BR102014026134B1 - Processo e reator de plasma para tratamento termoquímico de superfície de peças metálicas - Google Patents

Abstract

PROCESSO E REATOR DE PLASMA PARA TRATAMENTO TERMOQUÍMICO DE SUPERFÍCIE DE PEÇAS METÁLICAS. O reator (R) tem uma câmara de reação (RC) provida de um suporte (S) para as peças metálicas (1) e de um sistema de anodo (2), conectado a um aterramento (2b), e de cátodo (3) conectado ao suporte (S) e a uma fonte de energia CC pulsada (10). Na câmara de reação (RC) aquecida e alimentada com uma carga de gás, é formado, por descarga elétrica no catodo (3), um plasma gasoso. Um precursor líquido ou gasoso é admitido em pelo menos uma câmara tubular de craqueamento (20) associada a uma fonte de energia de alta tensão (30). Pode ser provida pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) associada a uma fonte de energia elétrica (50) recebendo um precursor sólido. Uma diferença de potencial é aplicada entre o anodo (2) e uma e/ou outra de ditas câmaras tubulares (20,40), para liberar os elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as peças metálicas (1), simultânea ou individualmente e em qualquer ordem.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção refere-se a um processo e a um reator de plasma multifuncional para a realização de tratamento termoquímico de superfície de materiais metálicos, visando a introdução de elementos químicos nas peças a serem tratadas ou a formação de uma camada superficial de compostos ou combinações de elementos químicos ligados uns aos outros, para conferir às referidas peças, uma maior resistência mecânica e/ou resistência à corrosão/desgaste. O reator de plasma da invenção permite a realização de diferentes operações de tratamento, incluindo limpeza, nitretação e outros tratamentos de superfície com precursores químicos que exigem craqueamento e/ou pulverização catódica para serem aplicados sobre as peças metálicas em tratamento.

Antecedentes da invenção

[002] Em muitas das aplicações industriais, para um material ser adequado a determinadas solicitações, é necessário somente alterar suas propriedades de superfície. Os tratamentos mais comumente utilizados são a nitretação, a cementação, a carbonitretação e outros.

[003] Dentre os processos existentes para a realização de tais tratamentos, o realizado a plasma apresenta algumas vantagens em relação aos demais, as quais podem ser assim definidas: curto tempo de tratamento; baixa temperatura de processo; menos poluente; e maior uniformidade da camada superficial formada na peça.

[004] Uma das dificuldades destes processos é a introdução de elementos de liga que, em sua forma natural, não se encontram em estado gasoso, como ocorre com o molibdênio, o silício, o cromo, o níquel e outros. Nestes casos, o tratamento de superfície utilizado é feito por meio de pulverização catódica ("sputtering") do elemento de liga a ser depositado na peça ou o aquecimento de um filamento do referido elemento de liga, até que o mesmo entre em evaporação, passando progressivamente ao estado gasoso.

[005] Outra forma conhecida de se prover um tratamento de superfície de peças metálicas por elementos de liga inclui a utilização de um precursor líquido contendo o elemento de liga desejado, como o hexametildissiloxano, o ácido molibdênico e outros, precursores esses que geralmente apresentam cadeias longas que necessitam sofrer um craqueamento para que o elemento de liga presente no precursor possa ser separado e conduzido à peça a ser tradada.

[006] Para a realização do processo de enriquecimento por elementos de liga, alguns tipos de reatores de plasma foram desenvolvidos por diversos autores. Reatores que utilizam pulverização catódica

[007] Nos casos em que o elemento de liga desejado só é disponibilizado em precursores no estado sólido, é comumente utilizada a pulverização catódica no interior do reator de plasma, para se obter a liberação do elemento de liga desejado e sua subsequente condução à peça a ser tratada.

[008] O reator utilizado por Liu et al (Xiaopinga, L., Yuanb, G., Zhonghoub, L., Zhongb, X., Wenhuaia, T., Binb, T. Cr-Ni-Mo-Co surface alloying layer formed by plasma surface alloying in pure iron. Applied Surface Science, v. 252, p. 3894-3902, 2006) compreende duas fontes de energia (ver Figura 1), sendo as peças a serem tratadas polarizadas negativamente de -530V a -580V (catodo 1) e o material (alvo) submetido ao processo de pulverização catódica sendo polarizado de 1.3 a 1.35kV (catodo 2).

[009] Com essa invenção Liu pode atrair mais efetivamente os átomos pulverizados do cátodo 2, , em função da polarização das peças (amostras) no cátodo 1, aumentando assim a eficiência do processo, garantindo uma maior uniformidade no tratamento de superfície das peças.

[0010] Nesta solução proposta por Liu, as superfícies a serem tratadas podem ser colocadas verticalmente em relação ao cátodo 2 e, mesmo assim, serem tratadas com eficiência. Liu visou aumentar a eficiência do processo, uma vez que os átomos não mais chegariam à superfície a ser tratada somente por difusão, mas sim acelerados devido à presença do potencial negativo do cátodo 2 na superfície das peças a serem tratadas.

[0011] Apesar das vantagens de utilizar pulverização catódica de precursores sólidos em conjunto com a polarização negativa das peças a serem tratadas em outro cátodo que não aquele da pulverização, a solução proposta por Liu não permite a realização de tratamentos termoquímicos que exigem um elemento de liga encontrado em precursores líquidos ou gasosos que apresentem cadeias longas que exigem seu craqueamento para separação dos elementos de liga antes de sua deposição sobre as superfícies das peças. Além disso, Liu não sugere nenhuma disposição construtiva particular que permita uma maior eficiência energética na pulverização catódica.

[0012] Outra conhecida solução de tratamento termoquímico em reator de plasma é apresentada no trabalho de Chang et al (Chi-Lung Chang, Jui-Yun Jao, Wei-Yu Ho, Da-Yung Wang. Influence of bi-layer period thickness on the residual stress, mechanical and tribological properties of nanolayered TiAlN/CrN multi-layer coatings. Vacuum 81 (2007) 604-609). O reator utilizado nesta solução possui três fontes de energia para realizar o tratamento (ver figura 2). Nesta solução é utilizada a pulverização por arco catódico de um primeiro precursor (alvo) de TiAl e de um segundo precursor (alvo) de Cr. A peça é posicionada no segundo cátodo, para que a ela cheguem os átomos de TiSi e Cr por difusão na fase gasosa. O gás nitrogênio é utilizado para reagir com os elementos químicos Al e Ti, para formar, na superfície do material a ser tratado, um filme de TiAlN/CrN.

[0013] O processo de Chang é diferente do processo de Liu, uma vez que Chang utiliza três fontes em um mesmo reator. Neste, uma fonte é provida para se obter cromo, a outra é provida para se obter TiAl e a última fonte é utilizada para polarizar as amostras (peças a serem tratadas).

[0014] Apesar de utilizar a polarização das peças com uma terceira fonte de energia de alta tensão, a solução de Chang faz uso de um arco catódico para conseguir a vaporização dos diferentes elementos de liga de interesse, associados à primeira e à segunda fonte de alta tensão. Ocorre que o uso do arco voltaico no ambiente do reator para conseguir a pulverização catódica, provoca grandes temperaturas na proximidade das peças a serem tratadas, colocando em risco as características dessas peças já submetidas a tratamentos térmicos anteriores.

[0015] Ainda outra solução conhecida é descrita por Pavanati et al (Pavanati, H.C., Lourenc, J.M., Maliska, A.M., Klein, A.N., Muzart, J.L.R. Ferrite stabilization induced by molybdenum enrichment in the surface of unalloyed iron sintered in an abnormal glow discharge. Applied Surface Science, v. 253, p. 9105-9111, 2007). Essa solução utiliza um alvo metálico como fonte de elemento de liga e o material a ser enriquecido é posicionado no anodo (ver figura 3).

