Nitretação e revestimentos PVD melhoram propriedades tribológicas

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1 Tratamentos superficiais para aplicações tribológicas Carlos Eduardo Pinedo Heat Tech Tecnologia em Tratamento Térmico e Engenharia de Superfície Nitretação e revestimentos PVD melhoram propriedades tribológicas Ademanda por componentes mais resistentes ao desgaste e à corrosão tem promovido um interesse crescente pela engenharia de superfícies, que desenvolve processos alternativos de melhoria nas propriedades tribológicas e triboquímicas. A rota tradicional buscava o desenvolvimento de novos aços e novas ligas. Entretanto, o custo e o tempo associados a estes desenvolvimentos tornam-se muitas vezes proibitivos. Atual- -mente, os processos de nitretação sob plasma, os revestimentos PVD assistidos por plasma, ou a conjugação desses processos na geração de superfícies dúplex apontam para novos parâmetros de desempenho e possibilidades de aplicação. O setor de fabricação de ferramentas é o usuário mais antigo e tradicional dos processos de modificação superficial, visto que ferramentas de conformação, injeção ou corte, estão sujeitas a desgaste e corrosão intensos, dependendo do processo e meio em que trabalham. Outros setores como o de componentes automotivos (aços carbono ou média liga) ou o de biomateriais (aços inoxidáveis e ligas especiais) ainda não se firmaram como grandes consumidores da engenharia de superfície, mas se encontram em intensa atividade de pesquisa. A seguir serão apresentados processos e aplicações da engenharia de superfície em processos sob plasma e seus potenciais sob as propriedades tribológicas Nitretação por plasma de aços inoxidáveis Carlos Eduardo Pinedo Nitretação a 400 o C evita perda de resistência à corrosão ABSTRACT Plasma nitriding treatment has been used for the surface treatment of high alloy steels with advantages over the conventional gas and salt bath processes. When nitriding stainless steels, plasma nitriding allows the removal of passive films using a high energy hydrogen sputtering. Low and high nitriding temperatures may be used. Anitretação é um tratamento termoquímico, desenvolvido inicialmente para ligas ferrosas, realizado no campo de estabilidade da ferrita, comumente entre 500 o C-570 o C. Considerando o sistema Fe-N simples, a microestrutura típica na superfície nitretada é formada por uma camada de compostos (camada branca) mais externa, com espessura de 5 m a 10 m e formada pelos nitretos (Fe 4 N) e/ou (Fe 2-3 N). Essa camada é seguida logo abaixo por uma região de maior profundidade denominada zona de difusão, na qual ocorre a precipitação fina e homogênea de nitretos que promovem um forte endurecimento da matriz. Tradicionalmente, a nitretação é realizada pelos processos gasoso (com amônia) e líquido (em banhos de sais). O processo de nitretação sob plasma [1] foi desenvolvido por Berghaus no início dos anos 30, do século XX, não tendo sido continuado em função das restrições tecnológicas encontradas na época em controlar os principais parâmetros do processo. Os avanços tecnológicos, principalmente relacionados à eletrônica, automação e informatização, permitiram o pleno desenvolvimento da tecnologia de plasma, a partir do final do século XX. Esse processo é realizado em níveis de vácuo que variam entre 100 Pa e Pa. A tensão de operação, da ordem de 0,2 kv a 1 kv, é fornecida ao sistema por uma fonte pulsada, com forma de onda quadrada de duração entre 50 s e 200 s e repetição do ciclo entre 50 s e s. Quando a diferença de potencial é aplicada entre o catodo (peças) e o anodo (carcaça do forno), na presença de uma mistura gasosa, composta basicamente de N 2 e H 2, em condições de temperatura e pressão específicas, ocorre a geração de uma descarga brilhante, glow discharge, que determina a ocorrência do plasma (figura 1). Nesse processo, as moléculas gasosas são dissociadas, os íons carregados positivamente são acelerados para a superfície do anodo (peça) e os elétrons são direcionados para o catodo (carcaça). A energia proveniente desse bombardeamento iônico é suficiente para promover o aquecimento das peças e intensifica o processo de difusão. Na nitretação sob plasma, o controle sobre a metalurgia da camada nitretada é, sem dúvida, a vantagem mais importante. Um sistema computadorizado permite a introdução individual e precisa dos gases 162 METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE 2004

