O processo PVD (Physical Vapor Deposition) ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, onde o material a ser depositado é inicialmente vaporizado e ionizado formando um plasma. Por diferença de potencial, os íons, de forma pura ou combinados com átomos de nitrogênio e/ou carbono, são atraídos para a superfície das peças a serem revestidas.

Existem três tecnologias básicas de PVD, que se distinguem pelo princípio empregado na vaporização do elemento metálico da camada a partir de um catodo: arco elétrico, desintegração por bombardeamento com átomos de argônio (sputtering), ou feixe de elétrons.

No presente trabalho abordaremos alguns detalhes do processo de vaporização por arco para a produção de camadas de nitretos metálicos, tais como: TiN, AlTiN e CrN.

Vaporização do Elemento Metálico

Na parte interna da câmara de revestimento encontram-se os catodos, placas metálicas sólidas, que são a fonte do elemento metálico a ser depositado. Os catodos podem ter forma circular ou retangular e são circundados por uma moldura metálica isolada, que representa o anodo.

Através de um disparador elétrico inicia-se um arco elétrico na superfície do catodo, que se mantém enquanto houver uma diferença de potencial entre o catodo e o anodo. Através de ímãs, o arco é mantido de forma estacionária sobre a superfície do catodo.

Como referência, no processo de vaporização a arco normalmente trabalha-se com voltagens baixas, da ordem de 20 V e correntes altas, da ordem de 100 A.

Nas condições de baixa pressão na câmara de revestimento – vácuo – o arco queima em uma área de poucos micrômetros de espessura, varrendo de forma aleatória a superfície do catodo, não permanecendo mais do que 40 ns na mesma posição.

A concentração de energia nos focos onde queima o arco é tão intensa – da ordem de 1E9 W/cm2 – que o material do catodo normalmente sublima e ioniza, formando um plasma.

Fluxo do Material do Catodo ao Substrato

O substrato, ou seja, as peças a serem revestidas, são carregadas com uma tensão entre 50 e 200 V com uma polaridade oposta à dos átomos metálicos oriundos do catodo. Desta forma, estes íons são atraídos e acelerados para sua superfície. À medida que o processo avança, o catodo é consumido.

Nem todo o material do catodo, entretanto, é transferido para o substrato na forma de íons. Cerca de 20% do material consumido do catodo é perdido como átomos vaporizados não ionizados e também na forma de pequenas gotas, normalmente conhecidas por droplets, que espirram da superfície do catodo.

Com boas práticas de processo a geração de droplets pode ser minimizada, mas não eliminada. Uma parte destas pequenas gotas acaba atingindo o substrato, imprimindo pequenas imperfeições na camada depositada, que dependendo da intensidade e do tipo de aplicação da peça revestida, podem representar uma limitação.

Formação da Camada

Previamente à deposição da camada de nitreto metálico, gera-se na câmara de revestimento um plasma de argônio. Simultaneamente submete-se as peças a uma tensão entre 100 e 1000 V com polaridade oposta à dos íons de argônio. Esta tensão é regulada de maneira a proporcionar um bombardeamento a nível atômico do substrato. Desta forma, a fina camada de óxido que recobre toda peça metálica é quebrada, expondo o metal base. Como as peças estão sob vácuo, elas não oxidam novamente. Apenas após essa etapa é que se inicia o revestimento.

Devido à alta energia dos íons metálicos, os primeiros que atingem a superfície das peças, penetram alguns nanômetros, promovendo um bom ancoramento da camada e uma transição microestrutural gradativa e homogênea entre o substrato e a camada propriamente dita. A energia de impacto dos íons ao longo do crescimento da camada proporciona uma boa compactação da camada.

No caso da deposição de camadas de nitreto metálico, juntamente com a vaporização do elemento metálico, admite-se nitrogênio gasoso de forma controlada na câmara. Ao serem expostas ao plasma, as moléculas de nitrogênio também se ionizam e passam a ser atraídas pelo substrato. Desta maneira forma-se a camada de nitreto metálico, depositada por camadas sucessivas de átomos tanto do elemento metálico, como de nitrogênio.

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A seguir veremos alguns parâmetros que são analisados para avaliar a qualidade de camadas PVD/CVD. Os mais comuns para a caracterização de peças revestidas regularmente são: espessura e aderência. Em alguns casos, dependendo dos recursos disponíveis no fornecedor de revestimentos, podem ser feitas também medições de rugosidade  e dureza. Já caracterizações de composição, micro/nanoestrutura, coeficiente de atrito,  resistência a desgaste e tensão residual, normalmente são feitas em laboratórios especializados.

