Estudo da influência dos padrões de emissão das espécies do plasma de carbonitretação nas propriedades superficiais de TiCN

Abstract

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.

The optical emission intensities of the species N2 +, H, C, NH, N2, Ar e CN in a carbonitriding plasma (using Ar+N2+CH4 gases) were studied with optical emission spectroscopy in an atmosphere of constant pressure and temperature, changing the CH4 flow. Afterwards a commercially pure Ti was exposed to a carbonitriding plasma in similar conditions. The objective of this work is to evaluate the influence of the gaseous species on the superficial properties (chemical composition, topography, and microhardness profile) of the TiCN layer. When the CH4 flow was increased, the species H, N2 +, C, NH, and CN were observed. The continuous increase of CN and a progressive reduction of N2 + were detected. Grazing incidence X-ray diffraction revealed titanium nitride and carbonitride with variable chemical compositions, related to the changes observed in the emission patterns of the species CN and N2+. The topography, evaluated by atomic force microscopy, showedthat the roughness increased when CN increased and N2+ decreased. Micro-Raman spectroscopy showed un-reacted carbon on the surface that developed with de increase of the CN emission. This carbon film may be responsible for the progressive decrease of surface hardness.