Nitretação por plasma de ferro sinterizado

CURSO DE PôS-GRADUACÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

NITRETAÇÃO POR PLASMA DE FERRO SINTERIZADO

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA A UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

SILVIO FRANCISCO BRUNATTO

11

NITRET A Ç X O POR PLASMA DE F ERRO SI NTERI ZAEX)

S I L V I O FRANCISCO BRUNATTO

ESTA D ISSERTAÇXO FOI J U L G A D A ADEQUADA PARA A OBTENÇXO DO T i T U L O DE

MESTRE EM ENGENHARIA

ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECANICA, AREA DE C O NCENTRAÇXO FABRICAÇXO, APROVADA EM SUA F O R M A FINAL PELO CURSO DE PÓS-GRADUAÇXO EM ENGENH A R I A MECÂNICA.

A L O J S I O N ELMO KLEIN, Dr. Ing. - ORIENTADOR

BANCA EXAMINADORA:

A JESUS, M A R I A E J O S Ê M E U S P A I S E I R M S O S M I N H A N O I V A

i V

o

AGRADECIMENTOS;

- A M E U S GRIENTAEKDRES KLEI N E JOEL

- A M I N H A F A M Í L I A E M FLORIANÓPOLIS. REYNALDO. MÃRCIA, ANITA. HELOÍSA. ANDRE. C L A U D I A E R U B E N S

- A A M I ZADE C O M O S P R O F E S S O R E S E PESQUI S A D O R E S EXD L A B M A T - A CNPQ/RHAE

1. I N T R 0 D U Ç 2 0 E O B J E T I V O S ... . ... : 1 2. M E T A L U R G I A D O P Õ F E R R O S A ... ... ... . 3 2.1 - E T A P A S D O P R O C E S S O DE F A B R I C A Ç Ã O DE C O M P O N E N T E S E M F E R R O E A Ç O P O R METALURGIA D O P Õ ... 5 2.1.1 O B T E N Ç S O D O S PÕS DE F E R R O ... ... ... . .7 2. 1. 2 - M I S T U R A D O S P Õ S ... ... 8 2 . 1 . 3 - C O M P A C T A Ç Ã O DOS P Õ S . ... ... 8 2 . 1 . 4 - S I N T E R I Z A Ç Ã O ... ... lO 2. 1. 5 - C A L I B R A Ç Ã O ... 11 2 . 2 - A Ç O S S I N T E R I Z A D O S NITRETADOS P O R P L A S M A ... 11 3. N I T R E T A Ç Ã O POR P L A S M A ... ... . ... ... 18 3.1 - A S P E C T O S F U N D A M E N T A I S DA D E S C A R G A E L É T R I C A ... 1 8 3. 1.1 - R E G I M E DE DESCARGA ... .19 3.1. 2 - POTENCI AL D O PLASMA ... ... ... . 21 3 . 1 . 3 - C O L I S Õ E S N A BAINHA C A T Ô D I C A ... ... 23 3.1.4 - R E G I Ã O LUMINESCENTE D A D E S C A R G A ELÉT RI CA ... 24 3. l . S - I N T E R A Ç Ã O PLASMÀ - S U P E R F Í C I E ... 2S 3 . 2 - A S P E C T O S M E T A L Ú R G I C O S E T E R M O D I N Â M I C O S D A S C A M A D A S N I T R E T A D A S P O R P L A S M A EM M A T E R I A I S F E R R O S O S ... 26 1 3.2.1 - S I S T E M A BINÁRIO F E R R O - N I T R O G Ê N I O ... .27 3 . 2 . 2 - S I S T E M A TERNÂRIO F E R R Q - C A R B O N O - N I T R C X 3 Ê N I O ... 29 3.2. 3 - T I P O S DE CAMADAS O B T I D A S E M M A T E R I A I S F E R R O S O S ...30

^ 3 ^ 4 - I N F L U Ê N C I A D A C O M P O S I Ç X O D O P L A S M A SOBRE A S F A S E S Q U E C O M P S Em" A C A M A D A B R A N C A ... ... 32 3 .3 - ANÁLISE C O M P A R A T I V A C Ó M O S P R O C E S S O S C O N V E N C I O N A I S DE N I T R E T A Ç S O ... ... 33 3.3.1 - N I T R E T A Ç S O L Í Q Ü I D A .... ...33 3.3. a - N I T R E T A Ç Ã O G A S O S A ... 33 3.3.3 - V A N T A G E N S D O P R O C E S S O DE N I T R E T A Ç S O POR / P L A S M A ...34 vi / 4. P R O C E D I M E N T O E X P E R I M E N T A L ...36 4.1 - O B T E N Ç S O D A S A M O S T R A S DE F E R R O P U R O E Fe-C P O R METALURGI A D O P Õ ... ...36 4.1.1 - MATÊRIAS-PRIMAS, M I S T U R A E C O M P A C T A Ç X O D O S P Ó S . ... ... 37 4.1.2 - S I N T E R I Z A Ç S O C D E S C R I Ç Ã O EX5 P R OC ES S OR .... ...38 4.2 - N IT R ET A Ç Ã O P O R P L A S M A D AS A M O S T R A S S I N T E R I Z A D A S ... 42 4. 3 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D A S A M O S T R A S S I N T E R I Z A D A S E N I T R E T A D A S ... ... ... 43 4. 3.1 - P R O P R I E D A D E S F Í S I C A S ... ... ...43 4. 3. 2 - P R O P R I E D A D E S M E C Â N I C A S ...46 4.3. 3 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O MI C R O E S T R U T U R A L ... 46 4. 3. 4 - A N Á L I S E Q U Í M I C A E DE F A S E S P R E S E N T E S ... 47 i 3. RESULTAIX)S E D I S C U S S 5 E S ... ... 49 3.1 - C AR A CT E RI ZA Ç ÃO Q U AL I T A T I V A D A M A T É R I A - P R I M A ... 49 3. 2 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D A S A M O S T R A S S I N T E R I Z A D A S ... ... 49 '3.2.1 - A N ÁLISE Q U Í M I C A ... .49

5.3.2 - D E N S I D A D E D A S A M O S T R A S S I N T E R I Z A D A S ... . . . . 5 0 5.2.3 - T A M A N H O DE G R S O M Ê D I O D A S AMOST R A S DE F E R R O . . . . . 5 2 5.2.4 - Q U A N T I D A D E R E L A T I V A D A S F A S E S P R E S E N T E S N A S A M O S T R A S DE F e - C . . r. '... ... 5 3 5. 3 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D A S A M O S T R A S N I T R E T A D A S E M M I S T U R A RICA E M N I T R O G Ê N I O ... ... 54 5.3.1 - I N F L U Ê N C I A D A POROSIDADE, D O C A R B O N O E D O - T E M P O D E T R A T A M E N T O S O B R E A E S P E S S U R A D A C A M A D A B R A N C A ... 54 5.3.2 - I N F L U Ê N C I A D A POROSIDADE, EX> C A R B O N O E D O T E M P O DE T R A T A M E N T O S O B R E A DUREZA D A C A M A D A B R A N C A ... ... • ■ • - ... 57 5.3.3 - IN F L U Ê N C I A D A P O R O S I D A D E E DO T E M P O DE T R A T A M E N T O S OB R E A , PROFUNDIDADE DE P R E C I P I T A Ç Ã O DE A G U L H A S DE NITRETO DE F E R R O ... 59 5.3.4 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D A Z O N A DE DIFUSÃO - P E R F I S DE M I C R O D U R E Z A ... ... ... 61 5.3.5 - I N F L U Ê N C I A D A P O R O S I D A D E N A PROFUNDIDADE DE N I T R E T A Ç Ã O ... ... ... 6 5 5.3. 6 - A S P E C T O S D A C A M A D A B R A N C A QUANTO A O B S E R V A Ç Ã O E M M I C R O S C O P I A Õ T I C A E ELETR Ô N I C A DE V A R R E D U R A . i ... ... . 66 5. 3. 7 - F A S E S P R E S E N T E S N A C A M A D A BRANCA ... 6 9 5.3.8 - I N F L U Ê N C I A D O E N C R U A M E N T O SUPERFICIAL N A NI T R E T A Ç Ã O ... ... ... 71 5.4 - C A R A C T E R I Z A Ç Ã O D A S A M O S T R A S NITRET A D A S E M M I S T U R A POBRE E M N I T R O G Ê N I O ... 73 5.4.1 - A S P E C T O S O B S E R V A D O S E M MICROSCOPIA Õ T I C A ... 73

3.4.2 - F A S E S P R E S E N T E S N A C A M A D A B R A N C A ... 74

6. CONCLUSe5ES E S U G E S T Õ E S ... ...7 6

7. REFERÊNCIAS B I B L I O G R Á F I C A S ... ... 8 2

A N E X O I - A P R E S E N T A Ç Ã O D O S R E S U L T A D O S E M T A B E L A S

RESUMO

F o r a m revistos os p r i n c i p a i s a s p e c t o s relac i o n a d o s a p r o d u ç ã o de componentes de f e r r o e a ç o por m e t a l u r g i a do pó, b e m c o m o os aspectos referentes ao p r o c e s s o d e t r a t a m e n t o superficial de n i t r e t a ç ã o por plasma destes componentes.