2 Figura 1 Formação da descarga brilhante (bainha de plasma) na nitretação Bainha de plasma de processo (H 2, N 2, Ar, CH 4 e O 2 ) em frações volumétricas diversas, de modo a compor uma atmosfera gasosa específica para cada tipo de aço e aplicação. Os parâmetros temperatura, tempo e composição do substrato também são importantes na formação da superfície nitretada. Os processos convencionais de nitretação possuem grande limitação para a aplicação em aços inoxidáveis, associada à presença do filme superficial passivo de Cr 2 O 3. Quando a nitretação de aços inoxidáveis é realizada pelos processos convencionais, há a necessidade de efetuar uma pré-operação de depassivação utilizando métodos químicos ou mecânicos, o que pode comprometer o acabamento superficial da peça e não garante uma nitretação homogênea da superfície, já que a cinética de formação do filme passivo é elevada. Nos aços inoxidáveis, o uso do processo de nitretação sob plasma é de particular interesse, em virtude da possibilidade de eliminação do filme passivo, presente na superfície, por meio de um bombardeamento prévio sob um plasma de alta intensidade de hidrogênio puro. Como o processo ocorre a vácuo, a ausência de oxigênio impede a repassivação, e o bombardeamento iônico ativa a superfície para a etapa posterior de nitretação, que se dá de forma homogênea por toda a superfície. A nitretação sob plasma é o único processo capaz de permitir a difusão do nitrogênio em condições cinéticas aceitáveis para os processos industriais realizados em torno de 400 o C. Figura 2 Austenita expandida no aço AISI 316 nitretado por plasma, a 400 o C Aços inoxidáveis austeníticos Na nitretação dos aços inoxidáveis, o compromisso entre endurecimento e manutenção de resistência à corrosão nunca deve ser esquecido. A possibilidade de nitretação em torno de 400 o C permite eliminar o efeito de precipitação intensa de nitretos de cromo do tipo CrN e Cr 2 N, que ocorre próximo de 500 o C, decorrente da forte interação entre Cr e N. Essa precipitação promove um elevado endurecimento, mas diminui a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis austeníticos, pela retirada do cromo em solução sólida. Quando a nitretação é realizada em temperaturas próximas a 400 o C, os mecanismos de mudança microestrutural se modificam e promovem um aumento da dureza superficial, sem perda da resistência à corrosão. A precipitação de nitretos é suprimida e a camada nitretada é constituída de uma solução sólida metaestável, cúbica de face centrada, supersaturada em nitrogênio, denominada austenita expandida ( N ), capaz de combinar elevada dureza e resistência à corrosão. Nessa fase, o reticulado CFC da austenita encontra-se expandido com relação ao seu estado original, em decorrência da presença do intersticial, que introduz elevadas tensões residuais de compressão, que crescem com o aumento da concentração de nitrogênio e promovem o endurecimento superficial sem a deterioração das propriedades de corrosão. Resultados anteriores [2] mostram que é possível obter excelentes propriedades de dureza quando o aço AISI 316 é nitretado na temperatura de 400 o C. A figura 2 mostra a formação da austenita expandida ( N ) com dureza de cerca de 16 GPa, determinada por nanoindentação. Essa possibilidade de obter uma superfície nitretada, que combine elevada resistência ao desgaste com resistência à corrosão, é um diferencial de extrema importância para o desenvolvimento de uma nova geração de componentes com