Metodologia númerico-experimental para avaliação da espessura de filmes de nitreto de titânio obtidos por processamento a plasma

In recent decades, changes in the surface properties of materials have been used to improve their tribological characteristics. However, this improvement depends on the process, treatment time and, primarily, the thickness of this surface film layer. Physical vapor deposition (PVD) of titanium nitrate (TiN) has been used to increase the surface hardness of metallic materials. Thus, the aim of the present study was to propose a numerical-experimental method to assess the film thickness (l) of TiN deposited by PVD. To reach this objective, experimental results of hardness (H) assays were combined with a numerical simulation to study the behavior of this property as a function of maximum penetration depth of the indenter (hmax) into the film/substrate conjugate. Two methodologies were adopted to determine film thickness. The first consists of the numerical results of the H x hmax curve with the experimental curve obtained by the instrumental indentation test. This methodology was used successfully in a TiN-coated titanium (Ti) conjugate. A second strategy combined the numerical results of the Hv x hmax curve with Vickers experimental hardness data (Hv). This methodology was applied to a TiN-coated M2 tool steel conjugate. The mechanical properties of the materials studied were also determined in the present study. The thicknesses results obtained for the two conjugates were compatible with their experimental data.

Nas ultimas décadas, a alteração das propriedades superficiais de materiais tem sido muito utilizada para melhorar suas características tribológicas. Contudo, essa melhoria depende do processo, do tempo de tratamento e, principalmente, da espessura desta camada ou do filme superficial. Atualmente, o processo de deposição a plasma PVD (Physical vapor Deposition) de Nitreto de Titânio (TiN) vem sendo utilizado para aumentar a dureza superficial de materiais metálicos. Por isso, o objetivo deste trabalho foi de propor um método numérico-experimental para avaliar a espessura filmes (l) de TiN depositados por PVD. Para atingir este objetivo, combinaram-se resultados experimentais de ensaios de dureza (H) com sua simulação numérica para estudar o comportamento desta propriedade em função da profundidade de penetração máxima do indentador (hmax) no conjugado filme/substrato. Foram adotadas duas metodologias para determinar a espessura do filme. A primeira combinou os resultados numéricos da curva H x hmax com sua curva experimental obtida através do ensaio de indentação instrumentado. Esta metodologia foi usada com sucesso em um conjugado de Titânio (Ti) revestido por TiN. Uma segunda estratégia combinou os resultados numéricos da curva Hv x hmax com dados experimentais de dureza Vickers (Hv). Esta outra metodologia foi aplica em um conjugado de aço ferramenta M2 recoberto por TiN. As propriedades mecânicas dos materiais estudados também foram determinadas no presente trabalho. As espessuras encontradas para os dois conjugados apresentaram resultados compatíveis com seus dados experimentais.