Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo
Trabalho de Graduação
Engenharia Química
APLICAÇÃO DE REVESTIMENTO DE
CARBONO EM SUBSTRATO DE AÇO 316L
VISANDO AS APLICAÇÕES BIOMEDICAS
ANA PAULA TEIXEIRA DA SILVA
Orientadora: PROFª. DRª. LUCIA VIEIRA Co-orientadora: DRª. POLYANA ALVES RADY
AGRADECIMENTOS
Antes dos louros e honras, gostaria de agradecer aos Professores que me apoiaram e incentivaram durante o curso. Em especial, à Professora Drª., amiga e Orientadora, Lucia Vieira e a Drª., amiga e Orientadora, Polyana Alves Rady, pela sua assessoria na parte laboratorial e equipamentos, às Professoras Ana Maria, Vanesa Micheli, Fátima Broca, cujo prazer de ensinar motivou meu aprendizado. Aos amigos, que durante estes cinco longos anos de curso, foram fundamentais para enfrentar as tensas semanas de provas, fim de semana e feriados de estudos extras. Aos familiares, Sr. Edison Rodrigues da Silva, Sr. ª Neide Teixeira da Silva, Sr. Marcelo Rodrigues da Silva, Sr. ª Marilea Pinto da Silva, Sr.ª Gina Olissara Silva Oliveira e o meu maior motivador, companheiro e filho Arthur Rodrigues. Aos demais, mas não menos especiais, eu agradeço pelo companheirismo e amizade.
RESUMO
Novos biomateriais metálicos vem sendo estudados para aplicações biomédicas como, por exemplo, os implantes. O aço inoxidável 316L vem sendo utilizado como um biomaterial, pois possui a capacidade de osseointegração devido à sua biocompatibilidade, além de resistência à corrosão, boa usinagem e baixo custo. O tratamento de superfície de aços inoxidáveis com filmes de carbono vem sendo estudado ao longo do tempo, pois o carbono possui diversas propriedades físicas e química, tais como, estabilidade química, efeito lubrificante, baixo atrito, biocompatibilidade, entre outras. Sendo assim o objetivo do trabalho foi produzir filmes de alótropos de carbono na superfície do aço 316L através da técnica do “Laser Cladding” utilizando diferentes faixas de velocidade de interação entre o laser e o aço 316L. Caracterizar a superfície formada, pelas técnicas de espectroscopia Raman para determinar a composição química do filme de carbono formado, a perfilometria óptica afim de avaliar a rugosidade do filme sendo de grande importância uma vez que a rugosidade favorece a osseointegração. Para a avalição da lubricidade dos filmes foi realizado o estudo tribológico, a partir de ensaios de atritos. A técnica de “Laser Cladding” permitiu a obtenção de filmes de carbono com o controle de rugosidade a partir da velocidade de interação do laser com a amostra. Dessa forma os filmes obtidos são promissores para aplicação na área biomédica em setores onde a biocompatibilidade e a rugosidade da superfície são importantes como por exemplo, a superfície de implantes onde se deseja que ocorra a osseointegraçao. Palavras-chave: Laser Cladding. Alótropos de Carbono. Carbono nano cristalino. Carbono Amorfo. Tribologia.
ABSTRACT
New metal biomaterials have been studied for biomedical applications such as implants.The stainless steel 316L has been used as a biomaterial because it has the ability to osseointegration due to its biocompatibility, in addition to corrosion resistance, good machining and low cost.The surface treatment of stainless steels with carbon films has been studied over time, since carbon has several physical and chemical properties, such as chemical stability, lubricating effect, low friction, and biocompatibilityamong others.Therefore, the objective of the work was to produce films of carbon allotropes on the surface of the 316L steel using the technique of "Laser Cladding" using different bands of velocity to interaction between the laser and the steel 316L. The surface was characterizated by the Raman spectroscopy techniques to determine the chemical composition of the carbon film formed the optical profilometry in order to evaluate the roughness of the film being of great importance since the roughness favors the osseointegration. In order to evaluate the films' lubricity, a tribological study was carried out, based on friction tests. The technique of "Laser Cladding" allowed to obtain carbon films with roughness control from the speed of interaction of the laser with the sample. In this way, the obtained films are promising for application in the biomedical area where the biocompatibility and surface roughness are important, for example, the surface of implants where osseointegration is desired.
Keyword: Laser Cladding. Allotropos of Carbon.Nanocrystalline Carbon.Amorphous Carbon. Tribology.
