Revestimentos PVD em microcavidades para moldação por injeção

Abstract

Com o aumento da produção de microcomponentes na indústria da moldação por injeção, é necessário ultrapassar os problemas que vão surgindo na sua aplicação a grande escala. A razão de aspeto das cavidades a preencher, a geração de calor devido a elevadas tensões de corte, o atrito e desgaste das superfícies moldantes são fatores que têm uma influência importante na funcionalidade e qualidade dos componentes a produzir, assim como na durabilidade e performance do molde. Uma solução possível será a aplicação de filmes finos cerâmicos e metálicos que têm sofrido uma constante evolução de forma a dar resposta a esses desafios tecnológicos. São filmes que apresentam elevadas durezas, elevada resistência ao desgaste, à fissuração e baixo coeficiente de atrito. Neste trabalho foram produzidas várias amostras com o intuito de caracterizar da melhor forma as ferramentas moldantes presentes na indústria a nível de geometria. Estas amostras foram posteriormente revestidas através do método de deposição física a partir do estado de vapor (PVD) e caracterizadas. Os revestimentos usados foram o nitreto de titânio, o nitreto de crómio e o nitreto de alumínio e titânio. Numa primeira etapa, os filmes foram caracterizados macroscopicamente, analisando se seria visível algum defeito. Numa fase seguinte, foi elaborada uma caracterização mais detalhada através de microscopia ótica, SEM em conjunto com EDS, difração de raio-X, medição de micro-durezas e nanoindentação. Observou-se que todos os revestimentos aumentam a rugosidade e a dureza das amostras. Sendo nitreto de alumínio e titânio o que apresenta maior rugosidade e dureza, apresentando-se o nitreto de crómio do lado oposto. Todos os revestimentos apresentam espectros de XRD característicos dos materiais depositados, com o acréscimo de ferro proveniente do substrato onde foram aplicados. É também notório, em todos os revestimentos, a presença de partículas provenientes do cátodo, “droplets”, que acabam envolvidas no restante revestimento. A espessura de todos os revestimentos foi inferior aos 2 μm esperados no início da experiência. Todos os revestimentos foram caracterizados e associados ao tipo de solicitação em que a sua aplicação se poderá tornar mais vantajosa.

With the increase of the production of micro components in the injection moulding industry, it is necessary to overcome some obstacles to go to a large scale production. The aspect ratio of the cavities, the heat generation produced by high shear stress, friction and surface wear are important to the quality of final product, to the durability and tool performance. A possible solution is the application of ceramic or metalic thin films, that had a great evolution, and can solve that technological problems. Thin films have an high hardness, a good resistance to wear and fissuration and a low friction module. In this study were produced a few samples to characterize the geometry of the moulding tools used in the industry. This samples were coated with physical vapour deposition method (PVD) and analised after the coating process. The coatings used were titanium nitride, chromium nitride and aluminium and titanium nitride. First of all, the thin films were characterized macroscopically, analysing if they had some visible surface imperfections. The second step was doing a detailed characterization with optical microscopy, Scanning Electron Microscopy together with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, X-Ray Diffraction, micro hardness measurement and nanoindentation. All the PVD thin films increased the roughness and the hardness of the samples. Aluminium and titanium nitride was the sample with the higher hardness and roughness, the chromium nitride thin film was the opposite. All the thin films had the XRD spectrum characteristic of the deposited materials plus the iron from the substrate. All the samples had droplets from the cathode in the middle of the regular coating. The thickness of all the thin films was thinner than the 2 μm expected at the beginning of the experience. All the coatings were characterized and associated to the situation that their application could become more advantageous.