[0016] O problema na solução proposta de Pavanati é a falta de polarização nas superfícies a serem tratadas, o que diminui a eficiência do processo. Somente a superfície paralela ao alvo para pulverização será tratada com maior eficiência, se não for provido o giro contínuo das peças durante o tratamento, o que não chega sequer a ser sugerido por Pavanati.

[0017] Ainda em relação aos reatores que utilizam uma única fonte para geração do plasma, encontra-se o dispositivo experimental utilizado por Brunato et al (Brunato, S.F., Klein, A. N., Muzart, J.L.R. Hollow Cathode Discharge: Application of a Deposition Treatment in the Iron Sintering. Journal of the Brazil Society of Mechanical Science & Engineering., p.147. 2008).

[0018] Para aumentar a taxa de pulverização catódica, Brunato faz uso do artifício do cátodo oco, sendo as amostras posicionadas dentro deste (ver figura 4).

[0019] No caso de Brunato, as amostras são posicionadas dentro do cátodo oco. Com isto, apesar de a pulverização catódica em cátodo oco permitir um aumento de eficiência no processo, a solução de Brunato apresenta o inconveniente de limitar o tamanho das amostras, uma vez que as dimensões para a obtenção de cátodo oco são pequenas. Além disso, as peças a serem tratadas são submetidas a altas temperaturas decorrentes da descarga em cátodo oco.

[0020] Nos reatores que utilizam o processo de pulverização catódica para suprir o elemento de liga desejado no ambiente de tratamento, sem submeter as peças a serem tratadas a uma polarização negativa, a uniformidade da camada só é alcançada se a peça for girada durante o processamento, permitindo, desta forma, que toda a superfície de uma determinada peça fique próxima à fonte de elemento de liga. Tal característica dificulta a realização em um lote grande de peças.

[0021] Mesmo nos casos em que a pulverização catódica é utilizada em conjunto com a polarização das peças, como ocorre na solução de Liu, é mantida a deficiência de limitar o tratamento termoquímico ao uso de elementos de liga providos em precursores sólidos, não permitindo o tratamento simultâneo ou consecutivo das peças, sem a movimentação dessas últimas, por deposição de elementos de liga que necessitem de precursores líquidos e/ou que apresentem cadeias longas.

Reatores que utilizam precursores líquidos

[0022] Nos casos em que o elemento de liga ou o elemento químico necessário para a formação do composto desejado só é disponibilizado em precursores no estado líquido ou gasoso e que apresentem cadeias longas, é comumente utilizado o craqueamento no interior do reator de plasma, para se obter a liberação do elemento de liga desejado e sua subsequente deposição na peça a ser tratada. Em relação aos trabalhos que utilizam precursores líquidos como portadores de elementos de liga, encontram-se os trabalhos de Aumaille et al (Aumaille, K., Valleae, C., Granier, A., Goullet, A. Gaboriau, F. Turban, G. A comparative study of oxygen/organosilicon plasmas and thin SiOxCyHz lms deposited in a helicon reactor Thin Solid Films, v. 359, p. 188-196, 2000).

[0023] Nessa solução anterior (Figura 5) é utilizada uma fonte de radio frequência ("helicon source") para gerar o plasma, sendo as amostras posicionadas em um porta-amostra aterrado, impedindo que as peças a serem tratadas sejam polarizadas e, assim, submetidas a um bombardeamento por íons ou elétrons acelerados. Nesse caso, para se obter uma eficiência no processo de tratamento e homogeneização na formação da ou das camadas superficiais nas peças, essas tem que ser giradas no interior do reator para que suas diferentes faces sejam voltadas para a fonte do elemento de liga. Nesta solução, o precursor líquido não é craqueado diretamente em descarga e sim sofre craqueamento em pós-descarga.

[0024] Existem os reatores de plasma com fonte de radio frequência onde é possível realizar o craqueamento do precursor líquido diretamente na superfície do material a ser tratado. Nestes caso, as amostras são polarizadas. Existem ainda os reatores de radio frequência onde o craqueamento do precursor ocorre em uma região distante da amostra, sendo que neste caso as amostras são aterradas. Neste último caso, consegue-se selecionar melhor os elementos químicos que farão parte do tratamento de superfície, entretanto, não se consegue atrair eficientemente os elementos químicos.

[0025] Em outra solução conhecida, o reator apresenta uma fonte de energia CC pulsada para polarizar as amostras, utilizando precursores líquidos como portadores do elemento de liga. As peças ficam posicionadas no cátodo, sendo que o precursor é craqueado na superfície do material a ser tratado. Isto dificulta a seleção dos elementos que farão parte do tratamento, uma vez que todos os elementos do precursor líquido, sendo normalmente o oxigênio, o carbono, o hidrogênio, o silício, o molibdênio ou outros, constituirão a camada enriquecida.

[0026] Ocorre que o craqueamento na superfície das peças a serem tratadas não permite um tratamento de superfície seletivo, pois todos os elementos que compõe o precursor farão parte da camada depositada sobre as peças em tratamento.

[0027] É ainda conhecido o craqueamento do precursor na atmosfera interna do reator e deposição do elemento de liga na superfície das peças a serem tratadas utilizando para isto uma fonte de microondas. Neste, o reator de Bapin et al, não ilustrado, (Bapin, E., Rohr, R. Deposition of SiO2 films from different organosiliconO2 plasmas under continuous wave and pulsed modes. Surface and Coatings Technology, v.142-144, p. 649-654, 2001) utiliza uma fonte de microondas para gerar o plasma e craquear os precursores líquidos denominados organosilícios, com o objetivo de obter um filme de SiO2 depositado na superfície do material a ser tratado.

[0028] Nos reatores com fonte de microondas, as peças são posicionadas em potencial flutuante. Neste caso, a camada se forma pelos elementos que resultam do craqueamento realizado pela descarga de microondas. Com isto, os elementos químicos não são atraídos pelo material da peça a ser tratada, e sim se depositam sobre esta. Isto dificulta a formação de uma camada enriquecida, diminuindo a eficiência do processo, uma vez que não é provido bombardeamento iônico ou eletrônico, como resultado da polarização das peças em tratamento.

[0029] Mesmo nos casos em que o craqueamento por fonte CC ou por radio frequência ou por microondas é mantido, o inconveniente de não haver a polarização das peças faz com o que a eficiência e a uniformidade do processo de deposição sejam prejudicadas, pois não há um bombardeamento iônico dos elementos de liga craqueados sobre as superfícies das peças que não estiverem adequadamente posicionadas em relação à fonte do material craqueado. A movimentação das peças em tais soluções apresenta uma complexidade altamente indesejável.

[0030] Já os reatores que possuem polarização das amostras e não compreendem um sistema de craqueamento do precursor líquido, apresentam, como inconveniente,uma menor capacidade de selecionar o elemento químico desejado.

Sumário da invenção

[0031] Um objetivo da presente invenção é o de prover um processo e um reator para tratamento termoquímico de superfície e uniforme, por plasma gasoso, de todas as superfícies de peças metálicas estaticamente posicionadas no interior de um reator, a partir de elementos de liga que são obtidos em alta temperatura, por craqueamento de pelo menos um precursor líquido ou gasoso, de cadeia longa, sem alterar a temperatura das peças metálicas e sem conduzir à formação de arcos elétricos no ambiente interno do reator.

[0032] Outro objetivo da invenção é o de prover um processo e um reator para tratamento termoquímico de superfície e uniforme, por plasma gasoso, de todas as superfícies de peças metálicas estaticamente posicionadas no interior de um reator, a partir de elementos de liga que são obtidos em alta temperatura, por pulverização catódica de pelo menos um precursor sólido, sem alterar a temperatura das peças metálicas e sem conduzir à formação de arcos elétricos no ambiente interno do reator.

[0033] Um objetivo complementar da invenção é o de prover um processo e um reator para tratamento de superfície de peças metálicas que atenda, seletiva ou simultaneamente, aos dois objetivos acima comentados.

