BRPI0417226B1

BRPI0417226B1 - Estrutura em camadas e método para cobrir um substrato com uma estrutura em camadas.

Info

Publication number: BRPI0417226B1
Application number: BRPI0417226-4A
Authority: BR
Inventors: Chandra Venkatraman; Keith Majeroni; Daniel Kester
Original assignee: Sulzer Metaplas Gmbh
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2015-08-04
Also published as: CN1890398A; WO2005054539A1; BRPI0417226A; AU2004295440A1; ES2426170T3; US20080166287A1; EP1704264B1; AU2004295440B2; WO2005054540A1; RU2006123417A; US8518553B2; JP5248778B2; EP1704264A1; AU2003298338A1; JP2007513856A; CN1890398B

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “ESTRU- TURA EM CAMADAS E MÉTODO PARA COBRIR UM SUBSTRATO COM UMA ESTRUTURA EM CAMADAS".

CAMPO DA INVENÇÃO [001] A invenção refere-se a uma estrutura em camadas compre- endendo uma primeira camada intermediária compreendendo pelo menos um elemento do grupo IVB, VB ou IVB, uma segunda camada intermediária compreendendo uma composição nanocompósita seme- lhante a diamante e uma camada de carbono semelhante a diamante. A invenção adicionalmente refere-se a um substrato coberto pelo me- nos parcialmente com uma tal estrutura em camadas e a um método para cobrir um substrato com uma tal estrutura em camadas.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [002] É geral mente conhecido revestir substratos com um reves- timento de carbono semelhante a diamante (DLC). Revestimentos DLC são películas de carbono hidrogenadas amorfas (a-C:H) caracte- rizadas por uma alta dureza, um pequeno coeficiente de atrito e exce- lente resistência ao desgaste. Revestimentos desta natureza são co- nhecidos, por exemplo, do documento EP 0 856 597 A1. Entretanto, por causa das altas tensões residuais compressivas no revestimento, a adesão dos revestimentos DLC no substrato é frequentemente muito fraca. Essa é uma desvantagem importante dos revestimentos DLC, limitando o uso dos revestimentos DLC para certas aplicações. [003] Muitas tentativas foram feitas para melhorar a adesão de um revestimento DLC no substrato, por exemplo, pelo uso de uma camada intermediária entre o substrato e o revestimento DLC. [004] Um exemplo de uma tal tentativa compreende o uso de uma camada nanocompósita semelhante a diamante (DLN) como ca- mada intermediária entre o substrato e a camada DLC como descrito em WO 98/33948. [005] Revestimentos nanocompósitos semelhantes a diamante compreendem C, Η, O e Si, De forma geral, revestimentos DLN com- preendem duas redes de interpenetração a-CiH e a-S:0. Os revesti- mentos DLN são conhecidos comerciaimente como revestimentos Dylyn®. [006] Também o uso de uma camada intermediária de titânio ou com base em titânio entre o substrato e uma camada de DLC ê co- nhecido na técnica para melhorar a adesão de um revestimento DLC em um substrato, [007] Para esse tipo de estruturas em camadas, uma mudança gradual de uma camada de titânio ou com base em titânio para uma camada de DLC é requerida. [008] Portanto, primeiro uma camada de titânio ou com base em titânio é depositada sobre um substrato por meio de um processo PVD, subseqüentemente o DLC é depositado sobre a camada de titâ- nio ou com base em titânio, A composição da camada de titânio ou com base em titânio é, dessa maneira, gradual mente alterada de uma camada de titânio ou com base em titânio para uma camada de DLC. [009] Entretanto, um sério problema do uso de camadas interme- diárias de titânio ou com base em titânio é o envenenamento-alvo do alvo de titânio. Por causa desse envenenamento-alvo, a transição en- tre a camada de titânio ou com base em titânio e a camada do DLC nâo é reprodutível. [0010] Uma outra desvantagem da aplicação de uma estrutura em camadas de uma camada de titânio ou com base em titânio e um re- vestimento DLC é a proteção contra corrosão insuficiente que é obtida. [0011] Essa é a consequência da má cobertura de superfície {loca- lizações da linha de visão), por exemplo, nas superfícies posteriores de um substrato a ser revestido. Essas superfícies não ficam expostas ao feixe dos átomos de titânio.