os benefícios das tecnologias por plasma para as empresas do simecs
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Palestra apresentada pelo professor Carlos A. Figueroa no auditório do Simecs (Caxias do Sul, RS), em 27 de outubro de 2009. Público: empresas associadas ao Simecs.TRANSCRIPT
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Prof. Dr. Carlos A. Figueroa
Laboratório de Engenharia de Superfícies e Tratamentos Térmicos Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, Caxias do Sul-RS, Brasil
Universidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul-RS, BrasilPlasmar Tecnologia Ltda., Caxias do Sul-RS, Brasil
www.plasmartecnologia.com
Os benefícios das tecnologias por plasma para as empresas do SIMECS
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Por que tratar superfícies por plasma ?
• Proteger uma superficie
Resistência ao desgaste
Resistência à corrosão
Diminuição do atrito
Isolante têrmico
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Métodos Tradicionais
Nitretação à gás (fase gasosa)Nitretação por sal fundido (fase líquida)
Método Moderno
Nitretação por Plasma (fase plasma)
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Considerações do processo por sais fundidos
• Banho típico: 60-70 % (em peso) de sais de sódio (Na2CO3, NaCN e NaCNO) e 40-30 % de sais de
potássio (KCN, K2CO3, KCNO e KCl).
• Análise periódica do banho e troca a cada 3-4 meses.
• Envelhecimento de 12 hr do banho a 570-590oC.
• Material devidamente limpo e desgordurado.
• Baixo controle e pouca reprodutibilidade. Presença da camada branca com alta rugosidade.
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Considerações do processo por sais fundidos
Ambientais
Alta toxicidade dos cianetos
Responsabilidade social
Leis regulamentárias
Custos
Caras plantas de tratamentos de resíduos.
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2 tecnologias
Potencial de Nnão controlado
Formação da camada branca
Potencial de Ncontrolado
Monitoramentoconstante do H
K = PNH3 / PH2
Pode evitar a formação da camada branca
Considerações do processo a gás
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Método Moderno
Nitreação por Plasma Pulsado(DC-pulse)
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NH3
1) Fase Gasosa
Gasosa
N2
+
H2
H2
H2
Plasma
1) Implantação Íons
N2
Nitretação: Cinética do processo
3) Absorção
2NH3
2) Transporte
N
H
5) Difusão
4) Dissociação
2NH
N2
3H2
2H2
2N
H2
2NH2
N
H
2) Difusão
-V0
H2O
H2O
H2O
H2O
N
N
H
H
H
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A Nitretação por plasma em açãoNitretação, Nitrocarbonetação e Oxidação por Plasma (1ro no RS).
Capacidade de 1 tonelada.
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Considerações do processo por plasma
• A possibilidade de uso de diferentes proporções N2–H2
permite um controle total da camada nitretada.
• A geração das espécies nitretantes não só depende da T, como também da P, composição, U e I. Isto possibilita tratamentos em uma ampla faixa de T (300-570oC).
• As altas energias envolvidas nas espécies nitretantes aumentam a penetração nas primeiras camadas atômicas e a retenção do nitrogênio. Fluxo e difusão maior. Processo até 3 vezes mais rápido que o gás.
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Considerações do processo por plasma
• As condições de operação (vácuo) diminuem o consumo e custos envolvidos com os gases de processo.
• Dadas as características da técnica, toda a planta de nitretação pode ser totalmente automatizadas por computador via PLC.
• Versatilidade e combinação de processos por plasma. sputtering, nitretação + oxidação, nitretação + PECVD.