[0034] De modo resumido, a invenção ora proposta faz uso de um reator em cuja câmara de reação, aquecida a uma desejada temperatura de operação no tratamento de superfície, é provido um suporte carregando as peças a serem tratadas e que define um eletrodo de um sistema de anodo e cátodo, que é negativamente polarizado a partir de uma fonte de energia CC pulsada, de alta tensão, sendo o outro eletrodo desse sistema posicionado no interior do reator e definindo o anodo aterrado do referido sistema.

[0035] Em uma forma de realização da invenção de processo ou de reator, esse último é provido de uma câmara tubular de craqueamento operativamente associada à câmara de reação e na qual é admitido um fluxo de precursor líquido ou gasoso, sendo ainda a câmara tubular de craqueamento eletricamente conectada a uma fonte de energia de alta tensão, para que possa ser aplicada uma diferença de potencial entre a câmara tubular de craqueamento e o anodo do sistema de anodo e cátodo, para dissociação das moléculas do precursor, liberando, para o interior da câmara de reação, os elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as superfícies das peças metálicas negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada.

[0036] Em outra forma de realização da invenção, que pode ser concretizada independentemente do craqueamento ou mesmo antes, durante ou após esse último, permitindo que o tratamento de superfície seja feito a partir não só de precursores líquidos ou gasosos a serem craqueados, como também de precursores sólidos a serem submetidos a uma pulverização catódica.

[0037] Na referida forma independente ou adicional de realização da invenção, o reator é provido de uma câmara tubular de pulverização catódica carregando o precursor sólido, tendo um extremo aberto para o interior da câmara de reação e sendo associada a uma fonte de energia elétrica, para prover a pulverização catódica do precursor sólido e a liberação de seus elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as peças metálicas negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada.

[0038] A invenção permite assim que um determinado lote de peças possa ser superficialmente tratado no interior de um mesmo reator a partir de precursores líquidos ou gasosos de cadeia longa, a serem craqueados em uma câmara tubular de craqueamento aberta para o interior da câmara de reação e/ou a partir de precursores sólidos a serem submetidos a uma pulverização catódica no interior de uma câmara tubular de pulverização catódica aberta para o interior da câmara de reação.

Descrição dos desenhos

[0039] A invenção será descrita a seguir, fazendo-se menção aos desenhos em anexo, dados a título de exemplo e nos quais:

[0040] A Figura 1 representa uma solução de processo e reator da técnica anterior que provê exclusivamente a pulverização catódica em conjunto com a polarização das peças no interior da câmara de reação, com a pulverização catódica realizada diretamente no próprio ambiente interno da câmara de reação;

[0041] A Figura 2 representa outra solução de processo e reator da técnica anterior que provê apenas a pulverização catódica por arco voltaico catódico de um primeiro e de um segundo precursor sólido em dois cátodos distintos, dentro do próprio ambiente da câmara de reação, provocando grandes temperaturas nas proximidades das peças;

[0042] A Figura 3 representa outra solução de processo e reator da técnica anterior que provê um alvo metálico como fonte de elemento de liga a ser obtido apenas por pulverização catódica, sendo que o material a ser enriquecido é posicionado no anodo, não sendo provida a polarização nas superfícies das peças em tratamento;

[0043] A Figura 4 representa outra solução de processo e reator da técnica anterior que provê apenas a pulverização em cátodo oco, sendo as amostras dimensionadas para serem obrigatoriamente posicionadas no interior do cátodo oco de dimensões obrigatoriamente limitadas;

[0044] A Figura 5 representa outra solução de processo e reator da técnica anterior utilizando precursores líquidos como portadores de elemento de liga e uma fonte de radio frequência (“helicon source”) para gerar o plasma, sendo as amostras não polarizadas, posicionadas em um porta-amostra aterrado;

[0045] A Figura 6 representa, esquematicamente, um reator de plasma construído de acordo com uma primeira configuração de aquecimento e com sua câmara de reação alojando um suporte no qual são estaticamente suportadas algumas peças metálicas, sendo este tipo de reator utilizado para tratamentos a temperaturas de 100°C a 1300°C; e

[0046] A Figura 7 representa, esquematicamente, o reator de plasma da Figura 6, construído de acordo com uma segunda configuração de aquecimento da câmara de reação, para ser utilizado para tratamentos a temperaturas de 100°C a 1000°C.

Descrição da invenção

[0047] Conforme acima mencionado e ainda ilustrado nos desenhos anexos (figuras 6 e 7) a invenção compreende, de acordo com um de seus aspectos, um processo para tratamento termoquímico de superfície de peças metálicas 1, a ser realizado em um reator de plasma R do tipo que apresenta uma câmara de reação RC em cujo interior é provido um suporte S carregando as peças metálicas 1; um sistema de anodo 2 e cátodo 3 com um de seus eletrodos 2a, 3a associado a uma fonte de energia CC pulsada 10 de alta tensão; uma entrada 4 de carga gasosa ionizável; uma entrada de precursor líquido ou gasoso 5; e uma saída 6, de exaustão de carga gasosa, geralmente conectada a uma instalação de vácuo 7.

[0048] Detalhes construtivos do reator utilizado na presente invenção serão discutidos mais adiante ainda com referência às figuras 6 e 7.

[0049] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, o processo de tratamento compreende as etapas de: a) conectar o anodo 2 a um primeiro eletrodo 2a e a um aterramento 2b e conectar o cátodo 3 ao suporte S, operando como o outro eletrodo 3a do sistema de anodo 2 e cátodo 3, e a um potencial negativo da fonte de energia CC pulsada 10 de alta tensão; b) posicionar estaticamente as peças metálicas 1 no suporte S-S1 associado ao cátodo 3 no interior da câmara de reação RC; c) envolver o suporte S e as peças metálicas 1 com uma carga gasosa ionizável alimentada à câmara de reação RC pela entrada 4; d) aquecer o interior da câmara de reação RC a uma dada temperatura de trabalho; e) aplicar ao cátodo 3, associado ao suporte S e às peças metálicas 1, uma descarga elétrica, de modo a provocar a formação de um plasma gasoso de íons com alta energia cinética envolvendo as peças metálicas 1 e o suporte S; f) admitir um fluxo de precursor líquido (por exemplo, o hexametildissiloxano (C6H18OSi2)) ou gasoso em uma câmara tubular de craqueamento 20, preferivelmente submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação RC do reator R, dita câmara tubular de craqueamento 20 tendo pelo menos um extremo 21 aberto para o interior da câmara de reação RC e sendo associada a uma fonte de energia de alta tensão 30; g) aplicar uma diferença de potencial entre a câmara tubular de craqueamento 20 e o anodo 2 do sistema de anodo 2 e cátodo 3 para dissociação das moléculas do precursor, liberando, para o interior da câmara de reação RC, os elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as superfícies das peças metálicas 1 negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada 10; e h) prover a exaustão da carga gasosa, do interior da câmara de reação RC.

[0050] De modo particular, a câmara tubular de craqueamento 20 é construída, por exemplo, na forma de um copo com um extremo aberto para o interior da câmara de reação RC, ou na forma de um tubo, com ambos os extremos abertos para o interior da câmara de reação RC, para definir um cátodo oco em associação com o anodo 2 do sistema de anodo 2 e cátodo 3 da câmara de reação RC do reator R.

[0051] A formação do catodo oco definido pela câmara tubular 20 deve obedecer a relação entre o diâmetro (d) do tubo da câmara tubular e a pressão de trabalho (p), seguindo a equação d.p = 0,375 a 3,75. Quanto mais próximo do valor mínimo for a resultante da equação, mais eficiente será o craqueamento do precursor líquido. O mesmo princípio de formação de catodo oco é aplicável à pulverização catódica do precursor sólido.