Espessura

A técnica mais comum para se medir espessura de camada é chamada de caloteste. Consiste em fazer uma esfera de metal duro ou aço rápido, de diâmetro conhecido, girar através de um dispositivo sobre uma superfície revestida. A ideia é promover um desgaste na forma de calota (semelhante a uma cratera) na superfície da peça até que se atinja o substrato. Para acelerar este processo, adiciona-se uma solução líquida abrasiva. Observando-se a calota gerada por cima, através de uma lupa, identifica-se dois círculos, um delimitando o diâmetro externo da calota e outro de diâmetro menor delimitando a transição entre o metal base e a camada.  A partir destes dois diâmetros e através de relações geométricas, pode-se facilmente calcular a espessura da camada.

É importante notar que o caloteste deixa uma marca na peça analisada. Esta marca normalmente tem um diâmetro externo menor que 1 mm e uma profundidade de alguns micra, ou seja, um pouco maior do que a espessura da camada. Quando o requisito de qualidade da peça não tolerar esta marca, ou a dificuldade de se adaptar o dispositivo de medição sobre a peça for muito grande, opta-se por fazer a análise em corpos de prova que acompanham a carga.

Alternativamente a espessura de camada pode ser obtida através da técnica de fluorescência de raios X. Esta técnica tem a grande vantagem de não ser destrutiva. Existem, porém, limitações geométricas de peças para que a análise possa ser realizada, além da necessidade de se calibrar o equipamento para cada tipo de camada que se quer medir. Outra restrição é o fato de nem todos os tipos de camada serem compatíveis com esta técnica de análise.

Aderência

A técnica mais usada para se avaliar a adesão de camadas PVD/CVD é a de indentação. Este ensaio consiste em fazer uma marca de medição de dureza Rockwell C em uma superfície revestida e avaliar o padrão de quebra da camada nas bordas da indentação. Existe uma norma com seis figuras de referência para confrontar com o padrão de quebra obtido e assim chegar-se a uma classificação do nível de aderência. Apenas para ilustrar, no grau máximo de aderência a camada apenas trinca na borda da indentação, mas não desplaca. Já no grau mínimo de aderência, ocorre o desplacamento em toda a volta da indentação.

O ensaio de indentação pode eventualmente ser feito diretamente sobre uma peça, se seu requisito de qualidade permitir uma marca de ensaio de dureza e se a peça tiver dimensões compatíveis para teste em durômetro. Normalmente, entretanto, este ensaio é feito em corpos de prova que acompanham a carga.

A segunda técnica mais usada para medir adesão de camadas, normalmente usada de forma complementar ao ensaio de indentação, é o ensaio de riscamento.

No ensaio de riscamento utiliza-se um equipamento específico, através do qual se faz riscos de forma controlada (carga, velocidade, extensão) usando pontas de diamante, sobre a superfície revestida. Também aqui a ideia é analisar quebra/ desplacamento da camada nas bordas do risco e comparar com padrões pré-estabelecidos. Neste ensaio, sempre as análises são feitas em corpos de prova.

Rugosidade

O ensaio de rugosidade é realizado através de um rugosímetro e normalmente é feito em corpos de prova ou eventualmente em uma peça, se suas dimensões forem compatíveis com o equipamento de análise. São feitas medições antes e após o revestimento para avaliar um eventual aumento de rugosidade devido à camada depositada.

Dureza

Apesar das camadas depositadas pelos processos PVD/CVD normalmente possuírem uma dureza muito superior a de aços temperados, ou mesmo de metal duro, devido à sua espessura reduzida, não podem ser medidas com durômetros convencionais. O equipamento adequado para esta finalidade é o nanodurômetro, pois para a medição ser representativa, a profundidade da indentação não pode exceder 10% da espessura da camada, o que implica em cargas muito baixas, da ordem de 30 mN. Neste caso a deformação promovida na peça é tão pequena, que a recuperação elástica do material passa a ser significativa na análise do tamanho da indentação.

Assim sendo, a medição é feita com base no deslocamento vertical do indentador e não a partir do tamanho da indentação. Outro detalhe importante neste ensaio é que a rugosidade Ra da superfície não pode ser maior que 20 vezes a profundidade da indentação, sob risco de comprometer a precisão da análise.

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Geraldo Magela, Departamento Engenharia e Soluções Analista Desenvolvimento Refratário Pleno.