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Plasma GásTemperatura 300-570 0C 520-540 0C
Ausência ou diminuição de rugosidade Incremento rugosidade
Aplicável a todo tipo aço Não útil para aços de alta liga
Fácil seleção da área não nitretável Dificultoso
Fácil soldabilidade Dificultoso
Apurado controle da camada branca Produze CB quebradiça => re-trabalho
Tempos de tratamentos menores Maiores tempos
Mínimo consumo de gases Alto
N2, H2, Ar Amônia: corrosivo, tóxico
Alta reprodutibilidade Dificultoso
Limpeza por sputtering no processo Não se aplica
Alto controle do hidrogênio incorporado
Baixo
Oxidação in situ (Magnetita,Fe3O4)
Custo inicial maior Mais baixo (em termos)
Plasma vs. Gás
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Aplicações da nitretação por plasma
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Moldes para injeção de plástico e alumínio (ex. ços P20, P50, H13, 420)
Injeção de Al: tampas Injeção de Al: bomba de água
Buchas e pinos para molde de injeção de plástico Injeção de plástico: vassouras
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Ferramentas em aço rápido(shavers, fresas e brocas)(ex. aços M2, M35, M42)
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Conformação em frio(trefiladoras)
(ex. aços D2, D3, D6)
Engrenagens (ex. 4140)
Conjunto Macho-FêmeaPara conformação de tubos sem costura
Engrenagens para Copiadora tipo Xerox
Engrenagens para caixa de transmissões do Corsa e Celta
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Ferramenta: Cortador Shaver p/ engrenagens
(Eaton Ltda., Valinhos e Mogi-Mirim-SP)
0.75
1.00
1.25
0 25 50 75 100
Plasma
Base
Borda de Corte (Topo)
Perfil de dureza, unidades arb.
Topo Base
Dur
eza
Nor
mal
izad
a
Dureza
Nucleo
S 1/P
>1
S1. Só temperado e revenido2. Não aceita PVD
Aço: M2High Speed Steel
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Engrenagens do Corsae Celta (GM)
1372
1389
1350
2886
3308
3640
6265
3430
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
PEÇAS
1
2
3
4
5
6
7
8
AFIAÇÃO
CORTADOR SHAVER MHDT #A1
Peças produzidas por afiação
Nitretado por plasma
Temperado e Revenido
Aumento de 290 %
Ensaios de campo
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Aplicação em ferramentas especiais de corte(geometria complexa para revestimento PVD)
Brochas (até 2 metros decomprimento)
Shavers (dentes profundos)
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Ferramenta: matriz de forjado de autopeças
(ThyssenKrupp, Campo Limpo Paulista-SP)
Nitretação a salTratamiento convencional
realizado pela ThyssenKrupp
9500 peças forjadas
Nitretação a plasmaCondição: sem camada branca (Plasma-LIITS)
21500 peças forjadasAumento de 120 %
Aço: H10Hot Work Steel
forja aneis
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Ferramenta nitretada a sal
Precipitados contínuos e largos
DRX: -Fe2-3N + -Fe4N + -Fe (N)
SEM
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DRX: -Fe (N)
Precipitados discontínous e finos
21500 peças forjadasAumento de 120 %
Ferramenta nitretada a plasma
SEM
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MoNiCrSPmax.
Simax.
MnCAço
0,30-0,50
1,80-2,20
1,80-2,20
max.0,035
0,0350,400,30-0,60
0,26-0,34
30CrNiMo8
Objetivo: desenvolvimento do processo Carbonitrox
Espessura da Camada Oxidada 1 - 3 m
Espessura da Camada Branca 10 – 20 m
Espessura da Camada de Difusão 350 – 550 m
Dureza de núcleo final 315 HV
Rugosidade final Rz < = 3
Carbonitretação + pós-oxidação atingindo a especificação do cliente
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Diagrama do processo Carbonitrox
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Fatia do corpo de prova
Microscopia Eletrônica de Varredura
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Fatia do corpo de prova
Microscopia Eletrônica de Varredura
Camada branca
Camada oxidada
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30 40 50 60 70 800,0
0,4
0,8
1,2
1,6
M
-Fe3N -Fe3N-Fe3N -Fe3N
-Fe4N
+ -Fe3N
Inte
nsid
ade
, u. a
.
2
-Fe3N
-Fe4NM
Difração de Raios X Convencional(Informação até 5 m)
Fases obtidas:
Fe3O4 (camada oxidada)
Fe4NFe3N (camada branca)
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Perfil de dureza
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Foto dos eixos para caixa de transmissões após da aplicação do processo Carbonitrox