[0052] A carga gasosa ionizável pode compreender ainda a adição de um gás selecionado dentre, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, metano, acetileno, amônia, dióxido de carbono, monóxido de carbono e argônio, para reagir com os átomos ou moléculas obtidos pelo craqueamento do precursor líquido, formando compostos direcionados às peças metálicas 1 com uma energia cinética igual à diferença de potencial aplicada ao sistema de anodo 2 e cátodo 3. A ionização da carga gasosa e do precursor líquido pode ser realizada por descarga elétrica CC, em atmosfera sob baixa pressão, gerando plasma e produzindo os elementos de liga ou composto para o tratamento de superfície das peças metálicas 1.

[0053] As etapas processuais acima comentadas permitem que o tratamento de superfície seja feito apenas por craqueamento catódico de precursores líquidos ou gasosos apresentando cadeias longas e que necessitam ser quebradas para que os desejados elementos de liga possam ser ionicamente bombardeados contra a superfície das peças metálicas 1 devidamente polarizadas. Esse aspecto da invenção utiliza o craqueamento do precursor, em um ambiente próprio, mas aberto para o interior da câmara de reação RC, em conjunto com a polarização negativa das peças metálicas 1 em tratamento. A temperatura utilizada para realizar o craqueamento é independente da temperatura de tratamento das peças, possibilitando formar compostos a alta temperatura com subsequente deposição na superfície a ser tratada.

[0054] Entretanto, o tratamento termoquímico de superfície das peças metálicas no interior do reator pode compreender ainda apenas um tratamento, por pulverização catódica de um precursor sólido, ou o tratamento por craqueamento do precursor líquido ou gasoso, feito posteriormente, conjuntamente ou ainda anteriormente ao tratamento por pulverização catódica do precursor.

[0055] Assim, dependendo do tratamento a ser realizado e das características dos precursores disponíveis para a disponibilização dos desejados elementos de liga no interior da câmara de reação, o processo em questão permite, em associação com o respectivo reator, uma grande flexibilização no processo de tratamento, sem exigir a movimentação das peças metálicas entre diferentes equipamentos, para ser submetida a diferentes fases do tratamento de superfície desejado.

[0056] Assim, a invenção pode compreender ainda, independente ou conjuntamente com o processo por craqueamento do precursor líquido ou gasoso, um processo de tratamento que compreende ainda, antes, durante ou após as etapas de tratamento termoquímico de superfície por craqueamento do precursor, as etapas de: a’) se já não anteriormente efetuado, conectar o anodo 2 a um primeiro eletrodo 2a e a um aterramento 2b e conectar o cátodo 3 ao suporte S, operando como o outro eletrodo 3a do sistema de anodo 2 e cátodo 3, e a um potencial negativo da fonte de energia CC pulsada 10; b’) se já não anteriormente efetuado, posicionar estaticamente as peças metálicas 1 no suporte S associado ao cátodo 3 no interior da câmara de reação RC; c’) envolver o suporte S e as peças metálicas 1 com uma carga gasosa ionizável alimentada à câmara de reação RC pela entrada 4; d’) aquecer o interior da câmara de reação RC a uma dada temperatura de trabalho; e’) aplicar ao cátodo 3, associado ao suporte S e às peças metálicas 1, uma descarga elétrica, de modo a provocar a formação de um plasma gasoso de íons com alta energia cinética envolvendo as peças metálicas 1 e o suporte S; f’) prover um precursor sólido PS2 definindo o interior de uma câmara tubular de pulverização catódica 40, preferivelmente submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação RC do reator R, dita câmara tubular de pulverização catódica 40 tendo pelo menos um extremo 41 aberto para o interior da câmara de reação RC e sendo associada a uma fonte de energia elétrica 50; g’) aplicar uma diferença de potencial entre a câmara tubular de pulverização catódica 40 e o anodo 2 do sistema de anodo 2 e catodo 3 para prover a pulverização catódica do precursor sólido PS2, liberando deste último, para o interior da câmara de reação RC, os elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as superfícies das peças metálicas 1 negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada 10; e h’) prover a exaustão da carga gasosa, do interior da câmara de reação RC.

[0057] Conforme já comentado com relação ao processo de tratamento por craqueamento do precursor, a câmara tubular de pulverização catódica 40 é construída, por exemplo, na forma de um copo com um extremo aberto para o interior da câmara de reação RC, ou na forma de um tubo, com ambos os extremos abertos para o interior da câmara de reação RC, definindo também, preferivelmente, um cátodo oco em associação com o anodo 2 do sistema de anodo 2 e cátodo 3 da câmara de reação RC do reator R.

[0058] A ionização da carga gasosa e do precursor sólido pode ser realizada por descarga elétrica CC, em atmosfera sob baixa pressão, gerando plasma e produzindo os elementos de liga para o tratamento de superfície das peças metálicas 1.

[0059] Independentemente do uso de um ou outro ou de ambos os processos de tratamento acima descritos, é preferível que a carga gasosa ionizável seja admitida no interior da câmara de reação RC pela parte superior do reator R e segundo um eixo geométrico vertical de simetria da câmara de reação RC e do arranjo das peças metálicas 1 no suporte S, garantindo uma distribuição mais homogênea da carga gasosa ionizável em torno das peças metálicas em tratamento, contribuindo positivamente para a uniformidade do tratamento de superfície das peças.

[0060] Os processos de tratamento acima descritos podem ser realizados em um reator de plasma do tipo que apresenta, de acordo com uma primeira forma de realização da invenção, as características básicas, já definidas previamente às diferentes etapas processuais anteriormente descritas, e ainda determinadas características construtivas que serão descritas daqui por diante.

[0061] O reator R apresenta, como elementos básicos, uma câmara de reação RC, mantida hermética para a geração de plasma no seu interior, no qual são providos: um suporte S carregando as peças metálicas 1; um sistema ânodo 2 e cátodo 3 com um de seus eletrodos 2a associado a uma fonte de energia CC pulsada 10 de alta tensão; uma entrada 4 de carga gasosa ionizável hermeticamente acoplada a uma fonte de alimentação de gases ionizáveis IGS; e uma saída 6, de exaustão de carga gasosa.

[0062] Em uma primeira forma de construção o reator R da invenção compreende ainda uma carcaça metálica 8 definindo, internamente, a câmara de reação RC provida dos elementos já descritos; uma entrada de precursor líquido ou gasoso 5; um sistema de vácuo 7 hermeticamente conectado à saída 6, de exaustão de carga gasosa; e um meio aquecedor 60 montado interna ou externamente à carcaça metálica 8, de modo a aquecer o interior da câmara de reação RC a uma temperatura de trabalho do reator R.

[0063] A carcaça metálica 8 é formada, preferivelmente, em aço refratário (como, por exemplo, aço inoxidável AISI 310 ou 309) e, o suporte S, em aço refratário (como, por exemplo, aço inoxidável AISI 310 ou 309), podendo ser utilizado outro tipo de material, dependendo das temperaturas adequadas ao tratamento.

[0064] A carcaça metálica 8 apresenta formato prismático, por exemplo, cilíndrico, com uma parede lateral circundante 8a e uma parede extrema superior 8b, sendo inferiormente aberta para poder ser removível e hermeticamente assentada e travada sobre uma estrutura de base B na qual são adequadamente montadas partes componentes operativamente associadas ao reator R.

[0065] Na construção da figura 6, o meio aquecedor 60 é montado internamente à carcaça metálica 8, de modo a aquecer o interior da câmara de reação RC, por exemplo, produzindo irradiação térmica para o interior dessa última, permitindo a realização de tratamentos de superfície em temperaturas de 100°C a 1300°C. O reator R de plasma é ainda externamente provido de uma capa externa 9, geralmente formada em aço carbono ou aço inoxidável.

[0066] O meio aquecedor 60 é geralmente formado por pelo menos um resistor 61 montado no interior da câmara de reação RC, internamente à carcaça metálica 8 e circundado por proteções térmicas 62, dispostas entre o meio aquecedor 60 e a carcaça metálica 8 e que podem ser providas em uma ou mais camadas. Pode ser ainda provido um sistema de arrefecimento 70 compreendendo pelo menos uma entrada 71 de fluido resfriado e pelo menos uma saída 72 de fluido aquecido.