Resposta: Considero que em termos de revestimento você esteja trabalhando com a melhor solução possível, ou seja, revestindo com camadas à base de WC por aspersão térmica. A dureza destas camadas pode chegar a 1300HV; apenas como referência, 62HRC equivalem a 750HV. Uma alternativa a este tratamento poderia ser a boretação, que é um tratamento térmico de enriquecimento superficial da superfície por difusão de boro, visando a formação de boretos. A dureza de camadas boretadas atinge valores entre 1600 e 2000HV, portanto maiores do que para uma camada de WC e consequentemente mais resistentes à abrasão. Por outro lado, as espessuras de camadas boretadas não costumam ser maiores do que 100 micra e as espessuras de camadas de WC por aspersão térmica podem chegar a 500 micra. Não podemos deixar de observar, entretanto, que camadas boretadas são difundidas e, portanto, mais bem ancoradas ao substrato do que camadas depositadas como no caso da aspersão térmica. Penso que seria o caso de fazer uma avaliação comparativa.

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Inicialmente, esta tecnologia era mais usada em carros de alto desempenho, tal como na Fórmula 1, mas a partir do ano 2000 o DLC vem gradualmente ganhando espaço e nos últimos anos já passou até a ser empregado em modelos de entrada de carros das principais montadoras.

Em virtude de uma característica singular das camadas DLC, que é aliar alta resistência ao desgaste com baixo coeficiente de atrito, estas camadas elevam a otimização de motores a patamares não possíveis anteriormente, possibilitando o surgimento de motores muito mais compactos (menor peso, menor volume) através da utilização de componentes de dimensões menores, mas que suportam as mesmas cargas de componentes maiores em sistemas convencionais.

Um exemplo típico do uso desta nova tecnologia são os motores turbo 1.0 com potencia superior a 100 CV.

DLC em Sistemas Lubrificados

De acordo com a “Curva de Stribeck”, duas superfícies em contato com um movimento de deslizamento entre si em um meio lubrificado apresentam três regimes básicos de lubrificação, dependendo da viscosidade do lubrificante [η], da velocidade de deslizamento [s] e da pressão de contato [p]:

1. Limite: superfícies em contato direto;
2. Misto: superfícies parcialmente em contato;
3. Hidrodinâmico: superfícies sem contato direto.

O que se pode verificar nesta curva (Fig. 1), olhando da esquerda para a direita, é que com baixas viscosidades do lubrificante, baixas velocidades de deslizamento e altas pressões de contato, existe uma sobreposição dos picos de rugosidade das superfícies e o coeficiente de atrito é comparativamente mais alto. À medida que as superfícies ficam mais afastadas, o contato dos picos de rugosidade vai diminuindo, até que não se tocam mais. Este equivale ao ponto de mínimo no gráfico. A partir daí, o coeficiente de atrito vai aumentando gradativamente devido às forças viscosas no lubrificante.

Aplicando-se o revestimento DLC em pelo menos um dos lados do contato mecânico, devido à sua inércia química, sua dureza e sua característica deslizante, consegue-se deslocar o ponto de mínimo da curva para baixo e para a esquerda, ou seja, consegue-se uma transição para o regime hidrodinâmico com viscosidades menores do lubrificante, velocidades menores de deslizamento e pressões maiores de contato. Isso permite que sistemas com componentes revestidos trabalhem com mais eficiência, mesmo em condições mais agressivas. Além disso, o DLC ainda preserva a integridade física de um componente em condições de baixa lubrificação como, por exemplo, quando um motor acabou de ser ligado e o lubrificante ainda não está devidamente distribuído pelas superfícies em contato.

Aplicação de Revestimentos DLC

Para se ter uma ideia do potencial do uso da tecnologia DLC, são apresentados alguns dos benefícios da utilização deste tipo de revestimento em componentes automotivos.

Pinos de pistão e pinos de rolete de balancins roletados:

– Minimização da tendência de caldeamento entre pino e mancal;
– Eliminação da necessidade de buchas de bronze;
– Viabilização do uso de óleos de baixa viscosidade;
– Minimização de desgaste.

Tuchos e balancins flutuantes:

– Redução de perdas por atrito gerando uma economia de até 3% de combustível;
– Viabilização do uso de óleos de baixa viscosidade;
– Minimização de desgaste.

Palhetas de bomba de óleo:

– Minimização de desgaste.

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Estas camadas são relativamente finas, ou seja, com espessuras geralmente menores do que 10 μm. São aplicadas por um processo a vácuo que passa por pressões abaixo de 10E-8 bar e que submete as peças a temperaturas entre 180 e 450°C, dependendo do tipo de camada depositada.

Para que se consiga uma boa adesão da camada, é preciso que se atenda a uma série de pontos, conforme detalhado a seguir.

