16 movimento limitado pelos valores significativos da componente axial da indução magnética (Bz). Apesar destas grandes mudanças na vizinhança do substrato as condições do plasma perto do alvo mantêm-se inalteráveis, tanto a tensão como a corrente de descarga. O campo magnético sobreposto causa também uma enorme variação na taxa de iões inertes por átomos em direcção ao substrato/filme em crescimento, a qual aumenta com um factor de 50 quando se varia o campo magnético no substrato de – 3,1 para 10,3 mT. A irradiação de iões de baixa energia durante o crescimento dos filmes é um factor importante, uma vez que pode alterar a nucleação e crescimento e deste modo a estrutura e propriedades dos filmes depositados. A corrente aplicada na bobine determina tanto a amplitude como a direcção do campo magnético para o substrato, as quais estão esquematicamente ilustradas na figura 1.9. Figura 1.9 – Esquema simplificado das linhas de campo para o magnetrão utilizado por Ivanov et al [7]. 1.1.6 – Influência dos parâmetros de deposição no desenvolvimento microestrutural dos revestimentos O processo dinâmico de crescimento e as propriedades físicas dos filmes finos estão normalmente relacionados com os parâmetros de deposição. Deste modo, é útil Ib = 0 A Ib = -4 A bobine bobineB = 3,6 B = 10,3 mT Ib = +4 A bobineB = -3,1 mT
  13. 13. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 17 discutir genericamente alguns aspectos, no que respeita ao modo como se efectua o desenvolvimento da microestrutura final do filme. Actualmente, existem diversos modelos teóricos, que tentam relacionar a microestrutura final e as propriedades físicas dos revestimentos com os parâmetros de deposição [5]. De entre estes, destacam-se o proposto por J. A. Thornthon [10]. Neste modelo o coeficiente entre a temperatura do substrato durante a deposição e a temperatura de fusão do material (Td/Tf) é usado para descrever a mobilidade térmica induzida dos átomos revestidos. A segunda variável procura descrever a influência do bombardeamento simultâneo ao crescimento do filme por partículas energéticas. O parâmetro escolhido para este segundo eixo inclui a pressão de trabalho. Pressão Ar (mTorr) Temperatura substrato (Td/Tf) Zona I Zona II Zona III Zona T Zona I Zona T Zona II Zona III Td/Tf Figura 1.10 – Representação es- quemática da influência da tempe- ratura do substrato e pressão do gás de trabalho na microestrutura dos revestimentos (modelo de Thornthon [10]). J. A. Thornthon distingue basicamente 4 zonas correspondendo a diferentes tipos de microestrutura (figura 1.10): zona 1 de estrutura colunar aberta; zona T de transição (estrutura colunar densa) e zonas 2 e 3 com estrutura de grãos densos e separados por fronteiras intercristalinas distintas (em geral colunar). A zona 1 corresponde a uma estrutura colunar porosa promovida por substratos com superfícies rugosas, orientações oblíquas do substrato relativamente ao fluxo de átomos pulverizados e por pressões elevadas do gás de trabalho. A zona T consiste numa matriz densa de colunas sem vazios pronunciados, provida para pressões de pulverização baixas pois o bombardeamento energético do filme é mais acentuado, provocando aumento da mobilidade dos átomos, originando
  14. 14. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 18 uma maior densificação do filme. Os revestimentos que possuem este tipo de microestrutura apresentam propriedades próximas do correspondente material volumétrico, apresentando-se normalmente em estado de compressão. As zonas 2 e 3 caracterizam-se pela predominância de difusão dos átomos depositados, ocorrendo para valores de Td/Tf aproximadamente superiores a 0.3, apresentando colunas com grãos cristalinos largos ou processos de recristalização. Para estas temperaturas, a pressão do gás tem pouca influência pois a mobilidade é suficiente para anular os efeitos do bombardeamento energético do filme. 1.2 – Técnicas de caracterização e análise 1.2.1 – Espectrometria de Retrodispersão de Rutherford (RBS) A técnica Espectrometria de Retrodispersão de Rutherford é um dos principais métodos de análise quantitativa na determinação da composição química dos filmes finos. Esta técnica consiste em bombardear a amostra com um feixe monoenergético de iões positivos, onde uma pequena fracção das partículas incidentes colide inelasticamente com os núcleos de átomos da amostra e vão perdendo energia e são retrodispersos [11]. A energia das partículas retrodispersas segundo ângulos superiores a 90º é usada para determinar a massa dos átomos da amostra. De forma a não tornar exaustiva a descrição desta técnica, no que concerne aos formalismos teóricos utilizados para a análise dos espectros recomenda-se a leitura das teses de doutoramento onde esta técnica já está descrita [12, 13]. O equipamento utilizado nesta análise de composição está instalado no instituto Tecnológico e Nuclear (ITN) de Sacavém. Os iões utilizados são acelerados a partir da alta voltagem gerada por um acelerador do tipo Van de Graaff sendo posteriormente focados e colimados após entrarem numa zona vulgarmente denominada por tubo de feixe. Os iões retrodispersos foram analisados por meio de um detector de barreira de superfície com uma resolução em energia de 14 keV (ângulos de retrodispersão de 140º) e de 18 keV (ângulos de retrodispersão de 180º).