O

E s t u d o u - s e o e feito da p o r o s i d a d e na o b t e n ç ã o de c a m a d a s n i t r e t a d a s por plasma e m f erro p u r o s i n t e r i z a d o e a influ ê n c i a do carbono, na forma de c a r b o n e t o de ferro, na formâ.çSo destas camadas. P a r a tanto, p roduziu-se a m o stras de f e r r o p u r o e m três p o r o s i d a d e s d i s t i n t a s C18, 9 e 4. 5 e de f e r r o c o m O. S 5 % C e m peso na p o r o s i d a d e de 6. S %. As n i t r e t a ç S e s f o r a m r e a l i z a d a s em descarga e m r e g i m e a b n o r m a l , nas misturas 9 0 % Nz + 10 % Hz e 2 5 % Nz + 75 % Hz, a 3 Torr e a 540°C, entre 1 e 8 horas.

Na c a r a c t e r i z a ç ã o das a m o s t r a s s i n t e r i z a d a s e nitretadas, d i s p ô s ^ s e da micros c o p i a ótica, m i c r o s c o p i a e l e t r ô n i c a de v a r r e d u r a e d i f r a t o m e t r i a de raio-x. F o r a m r e a l i z a d o s p e r f i s e medidas d e m i c r o d u r e z a e espessura de c a m a d a e m todas as amostras.

C o n s t a t o u - s e a v i a b i l i d a d e da u t i l i z a ç ã o do processo de n i t r e t a ç ã o por plasma no t r a t a m e n t o d e c o m p o n e n t e s f e r rosos s i n t e r i z a d o s , uma vez que a porosidade, q u a n d o b a i x a Cda o r d e m de a t é 1 0 , n ã o compromete o d e s e n v o l v i m e n t o d a s camadas de nitretos. A l é m disso, o b servou-se que a p e rlita é u m c o n s t i t u i n t e que p r o m o v e a f o r m a ç ã o de camadas brancas mais espessas, c o m p a r a n d o - s e à q uelas o b t i d a s na ferrita.

ABSTRACT

This d i s s e r t a t i o n deals w i t h the p l a s m a n i t r i d i n g of sintered iron and c a r b o n steel parts. The e f f e c t of p o r o s i t y in sintered iron and the i n f l u e n c e of carbon, in c a r b i d e form, on the pi a s m a -nitrided layer f o r m a t i o n has b e e n also studied. ^

Pure iron s a mples w e r e p r o d u c e d with p o r o s i t y of 18, 9 and 4. 5 %. In samples w i t h 0.55 % c a r b o n content C i n weightD, the p o r o s i t y was 6 . 5 %. N i t r i d i n g was c a r r i e d out i n abnormal g l o w discharge in t w o mixtures, 90 % N2 + lO Hz and 2 5 % Nz + 7 5 "/i Hz, under a press u r e of 3 Torr and at 5 4 0 »C. The n i t r i d i n g t i m e v aried b e tween 1 and 8 hours. The samples w e r e c h a r a c t e r i z e d b y means of li g h t and s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y and x - r a y diffractometry.

Microhardness m e a s u r e m e n t s and p r o f i l e s were a l s o made.

R e sults s h o w e d that t h é s i n t e r e d iron a n d steel s a m ples c a n be s u c c e s s f u l l y t r e a t e d b y p l a s m a nitriding. A normal p l a s m a - ni t r i d e d layer f o r m a t i o n is n o t e d in sintered i r o n s a m p l e s with p o r o s i t y of the order of until 1 0 Finally, t h e r e s u l t s showed t h a t the p e r l i t e is r e s p o n s i b l e b y thicker w h i t e - l a y e r s f o r m a t i o n t h a n that o b t a i n e d b y ferrite.

INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

o

A m e t a l u r g i a d o pó f e r r o s a CMPFD v e m a p r e s e n t a n d o , nas úl t i m a s décadas, uma c r e s c e n t e demanda e m f u n ç ã o d e sua e c o n o m i c i d a d e e por permitir a f a b r i c a ç ã o de c o m p o n e n t e s estruturais, d e ferro e aço, c o m p r e c i s ã o d i m e n s i o n a l e boas p r o p r i e d a d e s mecânicas.

N ovos campos d e a p l i c a ç ã o podem ser vislum b r a d o s , aliando e l e v a d a r e s i s t ê n c i a ao d e s g a s t e a estes compon e n t e s , a t r a v é s de t r a t a m e n t o termoqulmico. Dada uma p e c u l i a r i d a d e d e s t e s componen-tes, - a p r e s e n ç a d e poros r e s i d u a i s -, os t r a t a m e n t o s termo q u l m i c o s c o n v e n c i o n a i s s ã o pouco r e c o m e n d a d o s por c a u s a r e m d i s t o r ç S e s nas . p e ç a s C n i t r e t a ç ã o gasosa) e e x s u d a ç ã o posterior d e sais r e t i d o s nos p oros C n i t r e t a ç ã o iíqüida). O p r o c e s s o de n i t r e t a ç ã o por p l asma, de d e s e n v o l v i m e n t o mais recente, é u m t r a t a m e n t o t e r m o q u l m i c o e s p e c i a l m e n t e i n d i c a d o p a r a c o mponentes de f e r r o e a ç o slnter i z a d o s [1,2,3], pois n ã o a p r e s e n t a os inconvenientes caracterí sti cos da n i t r e t a ç ã o convencional a c i m a citados [2,3]. O u t r a v a n t a g e m perante os d e m a i s t r a t a m e n t o s t e r m o q u í m i c o s de nitretação, e s t À n a grande f a c i l i d a d e de s e controlar os parâmetros t e c n o l ó g i c o s do processo

[1,23.

A p e s a r de. na l i t e r a t u r a t é cnica especializada, já, e>dLstir u m c o n s i d e r a d o número de t r a b a l h o s d i r ecionados a n i t r e t a ç ã o por plasma de l i g a s ferrosas complexas, obtidas por metalurgia d o pó [1-8], e s t a s e recente d a f a l t a de u m e s tudo b á s i c o f u n damental, d o c u m e n t a n d o a evolução d e s t e p r o c e s s o e m f e r r o p u r o s i n terizado, p r i n c i p a l m e n t e c o m r e lação à sua porosi d a d e residual.

N e s t e trabalho, p r o c u r o u - s e revisar os principais a s p e c t o s r e l a c i o n a d o s c o m a produção de componentes estruturais ferrosos, obtidos por m e t a l u r g i a d o p ó CMPD, b e m como os aspectos d i r e t a m e n t e ligados à t é c n i c a de t r a t a m e n t o superficial de nitretação por p l a s m a CNPPD d e s t e s componentes.

E m t e r m o s experimentais, procu r o u - s e analisar a i n f l u ê n c i a da porosidade, n a obtenção d e camadas nitretadas por plasma e m f e r r o pu r o s i nterizado. A i n f l u ê n c i a do carbono, na f o r m a de c a r b o n e t o de ferro, na f o r m a ç ã o destas c a m a d a s t a m b é m foi estudada. Por último, c o n siderável a t e n ç ã o foi dispensada, buscando verificar p o s s í v e i s m o d i f i c á ç S é s n a s superficies dos compactados a s s i m tratados.