Limpeza

As camadas PVD/PECVD são muito sensíveis a contaminações durante o processo de deposição. Ou seja, se algum tipo de resíduo se misturar inadvertidamente em sua composição, suas propriedades são alteradas de forma a comprometer sua adesão e/ou seu desempenho.

Normalmente, as peças que serão revestidas são submetidas a um processo prévio de lavagem que prevê a passagem por uma série de tanques com detergentes, assistidos por ultrassom, terminando o ciclo com a imersão em água deionizada, seguido de secagem por ventilação forçada de ar quente para que se consiga uma superfície limpa e isenta de manchas. Este processo de lavagem, entretanto, não consegue remover uma série de contaminantes que precisam, portanto, ser evitados.

Condições inadequadas do ponto de vista de contaminantes superficiais:

– Resíduos de pintura como tinta ou verniz;

– Resíduos de cola;

– Marcações coloridas;

– Regiões oxidadas;

– Resíduos de fluidos refrigerantes que secaram sobre a peça após processos de usinagem/retífica;

– Resíduos de pastas de polimento ou de lubrificantes, principalmente os que contenham silicone;

– Tratamentos superficiais: oxidação negra, revenimento a vapor, fosfatização, nitretação com camada branca;

– Revestimentos galvânicos tais como: cromo duro, zincagem, etc;

– Peças brutas de sinterização com filme superficial de cobalto.

Para se ter uma ideia do nível de limpeza que se precisa alcançar, as peças lavadas não podem mais ser tocadas com as mãos nuas porque as impressões digitais que ficariam nas peças já comprometem a adesão do revestimento.

Acabamento

Picos de rugosidade acentuados podem se quebrar quando a superfície da peça revestida é submetida a esforços tangenciais (deslizamento), gerando exposição localizada do metal-base.

Ainda com relação a uma rugosidade acentuada, se as cristas forem amassadas sobre a superfície da peça devido a processos inadequados de acabamento, podem reter sujeira que se desprende durante o processo de revestimento (vácuo), comprometendo a pureza e, portanto, a qualidade da camada.

Como referência, normalmente recomenda-se que ferramentas de usinagem tenham rugosidade Ra abaixo de 2 μm, ferramentas de conformação rugosidade Ra abaixo de 0,5 μm e componentes mecânicos de precisão rugosidade Ra abaixo de 0,1 μm.

Rebarbas de retífica devem ser eliminadas, pois são intrinsicamente frágeis e quando quebram, levam a camada junto. Quando isto ocorre em ferramentas de usinagem, acaba-se expondo o substrato justamente na região mais crítica, que é a aresta de corte.

Queimas de retífica e camadas refundidas de eletro-erosão precisam ser eliminadas, pois geram regiões superficiais afetadas termicamente que são frágeis e por isso podem destacar-se parcialmente da peça durante o uso, levando o revestimento junto.

Estrutura do Substrato

O substrato precisa ter uma dureza tal, que não deforme plasticamente nas condições de uso da peça. A camada precisa de um bom apoio para desempenhar bem sua função. Assim sendo, o substrato deve também suportar a temperatura do processo de revestimento sem perder sua dureza.

Conjuntos de peças montadas devem ser desmontadas antes do revestimento, pois as frestas entre as peças podem não ser limpas suficientemente durante o processo de lavagem e reter água, o que prejudicaria o processo de bombeamento de vácuo.

Uma restrição semelhante ao de peças montadas ocorre para peças trincadas ou com porosidade, por exemplo, de sinterização. Como neste caso não é possível desmontar a peça, precisa-se submeter o material a ser revestido a um processo prévio de vácuo de desgaseificação.

O material de adição utilizado em peças soldadas/brasadas deve suportar as temperaturas do processo de revestimento. Soldas que contenham Zn, Cd e Pb em sua composição, a princípio, devem ser evitadas, pois estes elementos possuem uma baixa pressão de vapor e facilmente podem contaminar a camada depositada ou condensar no sistema de vácuo do equipamento de revestimento, prejudicando seu funcionamento.

Condição de Envio

No caso de peças sujeitas a oxidação, estas devem ser oleadas com óleo protetivo desaguante compatível com o processo de lavagem prévio ao revestimento PVD/PECVD.

As peças devem ser embaladas de forma a minimizar o risco de danos superficiais, pois encontram-se em suas condições finais dimensionais e de acabamento.

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Comparativamente a outros tipos de revestimentos utilizados para componentes mecânicos, as camadas DLC são relativamente recentes, começaram a ser utilizadas de forma mais intensiva a partir do ano 2000.