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0012] É um objetivo da presente invenção prover uma estrutura em camadas compreendendo um revestimento DLC tendo uma ade- são melhorada em um substrato. [0013] É outro objetivo da invenção prover uma estrutura em ca- madas que possa suportar uma alta carga e que é» assim, adequada para aplicações de alto impacto e alto cisaihamento. [0014] É um objetivo adicional prover um substrato coberto com uma estrutura tendo uma cobertura de superfície melhorada. [0015] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, uma es- trutura em camadas é provida. [0016] A estrutura em camadas de acordo com a presente inven- ção compreende [0017] - uma primeira camada intermediária selecionada do grupo consistindo em uma camada de titânio, uma camada de cromo, uma camada de TiC, uma camada de TiN, uma camada TiCN, uma camada de CrN e uma camada de Cr3C2; [0018] - uma segunda camada intermediária depositada sobre a primeira camada intermediária, a segunda camada intermediária com- preendendo uma composição nanocompósita semelhante a diamante; e [0019] - uma camada de carbono semelhante a diamante, deposi- tada sobre a dita segunda camada intermediária. A primeira camada intermediária [0020] A primeira camada intermediária é selecionada do grupo consistindo em uma camada de titânio, uma camada de cromo, uma camada de TiC, uma camada de TiN, uma camada TiCN, uma camada de CrN e uma camada de Cr3C2. [0021] De preferência, a primeira camada intermediária compre- ende titânio e/ou cromo como, por exemplo, uma camada de titânio, uma camada de cromo, uma camada com base em titânio ou uma ca- mada com base em cromo. [0022] Uma camada com base em titânio pode compreender, por exemplo, uma camada de TiC, uma camada de TiN ou uma camada de TiCN. Uma camada com base em cromo pode compreender, por exemplo, uma camada de CrN ou uma camada de O3C2. [0023] Para muitas aplicações, uma camada com base em titânio é preferida a uma camada com base em cromo já que é mais fácil re- processar ou renovar estruturas em camadas compreendendo uma camada com base em titânio. [0024] Por exemplo, uma cauterização iônica reativa usada para retirar o revestimento não funcionará com uma camada intermediária com base em cromo. [0025] A espessura da primeira camada intermediária fica preferi- velmente entre 0,001 e 1 *m. Mais preferivelmente, a espessura da primeira camada intermediária fica entre 0,1 e 0,5 xm. [0026] A primeira camada intermediária pode ser depositada por qualquer técnica conhecida na técnica. Técnicas preferidas compreen- dem técnicas de depósito a vapor físico como lançamento ou evapora- ção. A segunda camada intermediária [0027] A segunda camada intermediária compreende uma compo- sição nanocompósita semelhante a diamante. [0028] Uma composição nanocompósita semelhante a diamante compreende uma estrutura amorfa de C, H, Si e O. [0029] De preferência, a composição nanocompósita compreende em proporção à soma de C, Si e O: 40 a 90% de C, 5 a 40% de Si e 5 a 25% de O (expresso em at% - porcentagem atômica). [0030] De preferência, a composição nanocompósita semelhante a diamante compreende duas redes de interpenetração de a-C:H e a- Si:0. [0031] O revestimento nanocompósito semelhante a diamante po- de adicionalmente ser dopado com um metal, tal como um metal de transição do grupo IV a VII. O revestimento pode ser dopado para in- fluenciar a condutividade do revestimento. W, Zr e Ti são, por exem- plo, bem adequados como elemento de dopagem. [0032] A segunda camada intermediária tem uma espessura que fica preferivelmente entre 0,01 e 5 ocm. Mais preferivelmente, a espes- sura fica entre 0,1 e 1 ocm, por exemplo entre 0,2 e 0,5 ocm. [0033] A segunda camada intermediária pode ser depositada por qualquer técnica conhecida na técnica. Uma técnica preferida compre- ende depósito a vapor químico (CVD), tal como depósito a vapor quí- mico auxiliado com plasma (PACVD).