propriedades tribológicas otimizadas para setores da indústria química, petroquímica, farmacêutica, médica etc. Curvas de polarização anódica mostram que, quando a nitretação é realizada a 400 o C, a corrente crítica de corrosão (i corr. ) aumenta levemente em relação ao material não nitretado, mas as características de passivação do aço são mantidas, mostrando que a presença da austenita expandida é capaz de endurecer o material sem deteriorar sua resistência à corrosão. Por outro lado, a nitretação a 550 o C desloca a curva mais para a direita e suas características de passivação são deterioradas. A causa desse efeito é associada à precipitação dos nitretos de cromo. Aços inoxidáveis martensíticos Os aços inoxidáveis martensíticos são amplamente utilizados em aplicações de cutelaria, moldes para injeção de polímeros e componentes mecânicos, como anéis de pistão, que combinem elevada resistência mecânica e resistência à corrosão. Dessa família, os aços tipo AISI 410, 420 e 440 são os mais empregados. A grande vantagem desses aços é a possibilidade de endurecer pelo tratamento térmico de têmpera e revenimento, para uma faixa ampla de dureza (entre 40 HRC e 62 HRC), aliando uma boa resistência à corrosão. Apesar dessa capacidade de endurecimento no tratamento térmico, muitas aplicações exigem mais dos aços com relação à resistência ao desgaste. Uma das rotas produtivas que podem ser exploradas para tal é a nitretação sob plasma [3,4]. Para o METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE

3 aço tipo AISI 420, a nitretação sob plasma é capaz de promover um endurecimento superficial para valores próximos de HV. Esse endurecimento é causado pela precipitação de nitretos de cromo na zona de difusão. A figura 3 mostra a capacidade de endurecimento desse aço em diferentes temperaturas de nitretação. Observa-se nesses aços que a dureza máxima independe da temperatura de nitretação e que esta se mantém constante, na forma de um plateau, à medida que a profundidade de endurecimento aumenta com a elevação da temperatura de nitretação. Essa característica de endurecimento é um reflexo do mecanismo de precipitação dos nitretos de cromo durante a nitretação desses aços. Um estudo de aplicação direta da nitretação sob plasma em anéis de pistão mostra que esse processo é vantajoso não apenas por sua capacidade de depassivação ou endurecimento superficial. A possibilidade de nitretação seletiva permite que apenas as faces do Figura 4 a) b) anel que estão sujeitas à ação do desgaste sejam nitretadas. A figura 4 mostra dispositivos de nitretação seletiva para anéis de pistão e as microestruturas resultantes do tratamento superficial. Com isso, vantagens na rota produtiva a) Nitretação sob plasma seletiva para anéis de pistão em aço tipo AISI 440B b) Superfície lateral não nitretada e diâmetros interno e externo nitretados Figura 3 Perfis de microdureza no aço AISI 420 nitretado sob plasma por quatro horas desses componentes automotivos são agregadas ao produto e conduzem a uma redução no custo de fabricação. Referências Bibliográficas 1. Oliveira, S. D.; Pinedo, C. E.; Tschiptschin, A. P. Plasma Pesquisas Comprovam Aumento de Vida Útil de Ferramentas, Metal-Mecânica, Ano 7, N o 42, junho/julho, pp , Caetano, R. R.; Franco Jr. A. R.; Pinedo, C. E. Utilização da Nitretação por Plasma Pulsado em Baixa Temperatura para Aços Inoxidáveis Austeníticos, Anais da I Conferência Brasileira sobre Temas em Tratamento Térmico, 25 a 27 de junho, Indaiatuba, SP, CD-ROM, Pinedo, C.E. & Monteiro, W.A. Surface Hardening by Plasma Nitriding on High Chromium Alloy Steel, Journal of Materials Science Letters, 20 (2): , Pinedo, C. E. The Use of Selective Plasma Nitriding on Piston Rings for Performance Improvement, Materials & Design, 24 (2): , Propriedades de superfície de filmes e camadas Amilton Sinatora sinatora@usp.br Departamento de Engenharia Mecânica Escola Politécnica da Universidade de São Paulo André Paulo Tschiptschin