O documento discute processos de engenharia de superfícies, como cementação, nitretação e revestimentos. Apresenta diferentes métodos para modificar propriedades superficiais, como PVD, CVD e plasma, e seus efeitos na performance de materiais. Também aborda aplicações como ferramentas de corte, implantes médicos e dispositivos eletrônicos.

1. 1
Revestimentos protetores
João Henrique Corrêa de Souza
Henara Costa

2. 2
INTERAÇÕES SUPERFICIAIS
CONTROLAM E GOVERNAM O
FUNCIONAMENTO DE
PRATICAMENTE TODO
DISPOSITIVO DESENVOLVIDO
PELO HOMEM
De Mello, J.D.B. et al, Oportunidades Econômicas para Materiais Avançados na Tribologia.. In: Centro de Gestão e Estudos Estratégidos.
(Org.). Materiais Avançados 2010-2022. Brasilia DF: MCT, 2010, v. 1, p. 335-360

3. 3
O QUE É ENGENHARIA DE SUPERFÍCIES?
•1970’s: Surface Engineering Society, Welding Institute em
Abington
•1970: Wolfson Institute for Surface Engineering, Universidade de
Birmingham
INTRODUCAO
1) Processos de fabricação de camadas
superficiais e revestimentos
2) Fenômenos associados
3)Efeitos na performance

4. 4
INTRODUCAO

5. 5
• Projeto ou condições de serviço
inadequadas: 15% do tempo de parada
devido a falhas
• Fabricação inadequada das camadas
superficiais: 85%
• Redução de perdas por desgaste e
corrosão
• Redução do consumo de energia
• Redução da poluição ambiental
INTRODUCAO

6. 6
REVESTIMENTOS
MODIFICAÇÕES
SUPERFICIAIS
INTRODUCAO

7. 7

8. 8

9. 9
Revestimentos duros
Fig. 2.21, livro Holmberg

10. 10

11. 11

12. 12
Cerâmicos
• Normalmente, materiais cerâmicos podem ser utilizados como
revestimentos finos em substrato de outros materiais, como é o caso
TiN e o diamante, que possuem propriedades tribológicas atraentes.
Material Cerâmico
(ligação iônica e/ou covalente)
Fluxo plástico à temperatura ambiente
Ductilidade se comparado aos metais
N° de sistemas independentes para
movimentação de discordâncias; < 5
Material frágil que pode romper por
clivagem
Densidade de discordâncias
O contato entre os cerâmicos é mais
provável ser elástico
Crescimento de junções

13. 13
Métodos de deposição no
estado gasoso
PVD – Physical Vapour
Deposition
CVD – Chemical Vapour
Deposition

14. 14
Insertos de ferramentas de usinagem

15. 15

16. 16
Quinto, D.T. 1996. Technology perspective on CVD and PVD coated metal-cutting tools. International
Journal of Refractory Metals and Hard Materials, v.14, n.1-3, p.7-20.

17. 17
Dureza a quente

18. 18
KOMANDURI, R. Machining And Grinding: A Historical Review Of The Classical Papers. In:
Symposium On US Contributions To Machining & Grinding Research In The 20th Century, 5, 1993.
Oklahoma State University. p.81-132

19. 19
Ferramentas de conformação

20. 20

21. 21
Revestimentos de diamante
• Mais alta dureza
• Mais baixo coeficiente de expansão
térmica
• Inerte quimicamente
• Baixo atrito
• Alta condutividade térmica
• Isolante elétrico
• Oticamente transparente do UV ao IR

22. 22
DLC (diamond-like carbon)
• Materiais carbonosos, sintetizados como filmes
finos, para aplicação como lubrificantes sólidos
• Geralmente possui estrutura amorfa e
propriedades semicondutoras
Diamante Grafite Rara
NC=3
4o e no orbital pp
NC = 4

23. 23
DLC (Diamondlike Carbon)
• Os DLC’s podem ser divididos em três categorias estreitamente
relacionadas (DECHANDT, 2005).
1. Amorfos Hidrogenados (a-C:H), contendo menos de 50% de
ligações sp3 com uma pequena porcentagem de hidrogênio;
2. Amorfos Tetraédricos não Hidrogenados (ta-C), contendo alta
porcentagem de ligações sp3 (>70%) e um teor mínimo de
hidrogênio;
3. Amorfos Tetraédricos Hidrogenados (ta-C:H), contém menos do
que 70% de ligações sp3.