  15. 15. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 19 1.2.2 – Microanálise por sonda Electrónica (EPMA) A microanálise por sonda electrónica (EPMA) é uma técnica de caracterização química que se fundamenta na espectrometria de raios X emitidos por uma amostra, quando sobre ela é feito incidir um feixe de electrões. A emissão de raios X provém de uma vizinhança próxima da superfície da amostra, a qual vocaciona esta técnica para o estudo da composição local de um material, embora seja possível a sua utilização para análise global e avaliação da homogeneidade. O equipamento de microanálise – X utilizado para o presente estudo foi uma micro – sonda da marca CAMECA (modelo CAMEBAX SX – 50), equipada com espectrómetros por dispersão angular de comprimentos de onda. Cada espectrómetro possui vários cristais cromadores (diferente valor do parâmetro de rede d), permitindo a separação e detecção de raios X característicos de todos os elementos da tabela periódica, desde o boro ao urânio. A tensão de aceleração utilizada foi 15 keV e a corrente cerca de 40 nA. 1.2.3 – Teste da Calote (“Ball Cratering”) A técnica da Calote “Ball Cratering” permite determinar a espessura dos revestimentos uma vez que produz uma cratera na superfície da amostra devido ao rolamento de uma esfera de raio (R) conhecido, figura 1.11. A observação microscópica da área de desgaste permite visualizar a zona de erosão e distinguir a parte que diz respeito ao revestimento e a parte correspondente ao substrato, como mostra a figura 1.11. Da análise da figura verifica-se que a espessura do revestimento t é dada por: 2222 aRbRt −−−= (1.1) ou 2 1 2 22 1 2 2 11* ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −= R a R b Rt (1.2) Tendo em conta que nos casos a analisar t pode variar entre 0,5 e 5 µm, b e a serão muito pequenos relativamente a R (R=10mm). Assim, e desenvolvendo os
  16. 16. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 20 termos da equação anterior em série de Taylor e desprezando os termos de ordem superior a 2, obtém-se: ( )22 * *2 1 ba R t −= (1.3) ou R yx t *2 * = (1.4) x y Substrato Revestimento Revestimento Substrato x y b a Barra aço Amostra revestida Substrato Solução abrasiva Esfera aço RevestimentoR Figura 1.11 – Representação esquemática da montagem para criação da cratera e respectivo perfil [12]. 1.2.4 – Difracção de raios X (XRD) Os filmes finos preparados por pulverização catódica podem ser cristalinos ou amorfos (dependendo do material depositado e das condições de preparação). Nos revestimentos policristalinos cada um dos grãos pode apresentar uma orientação cristalográfica diferente da do seu vizinho, mas observando os grãos como um todo, estes podem estar distribuídos aleatoriamente em relação a um determinado plano de referência ou podem apresentar-se segundo uma ou várias orientações particulares, dizendo-se neste último caso que o filme apresenta uma orientação cristalográfica preferida ou textura. Uma vez que os comprimentos de onda dos raios X são próximos
  17. 17. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 21 das distâncias interplanares nos sólidos cristalinos, podem-se obter picos de difracção de várias intensidades quando o feixe de raios X interage com um sólido cristalino. A ocorrência de um pico de difracção de radiação X resulta da interferência construtiva dos feixes difractados nos planos cristalinos da amostra. Para um conjunto de planos cristalinos de índices de Miller (hkl), a condição para observação de uma reflexão de raio X é traduzida pela lei de Bragg [14]: n*λ = 2*d(hkl)*sen(2θ) (1.5) onde d(hkl) é a distância entre planos cristalinos, θ é o ângulo entre o vector do feixe incidente e o plano de Bragg responsável pela difracção e n é a ordem de difracção. Os difractómetros utilizados no estudo das amostras empregam uma configuração do sistema ampola – amostra – detector, baseada na geometria Bragg – Bretano. O equipamento utilizado foi o modelo Philips Geiger Counter Diffractometer (PW1710) pertencente ao Departamento de Ciências da Terra da Universidade do Minho e o modelo Bruker AXS D5005 do departamento de Química da Universidade de Poitiers – França. A radiação usada em ambos os difractómetros foi a CuKα com um comprimento de onda de 1,5418 Å. Diferentes geometrias de aquisição dos difractogramas. Modo simétrico Neste modo de difracção, o ângulo de incidência α, é posicionado sucessivamente em valores de θ, sendo para cada um deles, sincronizadamente posicionado o detector na direcção de difracção 2θ e consequentemente registada a intensidade de difracção. A geometria associada a este modo de difracção está ilustrada esquematicamente na figura 1.12. A análise dos difractogramas obtidos nesta configuração permite conhecer algumas características e propriedades das amostras em estudo, nomeadamente, o tipo de estrutura, a orientação preferencial dos cristais, as distâncias interplanares características da rede e nível de tensões. O estudo estrutural é realizado comparando o difractograma de raio X com padrões previamente existentes em base de dados ICDD [15]. As distâncias interplanares e o nível de tensões residuais estão
