Os benefícios das tecnologias por plasma para as empresas do Simecs

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, Brasil Plasmar Tecnologia Ltda., Caxias do Sul-RS, Brasil www.plasmartecnologia.com Os benefícios das tecnologias por plasma para as empresas do SIMECS

Por que tratar superf í cies por plasma ?

Proteger uma superficie

Resist ência ao desgaste Resist ência à corrosão Diminui ção do atrito Isolante t êrmico

M étodos Tradicionais Nitretação à gás (fase gasosa) Nitretação por sal fundido (fase líquida) M étodo Moderno Nitretação por Plasma (fase plasma)

Considera ções do processo por sais fundidos

Banho t ípico: 60-70 % (em peso) de sais de sódio

( Na 2 CO 3 , NaCN e NaCNO) e 40-30 % de sais de

potássio (KCN, K 2 CO 3 , KCNO e KCl).

Análise periódica do banho e troca a cada 3-4 meses.

Envelhecimento de 12 hr do banho a 570-590 o C.

Material devidamente limpo e desgordurado.

Baixo controle e pouca reprodutibilidade. Presen ça

da camada branca com alta rugosidade.

Considera ções do processo por sais fundidos Ambientais Alta toxicidade dos cianetos Responsabilidade social Leis regulament árias Custos Caras plantas de tratamentos de res íduos.

2 tecnologias Considera ções do processo a gás Potencial de N n ão controlado Forma ção da camada branca Potencial de N controlado Monitoramento constante do H K = P NH3 / P H2 Pode evitar a formação da camada branca

M étodo Moderno Nitreação por Plasma Pulsado ( DC-pulse )

Nitreta çã o: Cinética do processo NH 3 1) Fase Gasosa Gasosa N 2 + H 2 H 2 H 2 Plasma

Implantação Íons

N 2 3) Absorção 2NH 3 2) Transporte N H 5) Difusão 4) Dissociação 2NH N 2 3H 2 2H 2 2N H 2 2NH 2 N H 2) Difusão -V 0 H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O N N H H H

A Nitretação por plasma em ação Nitretação, Nitrocarbonetação e Oxidação por Plasma ( 1 ro no RS ). Capacidade de 1 tonelada.

Considera ções do processo por plasma

A possibilidade de uso de diferentes propor ções N 2 –H 2

permite um controle total da camada nitretada.

A gera ção 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 (300-570 o C).

As altas energias envolvidas nas esp écies 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.

Considera ções do processo por plasma

As condições de operação (vácuo) diminuem o consumo e custos envolvidos com os gases de processo.

Dadas as caracter ísticas da técnica , toda a planta de nitreta ção pode ser totalmente automatizadas por computador via PLC .

Versatilidade e combina ção de processos por plasma.

sputtering, nitretação + oxidação, nitretação + PECVD.

Plasma vs. Gás Plasma Gás Temperatura 300-570 0 C 520-540 0 C Ausência ou diminuição de rugosidade Incremento rugosidade Aplicável a todo tipo aço Não útil para aços de alta liga Fácil seleção da área não nitret á vel 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 N 2 , H 2 , 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,Fe 3 O 4 ) Custo inicial maior Mais baixo (em termos)

Aplica ções da nitretação por plasma

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

Ferramentas em a ço rápido ( shavers , fresas e brocas) (ex. aços M2, M35, M42)

Conforma ção em frio (trefiladoras) ( ex. aços D2, D3, D6) Engrenagens (ex. 4140) Conjunto Macho-Fêmea Para conformação de tubos sem costura Engrenagens para Copiadora tipo Xerox Engrenagens para caixa de transmissões do Corsa e Celta

Ferramenta: Cortador Shaver p/ engrenagens (Eaton Ltda., Valinhos e Mogi-Mirim-SP)

S ó temperado e revenido

N ão aceita PVD

Aço: M2 High Speed Steel Dureza Nucleo S  1/P   >1 S

Engrenagens do Corsa e Celta (GM) Ensaios de campo

Aplicação em ferramentas especiais de corte (geometria complexa para revestimento PVD) Brochas (até 2 metros de comprimento) Shavers (dentes profundos)

Ferramenta: matriz de forjado de autope ças (ThyssenKrupp, Campo Limpo Paulista-SP) Aço: H10 Hot Work Steel forja aneis Nitretação a sal Tratamiento convencional realizado pela ThyssenKrupp 9500 peças forjadas Nitretação a plasma Condição: sem camada branca (Plasma-LIITS) 21500 peças forjadas Aumento de 120 %

Ferramenta nitretada a sal Precipitados contínuos e largos DRX:  -Fe 2-3 N +  -Fe 4 N +  -Fe (N) SEM

DRX:  -Fe (N) Precipitados discontínous e finos 21500 peças forjadas Aumento de 120 % Ferramenta nitretada a plasma SEM

Objetivo: desenvolvimento do processo Carbonitrox Carbonitreta ção + pós-oxida ção atingindo a especificação do cliente Mo Ni Cr S P max. Si max. Mn C Aço 0,30-0,50 1,80-2,20 1,80-2,20 max.0,035 0,035 0,40 0,30-0,60 0,26-0,34 30CrNiMo8 Espessura da Camada Oxidada 1 - 3  m Espessura da Camada Branca 10 – 20  m Espessura da Camada de Difus ão 350 – 550  m Dureza de núcleo final 315 HV Rugosidade final Rz < = 3

Diagrama do processo Carbonitrox

Fatia do corpo de prova Microscopia Eletr ônica de Varredura

Fatia do corpo de prova Microscopia Eletr ônica de Varredura Camada branca Camada oxidada

Difração de Raios X Convencional (Informação até 5  m) Fases obtidas: Fe 3 O 4 (camada oxidada) Fe 4 N Fe 3 N (camada branca)

Perfil de dureza

Foto dos eixos para caixa de transmiss ões após da aplicação do processo Carbonitrox