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 6 2. MATERIAIS E MÉTODOS 12 2.1 Preparação da Amostra 12 2.1.1 Lixamento 13 2.1.2 Limpeza 15
2.2 Obtenção do Filme de Carbono 15
2.4 Caracterização 17 2.4.1 Espectroscopia Raman 18 2.4.2 Perfilometria Optica 18 2.4.3 Tribologia 19 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 20 3.1 Espectroscopia Raman 21 3.2 Perfilometria 25 3.3 Ensaios de atrito 29 4. CONCLUSÃO 31 5. REFERÊNCIAS 32
6
1. INTRODUÇÃO
Há cerca de 10 anos houve um aumento significativo para a utilização de diferentes biomateriais na área da saúde. Dentre os biomateriais estudados aumenta a busca por materiais implantáveis para substituição óssea, telas ou malhas, placas, dentes, entre outros, um exemplo dessa aplicação é mostrado na Figura 1, uma vez que os biomateriais implantados podem ter o contato direto com o interior do corpo causando uma ligação estável entre o organismo e o material.[1]
Figura 1 - Implante Dentário.
Fonte: Google Vital Odonto Implantes. [2]
Um dos biomateriais mais utilizados hoje como implante é o aço inoxidável, pois além de possuir alta disponibilidade e de fácil processamento apresenta também excelentes propriedades mecânicas e baixo custo comparados a outros biomateriais metálicos. O aço inoxidável quando exposto aos líquidos corporais, possui excelente resistência a corrosão e vem sendo empregado como fixação interna. [1, 3]
Um dos aços inoxidáveis mais empregados em aplicações biomédicas é o aço 316L, devido ao baixo custo, boa usinagem e elevada resistência à corrosão. [3] Na Tabela 1 está representada a porcentagem da composição química do aço 316L.
Tabela 1 - Composição em porcentagem de elementos no aço 316L CROMO NÍQUEL MOLIBDÊNIO MANGANÊS CARBONO 316L 17% a 20% 10% a 14% 2% a 4% < 2% 0,03%
7 O aço 316L apresenta propriedade não oxidativa, o que é atribuída ao cromo pela formação da camada passivadora no metal, quanto maior a concentração de cromo na liga, maior é a sua resistência à corrosão. Uma das propriedades do aço 316L é a baixa quantidade do elemento de carbono no metal, o que o torna ainda mais resistente a corrosão, ou seja, a pouca quantidade de carbono favorece seu efeito protetor. [1, 3]
A presença de níquel faz com que o aço 316L seja contestado, devido esse elemento possuir toxicidade, podendo ocasionar problemas como câncer, alergias entre outros. Invalidando a biocompatibilidade do aço, faz-se necessário o tratamento da superfície através da formação de filmes finos inertes como por exemplo filmes de alótropos de carbono, que além de evitar a corrosão evitam a liberação de íons metálicos presentes no aço. [1, 4]
Os filmes de alótropos de carbono são um dos recobrimentos mais utilizados em aços para aplicações como biomateriais, pois apresenta propriedades importantes como biocompatibilidade, baixo atrito, inércia química entre outros. [4] O carbono é um dos elementos mais abundantes no universo e apresenta diferentes arranjos estruturais, organizados em estruturas cristalinas e amorfas devido à sua forma de hibridização. O carbono em seu estado excitado possui três diferentes formas de hibridizações, sp, sp² e sp³ apresentando diferentes geometrias na microestrutura, portanto diferentes alótropos, conforme representado na Figura 2 o que influência diretamente nas propriedades físico-químicas dos materiais. [5, 6]
Figura 2 - Arranjo atômico do carbono: (a) diamante; (b) grafite.
8 A configuração sp³ do carbono é característica da molécula do diamante que apresenta uma geometria molecular tetraédrica, com 4 ligações covalentes fortes do tipo σ (Sigma) e confere algumas propriedades ao diamante por sua alta dureza, altos pontos de fusão, baixa reatividade química e a capacidade de isolamento elétrico. A molécula do grafite se diferencia pela configuração sp², que apresenta 3 ligações do tipo σ (Sigma) e uma ligação do tipo π (Pi) em sua geometria planar, as ligações entre os planos ocorrem por ligações de Van der Waals, que confere ao grafite um caráter frágil e fácil deslizamento, atuando dessa forma como um lubrificante sólido. [5, 6] A Figura 3 apresenta as formas de hibridizações do carbono.
Figura 3 - Apresentação das formas de ligações do carbono.