  18. 18. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 22 intimamente relacionados, pois se o filme está sob tensão, então as distâncias interplanares serão ligeiramente diferentes das registadas na base de dados ICDD. Com efeito, haverá um deslocamento dos picos de difracção relacionado com o ângulo entre as superfícies planares e o feixe de raio X. Figura 1.12 – Representação esquemática da geometria de difracção no modo simétrico [12]. Modo assimétrico Apesar da versatilidade do modo simétrico na obtenção de informação estrutural, este apresenta algumas limitações, nomeadamente a incapacidade de fornecer informações relativas a planos cristalinos que não estejam paralelos à superfície da amostra. Deste modo é comum utilizar-se o modo assimétrico, através do qual é possível analisar a desorientação dos grãos policristalinos relativamente à superfície da amostra. A geometria associada a este modo de difracção está ilustrada esquematicamente na figura 1.13. Figura 1.13 – Representação esquemática da geometria de difracção no modo assimétrico [12]. 2θ α = θ Detector em rotação (dupla) Amostra em rotação raios - X q r Detector móvelψ α q r Amostra em rotação
  19. 19. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 23 Neste modo de difracção, a direcção de incidência dos raios X é fixa num determinado ângulo (α), e efectua-se o varrimento com o detector em α – 2θ. Repetindo-se este procedimento para vários ângulos de incidência obtém-se uma gama de valores de intensidade desse pico para valores discretos de desorientação ± Ψ. A representação gráfica da evolução da intensidade em função de Ψ permite avaliar os fenómenos da forma de fibra associados à textura cristalina através do cálculo da meia largura a meia altura da curva obtida. Quanto maior for o valor calculado, ou seja, quanto maior for o valor da desorientação menor será a qualidade da textura em forma de fibra dos grãos cristalinos. 1.2.5 – Microscopia de Força Atómica (AFM) A microscopia de força atómica possibilita a análise não destrutiva de superfícies de materiais com uma ponta fina de dimensões típicas de poucos microns de comprimento e 5 a 10 nm de raio de curvatura. Nesta técnica de microscopia, a interacção atómica entre a ponta colocada na extremidade de uma alavanca e a superfície é usada para “mapear” a topografia da superfície. O movimento de um elemento piezoeléctrico (PZT), onde a amostra é colocada, muda de posição relativa ponta – superfície de forma a manter uma força constante. Na figura 1.14 está representado um esquema geral da montagem e funcionamento do microscópio de força atómica. Figura 1.14 – Representação esquemática de um sistema de microscopia de força atómica [16]. Sistema informático para comando do movimento da ponta, aquisição de dados e sua conversão em imagens. Sistema de posicionamento para colocação da ponta na vizinhança da amostra. “Scanner” piezoeléctrico que move a ponta sobre a amostra (ou a amostra sob a ponta). Sistema de “feedback” para controlo da posição vertical da ponta. Amostra Ponta
  20. 20. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 24 O equipamento utilizado neste estudo foi um microscópio MultiMode STM controlado pelo sistema Nanoescope IIIa da Digital Instruments, pertencente ao IMAT da Universidade do Minho. O modo de funcionamento utilizado foi o de toque (tapping), onde a ponta estando a oscilar toca periodicamente na superfície da amostra. Durante o varrimento rápido do PZT, ao encontrar variações de altura na superfície a ponta é “desprendida” da superfície ou aproxima-se dela devido à mudança na força de interacção (repulsiva ou atractiva) entre a ponta e a superfície. 