24. 24
DLC (Diamondlike Carbon)
Diagrama de fase ternário do carbono amorfo. Os três vértices correspondem ao diamante, grafite
e hidrocarbonetos, respectivamente (FERRARI, 1999).

25. 25
DLC (Diamondlike Carbon)
O DLC é altamente sistêmico:
• Assim como o grafite o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste é
fortemente influenciada pelo ambiente onde o DLC se encontra.
• Os filmes de DLC apresentam coeficiente de atrito entre 0,001 - 0,7,
Maior faixa de μ apresentada entre os lubrificantes sólidos
(ERDEMIR, 2001).

26. 26
Chemical Vapour Deposition
(CVD)
•Constituintes químicos reagem com fase vapor próxima
ao substrato aquecido para formar filmes finos ou pó

27. 27

28. 28
Passos fundamentais em CVD
1. Transporte de reactantes para a região de deposição
2. Transporte de reactantes do fluxo de gás principal através da camada
superficial
3. Adsorção de reactantes na superfície
4. Reações superficiais, incluindo decomposição química, migração
superficial para os pontos de ancoramento e outras reações superficiais,
como redeposição e emissão
5. Desorpção de sub-produtos
6. Transporte de sub-produtos através da camada superficial
7. Transporte de sub-produtos para fora da região de deposição

29. 29
Nucleação de cristais de
diamante sobre Ni
Filme de diamante CVD sobre
silício

30. 30
Utlização de CVD na indústria de
semicondutores

31. 31
• PE CVD (plasma enhanced)
• LA CVD (Laser-assisted CVD)
• MOCVD (metal-orgânico CVD)
Tipos de CVD

32. 32
Tensões internas em revestimentos CVD

33. 33
PECVD
-↓↓ Tdeposição (~300oC)
-↑ frequência (~14 MHz):
deposição de filmes isolantes

34. 34
CVD assistido por laser

35. 35
CVD assistido por laser
Possibilidade de “direct writing”

36. 36
Physical Vapor Deposition (PVD)
• Vaporização ou atomização do material a ser
depositado
• Alvo
• Aquecimento (Evaporação térmica) ou por
sputtering
• Formação de um revestimento (cerâmico)
fino de alta resistência mecânica e química

37. 37
(DLC) Coated Optical Disc (80mm) Mold Insert
(TiN) Coated Cell Phone Mold Insert
TiN Coated medical instruments
(TiN) Coated Shoulder Implant
Revestimentos PVD - exemplos

38. 38
Revestimentos PVD decorativos
Torneiras de banheiros

39. 39
Tipos de atomização em PVD

40. 40
PVD - evaporação térmica

41. 41
PVD - Sputtering
W= kV i
PTd
-V voltagem
-i corrente de descarga
- d, anode-cathode distance
- PT, gas pressure
- k proportionality constant
Transferência de momento
•Átomos de gás inerte (Ar) em
plasma
•Íons são acelerados sobre um
alvo por um elevado campo
elétrico
•Átomos do alvo são
arrancados (sputtering)
•Estes átomos atingem o
substrato

42. 42
PVD - Sputtering
•Ar: vácuo 10-1 a 10-2 Pa
•Gases reativos também podem ser usados (O, N)
•Ex.: TiN, CrN, AlN, TiON
•Após deposição: amostra–, atrair íons Ar (bombardeamento iônico)

43. 43
GLAD multicamadas

44. 44
Tipos de PVD

45. 45
Plasma-assisted PVD (PAPVD)
•Pressão reduzida
•Ar
•Amostra: eletrodo-
•Inicialmente: Limpeza por sputter pelos ions Ar
•Em seguida: atomização do metal a ser depositado
•Ionização: atingem o substrato com considerável energia

46. 46
Mecanismos em PAPVD
Desorbção de gases
Mecanismo de sputtering:
•Limpeza da superfície
•Formação de pseudo-camda de difusão
•Redistribuição contínua dos átomos durante crescimento
Emissão de elétrons secundários e retroespalhados
Implantação iônica
Formação de compostos
Modificações superficiais (microestruturais,
mecânicas, químicas, topografia)

47. 47
Design microestrutural de revestimentos PVD
modernos

48. 48

49. 49
PVD x CVD

50. 50
PVD x CVD
Rugosidade dos revestimentos CVD é maior
PVD é mais flexível em termos de materiais de revestimento
Adesividade do revestimento CVD é maior (ligação por difusão)
Facilidade em revestir superfícis 3D.