[0067] O sistema de arrefecimento 70 pode compreender ainda pelo menos um meio trocador de calor 73, posicionado externamente à capa externa 9 e incluindo pelo menos um sistema de circulação de ar 74, por meio do qual o ar é forçado a passar pelo meio trocador de calor 73.

[0068] A intensidade da troca de calor no interior do sistema de arrefecimento 70 pode ser controlada de diferentes maneiras como, por exemplo, por meio da variação da velocidade de operação do líquido de arrefecimento ou pela variação da potência aplicada ao resistor 61.

[0069] Na construção ilustrada na figura 6, e que é repetida na figura 7, o suporte S é formado por uma pluralidade de armações ordenadoras S1 dispostas de modo horizontal ou substancialmente horizontal e que, desse modo, definem planos de apoio ou montagem de peças, ortogonais ou substancialmente ortogonais à direção de alimentação da carga gasosa pela entrada 4, e à direção de liberação dos elementos de liga tanto da câmara tubular de craqueamento 20 como da câmara tubular de pulverização catódica 40. As ditas armações ordenadas são vazadas, para permitirem que a carga gasosa alcance as peças montadas nas armações ordenadoras, conforme já descrito no pedido de patente co-pendente PI0803774- 4(WO2009/149526).

[0070] O suporte S pode ser construído de diferentes maneiras como, por exemplo, na forma de múltiplas armações ordenadoras S1, paralelas e distanciadas entre si definindo os eletrodos 3a do sistema de anodo 2 e cátodo 3, os quais são eletricamente acoplados à fonte de energia CC pulsada 10, de plasma e polarização e intercaladas por elementos que definem os outros eletrodos 2a do dito sistema, cada uma de ditas armações ordenadoras carregando pelo menos uma peça metálica 1 a ser tratada.

[0071] De acordo com essa primeira forma de construção do reator R da invenção, o anodo 2 é conectado a um primeiro eletrodo 2a e a um aterramento 2b, e o cátodo 3 é conectado ao suporte S, operando como o outro eletrodo 3a do sistema de anodo 2 e cátodo 3, e a um potencial negativo da fonte de energia CC pulsada 10 de alta tensão. O suporte S carrega, de modo estático, as peças metálicas 1 e é associado ao cátodo 3 no interior da câmara de reação RC.

[0072] Nessa forma de realização, o reator R compreende uma câmara tubular de craqueamento 20 de um fluxo de precursor líquido ou gasoso (não ilustrado) a ser nela admitido, tendo um extremo 21 aberto para o interior da câmara de reação RC e sendo associada a uma fonte de energia de alta tensão 30, para dissociação das moléculas do precursor e sua liberação para o interior da câmara de reação RC.

[0073] De acordo com a construção ilustrada nas figuras 6 e 7, a câmara tubular de craqueamento 20 é posicionada no interior da câmara de reação RC, acima do suporte S, sendo submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação RC e recebendo o fluxo de precursor líquido ou gasoso (não ilustrado) por meio de um tubo de alimentação 25 proveniente de uma fonte de precursor líquido ou gasoso PS1, externa ao reator R, sendo que o tubo de alimentação 25 penetra no interior do reator R pela entrada 5 de precursor líquido ou gasoso.

[0074] Para que seja obtida uma alta eficiência no craqueamento do precursor líquido ou gasoso, sem afetar a temperatura de operação no interior da câmara de reação RC, a câmara tubular de craqueamento 20 é construída de modo a definir um cátodo oco que opera em associação, com o anodo 2 do sistema de anodo 2 e cátodo 3 da câmara de reação RC do reator R quando da aplicação de uma descarga de alta tensão da fonte de energia de alta tensão 30.

[0075] Na forma construtiva ilustrada, a energização da câmara tubular de craqueamento 20 é feita pelo próprio tubo de alimentação 25 de precursor líquido ou gasoso.

[0076] Dependendo do precursor a ser craqueado, o craqueamento pode produzir átomos como, por exemplo, átomos de oxigênio e de nitrogênio, não desejáveis ao tratamento de superfície a ser realizado no reator R.

[0077] O craqueamento proposto pela presente invenção pode formar, além dos desejados átomos de cromo, silício e outros, necessários ao tratamento de superfície, átomos não desejáveis para o tratamento e que são comuns na fórmula química de determinados precursores e que podem afetar negativamente a camada de tratamento a ser formada nas peças. Exemplos de tais átomos não desejáveis são definidos pelo oxigênio e pelo nitrogênio.

[0078] Em função do problema acima mencionado com determinados precursores a serem craqueados, a invenção pode compreender ainda a provisão de um dispositivo de filtragem 90 disposto imediatamente a jusante do respectivo pelo menos um extremo 21 aberto da câmara tubular de craqueamento 20 e capaz de reagir quimicamente com os átomos não desejáveis, produzidos no craqueamento do precursor no interior da câmara tubular de craqueamento 20, mantendo referidos átomos retidos no dispositivo de filtragem 90 e permitindo que apenas os átomos desejáveis dos elementos de liga sejam ionicamente bombardeados contra a superfície das peças metálicas 1 negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada 10.

[0079] Na forma construtiva ilustrada na figura 7, o dispositivo de filtragem 90 é definido por um tubo 91 construído ou internamente revestido com um material que possa reagir quimicamente com os referidos átomos não desejáveis, podendo ser, neste caso, posicionado e fixado de modo adjacente e axialmente alinhado com o respectivo pelo menos um extremo 21 aberto da câmara tubular de craqueamento 20, de modo a fazer com que o precursor craqueado e liberado por um extremo 21 aberto da câmara tubular de craqueamento 20 seja obrigado a passar pelo interior do tubo 91 antes de alcançar o interior da câmara de reação RC.

[0080] Deve ser entendido que o dispositivo de filtragem 90 pode ser definido por uma extensão tubular da própria câmara tubular de craqueamento 20, em peça única ou em peça separada, diferenciando-se da câmara tubular de craqueamento 20 apenas pelo material reagente que define a superfície interna do tubo 91. Um material reagente pode ser, por exemplo, o titânio, definindo o próprio tubo 91 ou sendo em forma de pó de titânio provido internamente ao referido tubo 91. O titânio reage com os átomos indesejáveis formando nitreto ou óxido de titânio, quando o precursor craqueado libera oxigênio e nitrogênio, sendo estes óxido/nitretos muito estáveis, mantendo seus átomos indesejáveis aprisionados no dispositivo de filtragem 90. De tempos em tempos, o dispositivo de filtragem pode ser substituído para a renovação de sua capacidade de reação e retenção dos átomos indesejáveis oriundos do craqueamento de determinados precursores.

[0081] O reator R acima descrito pode compreender ainda, alternativamente ou conjuntamente com a câmara tubular de craqueamento 20, uma câmara tubular de pulverização catódica 40 carregando o precursor sólido, tendo um extremo 41 aberto para o interior da câmara de reação RC e sendo associada a uma fonte de energia elétrica 50, para prover a pulverização catódica do precursor sólido (não ilustrado) e a liberação de seus elementos de liga ionicamente bombardeados contra as peças metálicas 1 negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada 10, de plasma e polarização.

[0082] De acordo com a construção ilustrada nas figuras 6 e 7, a câmara tubular de pulverização catódica 40 é posicionada no interior da câmara de reação RC, acima do suporte S, sendo submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação RC e carregando o precursor sólido (não ilustrado) que pode ser definido, por incorporação, na própria estrutura interna da câmara tubular de pulverização catódica 40, definindo o interior dessa última, ou ainda ser definido por um fluxo gasoso contendo partículas sólidas do elemento de liga e que é levado à referida câmara, a partir de uma fonte de precursor sólido PS2, externa ao reator R, por meio de um tubo de alimentação 45 que penetra no interior do reator R por uma entrada 5a para admissão do precursor sólido.

