RESUMOO presente estudo mostra uma relação entre o comportamento das espécies ativas do plasma com as propriedades superficiais do titânio. Para tanto, espécies ativas como N 2 + (391,4 nm) e O (844,6 nm) foram analisadas por espectroscopia de emissão óptica (OES) em plasma produzido por uma mistura de gases ABSTRACTThe present study correlates plasma active species with titanium surface properties. This was achieved by performing optical emission spectroscopy (OES) analysis of N 2 + (391.4 nm) and O (844.6 nm) within a N 2 -A r -O 2 plasma. The fluxes of gases were established to be 1 and 4 sccm (standard cubic centimeter) for nitrogen and argon, while that of oxygen was varied between 2 and 4 sccm. A non-linearity of the intensity of N 2 + (391.4 nm) species with the increase on O 2 flux was observed with an intensity peak at 3 sccm. It was also concluded that the active species influence the modification of properties after the plasma treatment. The N 2 + (391.4 nm) species were more effective to form nitrides and the surface roughness was bigger when those species presented higher intensity. Surface hardness and surface stress were also higher whenever using higher intensity fluxes of N 2 + (391.4 nm). Furthermore, while the N 2 + (391.4 nm) specie influenced the dispersive component, the O (844.6 nm) specie influenced the polar component.
RESUMOSuperfícies de TiCxNy foram produzidas por tratamento termoquímico auxiliado por mistura de plasma N2 -Ar -CH4. A influência da concentração do metano, bem como a inserção de átomos C e N na rede cristalina do Ti foram investigadas através da caracterização das propriedades tribomecânicas desse material. Para tanto, amostras de titânio comercialmente puro (grau II) foram carbonitretadas em plasma com mistura de x N2 -y Ar -z CH4 (onde x e y = 4 sccm e z variando de 2,3 e 4 sccm) a 500°C, durante 1 h. Os perfis de concentração de C e N após o tratamento foram analisados por reação nuclear (NRA). As fases na superfície foram identificadas por difração de raios-X com incidência rasante (GIXRD). Foi utilizado ensaio de pino sobre disco para determinação do coeficiente de atrito, cujas áreas desgastadas foram avaliadas por perfilometria e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Foi observado que tanto o coeficiente de atrito quanto o mecanismo de desgaste do titânio foram fortemente dependentes da concentração de C e N na superfície. Porém, o perfil de concentração desses elementos intersticiais não foi diretamente proporcional ao fluxo de metano.Palavras chaves: plasma, titânio, carbonitretação, tribologia. Tribological properties modification of titanium by plasma carbonitriding ABSTRACTTiCxNy surfaces were produced by thermochemical treatment achieved by N 2 -Ar -CH 4 plasma mixture. The influence of methane concentration and C and N atoms inserted into the crystalline lattice of Ti were investigated through the characterization of its tribomechanical properties. Therefore, commercially pure Ti (grade II) samples were carbonitrided in the x N 2 -y Ar -z CH 4 plasma mixture (where x and y = 4 SCCM and z = 2, 3 and 4 SCCM) at 500 °C, during 1 h. C and N concentration profile after treatments were determinate by NRA. The superficial phases were identified by GIXRD. Pin-on-disk assays were utilized to determine the friction coefficient, whose damaged areas were studied by perfilometry and scanning electron microscopy (SEM) techniques. It was observed that the friction coefficient and the damage mechanism of Ti are intensively dependent of C and N concentration on the surface. However, the concentration profile of those interstitial elements is not directly proportional to the methane gas flow.Keywords: plasma, titanium, carbonitriding, tribology. INTRODUÇÃOO titânio e suas ligas possuem várias propriedades que as habilitam para serem usadas em muitas aplicações industriais. Algumas de suas vantagens são: excelente resistência à corrosão e erosão, baixa densidade e alta razão de E/m (módulo de elasticidade/massa), permitindo estruturas mais leves e mais resistentes; capacidade de trabalho em altas temperaturas e, em alguns casos, propriedades criogênicas. Entretanto, elas apresentam algumas limitações que reduzem o seu espectro de aplicações, especialmente
As intensidades de emissão das espécies N2+, H, C, NH, N2, Ar e CN do plasma de carbonitretação (usando os gases Ar+N2+CH4) foram medidas por espectroscopia de emissão óptica (OES) em pressão e temperatura constantes (2mbar e 500 °C) variando o fluxo de CH4. Em seguida, amostras de Ti comercialmente puro (Ti CP) foram carbonitretadas em plasma nas mesmas condições do estudo por OES. O objetivo desse trabalho é avaliar a influência das espécies presentes no plasma, detectadas por seus padrões de emissão, na composição de fases superficiais, nas características topográficas e no perfil de microdureza do revestimento de TiCN. Foi observado que o aumento da concentração de CH4 no plasma gerou as espécies H (dissociado do CH4) N2+, C, NH e CN. A evolução contínua de CN e uma queda progressiva na espécie N2+ influenciaram a composição da superfície e as propriedades aqui avaliadas. A análise de difração de raios X em ângulo rasante revelou a presença de nitreto e carbonitreto de titânio na superfície com composição química correlacionada com as alterações das intensidades de emissão das espécies CN e N2+. As topografias das amostras, avaliadas por microscopia de força atômica, apresentaram aumento nos parâmetros de rugosidade comparados com a amostra padrão. A rugosidade Ra aumentou com o aumento da intensidade de emissão óptica de CN e redução de N2+. Com auxílio da espectroscopia micro-Raman foi encontrado carbono não reagido com o titânio na forma de um filme que se desenvolveu com o aumento da intensidade da linha de emissão do CN. Este filme pode, hipoteticamente, ter sido o responsável pela queda progressiva da dureza superficial do revestimento.
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