METALURGIA DO Pô FERROSA

A t é c n i c a d e p r o c e s s a m e n t o de c o m p o n e n t e s m e c â n i c o s de fe r r o e de ligas ferrosas a part^ir do pó é c o n h e c i d a por m e t a l u r g i a do pó ferrosa CMPFD. Este p r o c e s s o de f a b r i c a ç ã o é e s p e c i a l m e n t e i n d i c a d o na p r o d u ç ã o e m grandes séries, d e peças de p e q u e n o p o r t e C g e r a l m e n t e até 250 g D . Além d e ser u m p r o c e s s o de baixo c o n s u m o de energia, as perdas d e matérias — primas, m u i t o comuns nos d emais p r o c e s s o s de fabricação, são p r a t i c a m e n t e eliminadas. A g r a n d e v a n t a g e m desta t é c n i c a c o n s i s t e na o b t e n ç ã o de p r o d u t o s , c o m e s t r e i t a s tolerâ n c i a s di mensi ona.1 s , na f o r m a final desejada. D e m o d o geral, q uanto maior for a c o m p l e x i d a d e geomét r i c a do componente, t a n t o mais e c o n ô m i c o s é t o r n a e s t e p r o c e s s o de fabricação. G e o m e t r i a s c o m p lexas tendem a a u m e n t a r os cuátos de p r o d u ç ã o das t é c nicas c o n v e n c i o n a i s de fabricação. i

A i m p o r t â n c i a da MPF f i c a e v i d e n c i a d a na t abela 1. Os dados i n d i c a m q u e e s t e campo da M P é responsável por 72 °/í d a d e m a n d a mundial de pós m e t á licos C600 O O O T D . ^

O principal usuário d e c o m p o n e n t e s obtidos pela m e t a l u r g i a do pó convencional C M P O é, s e m dúvida, a indústria a u t o m o b i l í s t i c a

[9,10,113. Na América d o N o r t e e s t e m e r c a d o é responsável por 6 S % da comercialização de c o m p o n e n t e s sinterizados. N o J a p ã o s u p e r a - s e a marca de 80 %, ao p a s s o que na A l e m a n h a a t i n g e - s e 6 0 X. O u t r o s usuários, n u m segundo p l a n o d e import'âhcia, s ã o os f abricantes d e eletrodomésticos, e q u i p a m e n t o s de escrit ó r i o , f e r r a m e n t a s elétricas, armas, implementos agricuias, e n t r e outros.

4

Tabela 1 - Demanda mundial e s t i m a d a d e pós m e t á l i c o s e m 1990 £83.

MATERIAL TO N ELA D A S/A N O

FERRO E ACO 6 0 0 0 0 0

V

COBRE E SUAS LIGAS 48 0 0 0

ALUMÍNIO 1 0 0 0 00

\ _{AÇO inoxidaVe l 15 0 0 0}

\ _{NfQUEL 22 OOO}

AÇOS RiU»ID0 E FERRAMENTA 10 0 00

TUNGSTÊNiO E WC 3 0 0 0 0

TOTAL 8 2 5 0 0 0

Deve-se notar q u e os p r i n c i p a i s c o m p o n e n t e s automo t i v o s p r o d u z i d o s por MF*. c o n s t i t u e m - s e e m g p a n d e p a r t e de peças móveis d e

■

1

motores, sujeitas q u a s e s e m p r e a c o n d i ç S e s d e e l e v a d o desgaste. Ê o caso das bielas, eixos c o m a n d o de válvulas C e x c ê n t r i c o s ou c a m e s ) , e n g r e n a g e n s de transmissão, guias e i n c W t o s d e a c e n t o de válvulas, etc. £1,9-123.

p r o c e s s o de NPP, reduz e m muito, problemas de d e s g a s t e e de fadiga." O u t r a v a n t a g e m i m e d i a t a d o tratamento super f i c i a l destes componentes, reside na p o s s i b i l i d a d e de se produzir c o m p o n e n t e s s i m i l a r e s c o m ligas mais simples, de boas c a r a c t e r ! s t i c a s à n i t r e t a ç ã o C r e d u ç ã o de c ustos d e matérias - primasD.

A t u a l m e n t e o Brasil p r o d u z cerca de 5 0 m i lhSes de peças de aços s i n t e r i z a d o s por ano. D e n t r e a s empresas q u e u t i l i z a m a MP como p r o c e s s o d e f a b r i c a ç ã o de seus c o m p o n e n t e s destacam-se: Metal Pó, Brassinter, Cofap, Metal L e v e e S c h u n k do Brasil [13].

E m termos de p e s q u i s a s n o campo da MPF, os e s f o r ç o s na , d é c a d a de 90, ' p a r e c e m buscar a mini mi zação das d i f e r e n ç a s de p r o p r i e d a d e s dos m a t e riais o b t i d o s pela MPC e pela t é c n i c a de f o r j a m e n t o d e pós CTFPD [9,11]. Para este f i m e s t ã o s e n d o d e s e n v o l v i d o s pós de aços l i g a d o s apresentando c o m p a c t a b i l i d a d e s c a d a vez maiores e m a t e r i a i s pré-misturados d e e l e v a d a homogeneidade. O uso de equipament-os de alta p e r f o r m a n c e e dé e s t r e i t o c o n t r o l e de qualidade, c o m o prensas de c o m a n d o n u m é r i c o c o mputadorizado, a l i a d o ao u s o de altas t e m p e r a t u r a s de sinterização, torna m - s è r e c u r s o s tecnológicos adici o n a i s na b u s c a d e s t e i m p o r t a n t e objetivo.

2.1 - E T A P A S D O P R O C E S S O D E FABRICAÇXO DE C O M P O N E N T E S E M F E R R O E A Ç O P O R M E T A L U R G I A D O P Ó

As e tapas do p r o c e s s a m e n t o de ferro e ligas f e r r o s a s a partir d o pó já f o r a m d e s c r i t a s d e t a l h a d a m e n t e por vários a u t ores [13-17]. E m f u n ç ã o disto, no p r e s e n t e estudo p r o c u r a r - s e - á dar uma d e s c r i ç ã o suscinta, para f a c i litar ao leitor o e n t e n d i m e n t o do

trabalho c o m o u m todo. Na f i g u r a 1, t e m - s e r e p r e s e n t a d o de modo e s q u e m á t i c o as etapas do p r o c e s s a m e n t o de c o m p o n e n t e s por MP. ü) y a. S </)

s

±

Figura 1 - F l u x o g r a m a das e t a p a s do p r o cesso de fabricaçãlo de c o m p o n e n t e s por MP. ’

U m a vez que os m a t e r i a i s estud a d o s no p r e sente t r a b a l h o sSo o f e r r o p u r o e o aço ao c a r b o n o C F e - O , a a b o r d a g e m i n d i v i d u a l de cada u m a d e s s a s etapas será r e a l i z a d a s o b o c o n texto da MPF.

V ários são os processos d e s e n v o l v i d o s p a r a a o b t e n ç ã o de pós metálicos. Contudo, a escolha d o p r o c e s s o m a i s a d e q u a d o d e p e n d e d i r e t a m e n t e d o c o n j u n t o de p r o p r i e d a d e s mecânicas, f í s i c a s e q uímicas de c a d a material El4] e das c a r a c t e r í s t i c a s r e q u e r i d a s do pó e m f u n ç ã o da aplicação.

N o c a s o d o pó de ferro s ã o d e s e j á v e i s ^ s segui n t e s c a r a c t e r í s t i c a s Cl53:

- Boa escoabilida.de para o p e r f e i t o p r e e n c h i m e n t o da matriz e r e d u ç ã o do t e m p o necessário p a r a o s e u enchimento;

- Conferir a o compactado a d e q u a d a r e s i s t ê n c i a a verde, a fim de impedir a r u p t u r a deste d u r a n t e a e x t r a ç ã o da m a t r i z e o t r a n s p o r t e para o f o r n o de sinterização;

- E l e v a d a densi d a d e a p a r e n t e p a r a q u e os c o m p a c t a d o s ap r e s e n t e m v a r i a ç S e s dimensionais m í n i m a s C inferi or es a 0 . 5 %D após sinterização, pois flutuaçSes neste p a r â m e t r o c o m p r o m e t e m o c o n t r o l e dimensional de p r o d uçSes seriadas;

- A p r e s e n t a r alta compactabilidade, p o i s q u a n t o maior for . a d e n s i d a d e a v e r d e d o compactado, e m m a t e r i a i s q u e não a p r e s e n t a m

grande e n c o l h i m e n t o d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o isotérmica, maior t ambém será a d e n s i d a d e s i n t e r i z a d a deste.