[0083] Para que seja obtida uma alta eficiência na pulverização catódica do precursor sólido, sem afetar a temperatura de operação no interior da câmara de reação RC, a câmara tubular de pulverização catódica 40 é construída de modo a definir um cátodo oco que opera em associação com o anodo 2 do sistema de anodo 2 e cátodo 3 da câmara de reação RC do reator R quando da aplicação de uma descarga de alta tensão da fonte de energia elétrica 50.

[0084] Na forma construtiva ilustrada, a energização da câmara tubular de pulverização catódica 40 é feita pelo próprio tubo de alimentação 45 de precursor sólido.

[0085] Independentemente da provisão de uma ou de ambas as câmaras de tratamento acima descritas, é preferível que a carga gasosa ionizável seja admitida no interior da câmara de reação RC pela parte superior do reator R e segundo um eixo geométrico vertical de simetria da câmara de reação RC e do arranjo das peças metálicas 1 no suporte S, garantindo uma distribuição mais homogênea da carga gasosa ionizável em torno das peças metálicas em tratamento, contribuindo positivamente para a uniformidade do tratamento de superfície das peças.

[0086] As câmaras tubulares de craqueamento e de pulverização catódica 20 e 40, utilizam uma fonte de corrente contínua pulsada, para se conseguir grande densidade de elétrons e assim permitir uma maior eficiência tanto no craqueamento quanto na pulverização catódica.

[0087] A carga gasosa ionizável pode ser admitida e exaurida da câmara de reação RC por meio da operação de válvulas de controle, não ilustradas, de acionamento automático, por exemplo, por comando de uma unidade de controle ou outro controlador específico (não ilustrados), podendo ditas válvulas de controle ser acionadas manualmente.

[0088] O reator R de plasma ilustrado na figura 7, compreende todos os componentes apresentados para o reator R da Figura 6 e já acima descrito, exceto pelo fato que o meio aquecedor 60 ser montado externamente à câmara de reação RC, de modo a aquecer o interior dessa última, por exemplo, por irradiação térmica para a carcaça metálica 8 e, desta, para o interior da câmara de reação RC, permitindo a realização de tratamentos superficiais em temperaturas de 100°C a 1000°C.

[0089] O isolamento do reator R para aumentar a eficiência térmica é realizado por meio de proteções térmicas 64 dispostas entre o resistor 61 e a capa externa 9 do reator R.

[0090] A provisão do meio aquecedor 60 externamente à câmara de reação RC, evita que haja paredes frias no interior desta última, ou seja, no ambiente de processamento do tratamento de plasma ao qual as peças metálicas 1 são submetidas. É necessário evitar que haja paredes frias, em certos tipos de tratamento, no interior da câmara de reação RC, para evitar a condensação de impurezas capazes de prejudicar o tratamento de superfície.

[0091] Nesta configuração da figura 7, o sistema de arrefecimento 70 a água, tem o objetivo de arrefecer a base B do reator R, evitando que as conexões aí providas sejam danificadas. Pode ser provido ainda um sistema de arrefecimento a ar 80 para resfriar o reator R, após a realização do tratamento de superfície, e que compreende pelo menos uma fonte de ar 81 para insuflar ar frio no interior do vão formado entre a carcaça metálica 8 e a capa externa 9, por meio de uma respectiva entrada de ar frio 82, sendo provida pelo menos uma saída de ar quente 83.

[0092] Os tratamentos superficiais propostos pela presente invenção são geralmente realizados em temperaturas de 100°C a 1300°C, sendo as temperaturas de tratamento obtidas pelo meio aquecedor 60 e pelo bombardeamento iônico (íons e elétrons do precursor ionizado) proporcionado pela polarização negativa das peças metálicas 1 eletricamente conectadas à fonte de energia CC pulsada 10.

[0093] A utilização de uma fonte independente de aquecimento resistivo permite que as condições de plasma independam dos parâmetros de aquecimento. Outra vantagem do sistema de aquecimento resistivo é permitir a obtenção de uma temperatura homogênea no interior da câmara de reação RC.

[0094] A carga gasosa a ser ionizada na câmara de reação RC, bem como o precursor líquido, são submetidos a uma pressão sub-atmosférica da ordem de 1.33x101 Pascal (0.1 Torr) a 1.33x104 Pascal (100 Torr), ditas pressões sendo obtidas pela ação do sistema de vácuo 7, o qual compreende, por exemplo, uma bomba de vácuo.

[0095] As operações de ionização da carga gasosa e do precursor sólido, líquido ou gasoso, utilizam descarga elétrica CC, podendo ser pulsada, em atmosfera sob baixa pressão, tal como acima definido, para gerar plasma, produzindo as espécies e compostos desejados para o tratamento de superfície do material a ser tratado.

[0096] O reator R de plasma da presente invenção permite, quando provido das câmaras tubulares de craqueamento 20 e de pulverização catódica 40, a obtenção de elementos químicos provenientes de ditas câmaras e que são bombardeados (íons e elétrons) contra a superfície das peças metálicas 1 negativamente polarizadas um tubo metálico. Estes elementos químicos podem reagir entre si e formar outros compostos a serem direcionados para a superfície do material a ser tratado.

[0097] O processo da presente invenção, pode ser utilizado para peças metálicas 1 produzidas por metalurgia do pó ou outros processos de fabricação de peças (por exemplo, usinagem, estampagem, extrusão a frio, e outros). Os tratamentos tem duração de 15 minutos a 6 horas, podendo esse tempo ser alterado para tempos maiores ou menores, em função da espessura e das propriedades mecânicas desejadas para a camada a ser formada na superfície das peças metálicas 1.

[0098] Materiais metálicos foram tratados no reator R de plasma em escala industrial e foram analisadas por microscopia ótica e eletrônica, bem como, por análise por difração de raios-x. Os resultados mostram que é possível obter uma camada uniforme em toda a extensão do material a ser tratado, seja na horizontal quanto na vertical. Tratamentos de superfície

[0099] Um tratamento que pode ser realizado no reator R provido da câmara tubular de craqueamento 20 é o de deposição de óxido de silício sobre a superfície das peças metálicas 1. Neste tratamento, a pressão dentro da câmara de reação RC é reduzida para valores de 0,1 a 5 torr e é utilizado um precursor líquido, que pode ser o hexametildissiloxano, o silano ou outros, contendo o silício e a ser introduzido na câmara tubular de craqueamento 20. Pela entrada 4 de gás ionizável de reação RC pode ser fornecido gás argônio e oxigênio. Com isto, tem-se a formação de óxido de silício na fase gasosa, sendo este ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10 ligada ao cátodo 3 e atraído em direção às peças metálicas 1 negativamente polarizadas. As temperaturas utilizadas nesse tipo de tratamento de superfície exemplificativo variam de 100°C a 500°C, enquanto que as temperaturas no interior da câmara tubular de craqueamento 20 variam de 700°C a 1200°C.

[00100] Outro tratamento de superfície que pode ser realizado no reator R da presente invenção, utilizando uma câmara tubular de craqueamento 20, é o de deposição de nitreto de silício. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 5 torr. Utiliza-se um precursor líquido definido pelo hexametildissiloxano, pelo silano ou outros, contendo silício e que é introduzido na câmara tubular de craqueamento 20. Os gases argônio, hidrogênio e nitrogênio, em diferentes proporções são introduzidos na câmara de reação RC pela entrada 4. Tem-se a formação de nitreto de silício na fase gasosa, sendo este ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10. As temperaturas de operação e de craqueamento são as mesmas mencionadas para o exemplo acima.