antschip@usp.br Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Topografia e tensões residuais influenciam comportamento em serviço ABSTRACT Mechanical and thermal performance of in service surfaces of metals, alloys and compounds are strongly influenced by two surface characteristics: topography and residual stresses. The real contact area between two surfaces should be known to assess the effective, friction forces and heat transfer through peaks in contact on both surfaces and new techniques are being used to estimate real contact areas. Thermal, epitaxy and transformation stresses can arise during thermochemical coating of tools inducing high residual compressive stresses, and good tribological properties. 164 METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE 2004

4 O s tratamentos de superfície buscam alterações significativas nas propriedades mecânicas, térmicas e químicas. As propriedades mecânicas mais freqüentemente procuradas são a elevação da dureza e, em decorrência, a elevação da resistência ao desgaste e a diminuição da força de atrito. Da perspectiva de propriedades térmicas buscam-se tratamentos que funcionem como barreiras térmicas ou, em outros casos, tratamentos que aumentem a transferência de calor, dependendo da aplicação da superfície. Neste texto destacam-se duas características das superfícies, a topografia e as tensões residuais, uma vez que elas influenciam as respostas térmicas e mecânicas das superfícies em serviço. Topografia O interesse pela topografia decorre da necessidade de se definir a área de troca térmica ou de aplicação de forças, por exemplo, em ferramentas, mancais de deslizamento ou em moldes metálicos para fundição. Tanto as forças normais quanto as tangenciais, como as forças de atrito, estarão distribuídas pela área real da superfície e não, obviamente, por sua área aparente, ou geométrica, como mostra a figura 1. Da mesma forma, a transmissão de calor será mais efetiva pela área real do que pelos vazios entre os contatos dos picos de asperezas. Entretanto, determinar a área real pode ser surpreendente. Por exemplo, qual a área necessária para apoiar um cubo de aço (tensão de escoamento 100 MPa e densidade 7,8 g/cm 3 ) com 10 cm de aresta, de modo a contrabalançar a ação da gravidade de 10 m/s 2? A resposta, que considera toda a deformação como sendo plástica, é impressionante! 80 m 2, ou seja, 125 mil vezes menor que a área aparente de 100 cm 2 do cubo! Desde a década de 60, foram feitas muitas tentativas para se medir a área real Figura 1 Área real de contato mostrando esquematicamente o fluxo de calor e as tensões de contato, utilizando-se das saídas de rugosímetros. Os procedimentos eram complexos, tediosos e os resultados, duvidosos. O problema é tratado da seguinte forma: considera-se a rugosidade dos dois corpos concentrada em apenas um deles e que o contato então se dá entre essa superfície equivalente e uma superfície idealmente plana; a área total de contato considera as áreas elasticamente deformadas e as plasticamente deformadas, computando os incrementos de área devidos a essas deformações; as variáreis utilizadas são o número de picos, seus raios e as suas inclinações. O procedimento continua sendo complexo, mas por causa dos estudos de Tomanik [1] passaram a ser mais confiáveis e expeditos. Um software que incorpora inovações nos Figura 2 Geometria de um componente ( m) e pressões reais de contato resultantes do modelo desenvolvido por Tomanik e colaboradores [1] procedimentos de cálculo e na interpretação da topografia, desenvolvido por esses pesquisadores, permite o cálculo da área de contato, da fração de vazios e da pressão real (ou força), empregando dados de saída de rugosímetros bi ou tridimensionais. Um exemplo pode ser visto na figura 2. Nessa figura observa-se o perfil de um componente mecânico que desliza com uma certa velocidade, da esquerda para a direita, contra uma superfície e sobre um filme de lubrificante. Para essa velocidade, o