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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 …

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).

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  • 1. “Revestimentos Protetores Obtidos a Plasma: Usos e Aplicações na Indústria Metal-Mecânica” Prof. Dr. Carlos A. Figueroa - cafiguer@ucs.br Laboratório de Engenharia de Superfícies e Tratamentos Térmicos Universidade 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 plasma Caxias do Sul-RS, Brasil - www.plasmartecnologia.com.br
  • 2. Engenharia de Superfícies Áreas do Áreas deconhecimento: aplicação: Nanotecnológica por Física definição: Metal-Mecânica Química Óptica Matemática Uma superfície é Microeletrônica Mecânica constituída de 2 Biomateriais Materiais dimensões Decoração macroscópicas e uma 3ra que está na ordem dos nanometros !
  • 3. Importância da Engenharia de Superfícies por Plasma Evolução do número de patentes mundiais. Palavras- chave: surface, plasma, engineering. Fonte: Derwent Innovations Index.
  • 4. Processos de engenharia de superfícies do tipo PVD (physical vapor deposition) http://www.youtube.com/watch?v=bevqI4b48rs
  • 5. Durezas comparativas de diversos materiais
  • 6. Tendência de uso no mundoProf. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,Alemanha (2002).
  • 7. Status geral do uso de revestimentos (2001) Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”, Alemanha (2002).
  • 8. Mercado dos revestimentos para ferramentas status 2001 USA Europa Ásia TiN TiCN AlTiN Outros Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”, Alemanha (2002).
  • 9. O que é Diamond-Like Carbon ? É um material composto de carbono do tipo sp3 e sp2 Diamante Grafite (lápis) C-sp3 C-sp2 Material natural Excelente lubrificante mais duro (10.000 HV) sólido
  • 10. PROPRIEDADES DO MATERIAL (DLC) Dureza (Vickers) 1.000-3.000 (ajustável) Temperatura do processo de 150°C deposição 0,1 – 0,01 (depende do conteúdo Coeficiente de atrito de H e lubrificante) Espessura do revestimento 0,001-10 µm Temperatura máxima de trabalho 500°C Quimicamente inerte: não reage Resistência química com ácido nem com álcali. Resistência elétrica 106-1012 ohm-cm (isolante) Acabamento do revestimento Idêntico ao substratoC. Donnet e A. Erdemir, Tribology of Diamond-Like Carbon Films, Ed. Springer (2008)
  • 11. Aonde se aplica DLC atualmente ? Cabeçote de leitura Motores de competição e superfície do HD Folhas para máquina de barbear Vidros: Leitora de código de barras
  • 12. Autopeças de alto atrito e candidatas a serem revestidas por DLC Eixo de comando de válvulas Tuchos Válvulas Pistão Anel de pistão Pino de pistão Virabrequim Outras candidatas: engrenagens, partes de bombas de fluídos e ar condicionado.
  • 13. Exemplos de usos e aplicações Revestimento: TiN Uso: revestimentos de brocas Aplicação: usinagem até 450oC Revestimento: AlTiN Uso: revestimentos de brocas Aplicação: usinagem até 900oC
  • 14. Propriedades químicas dos revestimentosToxi (TiN) ~ 600oC Toxi (AlTiN) ~ 900oC
  • 15. Revestimentos protetores nano-estruturados TiN-CNx(1) E daí??? TiN-CrN(2)(1) Z.-J. Liu et al., Thin Solid Films 479, 31 (2) C. Mendibide et al., Triboligy Letters 17, 779 (2005) (2004)
  • 16. Mecanismos de propagação de trincas nos revestimentos Monocamada Multicamada Caminho de propagaçãoCaminho de propagação não contínuo e mais extenso contínuo Maior vida do revestimento!
  • 17. Moldes e matrizes de conformação e injeção de alumínioConformação de metal Injeção de Al TiCN CrN ou AlCrN DLC TiN + MoS2
  • 18. 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)
  • 19. Aplicações: Revestimento de Si3N4 para usinagem a secoBroca 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.
  • 20. Tratamento Termo-Oxidativo (TTO)Si3N4 obtido por magnetron Tratamento com 18O2 sputtering Simula as condições de trabalho real 500oC 1000oC Temperaturas de 4 hora a 100 mbar
  • 21. Nanodureza antes e após TTO 23 22 D ureza (G Pa) 21 20 19 S e m TT 18 T T 5 00 o C 17 T T 1 000o C 16 0 1 00 2 00 300 400 5 00 oC ) T em pertura de D eposição (A dureza não muda após 4 h a 1000oC
  • 22. Perfil de oxigênio no revestimento 1000º C = 7-8 nm 500º C = 3-4 nm SiNxOy 1 00 P ad rão S iO 2 80 Te m p . Am b . TT 1 000o C D 300o C TT 1 000o C D 500o C TT 1 000o C Si3N41 8O (% ) 60 Te m p . Am b . TT 500o C 40 D 300o C TT 500o C D 500o C TT 500o C 20 Si 0 0 5 10 15 P rofu nd id ad e (nm ) Revestimento parcialmente oxidado e em seção transversal depositado sobre silício
  • 23. Atrito antes e após TTO D e p os ição a 25 o C 0,1 0 (a) 0,08 5 mNC o e fic ie n te d e Atrito 10mN 0,06 20 m N 5mN 110nm Comportamento aleatório antes do TTO 10mN 160nm 0,04 Si 0,02 Ve lo c id ad e : 1 µm /s 0,00 20mN S e m T ratam e n to T e rm o -O x id ativo 260nm 0 2 00 400 600 800 1 000 D e p os ição a 25 o C D is tâ n c ia (µm ) 0,1 4 Ve lo c id ad e : 1 µm /s (b ) O coeficiente de atrito diminui 9nm T T 1 000 o C 5 mN 0,1 2 pela formação da nanocamada 500nm 10mN C o e fic ie n te d e Atrito 0,1 0 20 m N de SiNxOy to 0,08 y 4 N 3N stra x SiO 0,06 Si O coeficiente de atrito aumenta com Sub 0,04 a força normal aplicada (após TTO a 0,02 1000oC) 0,00 0 2 00 400 600 800 1 000 D is tâ n c ia (µm )
  • 24. INFRAESTRUTURA DA UCS:3.Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV): morfologia eespessura do DLC.4.Difratômetro de raios-X: estrutura cristalina do DLC.5.Nanotribômetro: nanodureza do DLC. Revestimento DLC sobre aço MEV
  • 25. NanoDureza e módulo Célula de líquidos de elasticidade (Ex. lubrificante) NanoTribômetro Módulo de altatemperaura (até 550oC) NanoDesgaste e NanoScratch (Ex. Adesão e atrito)
  • 26. GD-OES Revestimento de ZrN sobre aço Análise química emfunção da profundidade
  • 27. 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
  • 28. O Plasma em Ação na Nitretadora Industrial