Os principais segmentos de aplicação deste tipo de revestimento são: automotivo, máquinas e equipamentos industriais, óleo & gás, aeroespacial e médico.
Apenas como referência, no ramo automotivo o revestimento DLC já é utilizado em grandes volumes e de forma crescente em: pinos de pistão, anéis de pistão, tuchos, balancins, entre outros. Neste segmento, a redução de consumo de combustível e a redução de emissões são fatores impulsionadores para o uso desta tecnologia.

As Camadas DLC

As camadas DLC constituem-se de uma estrutura amorfa de carbono, geralmente contendo hidrogênio, representadas sinteticamente pelo símbolo a-C:H. Estas camadas podem ou não conter alguma fração de elementos metálicos, tais como: W, Ti e Si, dependendo das propriedades buscadas. Para melhorar a aderência das camadas DLC, normalmente aplica-se uma camada intermediária entre o substrato e o DLC, também chamada de camada de adesão. Esta última pode ser composta de algum elemento metálico (por exemplo: Cr), de um nitreto metálico (por exemplo: CrN), de um carboneto metálico (por exemplo: WC) ou, ainda, de uma composição das três possibilidades.

As camadas DLC podem ser vistas como sendo um composto intermediário entre o carbono na forma de grafite e carbono na forma de diamante. Dependendo das condições do processo de revestimento, consegue-se regular dureza, rugosidade e o efeito de lubricidade da camada, de forma a agregar-se em um único produto a característica deslizante do grafite com a elevada dureza do diamante.

Na tabela abaixo podem ser observados alguns exemplos de camadas DLC para componentes mecânicos de precisão. Os valores de espessura e de dureza são ajustados conforme a aplicação, sendo que na tabela estão retratadas as faixas típicas de utilização.

Apenas para se ter uma ideia comparativa das propriedades das camadas DLC, uma peça de aço cementada tem uma dureza superficial de aproximadamente 800 HV, já uma peça de aço nitretada tem uma dureza superficial em torno de 1.000 HV. Quanto ao coeficiente de atrito de DLC contra aço, como se pode ver na tabela, este é significativamente menor do que o de aço contra aço, que é em torno de 0,8.

Uma outra propriedade importante das camadas DLC é sua característica antiaderente proporcionada por sua inércia química com relação à maior parte das substâncias químicas.

Benefícios

Comparativamente a outros processos de revestimento, como, por exemplo, galvânicos (Cr duro) ou aspersão térmica (HVOF – High Velocity Oxygen Fuel), as camadas DLC, além de durezas superiores e coeficientes de atrito menores, apresentam as seguintes vantagens:

1. Devido a espessuras controladas e geralmente menores do que 4 micra, interferem pouco no projeto dimensional de componentes;

2. Não requerem operações de retífica após aplicação;

3. Não sobrecarregam o meio ambiente com qualquer tipo de resíduo ou rejeito de processo.

Em sistemas lubrificados com movimento relativo de deslizamento entre superfícies, as camadas DLC, além de contribuírem para preservar a integridade de componentes em períodos transitórios de lubrificação insuficiente (por exemplo: partida de motores a combustão), devido ao seu baixo coeficiente de atrito e característica de inércia química, possibilitam que se atinja o regime hidrodinâmico mais facilmente, minimizando o contato direto entre superfícies.

As camadas DLC, em virtude de sua característica única de associar alta dureza com baixo coeficiente de atrito, propiciam a otimização de projetos de equipamentos mecânicos, possibilitando o downsizing pela utilização de componentes de dimensões menores, mas que suportam as mesmas cargas de componentes maiores em sistemas convencionais.

Em síntese, os revestimentos DLC modificam as características da superfície de componentes de forma a reduzir significativamente desgaste e atrito, gerando um ganho de desempenho da peça revestida e, por consequência, um ganho de eficiência do equipamento/sistema como um todo, além de proporcionar um aumento de confiabilidade e, portanto, menor demanda por manutenção.

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Um dos grandes campos de aplicação de revestimentos pelo processo PVD (Physical Vapor Deposition) são as ferramentas, em quatro grandes frentes: usinagem, conformação de metais (estampagem e forjamento a frio), injeção de metais não ferrosos e injeção de plástico.

As Camadas PVD

Tipicamente, as camadas PVD usadas para ferramentas são à base de nitretos. Na tabela abaixo encontram-se alguns exemplos. Como se pode observar, a espessura das camadas normalmente não interfere nos projetos de ferramentas. As durezas acima de 2.000 HV são bem superiores à dureza de um aço rápido temperado, usualmente em torno de 64 HRC ou 800 HV. As temperaturas de processo são compatíveis com grande parte dos materiais (e respectivos tratamentos térmicos) usados para ferramentas. O coeficiente de atrito das camadas contra aço é significativamente menor do que de aço contra aço, em torno de 0,8.