lubrificante exerce um efeito hidrodinâmico sobre o componente que contribui para contrabalançar parte da força aplicada. Nesse caso, a pressão hidrodinâmica, exercida entre 20 m e 60 m não foi suficiente para afastar totalmente as duas partes. Por isso, entre 10 m e 40 m ocorre contato mecânico entre as asperezas das partes e nesse contato a pressão média é de aproximadamente 20 MPa. Com isso, é possível se fazer estimativas mais precisas da área de contato elástica, da área devida à deformação plástica e, em decorrência, é possível estimar os incrementos de temperatura nos picos de asperezas. Por outro lado, a intensidade da força de atrito não dependerá apenas da topografia e sim, talvez muito mais intensamente, da natureza química das superfícies em contato e da presença e natu- METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE

5 reza de outros meios entre elas, como óxidos ou lubrificantes. Ou seja, fazer predições satisfatórias das taxas de desgaste requer conhecimento adicional além daquele referente à topografia das superfícies. Tensões residuais O nível e a natureza das tensões residuais afetam as tensões resultantes nos componentes e nas áreas reais de contato. Os tratamentos de superfície provocam tensões residuais por razões distintas. No caso de processos a plasma, a tensão residual se desenvolve devido às variações de temperatura e/ou devido às diferenças de módulos de elasticidade do material base e da camada. Os filmes depositados sobre ferramentas apresentam, via de regra, tensões residuais, que podem ser originadas por efeitos térmicos, por epitaxia ou pela incorporação de defeitos durante seu crescimento. Em razão dos diferentes coeficientes Figura 4 Efeito da tensão elétrica negativa aplicada ao substrato, no parâmetro de rede de filme TiN depositado por processo PVD [2] Figura 3 Modelo da organização dos átomos correspondente a valores baixos (i), médios (ii) e altos (iii) de energia cinética dos átomos [2] de expansão térmica do filme e do substrato, os efeitos térmicos resultam em tensões de tração, se o coeficiente de expansão térmica do filme for maior que o do substrato, e de compressão, caso o coeficiente de expansão térmica do filme seja menor que o do substrato. Assim, um filme de TiN depositado a 600ºC e em seguida resfriado até a temperatura ambiente pode resultar em tensões de compressão de origem térmica, da ordem de 1 GPa. No processo de deposição de átomos durante a formação de filmes, são incorporados defeitos à estrutura do filme (figura 3), que promovem aumento do parâmetro de rede (figura 4) e geram tensões compressivas de crescimento que podem atingir valores de até 9 GPa [2]. As tensões resultantes no filme correspondem à soma das tensões de crescimento e das tensões térmicas, como mostra a figura 5. Elevadas tensões de compressão contribuem para o aumento da dureza e da tenacidade do filme (aumento do trabalho elástico), tendo um efeito importante sobre as propriedades tribológicas do material. Entretanto, tensões compressivas muito elevadas podem promover destacamento do filme, caso a adesão deste ao substrato não seja suficiente. Por meio do controle dos processos termoquímicos de deposição (nitretação iônica, PVD, CVD e PAPVD), é possível condicionar tanto a topografia quanto o nível de tensões residuais das camadas depositadas e, dessa forma, obter ferramentas com propriedades especialmente projetadas. Figura 5 Efeito da temperatura do substrato sobre o nível de tensões compressivas em filmes depositados por PVD [2] Referências Bibliográficas 1. Tomanik, E.; Chacon, H.; Teixeira, G. A Simple Numerical Procedure to Calculate the Input Data of Greenwood-Williamson Model of Asperity Contact for Actual Engineering Surfaces Conference: Leeds-Lyon symposium on tribology; Tribological research and design for engineering systems Tribology Series; vol 41, pp , Amsterdam, Boston, Elsevier, Hultman, L.; Sundgren, J.E. IN: Handbook of Hard Coatings Deposition Technologies, Properties and Applications. ed. Bunshaw, R.F., p. 153, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE 2004

