BR102016016715A2

BR102016016715A2 - Processo de revestimento de componente condutor e revestimento de componente condutor

Info

Publication number: BR102016016715A2
Application number: BR102016016715-9A
Authority: BR
Inventors: Cristiano Binder; Aloisio Nelmo Klein; Kaline Pagnan Furlan; Pedro Henrique Teshima SHIOGA; Renan Oss GIACOMELLI; Roberto Binder
Original assignee: Universidade Federal De Santa Catarina
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2018-02-06
Also published as: US20180023187A1; JP2018048393A; BR102016016715B1; US11072850B2; US20210355577A1; CN107630204A; DE102017116261A1

Abstract

a presente invenção descreve um processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma e um revestimento de componente condutor, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de deposição de suporte mecânico, de modificação topográfica por bombardeamento via plasma, de deposição de camada de suporte químico e de deposição de camada de carbono amorfo (diamond-like carbon). em uma concretização, o processo é em ciclo único. a presente invenção se situa nos campos da engenharia de materiais, da física e da química.

Description

(54) Título: PROCESSO DE REVESTIMENTO DE COMPONENTE CONDUTOR E REVESTIMENTO DE COMPONENTE CONDUTOR (51) Int. Cl.: C23C 4/04 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA (72) Inventor(es): CRISTIANO BINDER; ALOISIO NELMO KLEIN; KALINE PAGNAN FURLAN; PEDRO HENRIQUE TESHIMA SHIOGA; RENAN OSS GIACOMELLI; ROBERTO BINDER (74) Procurador(es): REMER VILLAÇA & NOGUEIRA ASSESSORIA E CONSULTORIA DE PROP. INTELECTUAL S/S LTDA.

(57) Resumo: A presente invenção descreve um processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma e um revestimento de componente condutor, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de deposição de suporte mecânico, de modificação topográfica por bombardeamento via plasma, de deposição de camada de suporte químico e de deposição de camada de carbono amorfo (Diamond-Like Carbon). Em uma concretização, o processo é em ciclo único. A presente invenção se situa nos campos da Engenharia de Materiais, da Física e da Química.

sp³ Diamond-Like Carborí' ^ta‘^c J \ ta-C:H j /n \ Polímeros HC “sputtered” a-C(:H) f /_____.À/ carbono vítreo grafítico C \

Sem filmes a-C:l

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Relatório Descritivo de Patente de Invenção

Processo de Revestimento de Componente Condutor e Revestimento de Componente Condutor

Campo da invenção [0001] A presente invenção descreve um processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma e um revestimento de componente condutor, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de deposição de suporte mecânico, de modificação topográfica por bombardeamento via plasma, de deposição de camada de suporte químico e de deposição de camada de carbono amorfo (Diamond-Like Carbon). A presente invenção se situa nos campos da Engenharia de Materiais, da Física e da Química.

Antecedentes da Invenção [0002] Filmes do tipo Diamond-Like carbon (DLC) são filmes a base de carbono, geralmente amorfos, que apresentam estrutura similar à do diamante, não possuindo, entretanto os ângulos de ligação existentes na estrutura tetraédrica deste, mas sim ligações do tipo sp² e sp³ e ainda certa quantidade de hidrogênio. A razão entre ligações sp³ e sp² influencia nas características, definindo assim o tipo de filme. Usualmente uma maior razão indica propriedades próximas a do diamante (e.g. maior dureza), enquanto uma menor razão indica filmes considerados mais grafíticos, i.e., possuindo propriedades similares às do grafite (Figura 1).

[0003] Nos últimos anos estes filmes têm atraído especial atenção devida principalmente a propriedades como: a capacidade de prover baixo coeficiente de atrito, alta estabilidade química, alta dureza, transparência óptica, alta resistividade elétrica e baixa afinidade eletrônica. Desse modo eles podem ser utilizados em uma vasta gama de aplicações, dentre elas aparelhos

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2/20 optoeletrônicos, revestimentos com aplicações tribológicas ou químicas, peças automotivas, revestimentos para moldes e peças biocompatíveis.

[0004] Uma das propriedades mais interessantes de filmes de carbono amorfo é possuir a capacidade de prover um baixo coeficiente de atrito aliado a uma alta resistência à abrasão, caso contrário o filme seria rapidamente desgastado. Através do uso de filmes de carbono amorfo entre o contato metalmetal é possível atingir coeficientes de atrito inferiores a 0,2, chegando a níveis baixíssimos de 0,01 em alto vácuo e redução da taxa de desgaste para níveis de 10^-10 mm³/Nm.