Fonte: ROBERTSON. [6]
A produção de alótropos de carbono é utilizada por diferentes técnicas, feixe de íons, pulverização catódica “Sputtering”, deposição a laser entre outras. [6] A utilização do laser vem sendo empregado para tratamento de superfície dos materiais para alterar algumas propriedades químicas, térmicas e mecânicas.O tratamento térmico via laser é vantajoso, pois é um processo limpo, rápido e de baixo custo benefício.[8]
O laser é caracterizado por um princípio básico de uma fonte de luz no alcance espectral do ultravioleta ao infravermelho, que dependendo da forma com que a radiação é gerada acabada alterando características do laser.[8, 9]
Existem diferentes fontes de luz que atribuem ao laser propriedades distintas. O “Laser Cladding” possui uma fonte de luz gasosa de CO2 com comprimento de onda de 10,6μm. O
processo tem a finalidade de fundir uma camada de pó sobre a superfície do substrato, alterando as propriedades do material. Existem dois métodos de introduzir o pó na superfície do substrato sendo que um dos métodos ocorre em uma única etapa e o outro método ocorre
9 em duas etapas. O método que ocorre em uma única etapa o pó é aspergido durante a radiação. Já o método que ocorre em duas etapas, inicialmente ocorre a aspersão do pó e posteriormente a radiação. Durante o processo de radiação, é utilizado um gás inerte caso o pó seja vulnerável a oxidação. [9, 10] A Figura 4 apresenta o esquema de processo de “Laser Cladding”, onde pode ser visto os elementos de foco óptico do laser, a adição de gás inerte para evitar a oxidação da superfície, a camada do pó e a região do substrato contendo o recobrimento tratado.
Figura 4 - Esquema do processo de “Laser Cladding”.
Fonte: CONTRIN. [10]
Quando ocorre a interação do laser ao substrato, uma parte da energia é absorvida pelo substrato formando um poço fundido e outra parte da energia é absorvida pelo pó. Na medida que o laser adentra ao substrato ocorre uma mudança de transferência de energia para convecção de massa, ocorrendo a mistura do pó na poça fundida. [10]
A técnica de espectroscopia Raman caracteriza a estrutura química para alótropos de carbono formados na superfície do substrato pela técnica de “Laser Cladding”. A Espectroscopia Raman é uma técnica de caracterização não destrutivas e fornece a impressão digital das moléculas. A luz do laser interage de forma diferente para cada molécula ocorrendo um deslocamento de energia. Essa mudança de energia é medida por fotorreceptores os quais dá informações sobre os modos de vibrações das moléculas em
10 formas de espectros Raman. [11] Os espectros Raman obtidos para as diferentes estruturas de alótropos de carbono são demonstrada naFigura 5.
Figura 5 – Espectros Raman para as diferentes estruturas de alotropos carbono.
Fonte: ROBERTSON. [6]
A literatura demonstra que a partir dos espectros Raman dos filmes de alótropos de carbonos desordenados é possível identificar os tipos dos filmes, sendo eles: Grafite perfeito para o nano-cristalino, grafite nano-cristalino para carbono amorfo (a-C) e o carbono amorfo (a-C) para o carbono tetraédrico (ta-C), apresentado naFigura 6. [6] A posição da intensidade da banda G definida em 1600cm-1 se tem a fase grafite, já em valores da posição da banda G entre 1510 a 1600cm-1 existe a formação de grafite nano-cristalino. Os valores da banda G abaixo de 1510cm-1 se tem revestimento de carbono amorfo e os carbonos tetraedrico em 1560cm-1.Já razão entre as bandas I(D)/I(G) com valor em 0 e posição da banda G em 1600cm-1
se tem grafite. As bandas I(D)/I(G) com valor em 2 e posição da banda G entre 1510 a 1600cm -1
se tem a fase grafite nano-cristalino. As bandas I(D)/I(G) com valor em 0,25 e posição da
nano-11 grafite e cadeias abertas. As bandas I(D)/I(G) com valores abaixo 0,25 e posição da banda G
acima de 1560cm-1 se tem a fase de carbono amorfo tetraédrico.
Figura 6 – Variação do número de onda do pico G e da razão I(D)/I(G) em função do grau de
desordem.
Fonte: ROBERTSON. [6]
Uma das propriedades importantes nos biomateriais metálicos é a topografia da superfície, uma vez que a rugosidade pode determinar o tipo do tecido que será obtido na interface osso-implante e sua integração (osseointegração). Esta propriedade pode alterar o comportamento das células para os tecidos adjacentes modificando a migração, inserção, proliferação e síntese de colágeno no local implantado. Através dos diferentes tipos de tratamentos de superfície é possível caracterizar quanto a formação óssea e comportamento das células. [12, 13] Para a caracterização da topografia rugosa dos filmes de carbono a técnica de perfilometria óptica, se mostra eficiente.
