ESTUDO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE EM COBERTURAS CERÂMICAS DEPOSITADAS ATRAVÉS DE PLASMA-SPRAY

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1 ESTUDO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASE EM COBERTURAS CERÂMICAS DEPOSITADAS ATRAVÉS DE PLASMA-SPRAY (1) Carmo Roberto Pelliciari de Lima, (2) Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia Departamento de Engenharia de Materiais, Faculdade de Engenharia Mecânica Unicamp Resumo: Neste trabalho coberturas de óxido de alumínio (alumina) e carboneto de cromo foram depositadas através de plasma-spray sobre substratos de aço carbono AISI As matérias-primas em forma de pó e as coberturas depositadas foram analisadas através de difração de raios-x. Os dois materiais apresentaram transformações de fase após a deposição, com algumas estruturas diferentes das fases presentes nos pós. Houve também a presença de fase amorfa. Abstract: In this work aluminum oxide (alumina) and chromium carbide were plasma sprayed onto AISI 1045 carbon steel substrates. Powders used as raw materials and the coatings were analised by x-ray diffraction. Both materials showed phase transformations after spraying, with some structures different from the phases presente in the powders. There was also some amorphous phase. Palavras-chave: plasma-spray; alumina, carboneto de cromo, raios-x INTRODUÇÃO Aspersão térmica e plasma-spray. Aspersão térmica é um termo que engloba diversos processos de recobrimento de superfícies. Tais processos apresentam grande versatilidade, permitindo a deposição de uma ampla gama de materiais sobre um número também grande de substratos. Pode-se depositar metais ferrosos e não-ferrosos, carbonetos, óxidos cerâmicos, polímeros e compósitos; os substratos em sua maioria são metálicos, mas se pode também depositar sobre cerâmicas, madeira, plástico e até mesmo papel. O recobrimento tem dois objetivos básicos: recuperar peças desgastadas ou conferir propriedades superficiais especiais, diferentes das do substrato. Basicamente todos os processos de aspersão térmica CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15601

2 envolvem o aquecimento do material a ser depositado e a aceleração das partículas fundidas ou semi-fundidas contra um substrato devidamente preparado. Plasma-spray é um processo de aspersão térmica onde o aquecimento do pó usado como matéria-prima é feito por uma chama formada pela inoização de uma mistura de gases, sendo que os normalmente usados são argônio, nitrogênio, hidrogênio e hélio [1]; essa mesma chama acelera as partículas em direção ao substrato, construindo então a cobertura partícula a partícula. Esse processo é considerado o mais versátil dos processos de aspersão térmica, permitindo bons resultados com praticamente todos os materiais usados em aspersão térmica; sua alta temperatura de chama (maior que K [2]) o torna particularmente vantajoso na aplicação de materiais refratários, tais como óxidos cerâmicos. Transformações de fase em coberturas de plasma-spray. O material depositado passa por aquecimento e resfriamento rápidos, ficando sujeito a transformações de fase. Em alguns casos a presença de fases diferentes das originais é considerada um fator que influencia de forma secundária o desempenho das coberturas [3]; em outros, as transformações de fase podem alterar completamente as propriedades das coberturas, inviabilizando o seu uso [4]. Uma caracterização científica das matérias-primas e das coberturas de plasma-spray muitas vezes envolve o estudo das fases presentes; tal estudo é realizado através da difração de raios-x, comparando-se os difratogramas do pó e da cobertura e avaliando-se as transformações ocorridas. Coberturas de alumina. Este é um material duro, resistente à corrosão e com elevada propriedade dielétrica, características que levam a diversas aplicações. Por manter suas propriedades mecânicas a elevadas temperaturas, a alumina é usada em situações que requeiram resistência ao desgaste a temperaturas proibitivas a outros materiais; há composições que permitem o trabalho até 1650 o C [5,6]. A alumina é bastante resistente à maioria dos ácidos e bases, sendo usada em ambientes corrosivos. Por ser um excelente dielétrico é usada em diversas aplicações eletro-eletrônicas. Pode ser usada em sua forma pura ou formando compósitos com outros materiais, especialmente titânia. Coberturas de carboneto de cromo. Materiais baseados em carbonteo de cromo (Cr 3 C 2 ) possuem um ligante metálico, usado para aumentar a adesão e a tenacidade, além de diminuir a porosidade. O ligante mais comum é uma liga NiCr, presente em diferentes proporções. Uma composição típica é representada por 75%(Cr 3 C 2 ) 25%(Ni 20Cr), comumente CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15602