1.2.6 – Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM) O princípio de funcionamento da microscopia electrónica de varrimento consiste em realizar o varrimento da superfície da amostra, por um feixe electrónico finamente focado, modulando o brilho de cada ponto da imagem obtida num monitor de visualização pela intensidade do sinal emitido pela amostra [17]. A informação que é possível obter destaca-se essencialmente pela caracterização morfológica com uma elevada resolução, numa gama de ampliações e profundidade de campo bastante elevadas. No entanto, para se observar em SEM as amostras devem contudo verificar algumas condições: i) estabilidade nas condições de alto-vácuo, ii) estabilidade física e química, nas condições de observação/interacção com o feixe electrónico e iii) condutividade eléctrica superficial. Tendo em atenção esta última condição e uma vez que as amostras em estudo foram depositadas sobre substratos de silício, o qual é semicondutor, foi depositado um revestimento de ouro com alguns nanometros de modo a assegurar a sua condutividade eléctrica. O equipamento utilizado neste estudo foi um microscópio modelo LEICA S360 pertencente ao IMAT da Universidade do Minho. 1.2.7 – Microscopia Electrónica de Transmissão (TEM) A Microscopia Electrónica em Transmissão apresenta-se como uma técnica de análise extremamente versátil e importante no campo da caracterização microestrutural de materiais. Uma das características importantes desta técnica reside na obtenção não só de uma imagem directa da área de análise no espaço real mas
  21. 21. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 25 também uma observação no espaço recíproco, por intermédio da difracção e nanodifracção electrónica. O principal equipamento utilizado ao longo deste trabalho foi um microscópio electrónico de transmissão de alta resolução (HRTEM) JEOL 3010. O potencial de aceleração do feixe electrónico e a resolução pontual usadas nas observações foram 300 KeV e da ordem dos 0,19 nm em desfocagem Schezer, respectivamente. O segundo equipamento utilizado foi um microscópio JEOL 200CX com uma tensão de aceleração de 200 KeV. Ambos os microscópios foram disponibilizados pelo laboratório de Fisíca Metalúrgica (LMP) da Universidade de Poitiers – França. Preparação das amostras As observações foram realizadas em amostras depositadas em silício e preparadas pelo método da sanduíche. Este método permite colocar a interface filme/substrato paralelamente ao feixe de electrões. As diferentes etapas de preparação estão esquematizadas na figura 1.15. Figura 1.15 – Representação esquemática das etapas para preparação das amostras para observação em secção transversal [12]. Numa primeira fase, duas lamelas do material da amostra de 2,5*6 mm2 foram coladas face a face com cola MBond 600/610 de modo a formar uma sanduíche. De c) Filme Substrato Ar+ Ar+
  22. 22. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 26 seguida foram cortadas transversalmente pequenas lamelas com uma largura de 1.5 mm. A fase mecânica da preparação das amostras foi efectuada com a ajuda do polimento mecânico em ambas as faces da sanduíche com lixas de SiC de grão sucessivamente inferior (1200, 2400, 4000), até uma espessura de cerca de 100 µm. Após a fase de adelgaçamento mecânico, a amostra é colocada sobre uma gride de microscopia, e através do esmerilhamento é realizado um desgaste em profundidade até se atingir uma espessura de cerca de 15 µm. Esta etapa foi realizada com a ajuda de um esmerilhador Gatan Dimpler Model 656 que permite desbastar crateras na amostra. A última etapa de preparação consiste no bombardeamento iónico da amostra até à espessura da ordem das dezenas de Å. O equipamento utilizado foi o PIPS Gatan e as condições de irradiação foram fixadas de modo a minimizar a criação de defeitos: - iões de Árgon - tensão de aceleração: 3,5 KeV - ângulo de incidência: +6º e -6º. Formação das imagens Na microscopia electrónica, a interacção electrão/matéria é descrito considerando o aspecto ondulatório dos electrões. Quando estes penetram na amostra interagem com os átomos que constituem centros de difusão. Num sólido cristalino, as interferências construtivas entre os “raios“ difundidos pelos átomos, produzem-se quando se verifica a lei de Bragg, ocorrendo assim fenómenos de difracção. Com a utilização de um diafragma de contraste é possível seleccionar as contribuições que originarão a formação da imagem. Posicionando o diafragma de modo a deixar passar o feixe directo obtém-se uma imagem em campo claro, na qual as regiões que difractam aparecem escuras sobre um fundo claro. Por outro lado, posicionando o diafragma de forma a deixar passar o feixe difractado obtém-se uma imagem em campo escuro, na qual apenas os raios que correspondem à reflexão selectiva é que contribui para a formação da imagem. Os cristais responsáveis pela difracção aparecerão claros sobre um fundo escuro. A realização de uma imagem em alta resolução consiste em interferir, no plano da imagem, vários feixes difractados. Podendo ser realizado, por exemplo, retirando o diafragma da objectiva.