Revestimento de carbono semelhante a diamante [0034] O revestimento de carbono semelhante a diamante com- preende carbono hidrogenado amorfo (a-C:H). [0035] De preferência, um revestimento de carbono semelhante a diamante compreende uma mistura de carbono ligado sp2 e sp3 com uma concentração de hidrogênio entre 0 e 60 em at%. [0036] O revestimento DLC pode ser dopado com metal, por exemplo, para influenciar a condutividade elétrica do revestimento.

Elementos de dopagem preferidos são metais de transição do grupo IV a VII, tais como W, Zr e Ti. [0037] A espessura do revestimento DLC fica preferivelmente en- tre 0,1 e 10 ocm. [0038] O revestimento DLC pode ser depositado por qualquer téc- nica conhecida na técnica. Uma técnica preferida compreende depósi- to a vapor químico (CVD), tal como depósito a vapor químico auxiliado com plasma (PACVD). [0039] Embora o requerente não deseje ser limitado a qualquer teoria, acredita-se que a gradação da dureza das camadas seja impor- tante para obter os bons resultados de uma estrutura em camadas de acordo com a presente invenção. [0040] No caso em que uma camada de titânio seja usada como camada intermediária para um revestimento DLC, existe um substrato mole com uma camada de Ti mole. O DLC depositado em uma tal pi- lha é propenso à perfuração. [0041] Na estrutura em camadas de acordo com a presente inven- ção compreendendo uma primeira camada intermediária e uma se- gunda camada intermediária compreendendo DLN, a segunda camada intermediária provê o suporte extra. Além do mais, a segunda camada intermediária, tendo uma dureza entre a dureza da primeira camada intermediária e a dureza do revestimento DLC, provê um efeito de amortecimento. [0042] Possivelmente, a estrutura em camadas de acordo com a presente invenção adicionalmente compreende uma ou mais camadas adicionais como, por exemplo, uma camada compreendendo uma composição nanocompósita semelhante a diamante em cima da ca- mada de carbono semelhante a diamante. [0043] Em outra modalidade, a estrutura em camadas adicional- mente compreende uma camada nanocompósita semelhante a dia- mante em cima da camada de carbono semelhante a diamante e uma camada de carbono semelhante a diamante em cima da camada na- nocompósita semelhante a diamante. [0044] É evidente para uma pessoa versada na técnica que o nú- mero das camadas adicionais pode ser variado de acordo com as pro- priedades desejadas da estrutura em camadas. [0045] A camada superior da estrutura em camadas pode ser es- colhida dependendo das propriedades desejadas da estrutura em ca- madas e dependendo da aplicação. [0046] Quando uma camada de DLC é depositada em cima da es- trutura em camadas, as características de dureza e pequeno desgaste, típicos para um revestimento do tipo DLC prevalecem. Isso implica que pelo depósito de uma camada DLC em cima da estrutura em cama- das, um revestimento de alta resistência ao desgaste e abrasão é ob- tido. Espessuras maiores do que essas dos revestimentos DLC con- vencionais podem ser depositadas dessa maneira. [0047] No caso em que um revestimento de DLN é depositado como a camada superior, a estrutura em camadas é caracterizada por uma baixa energia de superfície e por um baixo coeficiente de atrito.