3 apresentada como Cr 3 C 2 25(Ni20Cr). Suas principais características são a resistência ao desgaste até por volta de 815 o C e boa resistência à corrosão; é portanto um material usado em situações de desgaste, normalmente associado a altas temperaturas e/ou ambientes corrosivos. MATERIAIS E MÉTODOS Para a deposição utilizou-se um pistola de plasma 3MB-II, Sulzer-Metco. Os materiais depositados foram alumina Sulzer-Metco 105SFP; e Cr 3 C 2 25(Ni20Cr) Sulzer-Metco 81NS. O substrato utilizado utilizado foi aço carbono AISI As deposições foram realizadas no Laboratório de Plasma Spray DEMA FEM Unicamp. Para a obtenção dos difratogramas utilizou-se um difratômetro Philips PW 1070, com monocromador de feixes secundários de grafite. A radiação utilizada foi CuKα. Este equipamente está localizado no Laboratório de Difração de Raios-X do Instituto de Física Unicamp. RESULTADOS E DISCUSSÕES Alumina. É principalmente utilizado em sua forma α, estável à temperatura ambiente, mas algumas formas metaestáveis também têm aplicações [7]. As figuras 1 e 2 mostram os difratogramas do pó e da cobertura depositada, respectivamente. O pó se apresenta bastante cristalino, sendo a fase α a única presente fig. 1. O difratograma da cobertura mostra alguns aspectos importantes, entre eles: a fase α desaparece quase completamente, sendo substituída pela fase metaestável γ e por uma fase amorfa fig. 2. A transformação da fase α em fase γ ocorre porque esta última nucleia mais facilmente a partir do material fundido e se a taxa de resfriamento for suficientemente rápida há a retenção da fase metaestável à temperatura ambiente; a presença de alguma fase α indica que algumas partículas não completamente fundidas foram incorporadas à camada, preseravando-se assim a fase original [8]. A fase amorfa mostra que uma parcela do material sofreu resfriamento a taxas bastante elevadas, não havendo tempo para cristalinização. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15603

4 Figura 1 Difratograma do pó de alumina. O material é constituído basicamente de alumina α. Figura 2 Difratograma da cobertura de alumina. Pode-se notar a grande quantidade de fase γ, diminuição da fase α e amorfização de parte do material representada pela elevação do perfil-base do difratograma. Carboneto de cromo níquel/cromo. O carboneto de cromo pode ser obtido e utilizado em diversas composições, entre elas Cr 3 C 2, Cr 7 C 3 e Cr 23 C 6. A estrutura que apresenta as melhores condições de resistência a desgaste e tenacidade é Cr 3 C 2, sendo a fase que deve estar presente no pó e na cobertura [9]. O pó desse material usado em aspersão térmica é difícil de ser analisado através de difração de raios-x, pois seu difratograma é complexo devido à presença de diversas fases. A figura 3 apresenta o difratograma do pó à base de CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15604

5 carboneto de cromo; pode-se ver que a fase predominante é Cr 3 C 2, mas há uma quantidade significativa de Cr 7 C 3. A presença desta não é desejável na matéria-prima. A figura 4 mostra diminuição de Cr 3 C 2, aumento de Cr 7 C 3 e aparecimento da fase Cr 23 C 6, fenômenos relacionados a dois fatores: perda de carbono durante o aquecimento e taxas de resfriamento elevadas ao atingir o substrato [10]. As fase Cr 7 C 3 e Cr 23 C 6 são mais frágeis, prejudicando o desempenho da camada. É desejável que o processo utilizado na deposição não altere significantemente a estrutura original. Figura 3 Difratograma do pó de carboneto de cromo. CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15605

6 ura 4 Difratograma da cobertura de carboneto de cromo. Fig CONCLUSÕES A alumina em forma de pó é composta basicamente de fase α; as elevadas taxas de resfriamento presentes na deposição levam à formação da fase metaestável γ, grande diminuição da fase α e formação de uma apreciável quantidade de estrutura amorfa. O pó de carboneto de cromo apresenta as fases Cr 3 C 2 (principal) e Cr 7 C 3. Na deposição a fase Cr 3 C 2 diminui, a quantidade da fase Cr 7 C 3 aumenta e há a formação de Cr 23 C 6, devido à perda de carbono e resfriamento rápido. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pelo apoio financeiro. Ao Professor Lisandro Pavie Cardoso do Instituto de Física da Unicamp, pelo auxílio na realização deste trabalho. REFERÊNCIAS [1] Thermal Spraying: Practice, Theory and Application. American Welding Society, Miami, Florida, CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15606

7 [2] BARBEZAT, G., NICOLL, A. R. & Sickinger, A. Abrasion, erosion and scuffing resistance of carbide and oxide ceramic thermal sprayed coatings for different applications. Wear, v , p , [3] CALLUS, P. J. & Berndt, C. C. Relationships between the mode II fracture toughness and microstructures of thermal spray caotings. Surface and Coatings Technology, v. 114, p , [4] CHEANG, P. & KHOR, K. A. Addresing processing problems associated with plasma spraying of spraying of hydroxyapatite coatings. Biomaterials, v. 17, p , [5] Materials Guide. Sulzer Metco, [6] Thermal Spray Powders. Praxair Surface Technologies, [7] LEE, W. E. & RAINFORTH, W. M. Ceramic Microstructures Properties Control by Processing. Chapman & Hall, London, [8] McPHERSON, R. The relationship between the mechanism of formation, microstrucutre and properties of plasma-sprayed coatings. Thin Solid Films, v. 83, p , [9] HAYS, C. DOUGLAS, R. & SOKOL. L. S. An improved Cr 3 C 2 -NCHROME Powder. Proceedings of the 7 th National Thermal Spray Conference June 1994, Boston, Massachusetts. [10] GUILEMANY, J. M., NUTTING, J. & LLORCA-ISERN, N. Characterisation of Cr 3 C 2 -NiCr cermet powder for high velocity oxyfuel spraying. Powder Metallurgy, v. 37, p , CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 15607