  23. 23. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 27 Quando há a formação de uma imagem, está também presente um padrão de difracção de electrões no plano focal posterior da objectiva. No caso da amostra ser amorfa, o padrão de difracção característico é um anel difuso em redor do feixe directo. Por outro lado, se a amostra em estudo é um monocristal, em vez do anel ver- se-á um conjunto de pontos pertencente a uma rede recíproca com periodicidade bem definida. No caso particular de um material policristalino observam-se anéis concêntricos correspondendo cada um a uma família de planos (hkl). Os anéis podem ser constituídos por pontos de uma intensidade e largura variável consoante o tamanho de grão em análise. Os padrões de difracção contêm informação relativa ao arranjo espacial, dada pela distância (R) entre o ponto central e os outros pontos ou anéis. Através da distância R é possível quantificar o espaçamento interplanar correspondente aos cristais do material em análise, através da seguinte relação que é obtida aplicando a lei de Bragg na aproximação de pequenos ângulos [18], R Z dhkl λ = (1.6) onde Z é a distância entre a amostra e o écran e λ e o comprimento de onda dos electrões dado por: ( ) 2/162/1 10*9788,01* 26.12 VV − + =λ (Å) (1.7) sendo λ em Å e V em volts. 1.2.8 – Espectroscopia de reflectância espectral As propriedades mais importantes dos revestimentos decorativos são a cor e o brilho [19]. Neste sentido, foi um dos principais objectivos, no caso dos revestimentos decorativos de TiNxOy, a quantificação da cor das amostras produzidas, utilizando o sistema CIELAB 1976 [20]. O sistema de cor CIELAB 1976 é baseado na raiz cúbica da luminosidade e usa três coordenadas L*, a*, b* (figura 1.16). Estas três coordenadas dão uma
  24. 24. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 28 descrição relativamente simples da cor em termos de um espaço tridimensional. Os parâmetros L*, a*, b* são calculados a partir dos triestímulos X, Y, Z através das seguintes equações [21]: ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ >−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 008856,03,903 008856,016116 * 3/1 3/1 nn nn Y Y se Y Y Y Y se Y Y L (1.8) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 3/13/1 500* nn Y Y X X a (1.9) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = 3/13/1 200* nn Z Z Y Y b (1.10) onde Xn , Yn, Zn são os valores dos triestímulos para o iluminante da amostra, tendo neste trabalho sido utilizado o D65 por se aquele que mais se assemelha à percepção das cores pelo olho humano [22]. Figura 1.16 – Esquema do espaço de cor CIELAB 1976 (L*a*b*) [22]. A caracterização da cor dos revestimentos decorativos de TiNxOy foi realizada no Laboratório de Ciência da Cor do Departamento de Física da Universidade do Minho, utilizando um sistema de imageologia multi-espectral de aquisição de imagem Preto Branco Amarelo Azul Verde Tonalidade Saturação Vermelho
  25. 25. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 29 (figura 1.17). Esta montagem pode ser dividida em 4 partes: fonte de iluminação; sistema de colimação e tratamento do feixe; filtro sincronizável; sistema de observação. 1 – Fonte de alimentação; 2 – Câmara da lâmpada; 3 – Lâmpada de xénon; 4,9 – Lentes de colimação; 5 – Filtro de ultra - violeta; 6 – Filtro de infra - vermelhos; 7 – Filtro (38%); 8 – Diafragma; 10 – divisor do feixe (4.6%); 11 – amostra. Figura 1.17 – Representação esquemática do sistema usado para aquisição de imagens multiespectrais para a caracterização da cor das amostras. As amostras foram iluminadas a 8º com radiação de uma lâmpada de xénon de 150 W (Hamamatsu, modelo L2274), acoplada a um filtro birefringente ajustável (VariSpec, modelo VS-VIS2-10HC-35-SQ, Cambridge Research & Instrumentation, Inc., Bóston, MA, USA). O filtro permite a aquisição das imagens multiespectrais, sincronizando o pico de transmissão em comprimentos de onda espaçados de 10 nm, no intervalo 400 – 720 nm. Sendo assim, foi possível obter 33 imagens espectrais nesse intervalo. A luz especular reflectida foi adquirida com uma câmara digital monocromática de alta resolução (Hamamatsu, modelo ORCA_ER, Japan), composta pelo corpo da 10 11 ± 16º 56 7 8 Sistema de colimação e tratamento do feixe 9 Filtrosincronizavel Computador Câmara 1 2 3 Sistema de iluminação 4
  26. 26. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 30 câmara e por uma unidade de controlo, com as seguintes características: definição especial de 1344*1024 pixels e resolução de 12 bits em intensidade. Previamente mediram-se as funções espectrais difusas e especulares da reflectância num espectrofotómetro (UV-3100 Shimadzu Corporation, Japan). A necessidade desta medição prévia advém do facto do sistema multi-espectral não permitir obter informação acerca da totalidade da energia incidente na amostra, ao contrário do espestrofotómetro que funciona com uma esfera integradora e, por isso, faz com que toda a energia incida na amostra e que toda a luz reflectida seja detectada. As funções de refletância especular relativa adquiridas através da câmara foram então corrigidas de forma a se ajustarem aos valores obtidos no espectrofotómetro e, assim, se obterem as funções de reflectância especular absolutas. Usou-se para essa finalidade rotinas específicas elaboradas em MATLAB (MATLAB version 5.3.1.29251a(R11.1), The MathWorks, Inc., 1999) [23]. A área analisada foi 3.7*3.7 mm com uma definição espacial de 12 µm/pixel. A especificação da cor foi calculada, com recurso a rotinas em MATLAB, e representada no espaço de cor de CIELAB 1976 para cada pixel individual na área, sob o iluminante padrão D65 do CIE. 1.2.9 – Método da deflexão do substrato Os revestimentos depositados por pulverização catódica encontram-se normalmente sob um estado de tensão. A técnica utilizada para medir as tensões residuais baseia-se na curvatura ou deflexão do substrato. Tendo em consideração que a espessura do filme é muito inferior à espessura do substrato, e que a distribuição da tensão no filme é constante, o valor da tensão residual pode ser calculado através da equação de Stoney [24]: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = baf s s s f rrt tE 11 * *6 * 1 2 υ σ (1.11) onde Es e υs representam o modulo de Young e a razão de Poisson do substrato, respectivamente; ts e tf a espessura do substrato e do revestimento e ra e rb os raios de curvatura após e antes da deposição, respectivamente.
