TECNOLOGIA PVD

INÍCIO DO REVESTIMENTO A PVD

O impulso no desenvolvimento de revestimentos PVD (Physical Vapor Deposition) que ocorreu durante a década de 70, veio para melhorar problemas de desgaste tendo como solução o revestimento com camadas de alta dureza. Inicialmente, estas camadas eram formadas por compostos cerâmicos de um só metal. O composto mais utilizado era o TiN (nitreto de titânio). A sua cor característica, cor de ouro, estava presente em todos os tipos de ferramentas de corte, placas de metal duro, brocas, torneiras, lâminas de serra, etc.

A deposição de compostos com dureza semelhante à do diamante gerou grandes expectativas tendo sido obtidos novos compostos usando diferentes técnicas de PVD. A diferença é o sistema de evaporação de metal reativo.

O desenvolvimento de revestimentos duros são geralmente à base de nitretos (metal com azoto) carbonitretos (combinação de metal com azoto e carbono), carbonetos (de metais) e óxidos (de metal). Camadas graduais, multicamadas e camadas a nível nanométrico tem sido a evolução progressiva dos revestimentos que têm sido implementados no mercado.

No meado dos anos 90 surgiram os revestimentos à base de nitretos de titânio e alumínio. A sua elevada dureza e resistência à oxidação representou avanço nas aplicações industriais de PVD.

Por sua vez, a obtenção de compostos duplos foi benéfico para as tecnologias onde não é possível obter, com alguma facilidade, o precursor de feixe de electrões E-Beam (evaporação por feixe de electrões). A evaporação por arco e pulverização catódica (magnetrón sputtering) são as tecnologias que atualmente conseguem melhores revestimentos e com desempenhos mais elevados.

TÉCNICAS PARA A OBTENÇÃO DE REVESTIMENTOS DE PVD

Das várias técnicas de PVD que existem na indústria, as principais são a E-Beam, o arco catódico e a pulverização catódica (sputtering).

O meio de evaporação e a ionização do metal durante a fase de revestimento é sempre física, daí o nome genérico de processos de deposição física de vapor.

Uma vez que a deposição do metal ionizado é produzido através da reacção com N, C, ou ambos, em estado de plasma e condensa sobre a peça de trabalho a ser revestida, esta é polarizada para atrair iões e tornar mais denso o revestimento.

As etapas comuns a todas as técnicas são as seguintes:

  • Carga do reator
  • Vácuo elevado (10-5 mbar mínimo)
  • Aquecimento
  • Decapado iónico
  • Revestimento
  • Arrefecimento e descarga

Se o sistema de evaporação ocorre como um resultado de um arco eléctrico que se move sobre o metal (cátodo) trata-se de evaporação por arco.Por outro lado, se a evaporação ocorre por bombardeamento de metal ou de cerâmica (neste caso, o alvo ou o cátodo não tem de ser metálico) de um feixe de iões de um gás inerte (Ar), a técnica é chamada de Sputtering. A ionização pode ser otimizada por campos magnéticos (magnetron) aplicados sobre o alvo.

Gerados os iões reactivos, os gases são introduzidos a uma baixa pressão, para a formação de compostos. Para focá-los nas peças, é aplicada uma diferença de potencial entre estas e a câmara do reator.

Estas técnicas podem ser confundidas com tratamentos químicos, ou banhos de revestimento eletrolíticos feitos em instalações abertas. As instalações PVD são à prova de água, revestidos a pressões muito baixas (10-2-10-3 mbar), e as reacções são alcançadas através da ionização dos reagentes (estado de plasma). Salvo algumas instalações excepcionais, os processos são realizados em lote. Para as condições de trabalho, estas são consideradas limpas e ambientalmente viáveis.

 

PVD MAGNETRON SPUTTERING

Fundamentos da tecnologia

A tecnologia de evaporação por pulverização catódica (PVD MS) difere de outras tecnologias de PVD, essencialmente pela forma de evaporação de um dado metal ou compósito cerâmico.

Esta é produzida mediante o bombardeamento dos iões de gás inerte, como o árgon, sobre o alvo. Fig. 1.

Este bombardeamento é amplificado e densificado mediante campos magnéticos estrategicamente escolhidos. Posto isto, consegue-se sublimar os átomos de metal e ionizar, sem recorrer à fusão. Nesta secção é explicada a importância de evitar esta fase.

Uma vez obtido o composto de metal ionizado, o processo de deposição é semelhante a todas as técnicas de PVD e a espessura depende das características de movimento das peças no reactor e do tempo de revestimento.

 

VANTAGENS DA TECNOLOGIA PVD MS.

Do ponto de vista científico e académico, a tecnologia de “sputtering” sempre foi a mais estudada pela obtenção de camadas muito homogéneas, com morfologia e composição constantes, permitindo a evaporação de materiais exóticos, cerâmica, maus condutores, etc.

No entanto, o crescimento das camadas foi inicialmente muito lento, o que fez com que fosse pouco implementada na indústria. Com os avanços na obtenção de magnetrões, inovações nos campos magnéticos e a alimentação impulsionada pelo bombardeamento iónico no substrato (variante chamada HIPIMS, High Power Impulse Magnetron Sputtering), foi possível obter espessuras em tempos ligeiramente acima dos conseguidos através da evaporação em arco, que, por outro lado, é a técnica industrialmente mais generalizada.