Pré-requisitos para o Revestimento

Para que o revestimento consiga agregar ganhos de desempenho à ferramenta, algumas condições precisam ser atendidas na especificação e no preparo do substrato.

Dureza suficiente – O substrato precisa ter uma dureza tal que não deforme nas condições de uso da ferramenta. A camada precisa de um bom apoio para desempenhar bem sua função.

Rugosidade baixa – Picos de rugosidade acentuados podem quebrar quando a superfície da ferramenta é submetida a esforços tangenciais (deslizamento), gerando exposição do metal base. Por outro lado, quando cristas de rugosidade são amassadas sobre a superfície da ferramenta devido a processos inadequados de acabamento, podem reter sujeira que se desprende durante o processo de revestimento, comprometendo a pureza e, portanto, a qualidade da camada.

Rebarbas de retífica – São intrinsicamente frágeis e quando quebram levam a camada junto. No caso de ferramentas de usinagem, acaba-se expondo o substrato justamente na região mais crítica, que é a aresta de corte.

Queimas de retífica – Regiões afetadas termicamente durante um processo de retífica com refrigeração inadequada costumam gerar áreas superficiais frágeis, que podem destacar-se parcialmente da ferramenta durante o uso, levando o revestimento junto.

Camada refundida de eletro erosão – É prejudicial por motivos semelhantes à queima de retífica.

Trincas, frestas de componentes montados, porosidade – Podem reter impurezas que contaminam o revestimento, comprometendo sua qualidade.

Os Benefícios das Camadas PVD

Por conta da elevada dureza, um dos grandes ganhos com o revestimento PVD é um aumento significativo na resistência ao desgaste abrasivo de todos os tipos de ferramentas.

As camadas PVD, além de um reduzido coeficiente de atrito, possuem uma característica de inércia química, ou seja, os materiais que entram em contato com a ferramenta durante o trabalho não aderem, gerando menor tendência a: empastamento na usinagem, caldeamento na conformação, formação de cascão na injeção de metais não ferrosos e adesão de resíduos na injeção de plástico.
Devido ao baixo coeficiente de atrito das camadas, ocorre uma diminuição de esforços em operações de conformação de metais, além de conseguir-se, em muitos casos, uma significativa redução no uso de lubrificantes.

Já no campo da usinagem, por conta da alta resistência térmica de algumas camadas, é possível o trabalho a seco, ou seja, sem o uso de refrigerantes líquidos, o que traz um grande benefício do ponto de vista ambiental.

De uma forma geral, a utilização de revestimentos PVD proporciona um regime de trabalho de muito mais produtividade. Nas operações de usinagem, por exemplo, pode-se trabalhar com avanços e velocidades muito superiores à condição de ferramentas não revestidas. Além disso, a qualidade de acabamento dos produtos gerados com ferramentas revestidas também é superior e mais reprodutível para séries bem maiores de produção.

À parte de todas as vantagens listadas acima, muitas vezes os maiores ganhos com o uso de revestimentos PVD em ferramentas são alcançados por conta de uma quantidade menor de paradas de máquina e, portanto, de ciclos de set up. Além, naturalmente, de o aumento da vida útil gerar ganhos com a diminuição de estoques de ferramentas. Como referência, não é incomum que uma ferramenta revestida tenha uma vida 10 vezes superior a uma ferramenta apenas com tratamento térmico.

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Tenho uma necessidade de encontrar situações que possibilitem o meu componente ter a maior dureza possível. A temperatura que trabalhamos é a ambiente, não há ataques químicos. A única solicitação dos nossos componentes é a abrasão. Já tentamos o PVD e outros. Recentemente, estamos trabalhando/desenvolvendo inclusão de carbonetos de tungstênio por aspersão. Os nossos componentes são fabricados geralmente de VC 131 na dureza de 62 HRC. Procuramos elevar esta dureza onde for possível. Alguma indicação?