O perfilômetro óptico é utilizado para analisar a superfície através da interferência da luz refletida entre o substrato e o aparelho. A interferência formada entre a luz e um espelho refletor constrói franjas de interferência, onde a franja de maior altura apresenta maior brilho na imagem e está relacionada com altura e profundidade do substrato. Essa varredura descreve a topografia do substrato tridimensionalmente. [14, 15]
A propriedade de atrito gerada entre o filme de carbono e o aço 316L é importante para materiais com aplicações biomédicas. Além de determinar a vida útil do filme de carbono, o
12 aumento do coeficiente de atrito do aço revestido melhora a estabilidade e fixação mecânica entre o filme e o local do implante.[16]
Sendo assim o estudo da técnica de Tribologia é importante, pois é o ramo da ciência e da tecnologia responsável pelo estudo da interação entre superfície em movimento, com a finalidade de definir a combinação entre os campos de lubrificação, atrito e desgaste. O atrito é definido como a força resistente ao movimento entre duas superfícies e o coeficiente de atrito é valor numérico resultado dessa interação. [15]
Portanto o objetivo do trabalho é estudar a formação de alótropos de carbono a partir do grafite sobre a superfície de aço 316L, através da técnica do “Laser Cladding”, avaliando os efeitos decorrentes das velocidades de interação do laser com a amostra, tais com: estrutura química do revestimento formado, rugosidade do revestimento formado e a vida útil do revestimento por meio de medidas do coeficiente de atrito.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Com o objetivo de concluir com êxito o que foi discutido na proposta deste trabalho, a metodologia foi dividida em três etapas: preparação da amostra, obtenção do filme de carbono e caracterização quanto espectroscopia Raman, perfilometria óptica e tribologia.
2.1 Preparação da Amostra
As etapas de preparação da amostra foram realizadas no Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento (IP&D) da Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP), no Laboratório de Nanotecnologia de processos a Plasma (NanoTecPlasma). A amostra utilizada foi o aço 316L com dimensionamento de 2,0x2,0x0,5cm, conforme a Figura 7.
13 Figura 7 - Amostra de Aço 316L.
Fonte: O Autor.
2.1.1 Lixamento
O lixamento do aço foi realizado em um porta amostra previamente aquecido em um agitador magnético com aquecimento(Quimis, Q261-22D), mostrado na Figura 8,utilizou-se uma resina termoplástica (Mounting Wax, South Bay Technology INC.), para fixação da liga no porta amostra, sendo possível preparar um total de 6 amostras simultaneamente, conforme a Figura 9.
Figura 8 – Agitador Magnético com Aquecimento.
14 Figura 9 – Amostras fixadas ao porta amostra.
Fonte: O Autor.
As amostras do aço 316L foram lixadas manualmente de modo que todos os riscos assumissem a mesma direção, em seguida, o porta amostra foi girado a 90° e repetiu-se o processo. Uma sequência de lixas com granulometrias de 34,6µm, 23,6µm e 16µm foram utilizadas, para cada granulometria utilizou-se uma quantidade de lixas diferentes com a finalidade da uniformização da superfície da amostra, conforme a Tabela 2. Para o processo de lixamento foi necessário à utilização de água e detergente neutro para a lubrificação e refrigeração da superfície da amostra.
Tabela 2 - Número, Granulometria e Quantidade de lixas utilizadas no processo de lixamento.
Nº da lixa Granulometria (𝜇m) Quantidade
280 34,6 2
400 23,6 2
600 16 1
15
2.1.2 Limpeza
Os aços foram retirados do porta amostras e submetidos ao banho de limpeza ultrassom (Quimis, Q335D) com frequência de 50/60Hz com a finalidade da remoção de qualquer sujeira presente na amostra, representado na Figura 10, por 15 minutos com cada líquido conforme a sequência abaixo:
Acetona 99,5% (Dinâmica Química Contemporânea Ltda.): para a remoção da cola termoplástica;
Detergente Neutro diluído 10% em água destilada: Água destilada;
Acetona 99,5% (Dinâmica Química Contemporânea Ltda.) Figura 10 – Banho de Limpeza Ultrassom.
Fonte: Google Quimis. [17]
2.2 Obtenção do Filme de Carbono
Inicialmente, colocou-se a fita adesiva em parte da liga já limpa, conforme a Figura 11, a fim de se obter resultados expressivos, em seguida foi realizado o processo de aspersão. A aspersão foi realizada no Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento (IP&D) da Universidade do
16 Vale do Paraíba (UNIVAP), no Laboratório de Nanotecnologia de processos a Plasma (NanoTecPlasma).
Figura 11 - Amostra de Aço 316L.