51. 51
Endurecimentos
superficiais por difusão

52. 52
Cementação
Nitretação
Carbonitretação
Boretação
*Elementos de pequeno número atômico

53. 53
Comparação entre processos de modificação superficial

54. 54
5
Difusão substitucional
• aplica-se a impurezas substitucionais
• átomos trocam de lugar com lacunas
• A taxa de difusão depende de:
--número de lacunas
--frequência de saltos
MECANISMOS DE DIFUSÃO

55. 55
7
• Aplica-se a impurezas
intersticiais.
• Mais rápida que a difusão por
lacunas.
•Salto intersticial em uma estrutura
CCC.
DIFUSÃO INTERSTICIAL

56. 56
Cementação
2CO (C) + CO2
CH4 (C) + 2H2





57. 57
Cementação – Diagrama Fe-C

58. 58
Cementação - fases do Fe

59. 59

60. 60
Profundidade da camada cementada
A profundidade da camada
cementada depende:
• Do tempo
• Da Temperatura
• Da % inicial de C
• Natureza do gás de carbonetação
ou do agente carbonetante
• Velocidade do fluxo do gás (se
for o caso)

61. 61
Por que a cementação é feita no estado austenítico?

62. 62
Cementação – microestrutura dos aços cementados
(Mn, Cr)
(Mn, Cr, Ni, Mo)

63. 63
Destacamento da camada: difusão C
Temperatura
Elemento de liga: Mn
Fragilidade da superfície: Fe3C
Pontos Moles: óxidos
Oxidação intergranular: processo
Defeitos têmpera: trincas/distorção
Proteção de zonas que não se deseja endurecer
Cementação – Defeitos

64. 64
Rede de carbonetos - 20MnCr5
Reagente: picral
Profundidade de cementação: 1.2 mm
Matriz martensítica com rede de carbonetos
grosseira
Reagente: Nital
Trinca de têmpera intergranular
Cementação – Defeitos

65. 65
Aços utilizados em cementação

66. 66
Cementação sólida ou em
caixa
Cementação líquida
Cementação gasosa
Cementação a plasma

67. 67
Cementação em caixa

68. 68
Cementação em caixa
Possibilidade de ser realizada em uma grande
variedade de fornos;
Mais adequado para peças que são resfriadas
lentamente a partir da temperatura de cementação
Oferece uma série de técnicas de isolamento de
componentes submetidos à cementação seletiva.
Mais lento que cementação líquida e gasosa;
Não adequada para a realização de têmpera direta
Não adequada camadas finas e/ou com tolerâncias
estreitas
Exige maior trabalho manual para montagem e
desmontagem do aparato.

69. 69
Cementação gasosa

70. 70
 É o mais importante processo de cementação industrial.
Atmosfera gasosa (forno): hidrocarbonetos (metano,
propano e butano) ou hidrocarbonetos líquidos vaporizados.
Mistura carbonetante permanece estável
Melhor controle da %C e da camada cementada.
Facilita a cementação de peças delicadas
Evita a oxidação
Permite têmpera direta após cementação
Processo é limpo
Menores deformações
Cementação gasosa

71. 71
Cementação líquida

72. 72
Cementação líquida

73. 73
Ciclos curtos: ↑ velocidade de aquecimento
(simultaneamente, condução, convecção e radiação)
2 categorias de banhos:
Banhos de baixa temperatura – 845 a 900°C,
para profundidades entre 0,13 a 0,25 mm.
Banhos de alta temperatura - 900ºC a 955ºC.
para profundidades entre 0,5 mm e 3,0 mm.
Cementação líquida

74. 74
Melhora o controle da camada cementada
Camada cementada mais homogênea
Facilita a operação
Aumenta a velocidade do processo
Possibilita operações contínuas em produção seriada
Dá proteção quanto à oxidação e descarbonetação
Facilidade de manuseio das peças (uso de ganchos,
ou cestas)
Cementação líquida - Vantagens

75. 75
A exaustão dos fornos deve ser permanente: gases
tóxicos: desprendimento de ácido cianídrico
Necessidade de limpeza das peças
Neutralização dos banhos após um determinado
período de operação
Cementação líquida - Desvantagens

76. 76
Nitretação

77. 77
Nitretação

78. 78
Nitretação

79. 79
Camada nitretada

80. 80
Camada nitretada

81. 81
Aços usados em nitretação

82. 82
Nitretação gasosa

83. 83
Nitretação gasosa

84. 84
Nitretação gasosa

85. 85
Nitretação a plasma
•Inicialmente: vácuo até 10-2 torr
•Em seguida: H2 até 1mbar

86. 86
Nitretação a plasma

87. 87
Nitretação a plasma

88. 88
Nitretação a plasma

89. 89
Nitretação a plasma

90. 90
Nitretação a plasma
-Solução sólida intersticial (N < 0,4 wt%) –dureza
levemente superior a matriz.
-ultrapassado o limite de solubilidade: precipitação
de nitretos finos e coerentes.
-Nitretos de EL: são tão finos que não podem ser
visualizados metalograficamente.