  27. 27. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 31 A curvatura das amostras antes e após a deposição foi medido, por triangulação laser, segundo duas direcções perpendiculares. Aos pontos obtidos experimentalmente foi efectuado um ajuste com uma equação parabólica: 2 **)( xcxbax ++=δ (1.12) donde se obtém o raio de curvatura: c r *2 1−= (1.13) Figura 1.17 – Curvaturas típicas do substrato antes e após deposição do revestimento. A tensão residual em cada amostra foi calculada usando a equação de Stoney, sendo o raio de curvatura utilizado a média das duas medidas efectuadas (figura 1.17). Para esta análise os revestimentos foram depositados em substratos de aço inoxidável com 25 mm de diâmetro e 0,465 mm de espessura. 1.2.10 – Ultramicroindentação A avaliação da dureza é efectuada vulgarmente por meio de indentação com uma ponta de diamante. A dureza pode ser definida como a capacidade que um Deflexãoδ(x)(mm) Posição x Após deposição Antes da deposição Posição y
  28. 28. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 32 material apresenta de resistir à deformação plástica. Os ensaios de dureza, devido à sua simplicidade e ao facto de serem considerados não destrutivos são os ensaios mecânicos mais utilizados. A razão entre a profundidade de indentação, D, e a espessura do filme, t, não deve exceder um valor crítico, de modo que a zona deformada plasticamente sobre o indentador não se estenda ao substrato, o qual provocaria o aparecimento de tensões que iriam influenciar o resultado da medida do valor da dureza. Por outro lado, deve-se evitar as indentações com impressões de dimensões reduzidas, devido a influência da rugosidade superficial. O valor crítico de D/t depende da profundidade de indentação, da espessura do revestimento e das durezas do revestimento e substrato, e não está experimentalmente bem definido, sendo normalmente apontado como variando entre 0,07 e 0,2 [1]. O equipamento para avaliar a dureza utilizado foi um ultramicrodurimetro Fishercope H100, composto por um indentador Vickers de diamante, pertencente ao departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra. Os ensaios efectuados incluíram quatro fases distintas: carga, manutenção à carga máxima, descarga e manutenção à carga mínima. A carga tem um valor inicial de 0.4 mN e foi aumentada em 60 passos até atingir a carga máxima pré-seleccionada. O mesmo conjunto de passos foi utilizado para a fase de descarga. Um conjunto típico de dados de carga – descarga é apresentado na figura 1.18. As quantidades importantes para a medição da dureza são o valor da carga máxima, Lmáx, a profundidade para esta carga máxima, hmáx, a rigidez de contacto no início da descarga, S=dL/dh, que representa o declive na fase inicial da curva de descarga até à carga zero, hp [25]. O valor da dureza, obtido pelo quociente entre a carga máxima e a área projectada da indentação no plano da superfície da amostra, pode ser relacionada com a profundidade, hp, por: 2 * p máxmáx V hc P A P H == (1.14) onde c representa a razão entre a área projectada A e o quadrado da profundidade hp. Este parâmetro é constante para um dado indentador, e para um indentador de Vickers é c=24,5. O valor medido da profundidade de indentação foi corrigido devido ao facto de ocorrerem vibrações mecânicas e/ou flutuações na temperatura a que se
  29. 29. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 33 realizam os ensaios (“thermal drift”) e ao facto de o indentador não ser uma pirâmide perfeita (“offset”) [26]. Tendo em conta estas correcções o valor da dureza será, então, obtido por: 2 *5,24 corr V h L H = (1.15) com L (carga aplicada) expressa em mN e hcorr (profundidade, hp, corrigida) em µm. para este conjunto de valores, o valor da dureza, HV, vem expresso em N/mm2 . 0.0 0.1 0.2 0.3 0 10 20 30 40 Carga(L) Profundidade Figura 1.18 – Repre- sentação das curvas de carga e descarga para uma amostra com 40 GPa de dureza. Através dos resultados de um ensaio de dureza é possível também calcular o módulo de elasticidade (módulo de Young) de um revestimento dado por [12]: ( ) ( ) 5,24 * 1 **2 5,24 *1 2 2 πυ πυ i i corr f f EdL dh h E − − − = (1.16) onde νf e νi representam as razões de Poisson do filme e indentador, respectivamente, e Ei o módulo de elasticidade do indentador. [µm] [mN] Curva de carga Curva de descarga dh dLS = hp