6 Relação estrutura propriedades em recobrimentos duros André Paulo Tschiptschin Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Recobrimentos duros especialmente projetados melhoram desempenho de ferramentas de corte ABSTRACT Among various factors affecting performance and lifetimes of cutting tools, coatings are probably the most important. The coating s composition, microstructure and adherence qualities are powerful promoters of metalworking productivity. Recent developments applied to inserts for steel turning are discussed. New inserts can increase metal removal rates by 20 percent without sacrificing finish quality. The hardness to Young modulus (H/E) relationships of coating and substrate determine the adhesion properties of the coating. Duplex and hybrid PAPVD Plasma Assisted Physical Vapor Deposition processes allow obtaining nitrided layers which improve the adhesion of TiN coatings. Uma grande variedade de recobrimentos duros vem sendo utilizada em ferramentas, com a finalidade de aumentar a resistência ao desgaste e o poder de corte. Atualmente, os carbonetos e nitretos dos metais de transição, o diamante e os DLC (diamond like carbon) são os materiais mais utilizados para essa finalidade. Esses materiais apresentam elevada dureza e elevada inércia química, propriedades que conferem baixo coeficiente de atrito, alta resistência ao desgaste e baixa interação química com a peça a ser trabalhada. Entre os diversos fatores que afetam o desempenho e a vida das ferramentas de corte, os recobrimentos são, provavelmente, os mais importantes. A composição química do recobrimento e a aderência ao substrato são determinantes para a melhoria da produtividade na usinagem. Os desenvolvimentos mais recentes na área de recobrimentos de ferramentas de corte têm possibilitado um aumento de até 20% na taxa de remoção de material, sem comprometimento do acabamento superficial das peças trabalhadas. Quando recobertos por processos especiais, os insertos apresentam arestas de corte mais duras e mais resistentes ao desgaste, sustentadas por substratos de alta tenacidade, que suportam temperaturas elevadas, resistem ao trincamento e são especialmente indicados para operações de usinagem a seco. A deposição física a vapor (PVD) e a deposição química a vapor (CVD) são dois processos utilizados para aplicar recobrimentos duros em ferramentas e insertos. O processo PVD, utilizado principalmente no recobrimento de ferramentas de aço rápido, consiste em vaporizar o material do recobrimento e expor a ferramenta a esse vapor em temperaturas relativamente baixas, entre 150 o C e 550 o C. A deposição química a vapor CVD ocorre por meio de uma reação química entre gases, por exemplo, hidrogênio, cloreto de titânio e metano, em atmosfera de nitrogênio, para criar um recobrimento de TiCN, geralmente em temperaturas bem mais elevadas (900 o C a o C), não sendo aplicável aos aços ferramenta. Em geral os recobrimentos PVD são mais finos que os recobrimentos CVD. Por meio de processos PVD aplicam-se revestimentos TiN, TiCN, TiAlN com espessuras entre 3 m e 8 m. Os processos CVD são usados para depositar não somente TiN e TiCN, mas também outros materiais como o óxido de alumínio, cuja função é a de atuar como barreira térmica, podendo atingir espessuras de até 180 m. Figura 1 Inserto recoberto com filme TiN depositado por processo PVD Relação microestrutura propriedades O projeto e a fabricação de ferramentas revestidas apropriadas para os diferentes tipos de aplicações requerem bom conhecimento da relação processamento microestrutura propriedades desempenho, característicos de processos PVD e CVD. O desempenho de filmes tribológicos é, em grande parte, determinado por sua dureza. A tabela 1 mostra a dureza e outras propriedades de materiais freqüentemente utilizados em recobrimentos duros, comparados