Tratamento Térmico
Aumento da
Resistência à Corrosão
Combinando Nitretação
e Revestimento a Plasma
T. Muller, A. Gebeshuber, R. Kullmer, C. Lugmair – Rübig GmbH & Co. KG, Wels, ÁUSTRIA
S. PERLOT, M. STOIBER – MATERIALS CENTER, LEOBEN, ÁUSTRIA
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.
A
s condições superficiais determinam as componentes
de desgaste e características de corrosão dos materiais. Por meio de modificações da superfície as propriedades das
peças podem ser substancialmente modificadas em relação à resistência ao desgaste, coeficiente de atrito, comportamento
químico, resistência à corrosão e propriedades óticas e elétricas.
PLASTIT® - Nitretação a Plasma com
Posterior Revestimento de PACVD
A 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 temperaturas mais baixas.
A temperatura de processo da deposição química de vapor pode ser reduzida
para temperaturas abaixo de 500°C pela
ativação dos gases precursores do plasma
pulsado. Isto permite que sejam preservadas as propriedades microestruturais e do
núcleo da peça em aços ligados e temperados.
Diferentemente do CVD convencional, é possível uma deposição homogênea
com PACVD, mesmo em peças com geo20 Industrial Heating - Abril 2010
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 significantemente.
Outra vantagem é que a limpeza por
meio de sputtering e o processo de nitretação 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 necessário de sustento para o revestimento fino
e duro. Como mencionado, os parâmetros
de processo da etapa de nitretação podem
ser otimizados para todas as combinações de aço/revestimento.
Tecnologia dos Fornos
A figura 1 apresenta a planta de plasma MICROPULS ® produzida pela RüCâmara
de vácuo
(ânodo)
Visu
Parede de
aquecimento
PC
Refrigerador
PLC
Parâmetros
de Processo
Generador
de Plasma
MICROPULS®
Peça de
trabalho
(catodo)
H2, N2, Ar, CH4
TiCl4, AlCl3, BCl3
Fig. 1- Layout da planta RÜBIG PLASNIT®/PLASTIT®.
Tratamento Térmico
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 processo de plasma independente da temperatura do processo.
Especialmente em produções em série, você precisa garantir uma excelente uniformidade de temperaturas para
atingir um mínimo desvio nos resultados
(dureza superficial, profundidade de nitretação, camada branca) dos seus produtos. A nova geração de fornos para nitretação a plasma está equipada com três
zonas independentes para aquecimento
e resfriamento. A diferença de temperaturas devido ao carregamento em diferentes 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 excelente e, além disso, uniformiza os resultados 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.
Fig. 2 – Exemplo de ignição com e sem a tecnologia bipolar: esquerda – 80µs, modo unipolar;
direita – 80µs no modo bipolar.
50,000
Número de disparos
40,000
30,000
20,000
10,000
0
Tenifer
TiN
TiCN
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.
A tensão do plasma é aplicada na forma
de pulsos retangulares com uma freqüência 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 tratar peças com geometrias muito complexas utilizando-se da tecnologia bipolar.
Esta tecnologia agüenta a velocidade de
ignição do plasma, permitindo o tratamento/revestimento de pequenos vazios
e buracos (Fig. 2).
PACVD – Revestimentos Duros para
Aplicações Industriais
O 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 adequada para a deposição de revestimentos duros tanto em matrizes e moldes grandes
quanto em ferramentas pequenas.
O objetivo deste estudo é apresentar e
discutir os resultados obtidos com os diferentes 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 deposição
Os problemas relacionados com as antigas técnicas de deposição industriais para
moldes e matrizes são as seguintes:
• Elevados custos para matrizes e o risco
inerente de dano com o manuseio;
• A rotação de moldes grandes e pesados
é de difícil a impossível no processo PVD;
• Influências negativas das partículas
de erosão na adesão do revestimento por
PVD;
Abril 2010 - www.revistalH.com.br 21
Tratamento Térmico
• Abaixadurezadosubstrato(de29a48HRC)easaltastemperaturas necessárias para os processos de PVD e CVD resultam em uma peça com suporte insuficiente para o revestimento
duro;
• Problemas associados com a adesão da camada de revestimento devido a desgaseificação residual durante o processo de
revestimento.
Soluções com o recobrimento duro de PACVD
Os revestimentos com PACVD resolvem os problemas ocorridos anteriormente:
• Nãoháriscodeperdadaspropriedadesdonúcleodevidoà
baixatemperaturaderevestimentoentre480e510°C;
• Aspressõespositivasdeoperaçãonafaixademilibarespermitem 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;
• Aspressõesmaisaltasdeoperaçãopermitemtemposmenores para retirada das peças, devido à desgaseificação.
