Tratamento Térmico

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Os tratamentos termoquímicos de superfície por descarga de plasma já são bem conhecidos como métodos para melhorar as propriedades superficiais, tais como desgaste e/ou resistência à corrosão. Devido à combinação entre a difusão e o processo de revestimento, os revestimentos duros alcançam um bom efeito de apoio, uma melhor ligação da camada e redução de trincas sub-superficiais. A visão geral apresentada abaixo ilustra as possibilidades dos processos assistidos por plasma.

s condições superficiais de-terminam as componentes de desgaste e característi-cas de corrosão dos mate-riais. Por meio de modifi-

cações da superfície as propriedades das peças podem ser substancialmente modi-ficadas em relação à resistência ao desgas-te, coeficiente de atrito, comportamento químico, resistência à corrosão e proprie-dades óticas e elétricas.

PLASTIT® - Nitretação a Plasma com Posterior Revestimento de PACVDA deposição química de vapor assistida por plasma (PACVD – Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) combina as vantagens de ambas as técnicas populares de revestimento – PVD e CVD – em tem-peraturas mais baixas. A temperatura de processo da deposi-ção química de vapor pode ser reduzida para temperaturas abaixo de 500°C pela ativação dos gases precursores do plasma pulsado. Isto permite que sejam preserva-das as propriedades microestruturais e do núcleo da peça em aços ligados e tempera-dos. Diferentemente do CVD convencio-nal, é possível uma deposição homogênea com PACVD, mesmo em peças com geo-

metrias complexas. No processo PACVD, os componentes que serão recobertos não precisam ser rotacionados mecanicamente já que ele não depende do ângulo de visão para produzir um revestimento uniforme. Além disso, o trabalho de carregamento e manipulação pode ser reduzido significan-temente. Outra vantagem é que a limpeza por meio de sputtering e o processo de ni-tretação podem ser realizados na mesma planta imediatamente antes do processo

de revestimento. O processo de nitretação gera uma camada de difusão enriquecida em nitrogênio que produz o efeito neces-sário de sustento para o revestimento fino e duro. Como mencionado, os parâmetros de processo da etapa de nitretação podem ser otimizados para todas as combina-ções de aço/revestimento.

Tecnologia dos FornosA figura 1 apresenta a planta de plas-ma MICROPULS® produzida pela Rü-

A

Visu

PC

PLC

Parâmetros de Processo

Generadorde Plasma

MICROPULS®

H2, N2, Ar, CH4

TiCl4, AlCl3, BCl3

Câmara de vácuo (ânodo)

Parede de aquecimento

Refrigerador

Peça de trabalho (catodo)

Fig. 1- Layout da planta RÜBIG PLASNIT®/PLASTIT®.

T. Muller, A. Gebeshuber, R. Kullmer, C. Lugmair – Rübig GmbH & Co. KG, Wels, ÁUSTRIA

S. PERLOT, M. STOIBER – MATERIALS CENTER, LEOBEN, ÁUSTRIA

Aumento da Resistência à Corrosão Combinando Nitretação e Revestimento a Plasma e Revestimento a Plasma

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big. Uma característica importante é que a carga é aquecida essencialmente por uma parede de aquecimento e não somente por plasma. Isto permite uma adaptação ótima dos parâmetros do pro-cesso de plasma independente da tempe-ratura do processo. Especialmente em produções em sé-rie, você precisa garantir uma excelen-te uniformidade de temperaturas para atingir um mínimo desvio nos resultados (dureza superficial, profundidade de ni-tretação, camada branca) dos seus pro-dutos. A nova geração de fornos para ni-tretação a plasma está equipada com três

zonas independentes para aquecimento e resfriamento. A diferença de tempera-turas devido ao carregamento em dife-rentes alturas do forno pode ser reduzida a menos de 5°C. Além disso, é possível instalar um ânodo interno para controle do resfriamento. Isto proporciona uma uniformidade de temperaturas excelen-te e, além disso, uniformiza os resulta-dos da nitretação produzindo uma alta reprodutibilidade. A distribuição dos termopares, de quatro a seis, por todo o forno é uma garantia de uma excelente uniformidade de temperaturas que ainda pode ser documentada.

A tensão do plasma é aplicada na forma de pulsos retangulares com uma freqüên-cia da ordem de 50 kHz. São possíveis pulsos de polaridade positiva e negativa. Na eventualidade de formação de arcos, a voltagem é desconectada em menos de um micro-segundo de forma a prevenir danos à peça de trabalho. Os termopares podem ser colocados diretamente nas peças de trabalho de forma a se ter uma isolação especial amplificada. Devido à capacidade do gerador de plasma MICROPULS®, é possível se tra-tar peças com geometrias muito comple-xas utilizando-se da tecnologia bipolar. Esta tecnologia agüenta a velocidade de ignição do plasma, permitindo o trata-mento/revestimento de pequenos vazios e buracos (Fig. 2).