91. 91
Vantagens da nitretação a plasma

92. 92
Carbonitretação

93. 93
Carbonitretação

94. 94
Boretação
•Revestimento resistente ao desgaste
•Temperatura de processamento: 850-1000°C.
•Espessura de difusão: 30-300 microns (Fe2B)
•Dureza superficial: 1800 a 2200 Vickers
•Resistente a altas temperaturas
•Resistente à corrosão em ácidos não óxidos e alcalinos
•Aplicável a todas as ligas ferrosas

95. 95
•FeB: ortorrômibico (mais externa)
•Fe2B: TCC (mais interna)
• ↑Diferença entre αTCC e αOrtorrômbico : ↑tensões
residuais
•Formação preferencial de Fe2B !!!
Boretação em aços

96. 96
Boretação
Estrutura colunar Fe2B:
grande adesividade

97. 97
Boretação em caixa
Meio granulado:
• B4C
• Diluente inerte (e.g.: SiC. Al2O3)
• Ativador: KBF4
Boretação líquida
Banhos de sais fundidos
Boretação gasosa
Gas: BCl3

98. 98
Ex.: Desgaste de aço ferramenta boretado
dos S. de Almeida, E.A., Milan, J.C.G., Costa, H.L., Krelling, A.P., da Costa, C.E., 2018.
Sliding wear of borided sintered AISI M2 steel coated with AlTiN/CrN multilayer. Wear 410-
411, 11-24.

99. 99
Ex.: Desgaste de aço ferramenta boretado
dos S. de Almeida, E.A., Milan, J.C.G., Costa, H.L., Krelling, A.P., da Costa, C.E., 2018.
Sliding wear of borided sintered AISI M2 steel coated with AlTiN/CrN multilayer. Wear 410-
411, 11-24.

100. 100
Revestimentos soldados

101. Técnicas de Deposição
PT
A
LASER
As principais vantagens do PTA e do Laser são a
elevada densidade de energia e o material de adição
na forma de pó.

102. Plasma com Arco Transferido – PTA

103. LASER
Energia luminosa de alta intensidade que apresentado como características principais a
monocromaticidade, direcionalidade e coerência. Esse conjunto único de
características permite feixe ser focado numa área muito pequena, gerando elevada
densidade de energia e com um comprimento de onda bem definido.

104. PTA x LASER
 Ambos os processos produzem baixa diluição devido a elevada densidade de
energia, mas com o laser pode se obter diluições ainda mais baixas que o arco
devido a sua distribuição de energia, quase, retangular
ARCO LASER
mm
energia
mm
energia

105. Projeto de um Revestimento
Fenômeno de interação
entre a liga e o substrato
Processamento
Liga
Substrato
Desempenho
Revestimento
???
Diluiçã
o

106. Nível de interação entre a Liga e o
Substrato: Diluição
Ex: um revestimento com 30% de diluição é composto por
70% de material de adição e 30% de substrato

107. Determinação da Diluição
100
*
)
(
)
(
(%)
B
A
área
B
área
Diluição

 100
*
(%)
Xa
Xs
Xa
Xr
Diluição



Áreas C.Q.
Considera que a composição do
revestimento seja homogênea na
secção trans.
Considera que a composição do
revestimento varia linearmente de
0 a 1
Ambas abordagens não fazem a quantificação exata da
diluição, mas o método da composição química é um pouco
mais rigoroso. Contudo, para materiais com baixa
complexidade metalúrgica isso não faz diferença.