S o b este enfoque, os p r o c e s s o s , i n d u s t r i a i s mais i m p o r t a n t e s na o b t e n ç ã o de pó de f e r r o s ã o os dê a t o m i z a ç ã o a partir do metal liqüido, que possibilitam a o b t e n ç ã o de p a r t í c u l a s com fo r m a t o a r r e d o n d a d o e os processos d e r e d u ç ã o de m i n é r i o via

4

2 .1.2 - M I S T U R A D O S P Ó S

Nesta etapa do p r o c e s s o é d e f i n i d a a composição q u ímica d o material desejado, uma vez que no c a r r e g a m e n t o do misturador, s ã o a d i c i o n a d o s os elementos de liga ao pó de f e r r o nas r e s p e c t i v a s proporçSes.

Mesmo na p r o d u ç S o de c o m p o n e n t e s d e f e r r o puro esta e t a p a

é imprespJLndível , e m f u n ç ã o da n e c e s s i d a d e d e s e adicionar à m i s t u r a

u m lubrificante, cuja f i n a l i d a d e é a de r e d u z i r o a t r i t o d o p ó d u r a n t e a compactação. Esse l u b r i f i c a n t e g e r a l m e n t e é s ó l i d o e por ser f a c i l m e n t e removido d u r a n t e o c i c l o de sinterização, n ã o influi na c o m p o s i ç ã o química da liga Cex. : e s t e a r a t o d e zincoD.

2.1.3 - C O M P A C T A Ç Ã O D O S P Ó S

Ê nesta fase do p r o c e s s o que s e o b t é m a g e o m e t r i a e as d i m e n s S e s finais do c o m p o n e n t e desejado. A compactação, de m o d o c o n v e n c i o n a l , é realizada a f r i o por m e i o d e u m sistema m atriz - punçSes, o n d e a carga é a p l icada d e f o r m a u n i axial com e f e i t o d u p l o

C m a t r i z flutuanteD. ,

Na MPF esta é a principal etapa e m t ermos de d e n s i f i c a ç ã o d o material, uma vez que o pó de f e r r o puro possui e l e v a d a plasticidade. Conhecida como uma p r o p r i e d a d e tecnológica d o pó, a a l t a c o m p a c t a b i l i d a d e do pó de f e r r o p e r m i t e selecionar o nível d e p o r o s i d a d e desejado no sinterizado, pela a p l i c a ç ã o de uma maior ou menor p r e s s ã o de compactação.

Na figura 2 e s t á r e p r e s e n t a d a uma c u r v a de c o m p a c t a b i l i d a d e do pó de f erro A S C 1 0 0 . 2 9 CHOGANASD de álta pureza.

pressÇSes de c o m p a c t a ç ã o s u p e r i o r e s a 6 0 0 MPa, n ã o é significativo. D e s t a forma, é c o m u m se obter por s i m p l e s compactação, c o m p a c t a d o s d e f e r r o c o m a t é 9 0 % de sua d e n s i d a d e 'teórica, p e l a a p l i c a ç ã o de p r e s s S e s de c o m p a c t a ç ã o de a t é 6 0 0 M P a Cl5,17,181. u a < o V) z liJ o tü a

PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO, MPa

F i g u r a 2 - C u r v a de compactabi 1 i d a d e d o pó de f e r r o ASC 100.29. R e p r o d u z i d o de C173.

Etensidades maiores, e m t o r n o d e 95 - 9 6 % da d e n s i d a d e t e ó r i c a do ferro, p o d e m ser o b t i d a s por meio de d u p l a - compactação. N e s t e caso é r e a l i z a d o u m t r a t a m e n t o térmico d e recri stal i z a ç ã o n o r m a l m e n t e d e 7 5 0 a 8 5 0 ® C C p r é - si nteri zaçSoD , a p ó s a p r i m e i r a compactação. E s t e t r a t a m e n t o p e r m i t e a recuperação dá p l a s t i c i d a d e

das partículas d e pó, p e r d i d a no p r i m e i r o carreg a m e n t o , possibilitando u m a n o v a d e n s i f i c a ç a o na s e g u n d a compactação.

Na o b t e n ç ã o d e c o m p o n e n t e s e s t r u t u r a i s s i n t e r i z a d o s d e aço, as práticas d e c o m p a c t a ç ã o a q u e n t e tornam-se, para a m a i o r i a dos casos, i n v i á v e i s e c o n o m i c a m e n t e por s e r e m técnicas d e b a i x a produti vidade £13,15], E n t r e t a n t o para aplicaç£5es especiais, o n d e s e requer elevada q u a l i d a d e , e s s a s t é c n i c a s s ã o usadas.

"O 2.1.4. - S I N T E R I Z A Ç Ã O

Esta e t a p a d o p r o c e s s o c o n f e r e ao c o m p a c t a d o as propriedades m e c â n i c a s c a r a c t e r i s t i c a s do c o m p o n e n t e s i nterizado, s i g n i f i c a t i v a m e n t e i n f l u e n c i a d a s p e l a p o r o s i d a d e residual, i n e r e n t e aos produtos o b t i d o s por MP.

A s i n t e r i z a ç ã o £13-15,19] é u m p r o c e s s o t e r m i c a m e n t e ativado, onde s e p r o m o v e a u n i ã o e n t r e as p a r t í c u l a s de p ó por m e i o de difusão atômica, d a n d o c o n t i n u i d a d e a m a t é r i a nas r e g iSes e m q u e as partículas, i n i c i a l m e n t e , -apresentam c o n t a t o p u r a m e n t e mecânico.

De m o d o genérico, o t r a t a m e n t o de s i n t e r i z a ç ã o é r e a l i z a d o c o m controle d e tempo, t e m p e r a t u r a e atmosfera. No caso d e m a t e r i a i s m o n o - c o m p o n e n t e s , a t e m p e r a t u r a d e s i n t e r i z a ç ã o pode variar e n t r e 2 / 3 e 4/5 do p o n t o d e f u s ã o d o material , , s e n d o que a s i n t e r i z a ç ã o o c o r r e n e c e s s a r i a m e n t e n o e s t a d o sólido.

■ ' ■ I

Na p r á t i c a da MPF, são adotadas c o m o condi ç S e s usuais, tempos variando e n t r e 1 / 2 e 1 h o r a à t e m p e r a t u r a s e n t r e 1 1 2 0 e 1 3 0 0 o C.

As a t m o s f e r a s s ã o u s a d a s para fins p rotetivos p o d e n d o ser de caráter neutro, redutor - o x i d a n t e ou c a r b o n e t a n t e

descarbonetante. Na M P F é muito c o m u m o uso d e atmosferas c o n t e n d o hidrog ê n i o C H2D, n i t r o g ê n i o CN2D e/ou monóxido de carbono CCOD. O caráter redutor é q u a s e s e m p r e desejável na MPF, pois c a m a d a s óxidas na s u p e r f í c i e de p a r t í c u l a s metálicas d i f i c u l t a m a i n t e r d i f u s S o dos átomos metálicos, d i m i n u i n d o a s i n t e r a b i 1 i d a d e d o material.

Ê i m p o r t a n t e f r i s a r que a s i n t e r i z a ç S o é u m p r o c e s s o muito mais c o m plexo do que e s t á sendo a p r e s e n t a d o aqui, p o r é m f o g e do o b j e t i v o inicial desta r e v i s ã o uma a b o r d a g e m mais aprofundada. Os a spectos de o r d e m c i n é t i c a e termodinâmica c o m o a e v o l u ç ã o de fases CSÓIidas, líqüidas e p o r o s D e problemas l i g ados á h o m o g e n e i z a ç ã o de ligas p o d e m ser e n c o n t r a d o s em u m n ú m e r o g r a n d e de trabalhos, d e s e nvolvidos por d i v e r s o s autores [17, 20-32].