PACVD – Revestimentos Duros para Aplicações IndustriaisO aumento da vida útil de ferramentas é um dos objetivos mais importantes para os produtores e usuários de ferramentas. A tarefa da engenharia de superfícies é entender o carregamento complexo e as condições de desgaste nos parâmetros de trabalho, de modo à desenvolver medidas quantitativas destes parâmetros. A técnica PACVD é bastante adequa-da para a deposição de revestimentos du-ros tanto em matrizes e moldes grandes quanto em ferramentas pequenas. O objetivo deste estudo é apresentar e discutir os resultados obtidos com os di-ferentes processos de revestimento duro de PACVD PLASTIT® para a deposição de TiN, Ti(C,N), Ti(B,N) e (Ti-Al)N em aplicações industriais.

Técnicas antigas de deposiçãoOs problemas relacionados com as anti-gas técnicas de deposição industriais para moldes e matrizes são as seguintes:• Elevadoscustosparamatrizeseoriscoinerente de dano com o manuseio;• Arotaçãodemoldesgrandesepesadosé de difícil a impossível no processo PVD;• Influências negativas das partículasde erosão na adesão do revestimento por PVD;

Fig. 2 – Exemplo de ignição com e sem a tecnologia bipolar: esquerda – 80µs, modo unipolar; direita – 80µs no modo bipolar.

50,000

40,000

30,000

20,000

10,000

0 Tenifer TiN TiCN

Núm

ero

de d

ispa

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Tratamento de superfície

Fig. 3 – Número de disparos atingidos em uma matriz de fundição de alumínio sob pressão para pinos centrais com diferentes tratamentos superficiais.

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• Abaixadurezadosubstrato(de29a48HRC)easaltastem-peraturas necessárias para os processos de PVD e CVD resul-tam em uma peça com suporte insuficiente para o revestimento duro;• Problemas associados com a adesão da camada de revesti-mento devido a desgaseificação residual durante o processo de revestimento.

Soluções com o recobrimento duro de PACVDOs revestimentos com PACVD resolvem os problemas ocorri-dos anteriormente:• Nãoháriscodeperdadaspropriedadesdonúcleodevidoàbaixatemperaturaderevestimentoentre480e510°C;• Aspressõespositivasdeoperaçãonafaixademilibaresper-mitem o revestimento de ferramentas grandes e pesadas sem a necessidade de rotação das mesmas;• É possível um pré-tratamento por bombardeamento iônico(sputtering) e ataque por plasma para que suportem a adesão da nitretação, no mesmo ciclo do processo;• Aspressõesmaisaltasdeoperaçãopermitemtemposmeno-res para retirada das peças, devido à desgaseificação.

Conclusões em relação ao PACVDOs benefícios dos processos PACVD são:• Temperaturas de processomais baixas quando comparadasao CVD;• A possibilidade de combinar métodos de pré-tratamentocomo a limpeza por sputtering e o ataque químico, seguidos por tratamentosdenitretaçãoiônicaaplasmaeentãorevestimentopor PACVD em uma mesma câmara, e em uma mesma batela-da;• A habilidade de revestir grandes ferramentas tridimensio-nais sem a necessidade de rotacionar as peças que serão trata-das;• A deposição de um novo revestimentoduro a base de TiN, com baixo coeficiente de atrito, com baixa quantidade de cloro.

Exemplos Práticos para o Desen-volvimento de Revestimentos

Matrizes para Fundição de Alumínio sob Pressão

Nas matrizes para fundição de alumínio, o revestimento duro tem primariamente a função de reduzir a erosão, a corrosão e a soldagem, devido ao ataque químico do alumínio líquido. Para se atingir o ótimo desempenho da ferramenta é necessário que sejam otimizadas cuidadosamente as condições de adesão, dureza, comporta-mento de soldagem, resistência a corrosão

e estado de tensões antes da realização do revestimento. O fim da vida útil da matriz é determinada pela alta soldagem de alu-mínio ou pela qualidade superficial insuficiente do fundido. A Fig. 3 ilustra a diferença no desempenho do molde com três tratamentos superficiais diferentes. O molde tratado pelo processo Tenifer® foi avaliado após o uso por 8.500 vezes, e,após 50.000 vezes a rugosidade era superior a 10 µm. Por outro lado, o molde revestido pelo process PLASTIT® Ti(C,N), ape-sar de a princípio apresentar uma soldagem maior, ele suportou 45.000peçasseminterrupção.Após65.000peçasomoldefoire-revestido,eonúmerototaldepeçasfoide160.000.