  30. 30. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 34 1.2.11 – Teste de resistência ao desgaste – “pin on disc” O desgaste pode ser definido como a remoção de material da superfície de um sólido como resultado do contacto de uma superfície em movimento sobre outra. Deste modo, o desgaste ocorre entre duas superfícies em movimento. O teste de desgaste efectuado nas amostras produzidas foi o teste pino sobre o disco (“pin-on- disc”), realizado num tribómetro comercial PLINT & PARTNERS Ltd, modelo TE67Ht, existente no departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho, controlado por um computador. Os ensaios foram efectuados com uma carga normal de 5 N, e uma velocidade de deslizamento de 0,5 m/s, com um pino de nitreto de silício (Si3N4). Para estes ensaios os revestimentos foram depositados em substratos de dimensão adequada à montagem experimental, diâmetro de 71 mm e espessura 10 mm. Os testes foram realizados com o pino sobre o disco em rotação tal como ilustra esquematicamente a figura 1.19. Figura 1.19 – Representação esquemática do teste pino sobre o disco. O coeficiente de desgaste (K) foi calculado a partir da razão entre o volume de material removido (V) e a carga aplicada perpendicularmente F r e a distância percorrida pelo pino sobre a amostra (x): ||* Fx V K r= (1.17) O volume de desgaste foi avaliado por medidas perfilométricas em 3 pontos distanciados entre si de 120º. Durante a realização dos testes foi também medido o coeficiente de atrito. Para valor representativo deste coeficiente, foi utilizado o valor
  31. 31. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 35 médio correspondente ao regime estacionário, característico para situações após um curto espaço percorrido. 1.2.12 – Torneamento mecânico A rentabilidade das pastilhas de corte revestidas com (Ti,Si,Al)N foi analisada através da realização de ensaios num torno mecânico em condições de corte severas. O torneamento mecânico consiste basicamente em gerar formas cilíndricas através da combinação de dois movimentos: rotação do provete e movimento de avanço da pastilha. O provete roda com uma velocidade de rotação (w) medida em revoluções por minuto (rpm), que relacionada com o diâmetro do provete (D), dá lugar à velocidade de corte (vc): wDvc **π= (m/min) (1.18) Este parâmetro juntamente com a velocidade de avanço da pastilha (vf) e a profundidade de corte (ap) são os três parâmetros a considerar no processo de torneamento. Durante este processo a pastilha de corte sofre um desgaste contínuo que culmina na fractura ou ruptura da pastilha. O tempo durante a qual a pastilha opera é denominado tempo de vida. Actualmente os parâmetros que determinam o tempo de vida da pastilha são, essencialmente, o acabamento superficial do provete, a precisão dimensional, o padrão de desgaste e a formação da apara [27]. O calor gerado durante o processo de corte influência directamente o desenvolvimento do desgaste. A maior parte da energia sob a forma de calor é retirada da zona de corte pelo fluxo da apara, a restante é dispersa no material do provete e da pastilha de corte. A velocidade de corte e o calor gerado são os factores que mais influenciam na maioria dos casos o mecanismo de desgaste e o tempo de vida da ferramenta. O desgaste das pastilhas foi avaliado considerando os seguintes parâmetros (figura 1.20) [25]: i) VB – desgaste lateral máximo; ii) KM – distância entre a aresta de corte e o centro da cratera de desgaste; iii) KT – profundidade máxima da cratera de desgaste, sendo VB referente ao desgaste da face de saída e KT e KM referentes ao desgaste da face de ataque da pastilha. Estes parâmetros foram determinados por
  32. 32. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 36 SEM e com um microscópio confocal, pertencente ao Departamento de Física dos Materiais Aplicada, da Universidade de Groningen – Holanda. Figura 1.20 – Representação esquemática dos parâmetros de desgaste. Os ensaios foram realizados num torno CINCINNATI MILACRON HAWK – 150 controlado numericamente, pertencente ao departamento de Engenharia Mecânica da Universidade do Minho. Os provetes utilizados para o desbaste foram de aço ligado com a seguinte composição química, C – 0,3%, Si – 0,4%, Mn – 0,45%, Cr – 2%, Mo - 0,4%, Ni – 2%, e com uma dureza máxima de 5 GPa. As dimensões da superfície do provete para torneamento foram de 200 mm de comprimento e 50 mm de diâmetro inicial. A velocidade de corte foi calculada atendendo à redução do raio do provete mantendo deste modo uma velocidade constante na superfície. A medição do acabamento superficial do provete foi efectuada por meio de medidas perfilométricas. O parâmetro rugosidade seleccionado foi a rugosidade média aritmética (Ra) [29]. Referências Bibliográficas [1] M. Ohring, “The Materials Science of Thin Films”, Academic Press Inc., San Diego, 1992. [2] Handbook of Thin Film Technology, L. I. Maissel and R. Gland (eds.), McGraw – Hill, New York, USA, 1970. [3] R. Behrisch (ed.), “Sputtering by Particle Bombardment I”, Topics in Applied Physics, vol. 47, Springer-Verlag, New York, 1981. [4] Curso de Tecnologia de Vácuo e Aplicações Industriais, Instituto de Materiais da Universidade do Minho, 1994.
