Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/177

TítuloEstudo dos mecanismos de degradação em revestimentos PVD baseados em nitretos metálicos no processamento de materiais plásticos
Autor(es)Cunha, L.
Data2000
Resumo(s)As superfícies internas dos equipamentos de processamento e transformação de materiais plásticos estão sujeitas a um ambiente hostil, não só devido à libertação de agentes químicos corrosivos, mas também devido a erosão, principalmente quando se processam plásticos reforçados por fibras de vidro ou de carbono. As temperaturas medianamente elevadas a que se processam estes materiais podem acelerar os danos. Os métodos tradicionais de proteger as superfícies não são ideais e alguns obrigam à utilização de técnicas que podem ser ambientalmente agressivas. Neste trabalho propõe-se a utilização de revestimentos baseados em nitretos metálicos, depositados por uma técnica não agressiva ao ambiente: a pulverização catódica. Os nitretos metálicos além de serem duros, são razoavelmente inertes do ponto de vista químico. É dado maior ênfase aos revestimentos baseados no nitreto de crómio, na forma monolítica ou na forma de multicamada, alternando neste caso camadas cerâmicas com camadas metálicas. Este trabalho engloba, a descrição da produção dos revestimentos, sendo a sua morfologia e microestrutura descritas com o auxílio da difracção de raios-X e das microscopias óptica, electrónica de varrimento e de força atómica. A medida do módulo de Young por diferentes técnicas, essencialmente nano-indentação e ondas acústicas de superfície, também ajuda a entender a estrutura dos revestimentos. A medida de propriedades mecânicas e tribológicas permite prever a resistência ao desgaste abrasivo e erosivo dos revestimentos produzidos em condições distintas. Mediu-se a tensão residual pelo método da deflexão do substrato, a dureza e o módulo de Young por nano-indentação, a adesão por teste de indentação deslizante e a resistência ao desgaste por testes de pino sobre disco. Para alguns revestimentos, o módulo de Young foi determinado por ondas acústicas de superfície e a partir dos dados de difracção de raios-X. Os resultados obtidos foram inter-relacionados ou relacionados com as condições de deposição. Os revestimentos monolíticos apresentaram globalmente melhores propriedades mecânicas e tribológicas que os revestimentos multicamadas, apesar das tensões residuais poderem ser muito elevadas. O estudo do comportamento das amostras em ambientes quimicamentes agressivos foi estudado em três situações distintas: em solução aquosa ácida (HCl 1M), condições do teste "corrodkote" e em atmosfera contendo cloreto de hidrogénio a uma temperatura de 350 ºC. Estes testes permitiram entender os mecanismos de corrosão nos revestimentos. Em conjunto com o estudo da estrutura, permitiram confirmar que os revestimentos produzidos por esta técnica podem conter poros que prejudicam o potencial que os revestimentos de nitreto de crómio apresentam em termos de resistência à corrosão. Por outro lado mostra-se também que os revestimentos multicamada apresentam melhor comportamento em ambientes quimicamente agressivos que os revestimentos monolíticos, principalmente devido ao facto da porosidade aberta não ser favorecida pela estrutura própria destes revestimentos. Os melhores revestimentos não permitiram a corrosão intersticial e os danos causados na superfície são essencialmente a oxidação devido à substituição do azoto por oxigénio, transformando o nitreto de crómio em óxidos de crómio (III) ou (VI), hidróxido de crómio ou oxinitreto de crómio. O comportamento dos revestimentos de crómio produzidos por PVD em condições de processamento de plásticos foi comparado com alguns dos processos tradicionais de protecção de superfícies: o aço endurecido por tratamento térmico, a nitruração do aço ou a deposição de crómio duro. Os revestimentos baseados no nitreto de crómio apresentam enorme vantagem do ponto de vista de resistência ao desgaste, mas também em termos de resistência à corrosão. A pulverização catódica tem a desvantagem de ser uma técnica mais cara que as tradicionais e de apresentar algumas dificuldades em revestir superfícies complexas. Em contrapartida os revestimentos baseados em nitretos de metais de transição produzidos por esta técnica causam um incremento do tempo de vida das superfícies funcionais das máquinas injectoras e extrusoras, aumentando também a qualidade das superfícies, não afectando o ambiente e apresentando um enorme potencial de desenvolvimento.
The surface of metallic components can be subjected to intensive degradation during plastic transformation processes, namely when working with fibre filler plastics which release corrosive agents. The degradation is attributed to the combined erosive and abrasive wear by the filler material and corrosive attack of agents. This degradation reduces the lifetime of components and has a direct impact on process productivity and surface finish of the final products. None of the traditional processes of protecting the surfaces is ideal and some of them are not environment friendly. This work proposes the deposition of nitrides of transition metals by a clean technique: magnetron sputtering. These coatings are hard, retain the toughness of the component, have low friction and good adhesion. Chemically they are rather inert and stable materials, but the presence of pinholes can strongly affect the corrosion protection of the coatings. Chromium nitride based coatings in the form of monolithic and multilayer coatings were mainly focused in this work. The morphology and microstructure of the coatings was studied with the help of X-ray diffraction and optical, scanning electron and atomic force microscopy. The measurement of Young’s modulus by different techniques also helped to understand the structure of the coatings. The study of mechanical and tribological properties gave us an idea of the possibility of these coatings having good performance concerning erosive and abrasive wear. The residual stress was measured by the bending technique, the hardness by nanoindentation, the Young’s modulus by nanoindentation, surface acoustic waves and also from X-ray diffraction data, the adhesion by scratch-testing, and wear by pin-on-disc experiments. Monolithic coatings have better mechanical and tribological properties, but can be highly stressed. The performance of the multilayer coatings was not so good, but the residual stress was lower because relaxation due to metallic layers. The behaviour of the substrate/coating systems under chemically aggressive environments was studied under three different situations: acidic aqueous solution, “corrodkote” conditions and in an gaseous atmosphere containing hydrogen chloride at 350 ºC. These set of tests helped us to understand the corrosion mechanisms of the coatings. In general the behaviour of multilayer coatings is better than the behaviour of monolithic coatings. The main reason concerns the pinholes that allow the possibility of crevice corrosion. In multilayer coatings the number of defects observed in the surface was significantly lower. Any layer can cover the pores appearing in the previous layer and the possibility of open porosity strongly decreases. The best coatings didn’t allow crevice corrosion to happen. In these cases, the damage caused to the surface by the hot acidic environment is superficial and corresponds to oxidation on the surface due to substitution of nitrogen by oxygen, transforming the chromium nitride into chromium oxide (III) or (VI), chromium hydroxide or chromium oxy-nitride. The behaviour of chromium nitride based coatings in plastic processing was compared with some of the traditional processes of protecting the surfaces: steel hardened by heat-treatment, nitrided steel and deposition of hard chromium. The performance of the PVD produced coatings is significantly better. The wear resistance can be more than two orders of magnitude higher and in addition the corrosion resistance is better. PVD techniques can be more expensive than traditional ways of protecting surfaces. They can also present some difficulties in being deposited in substrates with complex geometry, but the gain in wear, and also corrosion resistance is higher and may compensate the initial cost the deposition systems. In addition the technique is environmentally friendly and presents an enormous potential of development.
TipoTese de doutoramento
URIhttps://hdl.handle.net/1822/177
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
CDF - GRF - Teses de Doutoramento/PhD Thesis

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