Fonte: O Autor.
O processo de aspersão consiste em uma suspensão de álcool Etílico contendo partículas de Grafite e Carboximetil Celulose, a suspenção foi aspergida com uso de uma pistola pneumática conforme a Figura 12 sobre a superfície do aço já limpo.
Figuras 12 - Representação do Processo de Aspersão.
Fonte: Adaptado TELEGINSKI. [18]
Após o processo de aspersão, realizou-se o processo de irradiação a laser, esta etapa foi realizada no Instituto de Estudos Avançados (IEAv), no Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica (Dedalo). O processo consistiu na irradiação a laser sobre a área tratada no processo de aspersão e foi testado a variação da velocidade de interação do
17 laser com o material, a fim de determinar a melhor velocidade. Outros parâmetros do laser como à potência e velocidade de varredura foram utilizados a fim de adequar a estrutura química obtida no revestimento final do filme de carbono.
A tabela 3 apresenta os parâmetros do laser utilizados. Pode ser visto nesta tabela que a potência utilizada foi de 125W e sobreposição do feixe de laser foi de 75%, em uma frequência de 20KHz, em diferentes faixas de velocidades.
Tabela 3 – Parâmetros do Laser.
POTÊNCIA (W) SOBREPOSIÇÃO (%) FREQUÊNCIA (KHz) VELOCIDADE (mm/s)
125 75% 20 100 A 1000
Fonte: O Autor.
A Figura 12 apresenta um desenho esquemático do tratamento de laser através de diferentes sobreposições do feixe de laser sobre o aço 316L com uma camada de pó.
Figura 13 - Sobreposição do Laser.
Fonte: Adaptado TELEGINSKI. [18]
2.4 Caracterização
Para a caracterização do filme de carbono na superfície do aço 316L foi utilizado as técnicas de Espectroscopia Raman para caracterização da estrutura química do filme, o
18 Perfilômetro Óptico para a caracterização quanto a morfologia e rugosidade e o Tribometro para o estudo de atrito avaliando o efeito lubrificante do filme.
2.4.1 Espectroscopia Raman
A Espectroscopia Raman foi realizada sobre a superfície tratada do aço contendo grafite em função de 5 faixas de velocidade de interação do laser, para a identificação da estrutura química formada no filme. As análises foram realizadas por Espectroscopia Raman utilizando o sistema Horiba LabRam HR Evolution (modelo Renishaw 2000) com laser iônico de Argônio com comprimento de onda no verde (λ = 514nm) e geometria de retroespalhamento. A potência do laser sobre as amostras foi de ~ 0,6mW, e o diâmetro do ponto do laser foi de 1,0μm. O deslocamento das bandas Raman foi calibrado utilizando o pico do diamante de 1332cm-1. Esse sistema se encontra no Laboratório de Sensores e Materiais (LAS) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), mostrado na Figura 14.
Figura 14 - Espectroscopia Raman
Fonte: O Autor.
2.4.2 Perfilometria Optica
A rugosidade e a espessura do filme foram analisadas com o uso do Perfilômetro Óptico para cada faixa de velocidade da interação do laser. Foi utilizado o Perfilômetro Óptico (Veeco modelo NT1100) como mostra a Figura 15, do Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). Foi
19 utilizado o modo de operação PSI para leitura da rugosidade, com comprimento de onda vermelho na reflexão de λ = 632nm.
Figura 15 – Perfilômetro Óptico.
Fonte: GADDINI. [14]
2.4.3 Tribologia
O Tribometro foi utilizado para analisar a variação de coeficiente de atrito e o efeito lubrificante em cada faixa de velocidade de interação do laser, os ensaios de atrito foram realizados em atmosfera ambiente. O equipamento para a realização do teste de atrito foi o Tribometro multifuncional da empresa Center for Tribology (CETR) no modo reciproco linear que pode ser visto na Figura 16, do Laboratório de Nanotecnologia de Processos a Plasma (NanoTecPlasma) do Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento (IP&D) da Universidade do Vale do Paraíba (UNIVAP).
Foi realizado o estudo da estabilização do coeficiente de atrito com carga constante de 2N com o movimento recíproco linear. Foram empregadas esferas de titânio com diâmetro de 5 mm deslizando sobre aço 316L recobertos com filme. No movimento linear
20 utilizaram-se velocidade de 5mm/s, no intervalo de 10mm com frequência de 0,5Hz e o número de passadas pela trilha foi de 500vezes.