Conclusões em relação ao PACVD
Os benefícios dos processos PACVD são:
• Temperaturas de processo mais baixas quando comparadas
ao CVD;
• A possibilidade de combinar métodos de pré-tratamento
como a limpeza por sputtering e o ataque químico, seguidos por
tratamentosdenitretaçãoiônicaaplasmaeentãorevestimento
por PACVD em uma mesma câmara, e em uma mesma batelada;
• A habilidade de revestir grandes ferramentas tridimensionais sem a necessidade de rotacionar as peças que serão tratadas;
• A deposição de um novo revestimento
duro a base de TiN, com baixo coeficiente
0.8
de atrito, com baixa quantidade de cloro.
e estado de tensões antes da realização do revestimento. O fim
da vida útil da matriz é determinada pela alta soldagem de alumínio 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), apesar de a princípio apresentar uma soldagem maior, ele suportou
45.000peçasseminterrupção.Após65.000peçasomoldefoi
re-revestido,eonúmerototaldepeçasfoide160.000.
Fig. 4 – Molde para injeção
para refletores automotivos
Fig. 5 – Setup da ferramenta para
conformação do metal
Moldes para Injeção de Plástico
Nos moldes para injeção de plásticos o desgaste ocorre devido a
corrosão causada pelos gases expelidos ou produtos da decomposição, a abrasão proveniente do fluxo de materiais em contato com
a superfície das ferramentas e a adesão entre a superfície da ferramenta 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 figura4mostraummoldedeinjeçãofeitocomoaçoparatrabalhoa
quente ESR H-13. Sem revestimento, o molde precisa ser re-polido
manualmente após poucas horas de operação. Após o revestimen-
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, comportamento de soldagem, resistência a corrosão
22 Industrial Heating - Abril 2010
Coeficiente de atrito
0.7
Exemplos Práticos para o Desenvolvimento de Revestimentos
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
200
400
600
800
Distância de deslizamento, m
Fig. 6 - Determinações tribológicas de um PACVD TiN contra um aço não-ligado
1000
Em nm
61
15
25
18
21
15
Tratamento Térmico
Fig. 8 – EELS (espectroscopia de perda de energia de elétron) da multicamada TiN/Ti (B,N)
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.
CVD (carga normal de 2N; velocidade
de deslizamento de 10 cm/s; umidade relativa de 35%).
espessura da camada e do teor de boro, a
resistência ao desgaste abrasivo altera-se
significativamente (fig. 9).
Novos desenvolvimentos
Com o revestimento multicamada PACVD TiB2, as camada são especialmente perceptíveis porque elas não somente
elevam a dureza, mas também apresentam uma microestrutura incrivelmente 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 gradientes de tensões residuais.
A figura 7 apresenta a seção de uma
peça que foi revestida com a técnica
multicamada. Neste exemplo, uma camada 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
Sumário
As possibilidades nos tratamentos de superfície 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 nitrocarburação. IH
1.9 mm
1.9 mm
8x camadas
1.9 mm
2.5 µm
x camadas
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
2x camadas
0.0
0.20.20.40.60.8 1.0
Distância, km
2.5 µm
A ferramenta da Figura 5, um aço ferramenta AISI A11 não-revestido, foi lubrificada a cada 20 golpes. Após 2.000 peças, 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 passouse a produzir 26.000 peças sem nenhuma
limpeza até que o teste foi paralisado,
tendo atingido a quantidade de produção desejada.
Os resultados dos ensaios tribológicos
(Fig. 6) mostram valores de coeficiente
de atrito muito baixos para os revestimentos de TiN e Ti(C,N). Este é o coeficiente de atrito de uma esfera de aço
não-ligado deslizando contra um disco
revestido com TiN pelo processo PA-
2.5 µm
Matriz de estampagem de chapas
Na estampagem de chapas metálicas, os
principais mecanismos de falha identificados são:
• Desgaste adesivo devido as altas cargas de trabalho a frio aplicadas as partículas de desgaste (debris) altamente endurecidas por deformação na superfície
de trabalho da ferramenta
• Fadiga mecânica devido ao carregamento cíclico, resultante em tensão de
tração
Coeficiente de atrito
Fig. 7 – Revestimento Multicamadas
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.br
www.industrialheating.
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Fig. 9 – Ensaio pino contra disco em 3D.
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