“Aplicações da Engenharia de Superfícies na IndústriaAutomotiva”

Prof. Dr. Carlos A. Figueroa - cafiguer@ucs.br

Laboratório de Engenharia de Superfícies e Tratamentos TérmicosUniversidade de Caxias do Sul, Caxias do Sul-RS, Brasil

Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies (Seção Caxias do Sul)

Plasmar Tecnologia - Equipamentos e processos de modificação de superfícies por plasmaCaxias do Sul-RS, Brasil - www.plasmartecnologia.com

Impactos ambientaisFonte: http://www.slideshare.net/Engenharia.de.Superficies/palestra-sinatora-simecs-15-06.

Evolução do número de patentes mundiais na área de engenharia de superfícies por plasma. Fonte: Derwent Innovations Index. Palavras-chave: surface, plasma, engineering.

Importância da Engenharia de Superfícies por Plasma

Engenharia de

Superfícies

Áreas do conhecimento:

FísicaQuímica

MatemáticaMecânicaMateriais

Nanotecnológica por definição:

Uma superfície é constituída de 2

dimensões macroscópicas e uma 3ra que está na ordem

dos nanometros !

Áreas de aplicação:

Metal-MecânicaÓptica

MicroeletrônicaBiomateriaisDecoração

O que é Nanotribologia?

É a ciência e engenharia da interaçãode superfícies em movimento relativo.

Inclui o estudo e aplicação dos princípios de atrito, lubrificação e desgaste.

Então, a nanotribologia envolve o estudo dos fenômenos que acontecem na interação de duas superfícies em movimento relativo

considerando as forças e efeitos do mundo atômico.

Cuidado: como qualquer área de nanotecnologia, os fenômenos a nívelnanoscópico são geralmente diferentes dos fenômenos a nível macroscópico.

1 nm = 10-9 m

Uma ligação química padrão possui um comprimento de 0,15 nm

Engenharia de superfícies – do Laboratório à Indústria

Empresa de base tecnológica incubada na ITEC(nasceu no LESTT da UCS)

Reator da Plasmar – 1 ton Peças recebendo tratamento

O Plasma em Ação na Nitretadora Industrial

Processos de engenharia de superfícies do tipo PVD (physical vapor deposition)

A gente viu o que é engenharia de superfícies e focou em processos a plasma....e daí????

E os automóveis?

Um processo para cada componente

Surface Treatments of Automotive Parts – Research and Applications, J. Vetter, J. Crummenauer, G. Barbezat und J. Avissar

Engenharia de Superfícies por Plasma

• Processos termoquímicos / difusão– NITRETAÇÃO– CARBONITRETAÇÃO– OXIDAÇÃO

• Recobrimentos– PVD– CVD– APS / TS

TiN / TiCNTiAlNCrNDLC

Trabalhos que quantificam as perdas energéticasem motores de combustão interna

Perdas Mecânicas

15 % do total são pelo atrito

1% do PNB = 17.000.000.000 R$

6% do PNB = 104. 000.000.000 R$

Brasil/Estimativa 2004

(PNB) 1.700 bi R$

Conhecimento existente:

20% redução

3.400.000.000 R$

20.800.000.000 R$

Perdas econômicas por desgaste e atrito

Relatório Jost e estudos posteriores

1 a 10% do PIB/PNB

Fonte: http://www.slideshare.net/Engenharia.de.Superficies/palestra-sinatora-simecs-15-06.

Exemplo: frota veicular paulistana

1 275 000 m2 / 82 875 000 R$Aço inox41 555 000 m2 / 15 582 000 R$Pinheiros

187.500 toneladasCO2 devido a atrito (15%)

250g/l / (1.250.000 t/ano)CO2 / CO2 total da frota 5 109X (250)g/l

1,5 109reais/anoValor perdido por ano por atrito em veículos na cidade de São Paulo (R$/ano) (2,0R$/l)

750 000 000 lVolume de combustível devido a perda por atrito

5 000 000 000 l/anoConsumo veicular anual médio (10 000km/ano x 5 000 000 veículos /10km/l

15%Perdas mecânicas por veículo

ValorFator

20% = - 37.500 t/ CO2 ano

Aplicações de materiais para eficiência energética: DLC é um dos mais importantes

Tuchos

Válvulas

Virabrequim

Eixo de comando de válvulas

Pistão

Anel de pistão

Pino de pistão

Autopeças de alto atrito e candidatas a serem revestidas por DLC

Outras candidatas: engrenagens, partes de bombas de fluídos e ar condicionado.

Que é Diamond-Like Carbon ?

É um material composto de carbono do tipo sp3 e sp2

Diamante

C-sp3

Material natural mais duro (10.000 HV)

Grafite (lápis)

C-sp2

Excelente lubrificante sólido

Aonde se aplica DLC atualmente ?

Cabeçote de leitura e superfície do HD

Motores de competição

Folhas para máquina de barbear

Vidros:Leitora de código

de barras

PROPRIEDADES DO MATERIAL (DLC)

Dureza (Vickers) 1.000-3.000 (ajustável)

Temperatura do processo de deposição 150°C

Coeficiente de atrito 0,1 – 0,01 (depende do conteúdo de H e lubrificante)

Espessura do revestimento 0,001-10 µm

Temperatura máxima de trabalho 500°C

Resistência química Quimicamente inerte: não reage com ácido nem com álcali.

Resistência elétrica 106-1012 ohm-cm (isolante)

Acabamento do revestimento Idêntico ao substrato

C. Donnet e A. Erdemir, Tribology of Diamond-Like Carbon Films, Ed. Springer (2008)

(*)http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/INTRODUCTION/DETAILS/DLC/index.html

Exemplo de DLC em motores (Nissan Motors) – mecanismo de ação(*)

Exemplo de DLC em motores – mecanismo de ação(*)

(*)http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/INTRODUCTION/DETAILS/DLC/index.html

www.richterprecision.com/dlc-coatings.html

Tuchos Pistão

Empresas que revestem partes de motores com DLC

1. Richter Precision Inc. (EUA)

Tecnologia usada: HIPIMS (eles alegam que sãoos 1ros a usarem esta tecnologia)

Empresas que revestem partes de motores com DLC

2. Oerlikon Balzers (Liechtenstein)

Friction reduction in the valve train of a passenger car with carbon coating of tappetsTest method: Cylinder-head test stand, non-firedSource: Ford / INA

Fonte:http://www.oerlikon.com/ecomaXL/index.php?site=BALZERS_EN_valve_trains

Empresas que revestem partes de motores com DLC

2. Oerlikon Balzers (Liechtenstein)

Wear of cylinder liners with variously treated piston ringsTribometer: Cameron-Plint TE77Load: 8 MPaTemperature: 80°CTest duration: 6 hFrequency: 10 HzCylinder liners: Grey cast ironOil: Lubrizol TH 53303Treatments applied to piston-ring surface onlySource: Scania AB

Fonte: http://www.oerlikon.com/ecomaXL/index.php?site=BALZERS_EN_piston_rings