[0005] Dentre as técnicas mais usadas para produzir filmes de carbono, amorfos ou não, estão deposição por laser pulsado (pulsed laser deposition PLD), deposição química em fase vapor assistida por plasma (plasma assisted (or enhanced) chemical vapor deposition - PA-CVD, or PE-CVD), pulverização por feixe de íons (ion beam sputtering - IBS), deposição assistida por feixe iônico (ion beam assisted deposition - IBAD), imersão e implantação de íons por plasma (plasma immersion (or source) ion implantation - PIII ou PSII). Nestas técnicas os íons são utilizados para depositar ou implantar elementos no substrato desejado, que pode ser de quartzo, silício, aço e suas ligas, alumínio e suas ligas, tungstênio e suas ligas, entre outros. A forma pela qual os íons são implantados ou depositados possui grande influência na estrutura e consequentemente nas propriedades dos filmes formados.

[0006] Entre as desvantagens dos processos anteriormente citados encontram-se: necessidade de limpeza ou decapagem da superfície a ser depositada com solventes ou reagentes químicos de alta toxicidade; criação da camada de suporte mecânico através de um processo separado do processo de deposição do filme de carbono, sendo necessária então a retirada das peças do banho (eletroquímico), forno (pirólise) ou reator (deposição), expondo a superfície que receberá o filme de carbono a uma diferente atmosfera, sendo esta superfície, portanto alterada; restrições geométricas do componente; e dificuldade de escalonamento do processo.

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3/20 [0007] O documento BRPI0803774A2 (WO2009149526A8) apresenta o aprimoramento de um tipo de tratamento termoquímico possível, a nitretação, ao realizar o processo de limpeza conjuntamente com o processo de nitretação, alterando basicamente o chaveamento da fonte de plasma entre uma etapa e outra, o que elimina a desvantagem de se expor a superfície da peça a uma diferente atmosfera antes da deposição do filme de carbono e confere aumento de produtividade.

Sumário da invenção [0008] Dessa forma a presente invenção vem solucionar os problemas presentes no estado da técnica a partir de processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de deposição de suporte mecânico, de modificação topográfica por bombardeamento via plasma, de deposição de camada de suporte químico e de deposição de camada de carbono amorfo (Diamond-Like Carbon).

[0009] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um processo de revestimento de componente condutor, em que o componente condutor está em contato com um suporte capaz de sofrer inversões de polaridade, dentro de um reator de plasma, compreendendo as etapas de:

a) Limpeza da superfície do componente condutor por bombardeamento de elétrons, em que os gases da atmosfera de plasma são selecionados do grupo consistindo de hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio ou uma combinação destes, em uma faixa de temperatura entre 20 e 300 °C e uma pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr, com o suporte em potencial positivo;

b) Deposição de suporte mecânico no componente condutor compreendendo bombardeamento de íons de gases selecionados de uma combinação de dois ou mais gases do grupo: hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio, metano, acetileno, ou outro gás hidrocarboneto

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4/20 passível de ionização, em uma faixa de temperatura entre 200 e 650 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr e tensão entre -200 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

c) Modificação topográfica, compreendendo bombardeamento de íons de gases selecionados de uma combinação de dois ou mais gases do grupo: hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio, metano, acetileno, ou outro gás hidrocarboneto passível de ionização, em uma faixa de temperatura entre 200 e 650 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr e tensão entre -200 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

d) Deposição de camada de suporte químico no componente condutor, através do bombardeamento de íons de gases, em que os gases são selecionados do grupo consistindo de precursores gasosos ou líquidos contendo elementos com afinidade química com o carbono, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50 a 150 kHz, e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

e) Deposição de camada de carbono amorfo na superfície da camada de suporte químico por bombardeamento de íons de hidrocarbonetos gasosos, em que os gases da atmosfera de plasma são selecionados do grupo consistindo de pelo menos um precursor líquido com pelo menos um radical metálico ou a combinação deste precursor com pelo menos um gás hidrocarboneto passível de ser ionizado e gerar íons que sejam depositados no componente, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho entre 1 e 3 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% a uma frequência de 50 a 150 kHz e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor.

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5/20 [0010] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um revestimento de componente condutor produzido pelo dito processo de revestimento de componente condutor, em que o revestimento compreende:

- pelo menos uma primeira camada de suporte mecânico em contato direto com a superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de suporte químico entre a camada de suporte mecânico e uma camada de carbono amorfo;

- pelo menos uma camada de carbono amorfo aderida a camada de suporte químico.

[0011] Ainda, o conceito inventivo comum a todos os contextos de proteção reivindicados é o processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de modificação topográfica por tratamento termoquímico, deposição de camada de suporte químico e deposição de camada de carbono amorfo (Diamond-Like Carbon).

[0012] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.

Breve descrição das Figuras [0013] A seguir, a presente invenção será descrita mais detalhadamente com o auxílio dos desenhos anexos, nos quais:

o [0014] A Figura 1 mostra um esquema das razões entre as ligações sp³e sp² e sua influência nas características do filme, em que a-C:H=amorfo hidrogenado, ta-C=tetraédrico sem hidrogênio, ta-C:H=tetraédrico hidrogenado. [0015] A Figura 2 mostra um gráfico e a influência do gás de hidrocarboneto na taxa de deposição do filme de carbono amorfo [0016] A Figura 3 mostra um esquema do sistema de multicamadas de uma concretização do revestimento.