Uma tal estrutura em camadas é adequada, em particular, como re- vestimento não aderente. [0048] De acordo com um segundo aspecto da invenção, um subs- trato coberto pelo menos parcialmente com uma estrutura em cama- das como descrito acima é provido. [0049] Uma grande vantagem da estrutura em camadas de acordo com a presente invenção é a alta proteção contra corrosão que pode ser obtida por causa da boa cobertura de superfície. [0050] As superfícies do substrato que não são revestidas ou não são revestidas bem com o primeiro revestimento intermediário porque elas não são expostas ao feixe de átomo(s) do grupo IVB, grupo VB ou grupo VIB serão protegidas pela segunda camada intermediária e a camada de carbono semelhante a diamante. [0051] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, o uso de um substrato coberto pelo menos parcialmente com uma estrutura em camadas como descrita acima para aplicações de alto impacto e/ou alto cisalhamento é provido. [0052] O substrato de acordo com a presente invenção pode ser usado para aplicações de alto impacto e/ou alto cisalhamento por cau- sa da forte adesão do revestimento DLC no substrato por meio da pri- meira e segunda camadas intermediárias. [0053] A estrutura em camadas de acordo com a presente inven- ção é adequada, por exemplo, como revestimento para componentes para aplicações de formação de metal tais como ferramentas de esta- ca, perfuradores, mandris, matrizes de degola, por exemplo, usadas para fabricação de lata de alumínio. [0054] A estrutura em camadas de acordo com a invenção é tam- bém adequada como revestimento para partes usadas para fabricação de circuito integrado semicondutor, metrologia, litografia ou equipa- mento de teste tais como mandris eletrostáticos, manipuladores de pastilha, pinos de suspensão, componentes de alinhamento de preci- são, perfuradores e ferramentas usadas no acondicionamento eletrô- nico e componentes usados para sondagem de pastilha. [0055] Além do mais, a estrutura em camadas pode ser usada como revestimento para componentes de moldagem a sopro e com- ponentes para maquinaria têxtil tais como divisões de filamento, ba- ses, pinos e núcleos; para componentes de motor (como por exemplo, componentes de corrida) tais como elevadores, braços, bielas e pinos de êmbolo; para anéis de gargalo usados para préformas plásticas. [0056] Adicionalmente, a estrutura em camadas de acordo com a presente invenção é adequada para a proteção de ligas com base em cobre e níquel. [0057] De acordo com um aspecto adicional da invenção, um mé- todo para cobrir um substrato com uma estrutura em camadas é provi- do. [0058] O método compreende as etapas de - prover um substrato; - aplicar uma primeira camada intermediária, a dita primeira camada intermediária sendo selecionada do grupo consistindo em uma camada de titânio, uma camada de cromo, uma camada de TiC, uma camada de TiN, uma camada TiCN, uma camada de CrN e uma camada de Cr3C2; - aplicar uma segunda camada intermediária, a dita segun- da camada intermediária compreendendo uma composição nanocom- pósita semelhante a diamante; e - aplicar uma camada de carbono semelhante a diamante. [0059] Se desejado, o depósito da primeira camada intermediária pode ser completamente terminado antes da aplicação da segunda camada intermediária. Dessa maneira, pode-se assegurar uma transi- ção reprodutível entre as camadas.

Descrição das modalidades preferidas da invenção [0060] As características de três tipos diferentes de revestimento são comparadas. Os tipos de revestimentos são depositados em um substrato de aço endurecido. [0061] Os três tipos de revestimento são submetidos a um teste de adesão Rockwell e a um teste de adesão de risca. [0062] O primeiro tipo de revestimento compreende uma estrutura em camadas de uma camada de DLN e uma camada de DLC deposi- tada em cima dessa camada de DLC; [0063] O segundo tipo de revestimento compreende uma estrutura em camadas de uma camada de titânio e uma camada de DLC depo- sitada em cima dessa camada de titânio. A composição da camada de titânio é gradual mente alterada de uma camada de titânio para uma camada de DLC. [0064] O terceiro tipo de revestimento compreende uma estrutura em camadas de acordo com a presente invenção. Essa estrutura em camadas compreende uma camada de titânio, uma camada de DLN depositada em cima da Gamada de titânio e uma camada de DLC de- positada em cima da camada de DLN. Não existe gradiente entre o titânio e a camada de DLN, enquanto que a camada de DLN está gra- dualmente mudando para uma camada de DLC. [0065] A adesão do segundo e do terceiro tipos de revestimento medida por meio do teste de entalhe Rockwell C é melhor do que a adesão do primeiro tipo de revestimento. [0066] O valor HF para o primeiro tipo de revestimento é HF 3-5.