  33. 33. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 37 [5] P. J. Kelly, R. D. Arnell, Vacuum 56, (2000) 159. [6] B. Windon, N. Savides, J. Vac. Sci. Technol. A 4 (2) (1986) 196. [7] I. Ivanov, P. Kazansky, L. Hultman, I. Petrov, J.-E. Sundgren, J. Vac. Sci. Technol. A 12 (1994) 314. [8] I. Petrov, f. Abidi, J. E. Greene, W. D. Sproul, W. D. Munz, J. Vac. Sci. Technol. A 10 (5) (1992) 3283. [9] P. Spantenka, J. Vlcek, J. Musil, I. Leipner, Plasma Sources Sci. Technol. 6 (1997) 46. [10] J. A. Thornton, American Revue Materials Science, 7 (1977) 239. [11] P. E. J. Flewitt, R. K. Wild, “Physical Methods for Materials Characterisation”, London, 1994. [12] José Filipe V. Vaz, “Preparação e caracterização de filmes finos de Ti1-xSixNy, crescidos por pulverização catódica reactiva em magnetrão”, Tese de Doutoramento, Universidade do Minho, 2000. [13] Carlos José Macedo Tavares, “Produção e caracterização de revestimentos nanoestruturados em multicamadas de TiAlN/Mo.”, Tese de Doutoramento, Universidade do Minho, 2002. [14] B. D. Cullity, Elements of X-ray Diffraction, 2nd ed., Addison – Wesley, 1978. [15] Joint Committee on Powder Diffraction Standards, Powder Diffraction File of the International Center for Diffraction Data, PDF-ICDD cards. [16] R. S. Howland, J. Okagaki, In “Park scientific Instruments- How to by a Scanning Probe Microscope”, 1993. [17] C. Sá, “Caracterização morfológica, microestrutura e microanalítica de materiais por: microscopia electrónica de varrimento – SEM e microanálise por raio X – EMPA: EDS/WDS”, CEMUP, 2001. [18] “Practical Methods in Electron Microscopy”, Vol. I, ed. A. M. Glauert, North Holland Publishing Company, Amsterdam – London. [19] U. Beck, G. Reiners, U. Kopacz and H. A. Jehn, Surf. Coat. Techonol. 60 (1993) 389.
  34. 34. Capitulo 1 – Descrição das técnicas experimentais 38 [20] Recommendations on Uniform Color Spaces, Difference-difference equations, psychometric Color terms, CIE Publication, 15 (1978) Suppl. Nº2-70 (Commission International de L’Eclairage). [21] J. Lucas, J. Valldeperas, C. Hawkyard, M. Van Parys, P. Viallier, N. Carneiro, Colour Measurement – Fundamentals – Vol.I, Eurotex, Guimarães – Portugal, 1996. [22] Pedro P. C. Cerqueira, “Preparação e Caracterização de filme finos coloridos de TiNxOy”, Tese de Mestrado, Universidade do Minho, 2002. [23] As rotinas necessárias para o processamento dos dados relativos à quantificação da cor foram elaboradas em MATLAB, pelo Doutor S. M. C. Nascimento, nos Laboratórios de Ciência da Cor do Departamento de Física da Universidade do Minho. [24] G. G. Stoney, Proc. R. Soc. London Ser. A 82 (1909) 172. [25] G. M. Pharr and W. C. Oliver, MRS Bulletin 7 (1992) 28. [26] A. Trindade, A. Cavaleiro and J. Fernandes, Journal of Testing and Evaluation, 22 (4) (1994) 365. [27] “Modern Metal Cutting – a practical Handbook”, Sandvik Coromant, Sandviken – Sweden, 1994. [28] Rui Ramos Ferreira e Silva, “Cinética de sinterização e desgaste de pastilhas de corte do sistema Si3N4-CeO2-AlN.”, Tese de Doutoramento, Universidade de Aveiro, 1992. [29] Jean M. Bennett, Lars Mattson, in: “Surface Roughness and Scattering”, Optical Society of American, Washington, D. C., 1989.

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