Moldes para Injeção de Plástico

Nos moldes para injeção de plásticos o desgaste ocorre devido a corrosão causada pelos gases expelidos ou produtos da decomposi-ção, a abrasão proveniente do fluxo de materiais em contato com a superfície das ferramentas e a adesão entre a superfície da ferra-menta e o material fundido. Uma aplicação industrial na qual o acabamento superficial é fundamental é a produção de refletores para faróis automotivos, por exemplo, feitos de polieterimida (PEI, ULTEM® 1010). A figu-ra4mostraummoldedeinjeçãofeitocomoaçoparatrabalhoaquente ESR H-13. Sem revestimento, o molde precisa ser re-polido manualmente após poucas horas de operação. Após o revestimen-

Fig. 4 – Molde para injeção para refl etores automotivos

Fig. 5 – Setup da ferramenta para conformação do metal

Fig. 6 - Determinações tribológicas de um PACVD TiN contra um aço não-ligado

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 200 400 600 800 1000

Coefi

cie

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trito

Distância de deslizamento, m

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to com PLASTIT® Ti(C,N), a tendência a adesão foi reduzida significantemente. A vida em serviço sem polimento aumentou para mais de uma semana, resultando em uma redução de custo significativa devido a redução do polimento, da produção de sucatas e manutenção.

Matriz de estampagem de chapasNa estampagem de chapas metálicas, os principais mecanismos de falha identi-ficados são:• Desgaste adesivodevido as altas car-gas de trabalho a frio aplicadas as partí-culas de desgaste (debris) altamente en-durecidas por deformação na superfície de trabalho da ferramenta• Fadiga mecânica devido ao carrega-mento cíclico, resultante em tensão de tração

A ferramenta da Figura 5, um aço ferra-menta AISI A11 não-revestido, foi lubri-ficada a cada 20 golpes. Após 2.000 pe-ças, era necessário desmontá-la e refazer o polimento. Após o revestimento com baixo coeficiente de atrito de PACVD Ti(C,N), as ferramentas passaram a ser lubrificadas a cada 50 golpes, e passou-seaproduzir26.000peçassemnenhumalimpeza até que o teste foi paralisado, tendo atingido a quantidade de produ-ção desejada.Os resultados dos ensaios tribológicos (Fig. 6)mostram valores de coeficientede atrito muito baixos para os revesti-mentos de TiN e Ti(C,N). Este é o co-eficiente de atrito de uma esfera de aço não-ligado deslizando contra um disco revestido com TiN pelo processo PA-

CVD (carga normal de 2N; velocidade de deslizamento de 10 cm/s; umidade re-lativa de 35%).

Novos desenvolvimentosCom o revestimento multicamada PA-CVD TiB2, as camada são especialmen-te perceptíveis porque elas não somente elevam a dureza, mas também apresen-tam uma microestrutura incrivelmen-te fina. Estas camadas são comumente aplicadas a revestimentos multicamadas. Isto significa que duas ou mais camadas são alternativamente aplicadas, as quais melhoram a rigidez, a dureza e os gra-dientes de tensões residuais. A figura 7 apresenta a seção de uma peça que foi revestida com a técnica multicamada. Neste exemplo, uma ca-mada de TiN e uma camada de TiB2 foram aplicadas alternadamente, sendo cada camada individual com espessura inferior a 2µm. Os novos sistemas de revestimento estão produzindo camadas na escala nanométrica. Dependendo da

espessura da camada e do teor de boro, a resistência ao desgaste abrasivo altera-se significativamente(fig.9).

SumárioAs possibilidades nos tratamentos de super-fície por plasma assistido são grandes. Eles são conhecidos e podem ser considerados técnicas padrão. O processo PASTIT, o qual combina PAVCD com nitretação à plasma é um processo relativamente novo que tem sido comercializado com sucesso pela Rübig há sete anos. Mais de 15 plantas de PACVD estão em operação nos EUA, Ásia, Canadá e Europa. O intercâmbio de experiências é feito por um encontro entre os usuários. As ferramentas grandes e complexas para forjamento, estampagem e moldagem por injeção têm se mostrado ideais para este processo. Adicionalmente, as resistências à corrosão e desgaste por deslizamento tem sido significativamente melhoradas com um simples pós-tratamento para oxidação (PLASOX®) após o processo de nitrocarbu-ração. IH

Para mais informações, contate: Industrial Heating Equipamentos e Componentes Ltda.R. Angelino Ferreira Vinagre, 81 Jd. São Francisco CEP: 13181-080 Sumaré, SP - Brasil Fone: (19) 3854-6699 Fax: (19) 3854-6700 e-mail: rubig@industrialheating.com.brwww.industrialheating.com.br

1521

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Em n

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Fig. 8 – EELS (espectroscopia de perda de energia de elétron) da multicamada TiN/Ti (B,N)Fig. 7 – Revestimento Multicamadas

Fig. 9 – Ensaio pino contra disco em 3D.

1.9 mm 1.9 mm 1.9 mm

2.5

µm

2.5

µm

2.5

µm

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0.80.60.40.20.0

0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Distância, km

2x camadasx camadas 8x camadas