Figura 16 – Tribometro.
Fonte: GADDINI. [14]
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O processo de irradiação com laser de CO2 no aço, foi realizado em dez faixas com
diferentes velocidades de interação, sendo que velocidade variou entre 100 a 1000 mm/s com intervalo de 100 mm para cada faixa, como é apresentado na Tabela 3 e representado na Figura 17.
Em seguida as amostras foram caracterizadas quanto a espectroscopia Raman, Perfilometria Óptica e Tribologia, a fim de determinar a composição química, rugosidade e atrito, respectivamente.
21 Tabela 3 – Variação de velocidades de interação do laser com as amostras.
Amostra
Velocidade de interação com o laser (mm/s)
Faixa 1 Faixa 2 Faixa 3 Faixa 4 Faixa 5
a 100 200 300 400 500
b 600 700 800 900 1000
Fonte: O Autor.
Figura 17 - Amostras de aço 316L com cinco faixas de velocidade.
Fonte: O Autor.
3.1 Espectroscopia Raman
A Figura 18 apresenta os resultados de espectroscopia raman, a amostra (a) apresenta os intervalos de varredura de 100 a 500mm/s e a amostra (b) apresenta os intervalos de varredura de 600 a 1000mm/s, sendo um espectro para cada faixa de varredura. As distribuições das cores dos espectros por varredura estão representadas na Tabela 4.
22 Tabela 4 - Distribuição das cores dos espectros.
COR DA LINHA DO
ESPECTRO VELOCIDADE (mm/s) VELOCIDADE (mm/s)
VERMELHO 100 600 AZUL 200 700 ROSA 300 800 VERDE 400 900 PRETO 500 100 Fonte: O Autor.
Observa-se que os espectros obtidos em todas as faixas de velocidades de interação do laser apresentaram duas bandas características para materiais grafíticos, as duas bandas surgem devido a processos de dupla ressonância Raman recebendo o nome de banda D com pico de 1200 a 1400cm-1, representada pela faixa da cor amarela na Figura 18, sendo que este pico tem influência na mudança do comprimento de onda que corresponde a fase da desordem, das ligações sp, sp² e sp³. A banda G com pico 1500 a 1600cm-1, representada pela faixa da cor verde na Figura 18 está relacionada com as ligações sp2 do grafite. [19, 20]
23 Figura 18 - Espectro Raman da intensidade em função do comprimento de onda das amostras obtidas
com diferentes velocidades de interação do laser com aço.
24 Foi realizada a deconvolução do espectro para separar a contribuição das banda D e G para a realização do cálculo da razão I(D)/I(G) onde o I é a intensidade das bandas. [6]
A Figura 19 mostra uma representação da deconvolução das bandas D e G para a velocidade de interação do laser de 100mm/s e o Gráfico 1 apresenta os resultados obtidos a partir da deconvolução.
Figura 19 - Representação da deconvolução das bandas D e G.
Fonte: O Autor.
Pode ser observado no Gráfico 1 que existe uma tendência da razão I(D)/I(G). Para as
velocidades de 100 a 500mm/s a razão I(D)/I(G) dos filmes foi abaixo de 1,0 indicando que os
filmes obtidos estão nas fases de carbono amorfo. Para velocidades acima de 600 a 1000mm/s a razão I(D)/I(G) apresentou valores acima de 1,0, este resultado indica de que os filmes obtidos
25 Gráfico 1 - Função I(D)/I(G) em diferentes velocidade de interação do laser com o aço.
Fonte: O Autor.
3.2 Perfilometria
A Figura 20 mostra a topografia obtida pela perfilometria óptica do revestimento formado entre a superfície do aço 316L e o recobrimento do pó, as regiões mais altas da superfície estão representadas em vermelho e as mais baixas em azul, conforme a escala de cores ao lado da Figura.
Figura 20 - Perfilometria do degrau no Aço 316L.
26 A Figura 21(a) mostra uma imagem da região medida do degrau entre o filme e o substrato. A espessura do filme foi medida a partir de uma reta no perfil dessa mesma imagem e esse perfil é demonstrado na Figura 21(b), dessa forma foi obtida uma espessura do filme de 38,6227µm, marcado na lateral direita do gráfico.
Figura 21 - Perfilometria da espessura do filme no aço 316L.