Tecnologia-PVDMS

Fig 1. Mecanismo básico da evaporação por pulverização catódica “sputtering”

 

A sublimação de iões sem passar pelo estado de fusão permite obter camadas homogéneas, sem descontinuidades, devido às características das gotículas de metal fundido produzidas por outros sistemas de evaporação, tais como evaporação por arco (figura 2 e figura 3).

 

Flubetech_arco

Flubetech_MS

 

Fig 2 (evaporação por arco) esq.

Fig.3 (evaporação por “magnetron sputtering”) dir.

 

 

A réplica exata do revestimento de superfície obtido através da PVD MS permite revestir moldes que tenham superfície espelhada, incluindo ótica.

Outra das vantagens do sistema de evaporação de gás de bombardeamento ionizado é a possibilidade de evaporação de material cerâmico. Não são necessários materiais condutores como noutras técnicas de PVD. Diboreto de titânio, óxidos de alumínio, grafite (DLC) são alguns dos compostos cerâmicos que são facilmente obtidos por PVD MS.

Entre os materiais que sublimam, há a grafite. Combinado com uma atmosfera de hidrocarboneto permitem a obtenção de camadas DLC, com baixo coeficiente de atrito, elevada dureza (DLC são obtidos até 6000 HV) e uma excelente resistência à corrosão.

 

PROPRIEDADES DOS REVESTIMENTOS PVD

As características dos revestimentos são baseados na melhoria da tribologia da superfície, da dureza, do coeficiente de fricção, da resistência à corrosão, etc. Os valores encontram-se na Tabela 1.

 

Dureza

A dureza pode ser medida por nano-indentação, onde são obtidos os compostos mais comuns e amplamente conhecidos. O diamante, elemento mais duro, sendo atribuído o valor 10000 HV Vickers em escala de dureza, os compostos PVD estão entre valores que variam de 2500HV a 4000 HV.

 

Atrito

Embora a dureza esteja relacionada com a resistência ao desgaste abrasivo, atrito e tribologia referem-se à capacidade de deslize e de evitar micro-soldaduras entre dois materiais que se encontrem em contacto. A relação entre os esforços que levam ao deslizamento uns contra os outros resulta no coeficiente de atrito/fricção. As camadas duras impedem que o metal friccione um contra o outro diminuindo muito os valores do coeficiente de atrito. Estas propriedades são adicionadas para reproduzir a superfície polida e um revestimento lubrificante (sulfuretos de carbono e alguns metais), evitando assim o desgaste pelo atrito (a deformação a frio e a quente). Os valores indicados no quadro são os obtidos a temperaturas de 20-23°C e condições de humidade de 85%.

 

Revestimento Dureza HV/GPa Coeficiente de atrito/fricção Cor Res. corrosão
TIN 2200/ 22 0,3 Dourado Boa
AlTIN 3200/ 30 0,5 Negro violeta Boa
AlTICRN 3700/ 38 0,5 Cinzento-Negro Boa
DLC 2700/ 28 0,1 (0,01 DLC- DLC) Negro antracite Excelente
TiB2 2200/22 0.5 Metálico Boa
ZrN 3700/38 0,5 Dourado ténue Muito Boa
CrN 2400/24 0,3 Metálico Muito Boa

Tabla 1. Propriedades dos diferentes compostos PVD MS

 

Resistência à corrosão

Os revestimentos MS PVD não são, por si só, revestimentos anti-corrosivos. No entanto, qualquer camada livre de defeitos que veda uma superfície melhora a resistência à corrosão. Além disso, os compostos inertes como bases e ácidos geram óxidos estáveis que ajudam a vedação. Compostos à base de carbono tal como DLC, base crómio como CrN e zircónio ZrN apresentam melhores resultados relativamente a revestimentos convencionais.

 

Superfície, Rugosidade

A ionização sem fusão de metal, característica de MS PVD, serve para copiar a superfície com absoluta fidelidade. A ausência de microgota não só obtém a superfície refletora como também impede a propagação de fissuras que surjam devido ao cisalhamento compressivo.

Os coeficientes de atrito estão intimamente ligados à capacidade tribológica dos compostos, sendo fundamental tanto o acabamento inicial da superfície como o acabamento final do revestimento. A tecnologia MS PVD é líder em relação a outras técnicas de PVD. (Fig 4 e 5).

Tecnologia-PVD-fig4-150x150

DLC

 

 

 

Fig 4 e Fig 5. Rugosidade superficial observada por técnicas de microscopia confocal e SEM Revestimento DLC MOLT

 

O desenvolvimento da tecnologia HIPIMS, combinado com fontes de polarização pressionadas, a qualidade do acabamento dos revestimentos, a possibilidade de evaporação de um maior número de compostos de diferentes naturezas, o crescimentos de supernitretos densos, todos fazem da tecnologia MS PVD, a tecnologia de revestimento com um futuro seguro, em sectores tão diversos como a decoração, a mecanização, a injeção de polímero e estampagem a frio e metal quente.

 

APLICAÇÕES DOS REVESTIMENTOS PVD

Os revestimentos PVD estão a ser aplicados com sucesso em ferramentas de corte, matrizes de corte, estampagem, laminação, extrusão, moldes para injeção de polímeros, moldes de injeção ligas leves (alumínio, Zamack, magnésio,…), ferramentas cirúrgicas, próteses, implantes e componentes sujeitos ao desgaste em geral.

Para mais informações sobre as aplicações PVD pode consultar a secção Aplicações para MoldesMatrizes,Ferramentas de Corte Biomédicas.