Revestimento de nitreto de titânio em serras fitas de aços para corte de madeira pela técnica do plasma frio

Abstract

Resumo: Nesse trabalho foi realizado uma deposição de TiNx na superfície de serras fitas comerciais utilizadas no corte de madeira através da técnica de plasma frio, com o objetivo de melhorar seu desempenho em campo. Foram utilizadas serras fitas inteiras de aço carbono 1045 com dentes temperados e corpo flexível, de 4m de comprimento, fornecidas pela empresa Starret. As deposições ocorreram em um reator de plasma frio desensvolvido na Embrapa Florestas/Pr. Esse reator de plasma possui forma cilíndrica de 50 cm de diâmetro interno e 30 cm de altura e foi construído em aço inoxidável austenítico tipo AISI 304. Para realização dos ensaios foram mantidos constantes a vazão de argônio (49.9 sccm), a abertura da bomba de vácuo em 100% aberta e a potência em 290 W. Foram realizados seis tratamentos no reator de plasma frio variando o tempo de deposição (30 e 60 minutos), a temperatura do banho de tetraisopropóxido de titânio (40 °C e 50 °C) e o fluxo de nitrogênio (20 sccm e 30 sccm). A fim de comparação foi realizada também deposição física de vapor (PVD) na indústria Oerlikon Balzers. Para análise da morfologia e composição química da superfície revestida, foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e o EDS (acessório acoplado ao MEV), para a identificação estrutural da superfície foi utilizada a técnica de difração de raios X e o mapeamento químico das superfícies dos filme foi realizada usando a técnica de espectroscopia Raman. A rugosidade foi medida usando um perfilômetro e a dureza foi avaliada usando a técnica de indentação instrumentada. Os testes de tribologia para a determinação do coeficiente de atrito e taxa de desgaste foram realizados utilizado um tribômetro linear recíproco. Os ensaios de campo das serras fitas sem tratamento, tratada pelo plasma frio e tratada pelo processo de PVD na indústria foram realizados em uma serraria, em Mato Grosso. Os resultados mostraram que todas as superfícies da serra fita tratadas por plasma frio foram recobertas, de forma uniforme, em toda a sua extensão, com o filme de TiNx, identificado pela técnica de difração de raios X e pela técnica de Microscopia Raman. As superfícies revestidas com as diferentes condições de tratamento não apresentaram mudanças significativas na morfologia, mostrando que o filme é fino e acompanha a topografia da superfície. Não foram observadas diferenças significativas nos valores da dureza nas superfícies tratadas comparadas com a serra fita original. Apenas a superfície depositada com maior fluxo de nitrogênio apresentou valor levemente superior. Os coeficientes de atrito foram menores que o da serra fita original. O recobrimento que permaneceu bem aderido na superfície após os ensaios tribológicos foi o obtido com o tratamentos tempo de deposição de 30 minutos, temperatura do banho de 40 °C e fluxo de nitrogênio de 30 sccm. Nos ensaios de campo a serra fita tratada por plasma frio apresentou o melhor desempenho, tomando como parâmetro a variação da espessura no desdobro da madeira, comparada com serra fita original e a tratada industrialmente. Esses resultados indicam que o tratamento superficial utilizado na serra fita apresentou características superficiais adequadas que podem contribuir para aumentar a durabilidade da serra fita em campo, trazendo benefícios econômicos. Palavras chaves: serra fita, tratamento por plasma frio, nitreto de titânio, tribologia, teste em campo.

Abstract: This work investigates the deposition of TiNx by cold plasma on the surface of commercial saws used in wood cutting. The aim was to improve their performance in service. Carbon steel (1045) saws sizing 4 m with hardened teeth and flexible bodywere provided by Starrett Company. The deposition was performed in a cold plasma reactor developed at Embrapa Florestas (PR). This cylindrical stainless steel (AISI 304) reactor has 50 cm diameter and 30 cm height. Regarding the experimental tests, argon flow was set at 49.9 sccm, butterfly valvle was 100% open and a power of 290 W was applied. Six treatments were performed varying the deposition time (30 and 60 minutes), the temperature of vaporization of titanium isopropoxide (40°C and 50°C) and the nitrogen flow (20 sccm and 30 sccm). For comparison with plasma-treated saws, a physical vapor deposition (PVD) was performed at Balzers Industry. Morphology and chemical mapping of coated surfaces were evaluated by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), respectively. Structural changes were identified by X-ray diffraction and chemical changes were investigated by Raman spectroscopy. Surface roughness was determined by profilometry and a linear tribometer was used to investigate the coefficient of friction and the wear rate. Practical tests of untreated, plasma-treated saws (treatment 06) and saws treated by PVD were performed in a sawmill located in the state of Mato Grosso. The results showed all saws' surfaces were coated homogeneously in their length by a film of TiNx, which was identified by X-ray diffraction and Raman spectroscopy. The coated surfaces treated with different conditions did not show significant changes in their morphology, indicating this film is thin and is adhered to the surface topography. No significant changes were observed in the hardness of treated surfaces in comparison to untreated saws. Only surfaces treated with conditions 1 and 3 presented slight improvement. Coefficient of friction of plasma-treated saws was lower than untreated saws. Coating of treatment 03 remains well adhered to the surface even after the tribological tests. Practical tests in sawmill showed treatment 06 had the best performance as a function of the thickness variation of the boards in the wood sawing. These results indicate surface coating by cold plasma provides adequate characteristics, increasing the durability of saw in service and, consequently, generating economic benefits. Key words: saw blade, treatment by cold plasma, titanium nitride, tribology, practical tests.