27 Pode ser visto na Figura 22 uma imagem obtida por perfilometria óptica do aço 316L polido antes da radiação do laser, onde foi medida o Ra que indica rugosidade aritmética (Equação 1) e o Rq que indica a rugosidade quadrática (Equação 2). [15] O aço apresentou Ra 0,303µm e Rq 0,415µm.
𝑅𝑎 = 𝑙𝑚1 ∫ |𝑦(𝑥)|𝑑𝑥01 (Equação 1)
𝑅𝑞 = √𝑙𝑚1 ∫ 𝑦1 2(𝑥)𝑑𝑥
0 (Equação 2)
Figura 22 - Perfilometria do Aço 316L.
Fonte: O Autor.
A Figura 23 mostra uma imagem da perfilometria óptica da superfície dos filmes após a irradiação a laser em função da velocidade, onde foi medida o Ra (Equação 1) e o Rq (Equação 2). Para uma melhor visualização dos defeitos o valor médio de Ra e Rq foi plotado no Gráfico 2.
28 Figura 23 – Perfilometria das diferentes velocidades no Aço 316L.
29 O gráfico 2 mostra a rugosidade em função da variação da velocidade do laser. Observa-se que todas as faixas de velocidade de interação do laser avaliadas apresentaram um aumento significativo da rugosidade do aço 316L, que ficou entre 1.1 e 2.6 sendo os maiores valores observado para 500 e 800mm/s. O aumento dessa rugosidade é um fator importante pois facilita a o osteointegração.[21] Pelo fato da amostra ser muito heterogênea a rugosidade também apresentou esse comportamento havendo região com tendência de aumento da rugosidade e quedas abruptas. Este comportamento heterogêneo pode estar relacionado com o tipo de interação do laser, apresentado na Figura 12 com a amostra e a área analisada pelo interferômetro.
Gráfico 2 - Rugosidade aritmética e quadrática no aço 316L e nas diferentes faixas de velocidades.
Fonte: O Autor.
3.3 Ensaios de atrito
Pode ser visto na Figura 24 mostra dois gráficos de coeficiente de atrito no tempo das amostras de aço316L contendo o filme de carbono tratado em diferentes velocidades.
O coeficiente de atrito do aço 316L com a mostra (a) nos intervalos de varredura de 100 a 500mm/s e na amostra (b) nos intervalos de varredura de 600 a 1000mm/s, sendo uma medição de coeficiente de atrito para cada faixa de varredura. As distribuições das cores dos resultados de atrito por varredura estão representadas na Tabela 5. Pode ser visto nessa Figura 24 que o coeficiente de atrito do aço apresentou início em 0,16 no coeficiente de atrito após 160s.
30 O coeficiente de atrito para as amostras com tratamento de laser nas velocidades 700, 900 e 1000mm/s ficou igualado até final do tempo de 500s. As velocidades de interação de laser que apresentaram os menores coeficientes de atrito foram 900 e 1000 mm/s, com valores de 0,16. Pode ser concluído que a transferência de material destacado na superfície permanece como terceiro corpo entre a esfera de titânio e o substrato. O terceiro corpo contribui para a redução de atrito de acordo com a literatura. [22]
Tabela 5 - Distribuição das cores dos coeficientes de atrito. COR DA LINHA DO
ESPECTRO VELOCIDADE (mm/s) VELOCIDADE (mm/s)
CINZA AÇO 316L AÇO 316L
VERMELHO 100 600 AZUL 200 700 ROSA 300 800 VERDE 400 900 PRETO 500 100 Fonte: O Autor.
Figura 24 - Coeficiente de atrito no tempo para as diferentes velocidades.
31
4. CONCLUSÃO
Neste trabalho as amostras de aço 316L foram tratadas com o “Laser Cladding” a fim de se obter filme de alótropos de carbono. Com a técnica da espectroscopia Raman e a deconvolução das bandas D e G, foi possível determinar que foram obtidos dois filmes de alótropos de carbono sendo grafite nano-cristalino e carbono amorfo.
Foi estudada a influência da velocidade de interação do laser com a amostra na homogeneidade e nas propriedades tribológicas dos filmes obtidos. Os menores coeficiente de atritos foram observados para as amostras tratadas com as maiores velocidades de interação do laser, pois a interação do laser na amostra foi mais superficial, proporcionando uma menor rugosidade da superfície tratada.
Os dois tipos de filmes obtidos nesse estudo apresentam características lubrificante que contribuíram para redução do coeficiente de atrito de 50% em relação ao par aço contra aço.