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6/20 [0017] A Figura 4 mostra um gráfico da relação da dureza superficial do substrato com a profundidade das camadas. Adaptado de ASM International.

Descrição detalhada da invenção [0018] Nesta invenção, um processo de revestimento de componente condutor em um reator de plasma, em que o processo compreende as etapas de limpeza, de deposição de camada de suporte mecânico, de modificação topográfica, de deposição de camada de suporte químico e deposição de camada de carbono amorfo (Diamond-Like Carbon) é revelado. O processo é possível de ser escalonado, apresenta baixo custo em relação a outros processos via plasma (produção industrial) e permite obter filmes com alta adesão e propriedades tribológicas aprimoradas.

[0019] A presente invenção tem, como um de seus objetivos, a provisão de um processo, utilizando um reator de plasma, para produzir, sem a necessidade de operações posteriores e sem sofrer indesejáveis limitações quanto à geometria, componentes autolubrificantes devido à presença de um filme de carbono em sua superfície, por meio de uma etapa de limpeza eficiente, uma construção de uma topografia adequada que favoreça a adesão da(s) camada(s) posteriormente depositada(s), através da variação de parâmetros de processamento, principalmente tipo de gás, fluxo de gás, tempo ligado da fonte de plasma, tensão da fonte de plasma e inversão da polarização do suporte onde se localizam os componentes.

[0020] Este documento relata a produção de filmes de carbono através de deposição química em fase vapor assistida por plasma (PE-CVD) em reator desenvolvido para este processo que pode ser realizado em um ciclo único (sem abertura do reator, troca de suporte, aparato ou peças). O processo pode ser dividido basicamente em: limpeza, deposição de uma camada de suporte mecânico, modificação topográfica, deposição de pelo menos uma intercamada (camada de suporte químico) e deposição de pelo menos uma camada de carbono amorfo. Durante o ciclo existem diversos parâmetros que podem

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7/20 influenciar na estrutura e qualidade do filme tais como: tipo de gás utilizado para limpeza, modificação topográfica e deposição (exemplos: argônio, hidrogênio, acetileno, metano, tolueno), fluxo individual e total dos gases, pressão de trabalho, tensão da fonte de plasma, tempo ligado da fonte de plasma, tempo dispendido em cada etapa, tempo de deposição etc.

[0021] Cada uma das etapas possíveis do processo (deposição de suporte mecânico, limpeza, modificação topográfica, deposição de intercamada e deposição de camada de carbono) possuem parâmetros específicos e até mesmo uma pequena mudança pode resultar em filmes com propriedades totalmente diferentes. Um aumento no tempo de deposição ou na tensão da fonte de plasma durante a deposição de uma intercamada, por exemplo, pode resultar em uma intercamada com maior espessura o que influenciará diretamente nas propriedades de adesão do filme depositado, sendo que uma intercamada excessivamente espessa pode vir a desprender do substrato totalmente durante o ciclo ou com esforços mecânicos do componente. Outro parâmetro importante é o tipo de gás utilizado (gás precursor do carbono) para gerar o plasma durante a deposição do filme, sendo que isto já é conhecido na literatura (vide Figura 2). Os gases precursores de carbono são geralmente diluídos em H₂ ou Ar. A razão desta diluição também possui influência nas características e propriedades do filme formado.

[0022] As propriedades tribológicas dos filmes de DLC dependem não somente das características do filme (dureza, adesão, rugosidade, tensões residuais), mas também da forma como o filme é solicitado, incluindo fatores ambientais e parâmetros de carregamento. Isto significa que o mesmo filme de DLC pode apresentar propriedades totalmente diferentes quando testado em nitrogênio seco ou ao ar com umidade, por exemplo.

[0023] Uma das propriedades que é afetada pelos parâmetros de processamento e possui influência direta no desempenho tribológico do filme é a adesão do filme de carbono ao substrato. Além dos parâmetros de processamento citados acima, esta está ligada diretamente ao tipo e às

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8/20 propriedades da superfície do substrato onde o filme será depositado. É sabido que filmes de DLC, em geral, possuem uma melhor adesão para substratos de silício do que em aço. Para que o filme possua uma melhor adesão é necessário aumentar a afinidade química e reduzir a incompatibilidade de propriedades entre o filme e substrato, como por exemplo, o módulo de elasticidade. Isto é feito geralmente, através da utilização de sistemas multicamadas, também chamado de intercamadas, (vide desenho esquemático da Figura 3), onde a camada inferior provê o suporte mecânico e a camada em contato direto com o filme provê a adesão química.

