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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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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