revestimentos protetores obtidos a plasma na indústria metal-mecânica
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Palestra apresentada pelo prof. Carlos A. Figueroa (seção UCS do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies) para cerca de 25 supervisores e gerentes de diversas unidades do grupo Randon, no dia 22 de março de 2012, nas instalações da Randon (Caxias do Sul).TRANSCRIPT
“Revestimentos Protetores Obtidos a Plasma: Usos eAplicações na Indústria Metal-Mecânica”
Prof. Dr. Carlos A. Figueroa - [email protected]
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