2 .1.5 - C A L I B R A Ç X O

A c a l i b r a ç ã o é r e a l i z a d a c o m o o b j e t i v o de corrigir as dimensSes e as t o l e r â n c i a s dimensionais e : ^ g i d a s p e l o p r o j e t o da peça. É r e a l i z a d a pela a p l i c a ç ã o de uma c a r g a de c o m p r e s s ã o em matriz.

2 . 2 - A Ç O S SI N T E R I ZADOS N I T R E T A D O S P O R P L A S M A

A N P P de c o m p o n e n t e s ferrosos s i n t e r i z a d ò s a p r e s e n t o u um g r a n d e d e s e n v o l v i m e n t o a partir d a década d e 80 [1,33], quando s u r g i r a m os primeiros t r a b a l h o s na área. A t u a l m e n t e a crescente a p l i c a ç ã o d e s t e p r o c e s s o e m componentes a u t o m o t i v o s s i n t e r i z a d o s , em es c a l a industrial e m t o d a a Europa [12,34], e v i d e n c i a a import â n c i a d e s t a t é cnica de n i t r e t a ç ã o quando aplicada á p r o dutos o b t i d o s por

MP.

Tozic e co-aut o r e s tlD, t r a b a l h a n d o n e s t a área d e s d e 1984, pr o c u r a r a m estudar a i n f l u ê n c i a d o s parâmetros do p r o c e s s o de NPP, sobre as caracteristicas das camadas'"formadas d u r a n t e o tratamento. F o r a m nitretadas amostras de a ç o s i n t e r i z a d o c o n t e n d o C, Cr, M o e Cu C e m torno de 1.3, 7.3, 4 . 3 e 1 . 2 % e m peso r e s p e c t i v a m e n t e D , c o m d ensid a d e s variando entre 6. 9 e 7 . 0 g/cma. A m i s tura g a s o s a d o ^ plasma foi de 80 % Nz + 20 % Hz, n a t e m p e r a t u r a de 5 2 0 ‘>C, à p r e s s S o de 2 . 6 6 mbar. Os tempos de t r a t a m e n t o foram d e 3, S, 7. 23, 9. 23 e 1 6 horas. Dos resultados o b tidos c h e g a r a m - s e às seguintes conclusSes:

- Diminu i ç ã o da d u r e z a superficial para l ongos tempos d e nitretação;

- C r e s c i m e n t o da c a m a d a b r a n c a não g o v e r n a d o por leis da difusão;

- Cresci m e n t o da c a m a d a n i t r e t a d a e m a cordo c o m o caráter d i f u s i v o d o p r o c e s s o d e nitret a ç ã o , uma vez q u e a p r o f u n d i d a d e da zona d e - d i f u s ã o aumenta p r o n t a m e n t e c o m o t empo de -tratamento; _ .

- A p o s s i b i l i d a d e - d e d e s c a r b o n e t a ç ã o superficial;

- Forma ç ã o da c a m a d a b r a n c a ao redor dos poros, s e g u i n d o a

f o r m a destes; . - F r a g i l i z a ç ã o da c a m a d a formada p e l o f e n ô m e n o de n i t r e t a ç ã o e m contornos de grãos. Re mbges C2] e m s e u t r a b a l h o p r o c u r o u enfatizar a c a p a c i d a d e e c o n f i a b i l i d a d e d o p r o c e s s o de NPP sob c o n d içSes de p r o d u ç ã o e m série, b e m c o m o os s i g n i f i c a t i v o s g a nhos de p r o p r i e d a d e s Cd u r e z a superficial, r e s i s t ê n c i a a fadiga e ao desgasteD e m c o m p o n e n t e s de aços s i n t e r i z a d o s n itretados por plasma.

R o s s o e co-autores [43 r e a l i z a r a m e s tudos de n i t r e t a ç ã o e

c a r b o n i t r e t a ç S o por p l a s m a e m aço s i n t e r i z a d o l i g a d o ao Ni, Cr e Mo. O o b j e t i v o foi o de verificar a i n f l u ê n c i a dos p a r â m e t r o s do p r o cesso e da c o m p o s i ç ã o química do m a t erial nas c a r a c t e r í s t i c a s das camadas formadas. Os autores formularam as s e g u i n t e s conclusSes:

- O Ni f a v o r e c e a formaçSo d a f a s e Fe<tN - ; - O M o e o C a u m e n t a m os v a l o r e s de microdureza;

- O Cr a l é m de contribuir p a r a v a l o r e s d e m i c r o d u r e z a elevados, f a v o r e c e a f o r m a ç S o da solução s ó l i d a Fez-aN - £ na c amada branca;

- As v a r i a ç S e s dimensionais s S o m í n i m a s após o tratamento; - O p r e s e n t e proce s s o não r e quer u m p r é - t r a t a m e n t o de r e d u ç ã o da p o r o s i d a d e residual do c o m p o n e n t e sinterizado, c o m o ocorre no p r o c e s s o g a s o s o convencional.

Molinari e co-autores C5] e s t u d a r a m os e f eitos da densidade, c o m p o s i ç ã o q u ímica do material e d o t e m p o d e n i t r e t a ç ã o sobre as c a r a c t e r í s t i c a s das camadas n i t r e t a d a s por plasma. F o r a m p roduzidas a m o s t r a s de Fe-Cr Ci.5 e F e - C r - C u C l . S e 2. S e m p e s o r e s p e c t i v a m e n t e D , nas densidades de 6. 7 e 7. 1 g/cma. O t r a t a m e n t o foi r e a l i z a d o n a m i s t u r a de 80 5á Na + 2 0 % Hz, à t e m p e r a t u r a de 5 5 0 “C, na p r e s s ã o de 5 Torr. Os tempos f o r a m d e 4, 8, 24 e 48 horas. S e gundo os autores, o tempo de tratamento i n d u z a u m a u m e n t o da p r o f u n d i d a d e d a c a m a d a de difusão e d i m i n u i ç ã o doà v a l o r e s de mi c r o d u r e z a superficial. A penetração d o n i t r o g ê n i o para p r o fundidades l i g e i r a m e n t e maiores e d i m i n u i ç ã o dos v a lores de microd u r e z a t e n d e m a ocorrer e m amostras d e menor densidade. O Cu, muito c o m u m e m aços estru t u r a i s sinterizados, r e d u z a a b s o r ç ã o de nitrog ê n i o na m i c r o e s t r u t u r a d o material, t o r n a n d o - s e u m e l e m e n t o prejudicial à nitretação.

Bocchini e co-au t o r e s [3] f i z e r a m u m a r e v i s S o de trabalhos de d i v e r s o s autores, c o m o o b j e t i v o de d e t e r m i n a r os materiais s i n t e r i z a d o s nitret a d o s por p lasma mais i n d i c a d o s e m a p l i c a ç S e s de e l e v a d a s o l i c i t a ç ã o ao desgaste. Destã- a n á l i s e os a u t o r e s o b t i veram as s e g u i n t e s conclusSes:

- As variaçSes dimensionais são mini mas e i n d e p e n d e n t e s do g r a u d e p o r o s i d a d e do m a t e r i a l ;

- A p e n e t r a ç ã o do n i t r o g ê n i o i n d e p e n d e da densidade, q u a n d o n e n h u m t r a ç o de carbono está p r e s e n t e n a ,m i s t u r a gasosa. - C o n c l u s ã o c o n t r a d i t ó r i a com uma das a p r e s e n t a d a s p e l o s mesmos

a u t o r e s no t r a b a l h o anterior [S3

- E m f u n ç ã o da d i f i c u l d a d e de s e obter atmosferas e x t r e m a m e n t e secas e m plantas industriais, as a d i ç S e s de liga l i m i t a m - s e ao Cr, Mo e C e m aços si nteri zados p a r a fins d e NPP;

- As i n f l u ê n c i a s do Cu e do Ni, t r a d i c i o n a i s e l e m e n t o s da MPF, n ã o s ã o benéficas;

- A h o m o g e n e i d a d e química de m a t e r i a i s s l n t e r i z a d o s é u m r e q u i s i t o b á s i c o na o b t e n ç ã o de camadas c o m p r o p r i e d a d e s boas e c o n s i s t e n t e s ;

- Apesar da l i m itada penet r a ç ã o d o nitrogênio, a N P P causa u m a notável d i m i n u i ç ã o do a l ongamento do material. A f i m de se e v i t a r falhas por fragilização, o s i n t e r i z a d o d e v e ser s u f i c i e n t e m e n t e ;tenaz e apresentar baixa p o r o s i d a d e C d e n s i d a d e

i s u p e r i o r a 7. 0 g/cma) ;

- A c o n s e l h a - s e 2 horas como s e n d o o t e m p o d e t r a t a m e n t o m a i s i n d i c a d o na NPP d e aço sinterizado.