108. Determinação da Diluição
Vfm: taxa de alimentação volumétrica;
Ebm: entalpia de fusão do material base;
Efm: entalpia de fusão do material de adição;
ha: Eficiência de térmica;
hm: Eficiência de fusão;
VI: potência da fonte de calor (W).
Energia de fusão Entalpias de fusão do substrato e material de adição
O processo de soldagem altera a diluição porque este controla a eficiência térmica e a
eficiência de fusão. Assim soldas feitas com parâmetros idênticos, mas com processos
terão diluições diferentes. Da mesma forma, soldas realizadas com o mesmo processo,
mas com material de adição ou substrato diferente terão diluições diferentes porque as
entalpias de fusão são diferentes.
Conclusão: o nível de diluição é determinado pelo conjunto
constituído pelo material e técnica de processamento

109. Efeito dos parâmetros de processamento
sobre a diluição
Para uma determinada taxa de alimentação, a
diluição aumenta com o aumento energia. Neste
caso, o excesso de energia não pode ser absorvido
pelo material de adição se a taxa de alimentação
está fixa, o que resulta num aumento da taxa de
fusão do substrato e consequentemente da diluição
Para uma determinada energia, o aumento da
taxa de alimentação resulta numa redução da
diluição. Neste caso a diluição reduz porque o
material de adição passa a consumir mais da
energia total disponível, assim menos energia estará
disponível para fundir o substrato
Inox/1020 (TIG)
Esse comportamento é valido para
processos com fonte de energia separada
da alimentação (TIG, PTA, LASER, etc)

110. Aplicação dos Revestimentos Soldados
Aplicação Aplicação
Requisitos Requisitos

111. Aplicação dos Revestimentos Soldados

112. Solidificação
O modo de solidificação depende da C.Q. e de G/R
R- Velocidade de Solidificação
G- Gradiente térmico
Variação do parâmetros G/R ocorre
rapidamente junto à linha de fusão,
depois permanece constante

113. As principais ligas utilizadas para
Revestimentos Soldados
Colmonoy-6® (NiCrSiBC)
=
Desgaste + Corrosão
• Resistência ao Desgaste
Ligas de Cobalto
• Resistência a Corrosão
Ligas de Níquel
• Casos especiais
Ligas Customizadas Aluminetos de Ni
Revestimentos cerâmicos
Ligas de Nb

114. Principais materiais de deposição
Liga metálica Aplicação
Ligas de Cobalto Resistência ao desgaste e corrosão
Ligas de cobre Reconstrução de peças desgastadas
Ligas de Fe-Cr Abrasão em altas tensões
Aço manganês Algumas aplicações de desgaste
Ligas de Ni Resistência ao desgaste metal-metal
Aço ferramenta Ferramentaria
Carboneto de
Tungstênio
Abrasão em altas tensões

115. Deposição em camadas

116. Revestimentos soldados – ligas Fe-Cr-C
•Carbonetos primários M7C3
•Matriz eutética: g + M7C3

117. Papel dos carbonetos – Ligas Fe-Cr-C
•Desvio ou parada dos sulcos e riscos
•Arrancamento de carbonetos
V.E. Buchanan, D.G. McCartney, P.H. Shipway, 2008, A comparison of the abrasive wear behaviour of iron-chromium based hardfaced
coatings deposited by SMAW and electric arc spraying, Wear 264 (2008) 542–549.

118. Ligas Co-C
•Dendritas da matriz rica em Co
•Carbonetos interdendríticos
•A: matriz
•B: carbonetos

119. Dureza de revestimentos soldados – ligas Co-C

120. Tratamentos térmicos
Q.Y. Hou*, J.S. Gao, F. Zhou, Microstructure and wear characteristics of cobalt-based alloy deposited by plasma transferred
arc weld surfacing, Surface & Coatings Technology 194 (2005) 238– 243

121. Liga NiCrSiBC (Colmonoy 6®)
 Superliga a base de níquel endurecida pela precipitação de diversos carbonetos e
boretos;
 A elevada resistência ao desgaste se deve aos diversos tipos de carbonetos e
boretos e a resistência a corrosão ao elevada teor de cromo;
 Inicialmente foi desenvolvida para aplicação por aspersão térmica, mas passou a ser
processada por soldagem devido a necessidade devido a possibilidade de produzir
revestimentos densos e com ligação forte com o substrato (metalúrgica);
 Porém, utilizando processos que fundem a liga e o substrato e liga tem se a
diluição. Assim o desempenho passa a ser determinado pelo nível de diluição entre
a liga e o substrato.
Leandro João da Silva (2014) Tese de Doutorado, UFPR

122. Efeito da diluição sobre a C.Q e Microest.
O gradiente composicional junto a linha de fusão é
esperado na soldagem de materiais dissimilares.
A ↓ ds Boretos está
associada ↑ Fe com
Leandro João da
Silva (2014) Tese
de Doutorado,
UFPR

123. Hipoeutética
Hipereutética Eutética
G/R
Celular
Dendrítico
Eutética
Concentração
de Soluto
Distância da
linha de fusão
Leandro João da Silva (2014) Tese de Doutorado, UFPR

124. 124
Obrigado pela atenção!