com as propriedades típicas dos aços. Observa-se que os materiais de recobrimento são muito mais duros, apresentam pelo menos o dobro do módulo elástico e têm coeficiente de expansão térmica variando entre 1 e 0,5 do coeficiente de expansão térmica do aço. Os pontos de fusão são muito altos e indicam uma elevada inércia química desses materiais. A alumina apresenta metade da condutividade térmica do aço e, por essa razão, é utilizada como barreira térmica em vários tipos de recobrimentos. Além disso, o comportamento tribológico dos filmes depende de sua microestrutura, determinada pela técnica de METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE

7 deposição e suas variáveis de processo. O crescimento de filmes durante a deposição ocorre geralmente por meio da formação de grãos colunares, como mostra a figura 2. Durante o crescimento poderá haver maior ou menor incorporação de defeitos ao filme, resultando em grãos mais ou menos regulares. Os primeiros modelos de formação de estruturas em filmes depositados foram desenvolvidos no final da década de 70. A figura 3 mostra esquematicamente a relação existente entre temperatura do substrato T, pressão de gás no interior do reator PAr e estrutura do filme em crescimento, sendo T m a temperatura de fusão do material do recobrimento. Quatro zonas de crescimento podem ser observadas. A zona 1 é formada basicamente por grãos colunares finos, contendo grande quantidade de poros nos contornos de grão. A zona 2 é constituída por grãos colunares grandes e fortemente direcionados. A zona T de transição, entre a zona 1 e a zona 2, obtida para uma faixa mais baixa de temperaturas de substrato entre 0,1 T/T m e 0,4 T/T m e pressões de gás entre 1 mtorr e 10 mtorr, pode ser caracterizada por um arranjo denso de grãos em forma de fibra e ausência de poros nos contornos de grão. Os filmes formados na zona T são muito mais densos e menos rugosos e apresentam as melhores propriedades tribológicas. O processamento de filmes em baixas temperaturas, baixas Tabela 1 Propriedades estruturais, mecânicas e térmicas de materiais utilizados em recobrimentos duros [1] Material Dureza Dureza Módulo Condutividade Coeficiente Ponto de Young térmica de expansão de térmica fusão (kgf/mm 2 ) H (GPa) E (GPa) (W/mK) (10-6 K -1 ) ( o C) TiN , TiC , VN ,0 VC NbN , NbC , CrN , WC , Al 2 O , SiC ,3 BN B 4 C ,0 Diamante ,8 Aço , ferramenta Aço , inox 304 pressões de gás no reator e alta tensão de aceleração de íons promove estruturas com melhores propriedades. Recobrimentos multicamadas A deposição de estruturas multicamadas, de espessuras variáveis, constitui um meio de se obter recobrimentos com composição química, microestrutura e propriedades mecânicas e tribológicas especialmente projetadas. Em geral, é possível obter nesses filmes dureza e resistência ao desgaste superior às de cada uma das camadas constituintes em separado. A deposição multicamadas é feita com o intuito de facilitar a adesão entre o filme e o substrato e de obter filmes de baixa reatividade química, baixo coeficiente de atrito, alta dureza e alta Figura 2 Microscopia eletrônica de transmissão de filme de TiAlN depositado por processo PVD, a 400 o C Figura 3 Modelo de zonas estruturais em filmes metálicos [2] 168 METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE 2004

8 Figura 5 Revestimento multicamada produzido por CVD, constituído de (a) TiN, (b) - Al 2 O 3 e (c) TiCN. Foto de ferramenta Sandvik Coromant Figura 4 Microscopia eletrônica de transmissão da seção transversal de filme com super-reticulado TiN/NbN (100), de periodicidade de 9,4 nm [4] frem empastamento, ferramentas recobertas dessa forma apresentam maior resistência à formação de aresta postiça de corte, em razão da maior lubricidade. A segunda camada, mais espessa, é constituída de grãos colunares muito finos, de óxido de alumínio alfa, que funcionam como barreira térmica, impedindo aquecimento excessivo da parte interna da ferramenta. Finalmente, a