Bas e M o lins [63 p r o c u r a r a m m o s t r a r as v a n t a g e n s e d e s v a n t a g e n s dos proce s s o s de nitretação gasosa, l i q ü i d a e por

p l a s m a em c o m p o n e n t e s s i n t e r i z a d o s . Os experi m e n t o s f o r a m r e a l i z a d o s e m três ligas d i s t i n t a s c o n t e n d o Fe-Cu-Ni-C, F e - C u - N i - M o - C e F e —Cu-P-C, nas d e n s i d a d e s 6 . 6 - 6.9, 7 . 3 e 6 . 5 g/cma respectivamente. Os c o m p o n e n t e s tratados por n i t r e t a ç ã o g a s o s a a p r e s e n t a r a m g r a n d e s v a r i a ç S e s dimensionais. A n i t r e t a ç ã o l i q ü i d a ap r e s e n t o u o i n c o n v e n i e n t e da e x s u d a ç ã o posterior de sais, q u a n d o os p o r o s nao e r a m s e l ados anteriormente. Q u a n t o a NPP, n ã o foi c o n s t a t a d o n e n h u m p r o b l e m a q u e d esabonasse a u t i l i z a ç ã o d e s t e processo.

Rie e c o - a u t o r e s [7] e s t u d a r a m a c a r b o n i t r e t a ç ã o por p l a s m a de aços s i n t e r i z a d o s c o n t e n d o C, Ni, Cu, Mo, Mn e Cr. O o b j e t i v o b á s i c o foi o d e verificar a i n f l u ê n c i a d a c o m p o s i ç ã o q u í m i c a do material e dos p arâmetros de t r a t a m e n t o s o b r e as c a r a c t e r í s t i c a s das c a m a d a s obtidas. O tratamento foi r e a l i z a d o e m u m a mistura c o n t e n d o 7 7 . 5 % Na + 2 1 . 4 8 % Hz + 1 . 0 2 % C C % atômicaD, à p r e s s ã o de 6 mbar. As t e m p e r a t u r a s v a r iaram e n t r e 5 0 0 e 6 0 0 ® C e os t e m p o s entre O. 5 e 10 horas. S e g u n d o os autores, o c r e s c i m e n t o da c a m a d a branca r e s p e i t a u m a lei d e r a z ã o parabólica, c a r a c t e r í s t i c o d e processos c o n t r o l a d o s por difusão. - Resultado c o n t r a s t a n t e c o m os a p r esentados e m d i v e r s o s t r a b a l h o s [1,4,8,35], c u j o s a u t o r e s já e s t a b e l e c e r a m p r a t i c a m e n t e u m c o n s e n s o a este respeito, c õ m o s e n d o u m processo n ã o c o n t r o l a d o por d i fusão -. T o d o s os m a t e r i a i s e n s a i a d o s a p r e s e n t a r a m c a m a d a s brancas polifásicas, c o n s t i t u i n d o - s e d a s fases Fe4N - y * > Fez-aN - £ e pequenas q u a n t i d a d e s de cementita. V e r i f i c o u - s e na s u p e r f í c i e de um dos m a t e r i a i s estudados, n o c a s o uma l i g a de F e - C - C u - M o - M n - C r , a obtenção d e c a m a d a b r anca c o n t í n u a e q u a s e livre d e poros para longos tempos d e nitretação. - I n f e l i z m e n t e n ã o c onsta n o t r a b a l h o a técnica d e p r o d u ç ã o n e m as

densidades dos m a t e r i a i s estudados, i m p o s s i b i l i t a n d o q u a l q u e r análise c o m p a r a t i v a f u t u r a

Maliska, K l e i n e S o u z a [83 e s t u d a r a m o e f e i t o i n d i v i d u a l do e l e mento Si nas c a r a c t e r i s t i c a s dã c a m a d a íon - nitretada. P a r a tanto f o r a m p r o d u z i d a s a m o s t r a s d e F e - Si Cl. 5 % e m pesoD por simples c o m p a c t a ç ã o a 6 0 0 MPa. A n i t r e t a ç ã o foi r e a l i z a d a na m i s t u r a 75 % Nz + 2 5 % Hz, à t e m p e r a t u r a de 5 4 0 ° C e na p r e s s ã o de 3 Torr. Os tempos f o r a m de 1, 2, 4, 8 e 1 6 horas. N e s t e t r a b a l h o é f r i s a d a a i mportância do e s t u d o da n i t r e t a ç ã o d e ligas binárias, p a r a m e l h o r conhecer os efeitos dos e l e m e n t o s d e l i g a na o b t e n ç ã o das c a m a d a s nitretadas. Isto d e c o r r e e m f u n ç ã o d e q u e a l g u n s p e s q u i s a d o r e s C4,7] procuram f a z ê - l o t r a b a l h a n d o c o m l i g a s complexas, o q u e t o r n a impossivel c a r a c t e r i z a r o e f e i t o isolaclo de cada elemento. E s t a forma c o r r e t a de abordar o p r o b l e m a a c i m a foi o b s e r v a d a e m a p e n a s três t r a b a l h o s [5,8,35] d a p r e s e n t e revisão. Dos e x p e r i m e n t o s realizados, os a u t ores p u d e r a m c o n cluir o seguinte:

- O a u m e n t o da d u r e z a da c a m a d a b r a n c a e m f u n ç ã o da presença d o Si no Fe;

- F o r m a ç ã o d a c a m a d a b r a n c a e n v o l v e n d o a s u p e r f í c i e interna dos poros e r e d u z i n d o o v o l u m e destes;

- P e n e t r a ç ã o da c a m a d a b r a n c a e m c o n t o r n o s de p a r t i c U l a s enriquecidos por Si, e m f u n ç ã o da f o r m a ç ã o de f a s e liqüida;

- C2ue a p e r l i t a n o s i n t e r i z a d o p a r e c e f u n c i o n a r c o m o “ca t a l i z a d o r “ para a p r e c i p i t a ç ã o de a g ulhas d e n i t r e t o s na z o n a de difusão.

Bell [34] fez uma r e v i s ã o a b r a n g e n d o os vários t i p o s de tratamentos s u p e r f i c i a i s © de r e v e s t i m e n t o u t i l i z a d o s em componentes o b tidos por MP. C o m r e l a ç ã o ao p r o c e s s o d e N P P de

c o m p o n e n t e s sinterizados, o autor a p o n t a u m dos únicos a r g u m e n t o s c o n t r á r i o s a o u s o desta t é c n i c a de tratamento, que c o n s i s t e n o e f e i t o n e g a t i v o de lubrif i c a n t e s r e t i d o s nos poros s o b r e a c a r a c t e r í s t i c a e a estabilidade da d e s c a r g a l u m i n e s c e n t e do plasma, a f e t a n d o a s s i m a confiabi1 i d a d e d e s t a t e c n o l o g i a q u a n d o a p l i c a d a e m peças s i n t e r i z a d a s lubrificadas.

Br u n a t t o , Muzart e K l e i n [35] p u b l i c a r a m r e c e n t e m e n t e no X CBECIMAT, o s primeiros r e s u l t a d o s do t r a b a l h o r e a l i z a d o na p r e s e n t e dissertação. Neste e s t u d o foi a p r e s e n t a d o o e f e i t o da p o r o s i d a d e e a i nfluência do carbono, na forma de carboneto, na o b t e n ç ã o de c a m a d a s nitretadas por p l a s m a e m amostras de f e r r o p u r o e F e - C sinterizadas. Ha seqüência, l o g o mais, estes resultados s e r ã o a p r e s e n t a d o s e discutidos de f o r m a d e t a l h a d a e objetiva.