Geraldo Magela Silva
Analista Desenvolvimento Refratário Pleno
Magnesita

Resposta

Respondendo à sua dúvida, considero que em termos de revestimento você esteja trabalhando com a melhor solução possível, ou seja, revestindo com camadas à base de WC por aspersão térmica. A dureza destas camadas pode chegar a 1300HV; apenas como referência, 62HRC equivalem a 750HV. Uma alternativa a este tratamento poderia ser a boretação, que é um tratamento térmico de enriquecimento superficial da superfície por difusão de boro, visando a formação de boretos. A dureza de camadas boretadas atinge valores entre 1600 e 2000HV, portanto, maiores do que para uma camada de WC e, consequentemente, mais resistentes à abrasão. Por outro lado, as espessuras de camadas boretadas não costumam ser maiores do que 100 micra e as espessuras de camadas de WC por aspersão térmica podem chegar a 500 micra. Não podemos deixar de observar, entretanto, que camadas boretadas são difundidas e portanto mais bem ancoradas ao substrato do que camadas depositadas como no caso da aspersão térmica. Penso que seria o caso de fazer uma avaliação comparativa.

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Nesta edição trataremos de importantes processos de revestimento para ferramentas e componentes mecânicos de precisão: o PVD e o CVD. O nome do primeiro deve-se às iniciais em inglês de Physical Vapor Deposition, deposição física de vapor e analogamente o nome do segundo deve-se à Chemical Vapor Deposition, deposição química de vapor.

Nos dois processos gera-se camadas tipicamente de poucos μm de espessura. Apesar de relativamente finas, estas camadas quando combinadas corretamente com o substrato, propiciam um grande ganho de desempenho das peças revestidas.

Em principio estes processos reproduzem o acabamento superficial do substrato, portanto a sua aplicação pressupõe que a peça a ser revestida esteja com dimensões e acabamento finais, sendo o revestimento a última operação no processo de fabricação.

As camadas PVD / CVD podem ter três tipos básicos de estrutura: monolítica, com gradiente de composição ao longo da espessura, ou na forma de camadas sobrepostas (multicamadas). Estes três tipos também podem ser combinados.

Processo PVD

Ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, onde o material a ser depositado é inicialmente vaporizado e ionizado formando um plasma. Por diferença de potencial, os íons, de forma pura ou combinados com átomos de nitrogênio e/ou carbono, são atraídos para a superfície das peças a serem revestidas.

Existem três tecnologias básicas para a vaporização do elemento principal da camada, que se encontra no estado sólido na forma de um catodo: arco elétrico, desintegração por bombardeamento com átomos de argônio (sputtering), ou por feixe de elétrons.

Neste processo, para o revestimento ocorrer de forma adequada em termos de espessura, estrutura atômica e aderência, é importante que as superfícies úteis das peças a serem revestidas estejam “na linha de visão” do catodo. Isto torna importante a montagem de carga e a criação de dispositivos específicos que garantam a exposição correta das peças.

“Existem três tecnologias básicas para a vaporização do elemento principal da camada, que se encontra no estado sólido na forma de um catodo: arco elétrico, desintegração por bombardeamento com átomos de argônio (sputtering), ou por feixe de elétrons”

O PVD geralmente ocorre a temperaturas entre 180 e 500°C, o que faz com que uma grande gama de ligas metálicas possa ser revestida sem afetar suas propriedades estruturais, notadamente a dureza obtida em um tratamento térmico anterior.

Exemplos de camadas típicas obtidas pelo processo PVD: TiN, CrN, AlTiN, AlCrN, TiBN, TiCN.

Algumas das principais características destas camadas são: elevada dureza, que pode ir de 1800 a 3500HV, a temperatura de utilização que vai de 400 a 900°C, além de propriedades antiaderentes.

As camadas PVD podem fazer ferramentas durar até 10x mais quando comparado à vida de uma ferramenta apenas com tratamento térmico, além de permitir a utilização de ferramentas em condições de maior produtividade.

Processo CVD

Também ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, neste processo, o elemento a ser depositado vem da decomposição de um gás a partir de uma reação química. O material da camada condensa na superfície das peças que são revestidas.

Comparativamente ao PVD, o processo CVD não tem a limitação da “linha de visão” das peças com relação à fonte das material a ser revestido, o que torna a montagem de cargas bem mais simples. Neste caso, basta que se consiga um fluxo laminar e uniforme dos gases gerados por toda a carga.

Já em termos de temperatura, o processo ocorre normalmente entre 600 e 1000°C, o que limita significativamente os tipos de materiais que podem ser revestidos. Tipicamente os substratos são de metal duro.

Exemplos de camadas obtidas pelo processo CVD: TiN, TiC, TiCN, TiBN, Al2O3.

As características destas camadas são similares às das camadas PVD, mas o CVD proporciona em alguns casos uma temperatura de trabalho superior, podendo chegar a 1200°C. Os benefícios do revestimento CVD aplicado sobre ferramentas são semelhantes aos conseguidos com o PVD.