[0024] Na presente invenção, o componente a ser revestido deve ser condutor elétrico, podendo ser produzido via diferentes processos de fabricação como fundição, extrusão, laminação, conformação, metalurgia do pó e usinagem, não sendo restringida à sua geometria desde que permita o acesso do gás ionizado pelo plasma a toda extensão de sua superfície, sem a geração de arcos elétricos. Em uma concretização o componente é composto por silício ou aço comum ou aço inoxidável ou aço ferramenta ou aços altamente ligados ou tungstênio e suas ligas ou alumínio e suas ligas, sendo a composição preferida aço com baixo teor de carbono, devido a seu baixo custo. [0025] O acabamento superficial do componente influi na topografia deste o que influi no processo, desta forma preferem-se componentes que apresentem topografias com menor número de vales e relação picos/vales baixa. Entretanto esta topografia pode ser modificada durante a etapa de modificação topográfica, durante a etapa de formação do suporte mecânico (tratamento termoquímico), ou uma soma destas modificações, de forma que ela é importante, mas não uma limitante do processo. Em uma concretização os componentes possuem um acabamento superficial selecionado do grupo de, usinados, retificados em retífica plana, retificados em retífica “centerless”, retificados em retífica cilíndrica universal, polidos, retificados e polidos etc. Ou ainda componentes com superfície bruta (sem processo de acabamento).

[0026] Após a colocação dos componentes no suporte, o reator de

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9/20 plasma é fechado, a pressão é reduzida a médio vácuo, introduz-se um fluxo de gás com ativação do plasma via uso de fonte pulsada DC (corrente direta) e aquecimento do reator através do uso de sistema elétrico resistivo.

[0027] Em uma concretização, os componentes onde são depositados o revestimento (filme de carbono) são alocados em um suporte adequado, projetado de forma que auxilia a deposição homogênea do filme e permite a inversão de polaridade dentro do reator de plasma. Em uma concretização, o processo utiliza um suporte do tipo árvore que permite a alocação de um elevado número de peças, aumentando assim a produtividade do processo. [0028] A etapa de limpeza pode ser realizada com a polarização positiva do suporte e uso de gases como argônio, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio ou uma combinação destes. O fluxo de gás é definido de acordo com o número de componentes e com o tamanho da câmara do reator, A pressão de trabalho é definida de forma que haja espécies gasosas em número suficiente para limpar a superfície dos componentes, mas menor do que o necessário para fechamento de arco elétrico e interrupção do plasma. Recomenda-se o uso de pressão entre 0,1 e 10 Torr durante todo o ciclo. Esta etapa pode ser realizada desde 20 °C até 300 °C, sendo preferencialmente realizada durante o aquecimento, sem a necessidade de patamar de temperatura.

[0029] A modificação da superfície (topografia) dos componentes ocorre via bombardeamento de íons do plasma através da polarização do suporte com carga negativa. A temperatura desta etapa encontra-se entre 200 e 650 °C. As diferentes modificações topográficas possíveis via plasma dependem basicamente da pressão de trabalho, do tempo ligado da fonte de plasma e do tipo de gás utilizado (tamanho do íon). Uma maior pressão de trabalho e/ou tempo ligado da fonte de plasma indicam que um maior número de espécies estará atingindo a superfície dos componentes para um mesmo tempo de processo o que levará a uma modificação mais agressiva na topografia destes, uma maior tensão aplicada da fonte aumenta a energia por íon causando um efeito semelhante. Ainda, um tamanho de íon maior possui o mesmo efeito.

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Desta forma ao realizar a etapa de modificação superficial com íons de argônio é esperada uma maior modificação superficial do que quando esta etapa é realizada com íons de hidrogênio. Dentre os gases possíveis de serem utilizados para esta modificação encontram-se: argônio, hidrogênio, nitrogênio e oxigênio.

[0030] Os parâmetros citados possuem efeitos que interagem entre si, desta forma, a topografia da superfície do componente ao final desta etapa depende da combinação destes parâmetros do ciclo, além do acabamento superficial do componente (pré-ciclo), da dureza do material do componente, e das demais etapas subsequentes que alterarem a topografia do componente havendo, portanto um elevado número de possibilidades de topografias a serem geradas. Estas diferentes topografias irão resultar em diferentes adesões do filme de carbono à peça e influenciam no desempenho tribológico desta.

[0031] A referida camada de suporte mecânico não necessariamente é contínua e compacta. As alterações resumem-se basicamente em aumento da resistência ao desgaste, à fadiga, à corrosão e aumento gradual da dureza superficial do substrato a fim de prover suporte mecânico suficiente para permitir o desempenho tribológico esperado do filme de carbono amorfo (Figura 4). Além disto, a formação da camada de suporte mecânico sempre implica em alguma modificação topográfica cuja intensidade depende do tipo de camada formada e dos parâmetros de processamento. Diferentemente de outros processos de tratamento superficial, este tratamento termoquímico não provoca mudança de fase da matriz durante todo o processo, assim como não necessita de transformação através de resfriamento rápido, isto significa redução de distorções dimensionais nos componentes tratados e de geração de tensões residuais. Entre as vantagens deste processo citam-se: baixo nível de resíduos poluentes (em comparação com tratamentos de revestimento eletroquímicos), tempo de processo reduzido, facilidade de controle das

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11/20 variáveis de processo, facilidade para automação e controle dimensional aprimorado.