Para o segundo tipo de revestimento um valor HF 1-3 é medido, en- quanto que para o terceiro tipo de revestimento um valor HF 1-3 é me- dido. [0067] A carga crítica para obter a delaminação em um teste de adesão de risca é para o terceiro tipo de revestimento entre 22 e 35 N.

Para o primeiro tipo de revestimento uma carga crítica entre 15 e 30 N é obtida; para o segundo tipo de revestimento uma carga crítica entre 15 e 27 N é obtida. [0068] A comparação da adesão de risca dos diferentes revesti- mentos indica que o terceiro tipo de revestimento fornece os melhores valores Lc2. [0069] Um revestimento do primeiro tipo não funciona bem em aplicações de carregamento de alto cisalhamento e alto impacto. [0070] Um revestimento do segundo tipo funciona ligeiramente melhor sob carregamento de alto impacto. Entretanto, sob carrega- mento de alto cisalhamento existe a possibilidade de desgaste e re- moção do revestimento. [0071] Um revestimento do terceiro tipo funciona muito bem sob ambas aplicações de alto impacto e alto cisalhamento. [0072] Um revestimento do segundo tipo e um revestimento do terceiro tipo são comparados em uma aplicação de formação de metal laminado de alumínio de alto impacto. O revestimento do terceiro tipo provê um maior tempo de duração. Comparado com o tempo de dura- ção de um revestimento do segundo tipo, o tempo de duração de um revestimento do terceiro tipo é 3 a 4 vezes mais longo.

Claims

1. Estrutura em camadas compreendendo uma primeira camada intermediária, uma segunda camada intermediária e uma ca- mada de carbono semelhante a diamante depositada sobre a referida segunda camada intermediária; caracterizado pelo fato de que: - a referida primeira camada intermediária é selecionada do grupo consistindo em uma camada de titânio, uma camada de cro- mo, uma camada de TiC, uma camada de TiN, uma camada TiCN, uma camada de CrN e uma camada de Cr3C2; e - a referida segunda camada intermediária compreende uma composição nanocompósita semelhante a diamante (DLN).

2. Estrutura em camadas de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos uma camada compreendendo uma composição nanocompósita semelhante a diamante em cima da dita camada de carbono seme- lhante a diamante.

3. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita pri- meira camada intermediária tem uma espessura entre 0,001 e 1 ocm.

4. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita se- gunda camada intermediária tem uma espessura de 0,01 a 5 ocm.

5. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita ca- mada de carbono semelhante a diamante tem uma espessura entre 0,1 e 10 ocm.

6. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita composição nanocompósita compreende, em proporção à soma de C, Si e O, em at%, de 40 a 90 % de C, de 5 a 40% de Si e de 5 a 25% de O.

7. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita se- gunda camada intermediária compreende uma composição nanocom- pósita semelhante a diamante dopada com metal.

8. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita ca- mada de carbono semelhante a diamante é dopada com um metal.

9. Estrutura em camadas de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de cobrir um substrato, pelo menos parcialmente.

10. Estrutura em camadas de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de o referido substrato coberto ser usado para aplicações de alto cisalhamento e/ou alto impacto.

11. Método para cobrir um substrato com uma estrutura em camadas como definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 10, compreendendo as etapas de - prover um substrato; - aplicar uma primeira camada intermediária; - aplicar uma segunda camada sobre a primeira camada intermdiária,; e - depositar uma camada de carbono semelhante a diaman- te sobre a segunda camada intermediária; caracterizado pelo fato de que: - a etapa de aplicar uma primeira camada intermediária compreende depositar, sobre o substrato, uma camada selecionada do grupo consistindo em uma camada de titânio, uma camada de cromo, uma camada de TiC, uma camada de TiN, uma camada TiCN, uma camada de CrN e uma camada de Cr3C2; e - a etapa de aplicar uma segunda camada intermediária compreende depositar uma composição nanocompósita semelhante a diamante (DLN) sobre a primeira camada intermediária.