[00101] Outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, quando provido da câmara tubular de pulverização catódica 40, é o enriquecimento superficial por cromo e níquel. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação R é reduzida para valores que podem ser de 0,1 a 10 torr e são utilizadas duas câmaras tubulares de pulverização catódica 40, das quais apenas uma é ilustrada nas figuras 6 e 7, para fazer a pulverização catódica de respectivos precursores sólidos, um deles contendo cromo e o outro contendo níquel. Os gases utilizados nesse exemplo são o argônio e o hidrogênio, alimentados pela entrada 4, em diferentes proporções. Uma vez presentes na câmara de reação RC, já pulverizados nas respectivas câmaras tubulares de pulverização catódica 40, o cromo e o níquel são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos em direção às peças metálicas 1. As temperaturas de operação utilizadas na câmara de reação RC e de pulverização catódica variam, respectivamente, de 700°C a 1300°C e de 700°C a 1200°C.

[00102] Outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, provido de uma câmara tubular de craqueamento 20, é o de "Diamond Like Carbon" (DLC). Neste, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. Utiliza-se o precursor líquido Hexametildissiloxano, o qual é craqueado na câmara tubular de craqueamento 20. Uma vez craqueado o precursor, os elementos químicos resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para as peças metálicas 1. Na entrada 4 são admitidos hidrogênio e argônio em diferentes proporções. Com isto, forma-se na superfície das peças metálicas 1 uma camada à base de silício, carbono e hidrogênio, a qual servirá de base para a deposição do DLC.

[00103] Uma vez formada a camada de base, passa-se à deposição do DLC, pela interrupção de alimentação de precursor líquido para que seja então introduzido, na câmara tubular de craqueamento 20, o gás metano. Na entrada 4 é mantida a alimentação de hidrogênio e argônio em diferentes proporções. Uma vez craqueado o metano, o carbono e o hidrogênio resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10, de plasma e polarização e atraídos para a superfície das peças metálicas 1 dando origem ao DLC. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 100°C a 600°C e as temperaturas na câmara tubular de craqueamento 20 variam de 700°C a 1000°C.

[00104] Ainda outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, utilizando uma câmara tubular de pulverização catódica 40, é a deposição de nitreto de cromo. Neste, a pressão dentro da câmara de reação RC é reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. A pulverização catódica do precursor de cromo e a ionização do nitrogênio introduzido pela entrada 4 permite a formação de nitreto de cromo na fase gasosa dentro da câmara de reação RC. Além do nitrogênio, a entrada 4 recebe ainda o gás hidrogênio, sendo a proporção entre os dois gases muita variada. Uma vez presente na câmara de reação RC, o nitreto de cromo é ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraído em direção às peças metálicas 1. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 300°C a 700°C e as temperaturas na câmara tubular de pulverização catódica 40 variam de 700°C a 1200°C. Tratamentos de superfície

[00105] Os tratamentos de superfície permitem gerar novas fases na camada superficial, como: Nitreto de Silício, Óxido de Silício, Nitreto de Cromo, Nitreto de Boro, Intermetálicos (FeAl ou NiAl) e Al2O3, bem como, DLC e DLC dopado, além de promover um enriquecimento da camada superficial de componentes acabados com elementos de liga de interesse, como Cr, Ni, Mo, entre outros.

[00106] Um tratamento que pode ser realizado no reator R provido da câmara tubular de craqueamento 20 é o de deposição de óxido de silício sobre a superfície das peças metálicas 1. Neste tratamento, a pressão dentro da câmara de reação RC é reduzida para valores de 0,1 a 5 torr e é utilizado um precursor líquido, que pode ser o hexametildissiloxano, o silano ou outros, contendo o silício e a ser introduzido na câmara tubular de craqueamento 20.

[00107] Pela entrada 4 de gás ionizável da câmara de reação RC, pode ser fornecido gás argônio e oxigênio. Com isto, tem- se a formação de óxido de silício na fase gasosa, sendo este ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10 ligada ao cátodo 3 e atraído em direção às peças metálicas 1 negativamente polarizadas.

[00108] As temperaturas utilizadas nesse tipo de tratamento superficial exemplificativo variam de 100°C a 500°C, enquanto que as temperaturas no interior da câmara tubular de craqueamento 20 variam de 700°C a 1200°C.

[00109] Outro tratamento superficial que pode ser realizado no reator R da presente invenção, utilizando uma câmara tubular de craqueamento 20, é o de deposição de nitreto de silício. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 5 torr. Utiliza-se um precursor líquido definido pelo hexametildissiloxano, pelo silano ou outros, contendo silício e que é introduzido na câmara tubular de craqueamento 20.

[00110] Os gases argônio, hidrogênio e nitrogênio, em diferentes proporções, são introduzidos na câmara de reação RC pela entrada 4. Tem-se a formação de nitreto de silício na fase gasosa, sendo este ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10. As temperaturas de operação e de craqueamento são as mesmas mencionadas para o exemplo acima.

[00111] Outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, quando provido da câmara tubular de pulverização catódica 40, é o enriquecimento de camada superficial com cromo e níquel. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação R é reduzida para valores que podem ser de 0,1 a 10 torr e são utilizadas duas câmaras tubulares de pulverização catódica 40, das quais apenas uma é ilustrada nas figuras 6 e 7, para fazer a pulverização catódica de respectivos precursores sólidos, um deles contendo cromo e o outro contendo níquel. Os gases utilizados nesse exemplo são o argônio, e o hidrogênio, alimentados pela entrada 4, em diferentes proporções. Uma vez presentes na câmara de reação RC, já pulverizados nas respectivas câmaras tubulares de pulverização catódica 40, o cromo e o níquel são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos em direção às peças metálicas 1. As temperaturas de operação utilizadas na câmara de reação RC e de pulverização catódica variam, respectivamente, de 700°C a 1300°C e de 700°C a 1200°C. Outros elementos podem ser utilizados neste exemplo para se obter uma camada enriquecida na superfície de peças. Esses outros elementos podem ser, por exemplo: manganês, silício, molibdênio, vanádio, carbono, entre outros.

[00112] Outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, provido de uma câmara tubular de craqueamento 20, é o de revestimento com filme de "Diamond Like Carbon" (DLC). Neste, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. Utiliza-se o precursor líquido hexametildissiloxano, o qual é craqueado na câmara tubular de craqueamento 20.

[00113] Uma vez craqueado o precursor, os elementos químicos resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para as peças metálicas 1. Na entrada 4 são admitidos hidrogênio e argônio em diferentes proporções. Com isto, forma-se, na superfície das peças metálicas 1, uma camada à base de silício, carbono e hidrogênio, a qual servirá de base para a deposição do DLC.

[00114] Uma vez formada a camada de base, passa-se à deposição do DLC, pela interrupção de alimentação de precursor líquido para que seja então introduzido, na câmara tubular de craqueamento 20, o gás metano. Na entrada 4 é mantida a alimentação de hidrogênio e argônio em diferentes proporções. Uma vez craqueado o metano, o carbono e o hidrogênio resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para a superfície das peças metálicas 1 dando origem ao DLC. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 100°C a 600°C e as temperaturas na câmara tubular de craqueamento 20 variam de 700°C a 1000°C.

[00115] Ainda em relação ao Filme de DLC, este pode ser dopado com outros elementos químicos metálicos, tais como o Fe, Cr, Ni e Mo. Para isto utiliza-se em conjunto com a câmara de craqueamento 20 a câmara de pulverização catódica 40. Durante a formação do DLC, conforme mencionado acima, átomos metálicos, provenientes da camada de pulverização catódica 40, são ionizados pela fonte de CC pulsada 10 e atraídos para a superfície da peça metálica 1, dopando o filme de DLC.

[00116] Ainda outro tratamento que pode ser realizado no reator R da presente invenção, utilizando uma câmara tubular de pulverização catódica 40, é a deposição de nitreto de cromo. Neste, a pressão dentro da câmara de reação RC é reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. A pulverização catódica do precursor de cromo e a ionização do nitrogênio introduzido pela entrada 4 permitem a formação de nitreto de cromo na fase gasosa dentro da câmara de reação RC. Além do nitrogênio, a entrada 4 recebe ainda o gás hidrogênio, sendo a proporção entre os dois gases variada. Uma vez presente na câmara de reação RC, o nitreto de cromo é ionizado pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraído em direção às peças metálicas 1. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 300°C a 700°C e as temperaturas na câmara tubular de pulverização catódica 40 variam de 700°C a 1200°C.