[0032] Em uma concretização, além de modificar a topografia o tratamento termoquímico pode desenvolver uma camada de suporte mecânico, que pode ser obtida através de nitretação, cementação, boretação, carbonitretação, enriquecimento superficial com elementos como Molibdênio, entre outros. A restrição dos elementos a serem utilizados para gerar esse suporte mecânico refere-se basicamente ao tipo de gás, alvo ou precursor utilizado que deve ser passível de ser ionizado pelo plasma para que os íons possam ser depositados na peça. Esta etapa é realizada em uma faixa de temperatura mais elevada do que a modificação topográfica (usualmente entre 250 e 650 °C) e os parâmetros de processo, nomeadamente, pressão, tempo ligado da fonte de plasma, fluxo de gás, tipo de gás, são variados e definidos de acordo com o tipo de camada a ser gerada e o tipo de componente (material) onde será depositado o filme de carbono.

[0033] Entre os tratamentos termoquímicos possíveis de serem utilizados para criação da camada de suporte mecânico encontram-se: cementação, nitretação gasosa, nitretação em banho de sal, nitretação iônica, têmpera, revenimento etc. Qualquer processo termoquímico para formação de camada de suporte mecânico seja ele nitretação iônica ou não, causa alterações nas características topográficas da superfície das peças tratadas, como por exemplo, a rugosidade. Estas alterações irão depender não somente do processo a ser utilizado, mas também das características intrínsecas do substrato anteriores ao tratamento de formação de camada de suporte mecânico (substrato bruto, retificado, polido, usinado, etc.).

[0034] Uma característica deste tratamento é a baixa energia associada aos íons, desta forma, diferentemente de processos como deposição assistida por feixe iônico e imersão e implantação de íons por plasma, não implanta íons no componente. Em uma concretização, nesta etapa pode ocorrer a deposição de íons que posteriormente se difundem no material gerando assim uma região

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12/20 com átomos difundidos que podem vir a endurecer o material por solução sólida ou formação de fases de alta dureza/precipitados e neste caso nenhuma camada é gerada, mas esta região endurecida também provê suporte mecânico ao filme de carbono o que aumenta sua resistência ao desplacamento (camada de difusão). A deposição do filme de carbono em ausência de uma camada de suporte mecânico é possível de ser realizada, mas sabe-se que uma camada de suporte mecânico provê melhores propriedades ao filme, especialmente adesão, e neste caso é usualmente a solução preferida.

[0035] Após a modificação topográfica é depositada uma camada de suporte químico, sendo esta uma intercamada, mais preferencialmente uma intercamada de adesão química. Esta etapa esta regida pelas mesmas restrições da etapa de deposição de camada de suporte mecânico em relação ao tipo de gás ou precursor utilizado, entretanto deve ser realizada em uma faixa de temperatura mais baixa (usualmente entre 200 e 350 °C) caso contrário pode ocorrer a falha desta camada ou degradação do precursor devido as altas temperaturas. Os parâmetros do ciclo dependem do tipo de gás ou precursor utilizado e do material (assim como na etapa de deposição de camada de suporte mecânico). Para formação desta camada usualmente são utilizados tempos de fonte ligado entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50 a 150 kHz.

[0036] Subsequentemente ocorre a deposição do filme de carbono em temperatura similar (200 a 350 °C) a da etapa de deposição de camada de suporte químico. Novamente os parâmetros de deposição e os gases dependem do tipo de camada que se deseja obter e da espessura de camada desejada. Para o processo da presente invenção é permitido o uso de gases precursores de carbono como metano, acetileno, butano, ciclohexano, propano etc., ou seja, a restrição do gás a ser utilizado novamente recai sobre a possibilidade de ionização deste pela fonte de plasma DC. É sabido que fixando as condições de deposição (parâmetros da fonte e reator de plasma) o

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13/20 uso de dois gases diferentes, por exemplo, metano e acetileno, leva a camadas com diferentes espessuras; para o processo aqui descrito o acetileno possui uma taxa de crescimento até 6 (seis) vezes maior que o metano. A morfologia e composição química da camada também são alteradas, o que por sua vez altera parâmetros como dureza, adesão e desempenho tribológico destas camadas. Apesar de possuir maior espessura a camada gerada pelo gás acetileno, em comparação com o metano, é uma camada de menor dureza, menor adesão e desempenho tribológico inferior. Entretanto por ter uma taxa de deposição e crescimento elevada, um ciclo realizado com acetileno nesta etapa é mais rápido que um ciclo realizado com metano.

