Plasmas usados no tratamento de materiais

Plasma é uma classe particular de gás ionizado. O termo plasma (do grego plasma, modelado ou aquilo que se ajusta) foi usado pela primeira vez por Tonks e Langmuir que realizavam estudos que visavam prolongar a vida útil de filamentos de tungstênio em lâmpadas a vácuo (1929) (48) e para designar descargas elétricas em gases que produziam uma faixa de descargas luminosas (“glow discharge”), idealizaram esse termo em comparação aos glóbulos vermelhos e glóbulos brancos do plasma sanguíneo.

Os plasmas de interesse para o processamento de materiais são formados e mantidos por campos elétricos com corrente alternada (c.a) ou contínua (c.c). No caso dos campos c.a, as freqüências típicas vão de 100 KHz a 13,56 MHz na faixa de rádio frequência, podendo chegar a 2,45 GHz na faixa de microondas (49). Nestes tipos de plasma, a transferência de energia de elétrons a partículas pesadas (íon, átomo, molécula) via colisões elásticas é muito lenta devido à grande diferença de massa. Com isso, a uma baixa pressão (baixa freqüência de colisões) os elétrons podem acumular energia tal, que na colisão dos mesmos com partículas pesadas são produzidas ionização e excitação. Desta forma, é possível produzir espécies muito reativas (radicais, átomos) que participam das reações químicas e interagem com as superfícies do sólido. Isso explica o crescente uso de plasmas em uma grande quantidade de tratamentos superficiais.

A condição para que um gás possa ser definido como plasma é que suas espécies carregadas eletricamente tenham um comportamento coletivo. Nessa condição, a concentração de cargas positivas é praticamente igual à de cargas negativas; portanto, o gás é eletricamente neutro (49). Entende-se por comportamento coletivo à capacidade das cargas livres de se distribuir espacialmente e de produzir uma perturbação eletrostática no gás, de maneira que o plasma é isolado desta perturbação e a sua condição neutra é preservada.

3.3.3 O processo

As técnicas assistidas por plasma, bem como os processos envolvidos, podem ser mais bem entendidos quando se conhece o princípio básico de funcionamento dos equipamentos. A figura 3.20 representa esquematicamente um reator típico usado na geração de plasma para o tratamento termoquímico de nitretação, constituído basicamente por um sistema de vácuo, um gerador e uma câmara de vácuo (50). O reator deve conter saídas para medidas de pressão, temperatura e outras variáveis para o controle do processo, entradas para os gases de tratamento além de dois eletrodos (o catodo é o porta – amostras) e bomba de vácuo para manter uma pressão dos gases entre 10 – 1000 Pa. O controle de vazão dos gases pode ser feito através de válvulas externas. A fonte de potência deve ter uma saída c.a.,

com d.d.p. máxima de aproximadamente 1.500 V e uma corrente capaz de fornecer energia às peças de tal forma a aquecê-las em temperaturas entre 300 e 600 °C (50).

Figura 3.20 - Representação esquemática de um reator típico usado no tratamento termoquímico de

nitretação a plasma (51).

3.3.3.1 Descargas luminosas

Para que haja um estágio inicial de excitação, onde as colisões entre as partículas do gás dissociam as moléculas, excitando e ionizando átomos e outras moléculas, são necessárias uma baixa pressão (1 a 10 Torr) do gás e a aplicação de uma d.d.p de no mínimo 500 V entre os dois eletrodos contidos na câmara hermeticamente fechada. Com isso, novas cargas são continuamente produzidas através de reações de ionização e excitação.

Por causa da produção de cargas elétricas, é gerada uma corrente elétrica que varia com a d.d.p. entre eletrodos. Para o caso de um plasma de argônio, na figura 3.21

são mostradas as características da curva que relaciona a tensão versus densidade de corrente para os diferentes tipos de descarga.

Os elétrons são acelerados pelo campo elétrico em direção ao anodo e os íons positivos, ao catodo.Os íons de argônio, gerados através de excitações e ionizações de moléculas e átomos do gás, produzem a descarga luminosa (“glow discharge”) (45)

. A densidade de corrente elétrica é extremamente baixa nas regiões A-B (faixa do tubo contador Geiger), B-C (descarga Townsend), C-D e D-F. A região B-C no gráfico é denominada de “auto sustentável” e possui correntes muito fracas, com isso não envolve o catodo (amostra) completamente sendo assim inadequada à nitretação de metais.

As descargas luminosas normais ocorrem na região de descarga luminosa estável E-F na figura 3.21, e podem ser mantidas com baixas energias e densidades de correntes fracas. Essas descargas podem ser utilizadas em lâmpadas ou em tubos fluorescentes para iluminação industrial ou mesmo residencial.

Os processos de modificação de superfície estão associados a uma corrente elétrica de alta densidade e são realizados na região de descarga luminosa anômala F-G. Na região de descarga anômala a relação entre a tensão e a densidade de corrente é linear favorecendo o controle sobre esses parâmetros (32,45,52).

Figura 3.21 - Curva tensão de descarga brilhante, “glow-discharge” X densidade de corrente elétrica,

Na região de descarga anômala o catodo é completamente envolto pela descarga, onde há a formação de zonas luminosas e escuras, caracterizadas por parâmetros elétricos distintos. A região luminosa próxima ao catodo é chamada de luminescência catódica e a cor da luminescência é característica da composição da mistura gasosa no plasma.

Entre o catodo e a luminescência catódica, o espaço escuro existente é a bainha catódica. A bainha catódica possui uma baixa concentração de cargas devido a baixa taxa de colisões entre as partículas do gás. Após esse espaço escuro existe uma região de alta luminosidade, denominada de luminescência negativa. A bainha catódica e o catodo, juntamente com a luminescência negativa, são responsáveis pela queda de tensão aplicada entre os eletrodos. É na bainha catódica - interface plasma/superfície do catodo – onde ocorrem os principais fenômenos como transferência de carga, produção de elétrons secundários, excitações e ionizações, responsáveis pela geração do nitrogênio atômico, como mostrado esquematicamente na figura 3.22.

A espessura da bainha catódica representa o livre caminho médio para a formação de íons capazes de manter a descarga luminosa e é determinada pela pressão, temperatura e tipo do gás. Leyland e colaboradores (53) mostram que a espessura da bainha catódica (grau de ionização do plasma) é uma variável de processo que exerce uma influência muito importante sobre o crescimento da camada nitretada.

Figura 3.22 - (a) Aspecto do plasma durante a descarga luminosa anômala e (b) queda de tensão na