terceira camada é constituída de grãos colunares de TiCN, que atuam como amortecedor para a penetração de trincas, aumentando a tenacidade do substrato. Essas ferramentas são especialmente indicadas para usinagem a seco ou usinagem com elevadas taxas de remoção de material. Relação H/E Apesar das melhorias na usinagem em alta velocidade, ou para corte intermitente, as ferramentas de corte revesti- resistência ao desgaste. Pode-se obter durezas maiores que kgf/mm 2 em super-reticulados de TiN/NbN e TiN/VN com estrutura modulada, de comprimento de onda entre 5 nm a 8,5 nm, como a da figura 4. Esse valor de dureza é muito maior que o esperado pela lei das misturas, considerando os valores de dureza dos filmes TiN, NbN e VN [3]. Nordin et al. [4] obtiveram recobrimentos multicamadas, constituído de filmes finos alternados de TiN (2.200 kgf/mm 2 ) e CrN (1.000 kgf/mm 2 ), com 6,5 nm de espessura, formando superreticulados de dureza entre e kgf/mm 2, em recobrimentos com 1,5 m de espessura total. As excelentes propriedades dos revestimentos multicamadas têm sido explicadas, baseadas nas diferenças entre os módulos elásticos dos dois materiais, nos efeitos de tensões e deformações elásticas devidas ao desajuste de reticulados cristalinos e na restrição à movimentação de discordâncias interposta pelas interfaces. Os recobrimentos multicamadas com formação de super-reticulado são geralmente obtidos por processos PVD, sendo o mais comum o sputtering reativo. Trata-se de um processo em que alvos de Ti, Nb e outros metais são erodidos em plasma de (N 2 + Ar), obtendo-se compostos estequiométricos de alta dureza. Um outro exemplo de recobrimento multicamada pode ser visto na figura 5. A camada mais fina e mais externa é constituída de TiN, de cor dourada, que confere baixo coeficiente de atrito, alta lubricidade e funciona como indicador de desgaste, na medida em que vai sendo removida durante operação de corte. Na usinagem de metais moles que sodas continuam a apresentar altas taxas de desgaste. A principal causa não está associada ao desgaste abrasivo dos revestimentos, mas às falhas adesivas na interface camada de TiN/ substrato, em regiões próximas ao gume das ferramentas e à saída do cavaco. Em geral, as camadas de TiN aplicadas em ferramentas de corte têm espessura de 3 m a 8 m, dureza de HV a HV e uma razão entre dureza e módulo de elasticidade H/E de aproximadamente 0,06. São freqüentemente aplicadas em substratos de dureza sensivelmente menor; por exemplo, em aços rápidos com 800 HV a 900 HV e razão H/E de aproximadamente 0,04. Nessas condições ocorre uma transição abrupta dessas propriedades na interface revestimento/substrato, na qual geralmente iniciam as falhas. Uma boa opção para aproximar as propriedades do substrato e da camada, sem causar prejuízo à tenacidade das ferramentas, é modificar as propriedades do substrato somente em regiões próximas à interface com o revestimento. Nessa linha, é fundamental o uso da nitretação por plasma como uma técnica de pré-tratamento do substrato, para melhorar as condições de suporte de revestimentos duros, com melhoria das características tribológicas [5], o que pode ser conseguido por meio de tratamentos superficiais combinados, denominados PAPVD (plasma assisted physical vapor deposition), gerando as tecnologias de camadas dúplex e camadas híbridas. Referências 1. Hultman, L.; Sundgren, J.E. IN: Handbook of Hard Coatings Deposition Technologies, Properties and Applications. Ed. Bunshaw, R.F., p. 111, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, Thornton J.A. Annual Review of Materials Science, vol. 7, pp , Chu, X.; Barnett, S.A.; Wong, M.S.; Sproul, W.D. Surface and Coating Technologies, vol. 57, n. 1, pp , Nordin, M.; Larson, M. Surface and Coatings Technology, vol , pp , Franco, Jr. A.R. Obtenção de Revestimentos Dúplex por Nitretação a Plasma e PVD-TiN em Aços Ferramenta AISI D2 e AISI H13, Tese de Doutoramento, Epusp, METALURGIA & MATERIAIS ABRIL DE