[0037] Em uma concretização, o processo aqui descrito é realizado em um único ciclo, sem a necessidade de abertura do reator de plasma, troca de suporte ou aparatos. A escolha dos parâmetros de cada etapa bem como a escolha da realização ou não de determinadas etapas opcionais (deposição de camada de suporte mecânico) depende intrinsicamente do tipo de filme que se deseja obter e propriedades como espessura, dureza, adesão, durabilidade em ensaio tribológico devem ser consideradas, mas também é necessária a avaliação do custo associado a cada etapa e ao ciclo completo. O processo descrito nesta patente quando realizado em sua forma completa (abrangendo todas as etapas) possui duração aproximada de 8 horas. Todos os ciclos consideram o reator inteiramente carregado, totalizando 600 componentes com dimensão aproximada de 5 cm x 2 cm x 2 cm. Em comparação com processos já conhecidos industrialmente onde as etapas, a saber, limpeza, deposição de camada de suporte mecânico, deposição de camada de suporte químico e deposição de camada de carbono são realizadas de forma separada, ou seja, em ciclos diferentes, o tempo total de processo é semelhante ou maior que 8 horas para formação de camadas com espessuras semelhantes às do referido processo.

[0038] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um processo de revestimento de componente condutor, em que o componente

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14/20 condutor está em contato com um suporte capaz de sofrer inversões de polaridade, dentro de um reator de plasma, compreendendo as etapas de:

b) Deposição de suporte mecânico no componente condutor compreendendo bombardeamento de íons de gases selecionados de uma combinação de dois ou mais gases do grupo: hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio, metano, acetileno, ou outro gás hidrocarboneto passível de ionização, em uma faixa de temperatura entre 200 e 650 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr e tensão entre -200 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

d) Deposição de camada de suporte químico no componente condutor, através do bombardeamento de íons de gases, em que os gases são selecionados do grupo consistindo de precursores gasosos ou líquidos contendo elementos com afinidade química com o carbono, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50

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15/20 a 150 kHz, e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

e) Deposição de camada de carbono amorfo na superfície da camada de suporte químico por bombardeamento de íons de hidrocarbonetos gasosos, em que os gases da atmosfera de plasma são selecionados do grupo consistindo de pelo menos um precursor líquido com pelo menos um radical metálico ou a combinação deste precursor com pelo menos um gás hidrocarboneto passível de ser ionizado e gerar íons que sejam depositados no componente, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho entre 1 e 3 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50 a 150 kHz e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor.

[0039] Em uma concretização, os gases da etapa d) são de um grupo consistindo de pelo menos um precursor líquido com pelo menos um radical metálico ou a combinação deste precursor com pelo menos um gás hidrocarboneto passível de ser ionizado e gerar íons que sejam depositados no componente.

[0040] Em uma concretização, o processo de revestimento de componente condutor ocorre em um ciclo único.

[0041] Em uma concretização, a etapa b) compreende:

- a formação de pelo menos uma camada de suporte mecânico, por nitretação, cementação, carbonitretação, boretação; ou

- a formação de pelo menos uma camada de difusão por enriquecimento superficial com elementos endurecedores da matriz do componente condutor; ou

- uma combinação das mesmas.

[0042] Em uma concretização, a etapa c) ocorre antes da formação do suporte mecânico (etapa b)) ou após a formação da camada de suporte

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16/20 mecânico, ou ainda em conjunto com a etapa de deposição de camada de suporte químico (etapa d));

[0043] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um revestimento de componente condutor produzido pelo dito processo de revestimento de componente condutor, em que o revestimento compreende:

- pelo menos uma camada de carbono amorfo aderida a camada de suporte químico.

[0044] Em uma concretização, o revestimento de componente condutor compreende uma camada de difusão na superfície do componente condutor. [0045] Em uma concretização, o revestimento de componente condutor compreende:

- pelo menos uma camada de difusão de 250 a 300 pm de espessura na superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de suporte mecânico de 10 pm de espessura composta por nitretos, em contato direto com a superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de carbono amorfo.

[0046] Em uma concretização, a camada de suporte químico é composta por silício, carbono e hidrogênio e possui 1,2 pm de espessura. Em uma concretização, a camada de suporte químico aumenta a adesão da camada de carbono amorfo.

[0047] Em uma concretização, o componente revestido é autolubrificante. Em uma concretização, o componente revestido

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17/20 autolubrificante é utilizado em sistema de mancais, tais como sistema de mancais em compressores.

[0048] Em uma concretização, o processo aqui descrito e proposto como invenção permite que todas estas etapas, que usualmente são realizadas separadamente, sejam realizadas em um ciclo único sem a necessidade de abertura do reator, troca de suporte ou aparatos. Isto somente é possível com a combinação de seis características principais desta invenção.

[0049] A primeira característica envolve a realização de todas as etapas via plasma em um reator fechado com atmosfera controlada com a possibilidade de alteração de parâmetros como temperatura, pressão, tempo ligado da fonte de plasma, tensão, fluxo de gás, tipo de gás e polarização do suporte onde se localizam as peças, trocando-a de positiva (etapa de limpeza) para negativa (nas etapas posteriores).

