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).

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Revestimentos Protetores Obtidos a Plasma na Indústria Metal-Mecânica

  1. 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. 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. 3. Importância da Engenharia de Superfícies por Plasma Evolução do número de patentes mundiais. Palavras- chave: surface, plasma, engineering. Fonte: Derwent Innovations Index.
  4. 4. Processos de engenharia de superfícies do tipo PVD (physical vapor deposition) http://www.youtube.com/watch?v=bevqI4b48rs
  5. 5. Durezas comparativas de diversos materiais
  6. 6. Tendência de uso no mundoProf. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,Alemanha (2002).
  7. 7. Status geral do uso de revestimentos (2001) Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”, Alemanha (2002).
  8. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 14. Propriedades químicas dos revestimentosToxi (TiN) ~ 600oC Toxi (AlTiN) ~ 900oC
  15. 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. 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. 17. Moldes e matrizes de conformação e injeção de alumínioConformação de metal Injeção de Al TiCN CrN ou AlCrN DLC TiN + MoS2
  18. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 26. GD-OES Revestimento de ZrN sobre aço Análise química emfunção da profundidade
  27. 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. 28. O Plasma em Ação na Nitretadora Industrial

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