Processo combinado PVD / PACVD

Os processos PVD e CVD podem ser combinados de forma sequencial em uma mesma câmara. Nesta configuração, o processo CVD é modificado para ocorrer a temperaturas entre 180 e 350°C. Para que isto seja possível, a decomposição dos gases que geram a camada a ser depositada é ativada por plasma, daí o nome PACVD, Plasma Activated CVD.

Com a técnica do PACVD, uma importante família de revestimentos pode ser produzida, que é a das camadas DLC (Diamond Like Carbon). Estas camadas, geralmente depositadas sobre um filme prévio de PVD, são à base de carbono e combinam características de deslizamento do grafite e resistência a riscamento do diamante.

Assim sendo, as principais características das camadas DLC são: baixos coeficientes de atrito, abaixo de 0,20, e altas durezas, que podem ir até 3000HV e em condições especiais a valores ainda maiores.

As vantagens principais destas camadas estão na minimização de perdas por atrito, maximização de resistência a desgaste e aumento de confiabilidade de componentes mecânicos de precisão.

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Antes de desenvolver o tema, entretanto, vamos nos deter na seguinte questão de partida: por que revestir uma peça metálica?

A resposta está no fato de muitas vezes as solicitações superficiais de uma peça quanto a desgaste abrasivo, desgaste adesivo, desgaste corrosivo, atrito, condutibilidade elétrica, permeabilidade magnética, etc., estarem em conflito com as características do material usado para a fabricação desta peça considerando sua função estrutural e seu custo.

Em outras palavras, com uma combinação adequada de materiais, entre revestimento e substrato, é possível produzir um conjunto de características que eventualmente não se conseguiria utilizando apenas um único material e/ou que representa uma solução mais econômica, como, por exemplo, substituindo uma peça de aço inoxidável por outra de aço carbono revestida com uma camada que impede a corrosão.

Uma das formas de se entender os processos de revestimento é quanto à maneira como o material depositado é incorporado à camada. Neste sentido, podemos dividir os processos em três categorias:

A. Processos baseados na adição de material compacto, ou no estado sólido ou no estado líquido;

B. Processos baseados na deposição de partículas de dimensões macroscópicas (com diâmetro entre 10 µm e 10 mm);

C. Processos baseados na formação de camadas a partir de deposição de átomos, íons ou moléculas.

No primeiro grupo temos dois tipos básicos de processo de revestimento:

1. Caldeamento, que pode ocorrer por laminação, explosão ou atrito. Exemplos: junção de duas chapas sobrepostas de ligas metálicas diferentes;

2. Imersão em banhos de metal fundido com posterior solidificação controlada do material aplicado. Exemplos: Al. Pb, Sn e Zn.

No segundo grupo temos também dois tipos básicos de processo de revestimento:

1. Solda, a partir de uma grande variedade de técnicas, tais como: chama, arco elétrico, MIG (Metal Inert Gas), MAG (Metal Active Gas), plasma, laser. Exemplos: diversos tipos de ligas metálicas;

2. Aspersão térmica, em suas principais variantes: chama, HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), arco elétrico e plasma. Exemplos: Al, aço inoxidável, WC base Co, WC base Cr, óxido de Cr, óxido de Al.

No terceiro grupo temos quatro tipos básicos de processo de revestimento:

1. Galvânicos – Ocorrem através da imersão da peça a ser revestida em soluções líquidas eletrolíticas. Os íons do material de interesse depositam-se gradualmente na superfície da peça a ser revestida por meio da aplicação de uma corrente elétrica. Exemplos: Cr, Ag, Zn, Al, ligas metálicas;

2. Deposição Química – Ocorre através da imersão da peça a ser revestida em uma solução com uma composição tal que promove uma sequência de reações químicas na superfície da peça, cujo produto se constitui na camada de revestimento. Exemplos: Ni Químico, fosfatização;

3. PVD (Physical Vapor Deposition) – Ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, onde o material a ser depositado é inicialmente vaporizado e ionizado formando um plasma. Por diferença de potencial estes íons, de forma pura ou combinados com átomos de nitrogênio ou carbono, são atraídos para a superfície das peças a serem revestidas. Exemplos: TiN, CrN, AlTiN, TiCN, Al;

4. CVD (Chemical Vapor Deposition) – Ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, mas neste caso o elemento a ser depositado vem da decomposição de um gás a partir de uma reação química. O material da camada condensa na superfície das peças que são revestidas. Exemplos: TiN, TiC, CrC, TiB2, Al2O3.

Em edições posteriores, discutiremos com mais detalhes os processos PVD e CVD, inclusive sua aplicação no campo de ferramentas e componentes mecânicos de precisão.

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