[0050] A segunda característica envolve o design adequado do suporte para que permita essa troca de polarização sem afetar os componentes ou gerar efeitos de borda do plasma (heterogeneidades próximos às extremidades das peças como cantos vivos) nas regiões de interesse do componente e que mantenha o plasma estável e homogêneo em todas as peças. Além da troca de polarização do segundo suporte presente na câmara (sem contato com os componentes condutores) para estabilização do processo via plasma.

[0051] A terceira característica envolve a não exposição dos componentes ao ambiente ou atmosferas indesejadas, exposição esta que causa a inerente contaminação da superfície de interesse do componente onde é depositado o filme de carbono (ou ainda camada de suporte mecânico e camada de suporte químico) e, portanto introduz etapas de limpeza adicionais entre as outras etapas. Esta não exposição só é possível devido ao ciclo único, desta forma o componente é limpo apenas uma vez ao início do ciclo e sai do reator com o filme de carbono e camadas opcionais quando desejadas depositadas, estáveis e sem contaminação que pode influir negativamente no desempenho relativo à adesão e tribologia.

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18/20 [0052] A quarta característica envolve a modificação superficial (topográfica) realizada via plasma (com parâmetros específicos para cada material e característica superficial inicial do componente) e que permite a deposição do filme de carbono amorfo, com melhoria crucial no desempenho tribológico dos componentes devido à modificação topográfica.

[0053] A quinta característica envolve a capacidade de introdução no reator de plasma de gases (precursores gasosos) e também de precursores líquidos que ao evaporar podem ser ionizados pelo plasma, de forma similar a um elemento que seja introduzido no processo já na forma de gás.

[0054] A sexta característica envolve o conhecimento dos parâmetros (tipo de gás, fluxo de gás, teor dos gases, temperatura, pressão, tempo ligado da fonte de plasma e tensão) relativos e específicos de cada etapa de forma a obter-se um controle estrito de cada etapa e garantir a deposição de um sistema multi-camadas com composições e características conhecidas nas espessuras desejadas e em uma ordem específica.

[0055] O processo permite desta forma a produção de grandes séries de peças iguais, em elevada produtividade e com parâmetros controlados.

[0056] Em uma concretização, a presente invenção permite então a produção de componentes autolubrificantes em um ciclo único composto de diversas etapas: limpeza eficiente, construção de uma topografia adequada e que favoreça a adesão das camadas posteriormente depositadas, formação de camada de suporte mecânico e camada de suporte químico e deposição do filme de carbono amorfo. Cada etapa possui função específica, mas todas são realizadas subsequentemente em um reator de plasma possibilitando assim a produção em larga escala e com reprodutibilidade de componentes contendo um filme de carbono autolubrificante o que facilita sua implementação industrial e sua ampla aplicação no mercado.

[0057] Em uma concretização, a invenção ora proposta provê um processo de obtenção destes componentes sem a necessidade de operações adicionais e realizadas dentro de um mesmo equipamento em um ciclo único.

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Desta forma o carregamento do reator de plasma ocorre apenas uma vez, antes do início do processo de limpeza e ao final do ciclo os componentes contêm o filme de carbono autolubrificante. Testes realizados indicam que o processo da presente invenção possui menor custo do que os processos convencionais que combinam três processos: limpeza, deposição da camada de suporte mecânico e adesão química e deposição de DLC via plasma. Além disso, os componentes produzidos em ciclo único apresentam desempenho tribológico e adesão superior aos anteriormente citados. O processo permite a produção de grandes séries de peças iguais, em elevada produtividade e com parâmetros controlados.

[0058] No presente documento entende-se o termo “reator de plasma” como qualquer aparelho capaz de gerar uma atmosfera com plasma.

[0059] No presente documento entende-se que um suporte adequado para o condutor é um suporte que não gera efeitos de borda indesejados e permita a inversão de polaridade.

Exemplos - Concretizações

Exemplo de Deposição de Suporte Mecânico [0060] Para geração de uma camada composta de nitretos de aproximadamente 10 pm de espessura com uma camada de difusão imediatamente abaixo a esta com espessura entre 250 e 300pm sobre aço comum SAE 1020 utilizou-se os seguintes parâmetros: tensão negativa pulsada de 400V, tempo ligado da fonte de plasma de 75% a uma frequência de 50 kHz, pressão de 2 Torr, temperatura de 550 °C, mistura gasosa composta de nitrogênio (90%), hidrogênio (9%) e metano (1%), fluxo de gás de 1000 sccm e tempo de patamar de deposição de 90 minutos.

