PLASMATEC 180

O SISTEMA

O PLAMASTEC 180 é uma planta  integrada de nitretação por plasma pulsado em forno à vácuo desenvolvida pelo Plasma LIITS. O sistema opera como uma unidade autônoma controlada por PLC (Controlador Lógico Programável) e supervisionada desde um PC usando uma interfase gráfica. O sistema de controle permite definir os parâmetros do processo, supervisionar a operação, armazenar programas completos de processo (receitas) e emitir relatórios (tabelas e gráficos) das diversas variáveis do ciclo térmico e de implantação. (Figura 1). O programa permite modificar parâmetros durante o processo. Os degraus de modificações estão determinados pelo nível do usuário cadastrado, indo de supervisores a operadores. O programa de controle apresenta um esquema sinóptico auto-explicativo, permitindo visualizar os pontos de controle e supervisão na tela principal. A barra de ferramentas da tela principal permite acessar em todo momento, relatórios de eventos, receitas, gráficos de controle, parâmetros envolvidos tais como pressão, fluxos, corrente, tensão, tempo de processos, etc. Por suas características, o PLASMATEC 180 é uma unidade ideal para desenvolver processos e para produções de volumes médios de peças.

 

Figura 1. – Painel superior: Diagrama em bloco do sistema supervisor. Painel inferior: Tela do esquema sinótico de supervisão do PLASMATEC 180.

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

O PLASMATEC 180 apresenta as seguintes características:

·Forno vertical tipo “campanula” lifting giratório motorizado, simplificando o processo de carga e descarga da unidade;
·Dimensões úteis da região quente de 40×60 cm;
·Máxima temperatura de processo: 650 º C;
·Máximo desvio de temperatura na região de trabalho de +/-3 ºC (temporal e espacial);
·Carga máxima: 200 kg;
·Potência máxima de plasma: 60 kW;
·Corrente máxima de pulso: 60 A;
·Tensão máxima de pulso: 1000 V;
·Opera com mistura de até 4 gases diferentes;
·Sistema de vácuo composto por bombas mecânicas de duplo estágio e tipo root. Esta última com capacidade de 250 m3/h, minimizando tempos de operação;
·Circuito fechado de refrigeração por água;
·“Down Stream Control” da pressão do forno;
·Controle da vazão dos gases durante o processo de nitretação mediante mass flowmeter controllers;
·Construção robusta com mínima manuntenção.

A figura 2 mostra uma vista geral do equipamento PLASMATEC 180 atualmente em operação no Laboratório de Implantação Iônica e Tratamento de Superfícies (LIITS) UNICAMP, Campinas, São Paulo, Brasil. No primeiro plano aparece o forno a vácuo, enquanto que da direita para a esquerda pode-se ver o gabinete de controle de gases, o painel de comando do forno e a fonte de plasma. O sistema de vácuo fica oculto pelo forno.

Figura 2. – Vista geral da planta de nitretação.

 

Figura 3. – Esquema do forno de nitretação

A figura 3 mostra o esquema geral do forno. Trata-se de um forno de parede quente, aquecido por resistências elétricas isoladas termicamente com lã de fibras de alumínio, invólucro de aço carbono e acabamento à base de pintura refratária industrial. O vaso se ergue mediante um mecanismo de suspensão motorizado (lifting) e giratório para permitir a carga e descarga do material, sem necessidade de remoção dos cabos e mangueiras externas. O aquecimento é obtido por resistências distribuídas ao longo da parede lateral do vaso, as quais estão divididas em 3 setores, de forma a possibilitar uniformidade e controle de temperatura nas peças nitretadas possuindo uma potência elétrica de aquecimento de até 45 kVA. A temperatura é monitorada por 3 termopares de Fé / Constantan, isolados eletricamente até 2KV. As perdas globais em operação são menores de 600 W.
A retorta de vácuo, com um volume de aproximadamente 180 litros, e integralmente construída com aço inox refratário de dimensões de 500mm de diâmetro e 900mm de altura, e com solda especial, testada com He, apresentando um vazamento <2×10-5 slm (litros standard / minuto). O vácuo final <10-3 torr à temperatura ambiente e 10-2 torr a 500 ºC. A flange inferior, com canal para vedação com o-ring de Viton, completa a retorta de vácuo. A flange, também construída em aço inoxidável, contém os passantes elétricos, para vácuo, controle, etc., refrigerados por água mediante um circuito hidráulico fechado pressurizado. Todos os acessos ao sistema estão padronizados (KF40), permitindo engate rápido dos diversos elementos de controle, vácuo, etc., assim como as mangueiras do sistema hidráulico. A atmosfera (H2 + N2) dentro do forno durante o processo de nitretação é comandado eletronicamente mediante controladores
de fluxo de massa enquanto que a pressão de trabalho via válvula “borboleta” localizada à saída do sistema (Down Stream Control).

A fonte de tensão pulsada que gera o plasma, construída com componentes semicondutores de potência de última geração, apresenta as seguintes características.

·Tensão de pulso ajustável em forma contínua de 0 – 1000 V
·Corrente de pulso: ajustável de 0-60 A
·Densidade de corrente constante.
·Duração do pulso: ajustável 30-1500 ms, em degraus de 1 ms
·Duração do tempo entre pulsos: ajustável entre 30-1500 ms em degraus de 1 ms.
·A estabilidade da corrente, melhor que 0.1 %, permite uma perfeita uniformidade do plasma sobre as peças a serem tratadas.
·Controle da fonte por Controlador Lógico Programável.
·A fonte está protegida por um sistema supervisor de arcos que interrompe a corrente do plasma em um tempo de 1 microsegundo, para evitar o deterioro das peças.
·Os passantes elétricos admitem correntes de até 60 A e as peças a serem nitretadas descansam sobre uma base isolada. Todos os isolamentos são testados com tensão contínua de até 2 KV.

A foto da Figura 4 mostra uma engrenagem sendo tratado com uma mistura de nitrogênio e hidrogênio a 500 C durante 15 horas de processo. Finalmente, Fifura 5 mostra um processo tipico de tratamento de peças.

 


Figura 4. – Visor do forno durante o tratamento de peças (engrenagens). A foto mostra como o plasma cobre toda a peça, garantindo uniformidade na implantação dos íons.

Figura 5. – Esquema de um processo tipico de nitretação seguido de oxidação in situ.