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

Por que tratar superfícies por plasma ?

• Proteger uma superficie

Resistência ao desgaste

Resistência à corrosão

Diminuição do atrito

Isolante têrmico

Métodos Tradicionais

Nitretação à gás (fase gasosa)Nitretação por sal fundido (fase líquida)

Método Moderno

Nitretação por Plasma (fase plasma)

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.

Considerações do processo por sais fundidos

Ambientais

Alta toxicidade dos cianetos

Responsabilidade social

Leis regulamentárias

Custos

Caras plantas de tratamentos de resíduos.

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

Método Moderno

Nitreação por Plasma Pulsado(DC-pulse)

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

A Nitretação por plasma em açãoNitretação, Nitrocarbonetação e Oxidação por Plasma (1ro no RS).

Capacidade de 1 tonelada.

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.

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.

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

Aplicações 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 aço rápido(shavers, fresas e brocas)(ex. aços M2, M35, M42)

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

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

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

Aplicação em ferramentas especiais de corte(geometria complexa para revestimento PVD)

Brochas (até 2 metros decomprimento)

Shavers (dentes profundos)

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

Ferramenta nitretada a sal

Precipitados contínuos e largos

DRX: -Fe2-3N + -Fe4N + -Fe (N)

SEM

DRX: -Fe (N)

Precipitados discontínous e finos

21500 peças forjadasAumento de 120 %

Ferramenta nitretada a plasma

SEM

  

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

Diagrama do processo Carbonitrox

Fatia do corpo de prova

Microscopia Eletrônica de Varredura

Fatia do corpo de prova

Microscopia Eletrônica de Varredura

Camada branca

Camada oxidada

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)

Perfil de dureza

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