Nesse trabalho verificou-se que a técnica de “Laser Cladding” permite a obtenção de filmes de carbono com o controle de rugosidade a partir da velocidade de interação do laser com a amostra. Dessa forma os filmes obtidos são promissores para aplicação na área biomédica em setores onde a biocompatibilidade e a rugosidade da superfície são importantes como por exemplo, a superfície de implantes onde se deseja que ocorra a osseointegraçao.
32
5. REFERÊNCIAS
[1] PIRES, A., L., et al. Biomaterials: Types, Applications, and Market. Química Nova, v. 38, n. 7, p. 957-971, 2015.
[2] Google :< http://www.vitalodontoimplantes.com.br/artigo/saiba-o-que-acontece-quando-seu-implante-dentario-se-quebra/51/>. Acesso em 29/30/2016.
[3] Google:< http://www.nascecme.com.br/artigos/Digitacao - Biomateriais[1].pdf.>. Acesso em 08/06/2016
[4] WACHESK, C., C., SILVA, N., S. Estudo da citoxicidade de filmes DLC (Diomand
Like Carbon) para aplicações biomédicas: Revisão. XIC INIC - Universidade de Valo do
Paraiba, São Jose dos Campos, 2015
[5] FERREIRA, D., F. Estudo da corrosão de ligas de aço inoxidável e titânio em solução
de Ringer. 2015. 89 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade
Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2015.
[6] ROBERTSON, J. Diamond-like amorphous carbon. Material Science and
Engeneering R, v. 37, p. 129-281, May 2002.
[7] RIZZO, V., Z. Estudo das Propriedades Ópticas e Eletro-Ópticas de filmes de
Carbono Amorfo tipo Diamante - DLC. 2010. 104 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) -
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2010.
[8] CONTRIN, A. Deposição de Diamente CVD sobre aço 304 com interface de SiC
obtida por Laser Cladding. 2014. 72F. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Tecnologia
Espaciais / Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores) - Instituto Nacional de Pesquisa Espacias, São José dos Campos, 2014.
[9] CIDADE, M., K. Caracterização e padronização do processo de gravação a laser em
ágata aplicado ao design de joias. 2012. 172F. Dissertação (Mestrado) – Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porta Alegre, 2012.
[10] SOUTO, H., I., M. Laser Cladding: sua aplicação à deposição de revestimentos em
lâminas de destroçadores de madeira. 2013. 87F. Dissertação (Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - Universidade do Porto, Porto, 2013.
[11] BOWLEY, H., J. et al. Practical Raman Spectroscopy. Springer Science & Business Media, Eds. Gardiner, D., J.; Graves, P., R.; Berlin: Heidelberg, 1989. 157p.
[12] MESQUITA, P., et al. I-47. Comportamento de osteoblastos sobre implantes. Revista Portuguesa de Estomatologia, Medicina Dentária E Cirurgia Maxilofacial, v. 54, p. e21–e22. [13] NAGEM FILHO, H., et al. Texture of the titanium implant surfaces. Revista Odonto Ciência,v. 22, n. 55, p. 82-86, 2007.
[14] GADDINI, R., T., V. Estudo de Esclerometria de Filmes Organometalicos. 2015. 34f. Relatorio do PIBIC – Universidade de Valo do Paraiba, São Jose dos Campos, 2015.
[15] RADI, P., A. Estudos de Fenômeos Tribológicos em Materiais Carbonosos. 2008. 148f. Dissertação (Mestrado Física e Química de Materiais Aeroespaciais) - Instituto Tecnológico da Aeronáutica, São José dos Campos, 2008.
[16] GOMES, L., S., M., et al. Biomateriais em Artoplastia de Quadril: Propriedades,
Estrutura e Composição. O Quadril. São Paulo: Atheneu, p. 121-143, 2010.
[17] <http://www.quimis.com.br/valor-equipamento-cientifico>
[18] TELEGINSKI, V. Deposição de revestimentos com laser CO2 para proteção térmica
de alhetas de turbinas aeronáuticas e industriais. 2016. 85f. Dissertação (Tese de
Doutorado em Física e Matemática Aplicada) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. 2016
[19] FERRARI, A., C.; ROBERTSON, J. Interpretation of Raman spectra of disordered
33 [20] LOBO, A., O.; et al. Caracterização De Materiais Carbonosos Por Espectroscopia
Raman. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, v. 24, n. 2, p. 98–103, 2008. [21] GRAVINA, P., A. Biomimetização de diferentes superfícies de titânio com
Fibronectina. 2010. 69f. Dissertação (Mestre em Ciências em Ciência dos Materiais)
Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, 2010.
[22] SINGER, I., L., et al. Role of third bodies in friction and wear of protective
