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).

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. Engenharia
de
Superfícies
Áreas do Áreas de
conhecimento: 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. Importância da Engenharia de Superfícies
por Plasma
Evolução do número de patentes mundiais. Palavras-
chave: surface, plasma, engineering. Fonte: Derwent
Innovations Index.

4. Processos de engenharia de superfícies do
tipo PVD (physical vapor deposition)
http://www.youtube.com/watch?v=bevqI4b48rs

5. Durezas comparativas de diversos
materiais

6. Tendência de uso no mundo
Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,
Alemanha (2002).

7. Status geral do uso de revestimentos (2001)
Prof. W.-D. Münz, Curso “Fundamentals and Trends in Plasma Surface Processing”,
Alemanha (2002).

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. 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. 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 substrato
C. Donnet e A. Erdemir, Tribology of Diamond-Like Carbon Films, Ed. Springer (2008)

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. 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. 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. Propriedades químicas dos revestimentos
Toxi (TiN) ~ 600oC Toxi (AlTiN) ~ 900oC

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. Mecanismos de propagação de trincas
nos revestimentos
Monocamada Multicamada
Caminho de propagação
Caminho de propagação não contínuo e mais extenso
contínuo
Maior vida do revestimento!

17. Moldes e matrizes de conformação e
injeção de alumínio
Conformação de metal Injeção de Al
TiCN CrN ou AlCrN
DLC
TiN + MoS2

19. 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)

20. Aplicações: Revestimento de Si3N4 para usinagem a seco
Broca 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.

21. 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

22. 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

23. 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
Si3N4
1 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

24. Atrito antes e após TTO
D e p os ição a 25 o C
0,1 0
(a)
0,08 5 mN
C 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 )

25. INFRAESTRUTURA DA UCS:
3.Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV): morfologia e
espessura do DLC.
4.Difratômetro de raios-X: estrutura cristalina do DLC.
5.Nanotribômetro: nanodureza do DLC.
Revestimento DLC sobre aço MEV

26. NanoDureza e módulo Célula de líquidos
de elasticidade (Ex. lubrificante)
NanoTribômetro
Módulo de alta
temperaura (até 550oC) NanoDesgaste e
NanoScratch
(Ex. Adesão e atrito)

27. GD-OES
Revestimento de ZrN
sobre aço
Análise química em
função da profundidade

28. 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

29. O Plasma em Ação na Nitretadora Industrial