“Revestimentos Protetores Obtidos a Plasma: Usos eAplicações na Indústria Metal-Mecânica”

Prof. Dr. Carlos A. Figueroa - cafiguer@ucs.br

Laboratório de Engenharia de Superfícies e Tratamentos TérmicosUniversidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul-RS, Brasil

Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies (Seção Caxias do Sul)

Plasmar Tecnologia - Equipamentos e processos de modificação de superfícies por plasmaCaxias do Sul-RS, Brasil - www.plasmartecnologia.com.br

Engenharia de

Superfícies

Áreas do conhecimento:

FísicaQuímica

MatemáticaMecânicaMateriais

Nanotecnológica por definição:

Uma superfície é constituída de 2

dimensões macroscópicas e uma 3ra que está na ordem

dos nanometros !

Áreas de aplicação:

Metal-MecânicaÓptica

MicroeletrônicaBiomateriaisDecoração

Evolução do número de patentes mundiais. Palavras-chave: surface, plasma, engineering. Fonte: Derwent Innovations Index.

Importância da Engenharia de Superfícies por Plasma

Processos de engenharia de superfícies do tipo PVD (physical vapor deposition)

http://www.youtube.com/watch?v=bevqI4b48rs

Durezas comparativas de diversos materiais

Tendência de uso no mundo

Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,Alemanha (2002).

Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,Alemanha (2002).

Status geral do uso de revestimentos (2001)

OutrosAlTiNTiCNTiN

Mercado dos revestimentos para ferramentasstatus 2001

USA Europa Ásia

Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,Alemanha (2002).

O que é Diamond-Like Carbon ?

É um material composto de carbono do tipo sp3 e sp2

Diamante

C-sp3

Material natural mais duro (10.000 HV)

Grafite (lápis)

C-sp2

Excelente lubrificante sólido

PROPRIEDADES DO MATERIAL (DLC)

Dureza (Vickers) 1.000-3.000 (ajustável)

Temperatura do processo de deposição 150°C

Coeficiente de atrito 0,1 – 0,01 (depende do conteúdo de H e lubrificante)

Espessura do revestimento 0,001-10 µm

Temperatura máxima de trabalho 500°C

Resistência química Quimicamente inerte: não reage com ácido nem com álcali.

Resistência elétrica 106-1012 ohm-cm (isolante)

Acabamento do revestimento Idêntico ao substrato

C. Donnet e A. Erdemir, Tribology of Diamond-Like Carbon Films, Ed. Springer (2008)

Aonde se aplica DLC atualmente ?

Cabeçote de leitura e superfície do HD

Motores de competição

Folhas para máquina de barbear

Vidros:Leitora de código

de barras

Tuchos

Válvulas

Virabrequim

Eixo de comando de válvulas

Pistão

Anel de pistão

Pino de pistão

Autopeças de alto atrito e candidatas a serem revestidas por DLC

Outras candidatas: engrenagens, partes de bombas de fluídos e ar condicionado.

Revestimento: TiNUso: revestimentos de brocas

Aplicação: usinagem até 450oC

Exemplos de usos e aplicações

Revestimento: AlTiNUso: revestimentos de brocas

Aplicação: usinagem até 900oC

Propriedades químicas dos revestimentos

Toxi (TiN) ~ 600oC Toxi (AlTiN) ~ 900oC

(1) Z.-J. Liu et al., Thin Solid Films 479, 31 (2005)

Revestimentos protetores nano-estruturados

TiN-CNx(1) TiN-CrN(2)

(2) C. Mendibide et al., Triboligy Letters 17, 779 (2004)

E daí???

Mecanismos de propagação de trincasnos revestimentos

Monocamada Multicamada

Caminho de propagação contínuo

Caminho de propagação não contínuo e mais extenso

Maior vida do revestimento!

Moldes e matrizes de conformação e injeção de alumínio

Injeção de Al

CrN ou AlCrN

Conformação de metal

TiCNDLC

TiN + MoS2

Processos duplex e propriedades mecânicas

O gradiente de dureza suave melhora a vida do revestimento (trincas e desplacamento)(1)

(1) A. R. Franco Jr., tese de doutorado, Escola Politécnica da USP (2003)

Aplicações: Revestimento de Si3N4 para usinagem a seco

Broca com revestimento protetor para usinagem a seco

No caso do Si3N4, ainda não existe uma explicação do mecanismo de

ação.

Atualmente na UCS e dentro das atividades do INES, estamos pesquisando esse sistema.

Tratamento Termo-Oxidativo (TTO)

Si3N4 obtido por magnetronsputtering

Si3N4 obtido por magnetronsputtering

Tratamento com 18O2Tratamento com 18O2

4 hora a 100 mbar4 hora a 100 mbarTemperaturas deTemperaturas de

500oC500oC 1000oC1000oC

Simula as condições de trabalho real

Simula as condições de trabalho real

0 100 200 300 400 50016

17

18

19

20

21

22

23

Sem TT

TT 500oC

TT 1000oC

Du

reza (

GP

a)

T empertura de Deposição (oC )

Nanodureza antes e após TTO

A dureza não muda após 4 h a 1000oC

0 5 10 150

20

40

60

80

100 Padrão SiO2

Temp. Amb. TT 1000oC

D300oC TT 1000oC

D500oC TT 1000oC

Temp. Amb. TT 500oC

D300oC TT 500oC

D500oC TT 500oC

18

O (

%)

Profundidade (nm)

Perfil de oxigênio no revestimento

Si

Si3N4

SiNxOy

Revestimento parcialmente oxidado e em seção transversal depositado

sobre silício

1000º C = 7-8 nm

500º C = 3-4 nm

Atrito antes e após TTO

0 200 400 600 800 10000,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10(a)

5 mN 10 mN 20 mN

Coe

ficie

nte

de A

trito

Distância (m)

Velocidade: 1m/sSem Tratamento Termo-Oxidativo

Deposição a 25oC

Comportamento aleatório antes do TTO

0 200 400 600 800 1000

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14 (b)Deposição a 25oC

Velocidade: 1m/s

TT 1000oC 5 mN 10 mN 20 mN

Coe

ficie

nte

de A

trito

Distância (m)

O coeficiente de atrito aumenta coma força normal aplicada (após TTO a

1000oC)

O coeficiente de atrito diminui pela formação da nanocamada

de SiNxOy

Si

SiO

xN y

Si 3N 4

9nm

500nm

Subs

trato

260nm

5mN

10mN

20mN

160nm

110nm

INFRAESTRUTURA DA UCS:

1.Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV): morfologia e espessura do DLC.2.Difratômetro de raios-X: estrutura cristalina do DLC.3.Nanotribômetro: nanodureza do DLC.

Revestimento DLC sobre aço MEV

NanoTribômetro

NanoDureza e módulode elasticidade

Célula de líquidos(Ex. lubrificante)

NanoDesgaste eNanoScratch

(Ex. Adesão e atrito)

Módulo de alta temperaura (até 550oC)

GD-OES

Análise química emfunção da profundidade

Revestimento de ZrNsobre aço

Engenharia de superfícies – do Laboratório à Indústria

Empresa de base tecnológica incubada na ITEC(nasceu no LESTT da UCS)

Reator da Plasmar (1ro no RS) – 1 ton Peças recebendo tratamento

O Plasma em Ação na Nitretadora Industrial