18

CAPITULO 3

NITRETAÇÃO POR PLASMA

3.1 - A S P E C T O S F U N D A M E N T A I S D A D E S C A R G A E L É T R I C A

/ A o b t e n ç ã o de uma d e s c a r g a e l é t r i c a l u m i n e s c e n t e p o d e ser r e a l i z a d a de m o d o simples, b a s t a n d o aplicar uma d i f e r e n ç a de potencial e n t r e dois e l e t r o d o s s i t u a d o s e m u m m e i o gasoso. Os e l é trons a c e l e r a d o s p e l o c a m p o e l é t r i c o d a r S o i n í c i o a p r o c e s s o s de colisSes, c o m as p a r t í c u l a s n e u t r a s d o gás C á tomos e m o l é c u l a s D , p r o m o v e n d o a i o n i z a ç ã o deste. A i o n i z a ç ã o d o gás -origina. uma d e s c a r g a e l é t r i c a d e a s p e c t o b r i l h a n t e q u e c a r a c t e r i z a a rorma.çã:o do plasma. N o t r a t a m e n t o superficial d e nitretação, o gás u t i l i z a d o g e r a l m e n t e c o n s i s t e de uma m i s t u r a d e n i t r o g ê n i o e hidrogênio.

O p l a s m a p o u c o i o n i z a d o é c o n s t i t u í d o dé u m m e s m o n ú m e r o de c a r g a s positivasi CíonsD e n e g a t i v a s CelétronsD, d i s p o s t a s a l e a t o r i a m e n t e n o m e i o de u m a g r a n d e q u a n t i d a d e de p a r t í c u l a s neutras. Nos p l a s m a s u t i l i z a d o s p a r a t r a t a m e n t o s de s u p e r f í c i e , o grau d e i o n i z a ç ã o é d a o r d e m d e l O C e x p - 4 D . Nestes plasma.s a t e m p e r a t u r a das p a r t í c u l a s n e u t r a s e dos íons é p o u c o s u p e r i o r a t e m p e r a t u r a a m b i e n t e C I O O a 1000®CD, e n q u a n t o que a e n e r g i a dos

e l é t r o n s é m u i t o maior, 2 a 5 e V Cl e V = 11 6 0 0 KD t36-3SD.

E m c o n t r a - partida, nos p l a s m a s t o t a l m e n t e i o n i z a d o s a t e m p e r a t u r a dos e l é trons é igual a dos ions, p o d e n d o alcançar m i l h S e s de graus Kelvin. D evido a issó, os p l a s m a s p o u c o ionizados s S o t a m b é m c h a m a d o s d e plasmas frios.

3.1.1 - R E G I M E DE D E S C A R G A

Na f i g u r a 3 e s t ã o r e p r e s e n t a d o s os d i v e r s o s r e g i m e s de descarga, que p o d e m ser e s t a b e l e c i d o s v a r i a n d o - s e a r e l a ç ã o entre t e n s ã o e corrente.

De t o d o s os a p r e s e n t a d o s na f i g u r a 3, s ã o d e especial i n t e r e s s e para t r a t a m e n t o s de s u p e r f í c i e os r e g i m e s a b n o r m a l e o de arco. Os demais s ã o i n d i cados para e s t u d o s f u n d a m e n t a i s d o plasma

[33.36-403.

r e g i m e de d e s c a r g a abnormal é o ú n i c o r e g i m e e m que o c á t o d o é t o t a l m e n t e e n v o l v i d o pela descarga, c o n d i ç ã o e s s e n c i a l para se r e a l i z a r u m tratamento: u n i f o r m e n o r e f e r i d o processo. Isto d e c o r r e das c a r a c t e r i s t i c a s básicas d e s t e regime, q u e p e r m i t e a a p l i c a ç ã o de t e n s S e s e l e v a d a s r e s u l t a n d o n u m a maior i o n i z a ç S o do gás. Outro a s p e c t o i m p o r t a n t e deste, c o n s i s t e na s u a maior densidade

S e g u n d o Spalvins e C h a p m a n [36,373, a descarga de corrente._ m a n t é m - s e no r e g i m e abnormal f i x a n d o - s e o valor da d e n s i d a d e de \ •_ c o r r e n t e e m t o r n o m A / c m ^ Ê no cá.todp q u e s ã o d i s p o s t o s os c o m p o n e n t e s a s e r e m tratados C s u b s t r a t o D . A n a l i s a n d o a f i g u r a 3, o t r a b a l h o e m r e g i m e abnormal a p r e s e n t a o r i s c o de e n t r a d a da d e s c a r g a e m r e g i m e d e arco, se a t e n s ã o crítica for ultrapassada. No r e g i m e de arco, o b o m b a r d e a m e n t o

de partículas aumenta a t e m p e r a t u r a do cátodo, a níveis e m que o c o r r e e m issSo de elétrons por e f e i t o t é r m i c o e n ã o mais apenas por b o m b a r d e a m e n t o iônico. N e s t e c a s o a d e s c a r g a s e m a n t é m c o m baixa t e n s ã o e d e v i d o a alta d e n s i d a d e d e c o r r e n t e destes arcos, a i n t e g r i d a d e dos componentes t r a t a d o s p o d e t a m b é m ser comprometida.

20

DESCARGA LUMIN. A BN O R M A L

DENSIDADE D E CORRENTE (A / cm*)

F i g u r a 3 — Curva c a r a c t e r í s t i c a tensão — c o r r e n t e dos d iferentes r e g i m e s de descarga. R e p r o d u z i d o de [33],

P a r a diminuir e s t e risco na prática, e x e c u t a - s e uma r e t i f i c a ç ã o de onda completa n a fonte do sistema, f a z e n d o c o m que a

d e s c a r g a se a p a g u e a c a d a 8 . 3 ms aproximadamente. Na f i g u r a 4, o b s e r v a - s e q u e p a r a estes tempos', a t e n s ã o cai a v a l o r e s q u e não p o s s i b i l i t a m a p a s s a g e m d a c o r r e n t e no sistema.

t ( m í )

f (itit)

F i g u r a 4 - R e p r e s e n t a ç ã o e s q u e m á t i c a da r e t i f i c a ç ã o de o n d a c o m p l e t a d o sistema.

O u t r a m e d i d a preventiva, c o n siste na r e a l i z a ç ã o d e uma pré - d e s c a r g a a b a i x a p r e s s ã o d e Ar ou Hz, a n t e c e d e n d o a o tratamento, de m o d o a e l i m i n a r p o s s í v e i s m i c r o - arcos p r o v e n i e n t e s d a fácil i o n i z a ç ã o d e m o l é c u l a s orgânicas, contidas no sistema, a u m e n t a n d o o r i s c o d e e n t r a d a dá d e s c a r g a e m r egime de arco.

\

3 . 1 . 2 - P O T E N C I A L D O PLASMA

N a c a r a c t e r i z a ç ã o da descarga e l é t r i c a e m r e g i m e abnormal, u m a s p e c t o i m p o r t a n t e a consid e r a r é a d i s t r i b u i ç ã o do p o t e n c i a l do

as plasma, c o n f o r m e representada na f i g u r a 5.

0 ÍON ACELERADO AO ENTRAR NA BAINH A

0 TROCA DE CARSA P E L A C O LIS Ã O DO lON COM PARTÍCULA NEUTRA R Ra'p iDO

L LEN T O

F i g u r a S - D i s t r i b u i ç ã o do potencial d o p l a s m a Cembaixo) e t r o c a de c a r g a na bainha dos e l e t r o d o s Cacima). R e produzido de [ 3 7 ] .

Na regi So l u m i n e s c e n t e o b s e r v a - s e q u e o potencial é

constante, o q u e caracteriza u m plasma. A e s t e potencial, dá.-se o n o m e de p o t e n c i a l do plasma CVp). A s s i m sendo, os campos e l é t r i c o s no s i s t e m a f i c a m restritos ao redor dos eletrodos, que são r e giSes de p e r t u r b a ç ã o d o plasma. J u n t o a estas regiSes, formam-se- as b a i n h a s c a t ó d i c a e anódica [373 que i s o l a m a r e g i ã o equipotencial

C r e g i 3 o 1 u m i n e s c e n t e ou o p lasma p r o p r i a m e n t e ditoD dos eletrodos. Uma vez q u e o â n o d o C c a r c a ç a d o reatorD, l i g a d o a o p o s i t i v o da f o n t e é aterrado, o potencial da b a i n h a anódica d e c r e s c e d e + V p até zero. Já o cátodo, c o n e c t a d o a o n e g a t i v o da fonte, a p r e s e n t a u m potencial f l u t u a n t e CVfD c o r e s p o n d e n t e a t ensão n e l a aplicada. D e d u z - s e assim, que a d i f e r e n ç a d e potencial na b a i n h a c a t ó d i c a é da o r d e m de -CVf + V p D . Na p r á t i c a o potencial f l u t u a n t e v a r i a e n t r e 3 0 0 e 800 V [363. O , 3 . 1 . 3 - C O L I S O E S N A B A I N H A C A T Ó D I C A O e s t u d o da b a i n h a c a t ó d i c a é d e p a r t i c u l a r interesse para o c o m p r e e n d i m e n t o das r e a ç S e s na i n t e r f a c e p l a s m a — superfície. Na f i g u r a 5 t e m-se representado, e s q u e m a t i c a m e n t e , o s processos de c o l i s S é s e troca de c a r g a q u e o c o r r e m n e s t a r e g i So.