[00117] Outro tratamento que pode ser realizado é o de formação de nitreto de boro, para tanto, utiliza-se um precursor líquido contendo boro, o qual é craqueado na câmara de craqueamento 20. Uma vez craqueada a molécula contendo o boro, os elementos químicos resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para as peças metálicas 1. Os elementos químicos resultantes são ionizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para as peças metálicas 1. Na superfície da peça metálica 1, o boro reage com o nitrogênio formando nitreto de boro. Utilizando ainda em conjunto a câmara de pulverização catódica, pode-se ainda adicionar ao nitreto de boro elementos químicos metálicos, tais como o Fe, Co e W, com o objetivo de dopar o nitreto de boro. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 50 torr. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 900°C a 1200°C e as temperaturas na câmara tubular de pulverização catódica 40 variam de 700°C a 1200°C.

[00118] Outro tratamento que pode ser realizado utilizando a presente invenção é o de formação de intermetálicos, tais como o FeAl ou NiAl. No caso da formação de FeAl utiliza-se dois precursores líquidos misturados, um contendo o Fe e o outro contendo o Al, ou no caso do da formação de NiAl, utiliza-se um precursor contendo o Ni e o outro contendo o Al. Tais precursores são craqueados na câmara de craqueamento 20 e reagem entre si formando o FeAl ou o NiAl. Tais compostos são polarizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para a superfície da peça metálica 1. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 700°C a 1200°C e as temperaturas na câmara tubular de craqueamento 20 variam de 1000°C a 1300°C.

[00119] Outro tratamento que pode ser realizado utilizando a presente invenção é o de formação de alumina (Al2O3), onde utiliza-se um precursor contendo o Al e o oxigênio é introduzido pela entrada 4. Os elementos provenientes do craqueamento e o oxigênio são polarizados pela fonte de energia CC pulsada 10 e atraídos para a superfície da peça metálica 1. Neste caso, a pressão dentro da câmara de reação RC pode ser reduzida para valores de 0,1 a 10 torr. As temperaturas utilizadas no interior da câmara de reação RC variam de 700°C a 1200°C e as temperaturas na câmara tubular de craqueamento 20 variam de 1000°C a 1300°C.

[00120] Importante ressaltar que quando se deseja usar elementos que possuem alta afinidade com oxigênio (óxidos estáveis) o caminho mais adequado é através de uso de craqueador, pois se for utilizada uma fonte sólida teremos, na superfície desta fonte, óxido do elemento devido a sua estabilidade, prejudicando o processo de tratamento. Elementos que formam óxidos de alta estabilidade são, por exemplo: Si, Ti, Mn, Cr.

[00121] Apesar de ter sido aqui ilustrada apenas uma concretização exemplificativa da presente invenção, deve ser entendido que poderão ser feitas alterações de forma e de disposição dos elementos constitutivos sem que se fuja do conceito construtivo definido nas reivindicações que acompanham o presente relatório.

Claims (10)

1. Processo para o tratamento termoquímico da superfície de peças metálicas, em um reator (R) de plasma tendo uma câmara de reação (RC) provida de: um suporte (S) carregando as peças metálicas (1); um sistema de anodo (2) e cátodo (3) com um de seus eletrodos (2a) associado a uma fonte de energia CC pulsada (10); uma entrada (4) de carga gasosa ionizável; e uma saída (6), para exaustão de carga gasosa, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) conectar o anodo (2) a um primeiro eletrodo (2a) e a um aterramento (2b) e conectar o cátodo (3) ao suporte (S), operando como o outro eletrodo (3a) do sistema de anodo (2) e cátodo (3), e a um potencial negativo da fonte de energia CC pulsada (10); b) posicionar estaticamente as peças metálicas (1) no suporte (S) associado ao cátodo (3) no interior da câmara de reação (RC); c) envolver o suporte (S) e as peças metálicas (1) com uma carga gasosa ionizável alimentada à câmara de reação (RC) pela entrada (4); d) aquecer o interior da câmara de reação (RC) a uma temperatura de trabalho; e) aplicar ao cátodo (3), associado ao suporte (S) e às peças metálicas (1), uma descarga elétrica, de modo a provocar a formação de um plasma gasoso de íons com alta energia cinética envolvendo as peças metálicas (1) e o suporte (S); f) prover um precursor sólido definido no interior de pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) tendo um extremo (41) aberto para o interior da câmara de reação (RC) e sendo associada a uma fonte de energia elétrica (50); g) aplicar uma diferença de potencial entre a pelo menos uma câmara de tubular de pulverização catódica (40) e o anodo (2) do sistema de anodo (2) e catodo (3) para prover a pulverização catódica do precursor sólido, liberando deste último e para o interior da câmara de reação (RC), os elementos de liga a serem ionicamente bombardeados contra as superfícies das peças metálicas (1) negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada (10); e h) prover a exaustão da carga gasosa do interior da câmara de reação (RC).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) é submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação (RC).

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) define um cátodo oco em associação com o anodo (2) do sistema anodo (2) e cátodo (3) da câmara de reação (RC) do reator (R).

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a ionização da carga gasosa e do precursor sólido é realizada por uma descarga elétrica CC em uma atmosfera sob baixa pressão, gerando plasma e produzindo os elementos de liga para o tratamento de superfície das peças metálicas (1).

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a carga gasosa ionizável é admitida no interior da câmara de reação (RC) pela parte superior do reator (R) e conforme um eixo geométrico vertical de simetria da câmara de reação (RC) e do arranjo das peças metálicas (1) no suporte (S).

6. Reator para o tratamento termoquímico da superfície de peças metálicas, o dito reator (R) de plasma tendo uma carcaça metálica (8) definindo, internamente, uma câmara de reação (RC) provida de: um suporte (S) carregando as peças metálicas (1); um sistema de ânodo (2) e cátodo (3) associados a uma fonte de energia CC pulsada (10); uma entrada (4) de carga gasosa ionizável; um precursor sólido operativamente associado ao interior da câmara de reação (RC); uma saída (6) de exaustão de carga gasosa, conectada a um sistema de vácuo (7); e um meio aquecedor (60) montado à carcaça metálica (8), de modo a aquecer o interior da câmara de reação (RC) a uma temperatura de trabalho, caracterizado pelo fato de que compreende: - o anodo (2) conectado a um primeiro eletrodo (2a) e a um aterramento (2b), e o cátodo (3) conectado ao suporte (S), operando como o outro eletrodo (3a) do sistema de anodo (2) cátodo (3), e a um potencial negativo da fonte de energia CC pulsada (10); - o suporte (S) carregando, de modo estático, as peças metálicas (1) e sendo associado ao cátodo (3) no interior da câmara de reação (RC); - pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) carregando o precursor sólido, tendo um extremo (41) aberto para o interior da câmara de reação (RC) e sendo associada a uma fonte de energia elétrica (50), para prover a pulverização catódica do precursor sólido e a liberação de seus elementos de liga ionicamente bombardeados contra as peças metálicas (1) negativamente polarizadas pela fonte de energia CC pulsada (10).

7. Reator, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) é posicionada no interior da câmara de reação (RC), acima do suporte (S), e é submetida à temperatura de trabalho no interior da câmara de reação (RC).

8. Reator, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma câmara tubular de pulverização catódica (40) define um cátodo oco em associação com o anodo (2) do sistema de anodo (2) e cátodo (3) da câmara de reação (RC) do reator (R).

9. Reator, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o precursor sólido é definido pela respectiva câmara tubular de pulverização catódica (40).

10. Reator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que a entrada (4) de carga gasosa ionizável é provida na parte superior do reator (R) e conforme um eixo geométrico vertical de simetria da câmara de reação (RC) e do arranjo das peças metálicas (1) no suporte (S).

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