Exemplo de Deposição de Suporte Químico [0061] Para geração de uma camada de suporte químico o precursor líquido escolhido foi o Hexametildisiloxano. Através da diferença de pressão entre o reservatório de Hexametildisiloxano que fica fora do reator de plasma e

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20/20 a câmara do reator este foi evaporado, introduzido na câmara e ionizado pelo plasma. Neste caso ocorreu a deposição de uma camada de adesão química contendo silício, hidrogênio e carbono. Para a deposição de uma camada de adesão química com espessura aproximada de 1,2 pm sobre um componente de aço SAE 1020 retificado sem polimento que passou por uma modificação topográfica leve e possui camada de suporte mecânico, utilizou-se os parâmetros: tensão 500V (negativa), tempo ligado da fonte de plasma de 75% com uma frequência de 50 kHz, pressão 1 Torr, temperatura 250 °C, gases hidrogênio (30%), argônio (30%), metano (38%) e hexametildisiloxano (2%), fluxo de gás de 1000 sccm e tempo de deposição de 35 minutos.

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Claims

Reivindicações

1. Processo de revestimento de componente condutor caracterizado pelo componente condutor estar em contato com um suporte capaz de sofrer inversões de polaridade, dentro de um reator de plasma, compreendendo as etapas de:

a) Limpeza da superfície do componente condutor por bombardeamento de elétrons, em que os gases da atmosfera de plasma são selecionados do grupo consistindo de hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio ou uma combinação destes, em uma faixa de temperatura entre 20 e 300 °C e uma pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr, com o suporte em potencial positivo;

b) Deposição de suporte mecânico no componente condutor compreendendo bombardeamento de íons de gases selecionados de uma combinação de dois ou mais gases do grupo: hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio, metano, acetileno, ou outro gás hidrocarboneto passível de ionização, em uma faixa de temperatura entre 200 e 650 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr e tensão entre -200 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

c) Modificação topográfica, compreendendo bombardeamento de íons de gases selecionados de uma combinação de dois ou mais gases do grupo: hidrogênio, oxigênio, argônio, nitrogênio, metano, acetileno, ou outro gás hidrocarboneto passível de ionização, em uma faixa de temperatura entre 200 e 650 °C, pressão de trabalho entre 0,1 e 10 Torr e tensão entre -200 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

d) Deposição de camada de suporte químico no componente condutor, através do bombardeamento de íons de gases, em que os gases são selecionados do grupo consistindo de precursores gasosos ou líquidos contendo elementos com afinidade química com o carbono, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho

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2/3 entre 0,1 e 10 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50 a 150 kHz, e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor;

e) Deposição de camada de carbono amorfo na superfície da camada de suporte químico por bombardeamento de íons de hidrocarbonetos gasosos, em que os gases da atmosfera de plasma são selecionados do grupo consistindo de pelo menos um precursor líquido com pelo menos um radical metálico ou a combinação deste precursor com pelo menos um gás hidrocarboneto passível de ser ionizado e gerar íons que sejam depositados no componente, em uma faixa de temperatura entre 200 e 350 °C, pressão de trabalho entre 1 e 3 Torr, tempo ligado da fonte de plasma entre 75 e 90% do tempo de um pulso da fonte DC, a qual opera em uma frequência de 50 a 150 kHz e tensão entre -300 e -1000 V aplicada ao suporte do componente condutor.

2. Processo de revestimento de componente condutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos gases da etapa d) serem de um grupo consistindo de pelo menos um precursor líquido com pelo menos um radical metálico ou a combinação deste precursor com pelo menos um gás hidrocarboneto passível de ser ionizado e gerar íons que sejam depositados no componente.
3. Processo de revestimento de componente condutor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo processo de revestimento ocorrer em um ciclo único.
4. Processo de revestimento de componente condutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela etapa b) compreender:

- a formação de pelo menos uma camada de suporte mecânico, por nitretação, cementação, carbonitretação, boretação; ou

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- a formação de pelo menos uma camada de difusão por enriquecimento superficial com elementos endurecedores da matriz do componente condutor; ou

- uma combinação das mesmas.
5. Revestimento de componente condutor caracterizado por ser produzido por um processo de revestimento de componente condutor conforme definido na reivindicação 4, em que o revestimento compreende:

- pelo menos uma primeira camada de suporte mecânico em contato direto com a superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de suporte químico entre a camada de suporte mecânico e uma camada de carbono amorfo;

- pelo menos uma camada de carbono amorfo aderida a camada de suporte químico.
6. Revestimento de componente condutor, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender uma camada de difusão na superfície do componente condutor.
7. Revestimento de componente condutor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender:

- pelo menos uma camada de difusão de 250 a 300 pm de espessura na superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de suporte mecânico de 10 pm de espessura composta por nitretos, em contato direto com a superfície do componente condutor;

- pelo menos uma camada de suporte químico entre a camada de suporte mecânico e uma camada de carbono amorfo;

- pelo menos uma camada de carbono amorfo.
8. Revestimento de componente condutor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado pela camada de suporte químico ser composta por silício, carbono e hidrogênio e possuir 1,2 pm de espessura.

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FIGURAS

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Potencial de lonização