Q u a n d o u m íon se a p r oxima a l e a t o r i a m e n t e da i n t e r f a c e p l a s m a - bainha, o c a m p o e l é t r i c o d e s t a t e n d e a acelerá-lo e m d i r e ç ã o ao eletrodo. A o l o n g o da bainha, p o d e m ocorrer c o l i s S e s e n t r e os íons e as p a r t í c u l a s CespéciésD neutras, c a u sando t r o c a s de c a r g a e n t r e as p a r t í c u l a s e/ou m u d a n ç a s d e e n e r g i a ciriética e potencial destas. C o m o conseqüência, n S o s S o s o m e n t e os íons q u e a t i n g e m o s u b s t r a t o n o cátodo, mas t a m b é m á t o m o s e moléculas, e x c l t a d a s í o u nSo. O b o m b a r d e a m e n t o d e s t a s e s p é c i e s n o cátodo p r o m o v e o a q u e c i m e n t o d o substrato, sendo d i s p e n s á v e l f o n t e externa de a q u e c i m e n t o p a r a a r e a l i z a ç ã o d e t r a t a m e n t o superficial.

3 . 1 . 4 - REGIXO L U M I N E S C E N T E D A D E S C A R G A E L É T R I C A

Ê na. r e g i ã o l u m i n e s c e n t e CplasmaZ) q u e o c o r r e a f o r m a ç ã o

das e s p é c i e s a t i v a s do gás, as q u a i s 's'âo de g r a n d e i m p o r t â n c i a no p r o c e s s o de n i t r e t a ç ã o de superfícies.

Os princi p a i s r e s p o n s á v e i s pela c r i a ç ã o destas e s p é c i e s s ão os elétrons, que pela a ç ã o d o c a m p o e l é t r i c o aplicado, p o s s u e m e n e r g i a s u f i c i e n t e para provocar uma s é r i e de processos colisi o n a i s c o m á t omos e moléculas. A l é m dos e l é t r o n s da r e g i ã o l u m i n e s c e n t e c h a m a d o s de primários, e x i s t e m os e l é t r o n s secundários, q u e s ã o a r r a n c a d o s d o c átodo pelo b o m b a r d e a m e n t o de íons ou m o l é c u l a s rápidas. E s t e s elétrons s e c u n d á r i o s s ã o f o r t e m e n t e a c e l e r a d o s na b a i n h a c a t ó d i c a e alcançam a r e g i ã o l u m i n e s c e n t e c o m grande energia, s e n d o r e s p o n s á v e i s pela m a n u t e n ç ã o da descarga. Na c r i a ç ã o das e s p é c i e s ativas, destacam-se os s e g u i n t e s processos colisi o n a i s [373:

— loni zação: e + Nz -» e + e + C N z O — Excitação: e + Nz e + CNz^ifZ) — Dissociação: e + Nz -♦ e + N + N

e - elétron, Nz+ = m o l é c u l a ionizada, Nz* = molécula e x c i t a d a N = á t o m o d e nitrogênio, Nz = m o l é c u l a d e nitrogênio.

O a s p e c t o brilhante da r e g i ã o l u m i n e s c e n t e da d e s c a r g a s e d e v e a e m i s s ã o d e fótons, r e s u l t a n t e d o p r o c e s s o de r e l a x a ç ã o d e m o l é c u l a s ou á t o m o s excitados.

D e v e - s e frisar que os p r o c e s s o s a c i m a descritos, o c o r r e m t a n t o p a r a os á t o m o s e moléculas c o m o para os compostos p r e s e n t e s na m i s t u r a gasosa. A ssim sendo, n u m p l a s m a f o r m a d o por Nz e Hz p o d e m

ser e n c o n t r a d a s as s e g u i n t e s espécies: N, N+, N*. Nz, Nz+, Nz*, H, H+, H*, Hz, Hz+, Hz*, CNlHp, CNlHp + , CNlHp*, e n t r e outras.

A i n t r o d u ç ã o de h i d r o g ê n i o n o p l a s m a é j u s t i f i c a d a p e l o s seguintes motivos:

- D e v i d o a s e u caráter redutor, pois o oxigênio, q u a n d o presente, r e a g e q u i m i c a m e n t e c o m as e s p é c i e s e x c i t a d a s , eliminando-as.

- Por aumentar a _ e s t a b i l i d a d e d o plasma, pois o h i d r o g ê n i o facilita o p r o c e s s o 'de i o n i z a ç ã o 145] , d i m i n u i n d o os r i s c o s de formação d e arcos.

3 . 1 . 5 - I N T E R A Ç X O P L A S M A - S U P E R F Í C I E

A f i g u r a 6 m ostra as p o s s í v e i s m o d i f i c a ç S e s q u e o bombardeamento de p a r t í c u l a s C e s p é c i e s excitadas, n e u t r a s e íons) pode causar na s u p e r f í c i e d e u m c o m p o n e n t e e m tratamento.

ELÉTRON

SECUNDÁRIO

MICROESTRUTURAL

Figura 6 - I n t e r a ç ã o das e s p écies d o plasma. c o m a s u p e r f i c i e em tratamento. R e p r o d u z i d o d e [37].

ae O b s e r v a - s e q u e uma partícula ao a t ingir u m s u b s t r a t o pode; , - Sofrer refle x ã o , sendo g e r a l m e n t e n e u t r a l i z a d a para o caso de u m íon;

- Causar a e m i s s ã o de e l é trons secundários;

- Ser i m p l a n t a d a n o interior das c a m adas atômicas superficiais do s u b s t r a t o ;

- Causar a e j e ç ã o de átomos m e t á l i c o s para o plasma; - Causar r e a r r a n j o s de o r d e m micro e s t r u t u r a l no interior do material, a u m e n t a n d o s u a densidade ~de dèf ei tos C p. ex. : vaziosD;

- P r o p o r c i o n a r reaçSes q u í m i c a s c o m o s u b s t r a t o c o n s i d e r a n d o a e x i s t ê n c i a de espécies r e a t i v a s como por e x e m p l o N, Nz*, Nz+, NiHj, CNiHp + , e n t r e outras.

Vários são' o s modelos p r o p o s t o s para explicar os mecanismos e n v o l v i d o s n a formação da c a m a d a d e n i t r e t o de ferro, p o r é m foge do p r o p ó s i t o do prese n t e estudo, a a p r e s e n t a ç ã o e d i s c u s s ã o destes. S e n d o d e interesse, o l e itor pode pesquisar este a s s u n t o nos s e g u i n t e s trabalhos: [33,36,37,39,41-46],

De m o d o g e n é r i c o , pode-se dizer q u e as reaçSes acima verificadas f o r m a m u m m e i o químico e f i s i c a m e n t e ativo, que i n t e r a g e c o m a s u p e r f í c i e d o componente, m e t á l i c o e é responsável pela f o r m a ç ã o das camadas, n o processo de NPP.

3.2 - A S P E C T O S METALÚRGICOS E T E R M O D I N Â M I C O S DAS C A M A D A S N I T R E T A D A S POR P L ASMA E M M A T E R I A I S F E R R O S O S

E s t a r e v i s ã o t e m por o b j etivo a p r e s e n t a r os principais aspectos m e t a l ú r g i c o s e termodinâmicos, c a r a c t e r í s t i c o s do proce s s o de N P P de m a t e r i a i s ferrosos.