O tempo de pulso ligado da fonte (ton) controla, basicamente, o tempo efetivo de
bombardeamento do cátodo. Ao se efetuar a alteração deste parâmetro, para uma dada tensão aplicada (Vcc), tem-se conseqüentemente a variação na energia total transferida ao cátodo.
Assim, para manter a temperatura, é necessário alterar outro parâmetro da descarga, no caso a pressão da mistura gasosa na câmara. Este procedimento, não altera (segundo o modelo aqui utilizado) significantemente a energia dos íons, lembrando que o produto “p.d” é considerado constante com a variação da pressão. Como a energia dos íons depende da tensão aplicada ao cátodo (Vcc=V) e do produto “p.d”, conforme a Equação 2.4, a energia permanece constante
com o aumento da pressão desde que a tensão (V) seja mantida constante. Assim, ao se efetuar o aumento do parâmetro ton tem-se proporcionalmente uma quantidade maior de íons
bombardeando o cátodo, sendo este proporcional à densidade de corrente medida na descarga e à temperatura do cátodo. Tal procedimento é interessante quando se deseja adicionar uma quantidade maior ou menor de elemento de liga sem alterar as condições de sinterização da amostra, isto porque é possível alterar o tempo total de bombardeamento do cátodo, sem, no entanto, alterar a temperatura e o tempo de processamento da amostra (sinterização).
Além do tempo de pulso ligado (ton) já estudado (150 µs), foram também realizados
estudos com ton iguais a 100 e 200 µs, para as tensões de pico (Vcc) iguais a 400, 500, 600 e
700 V, sempre que possível. A proporcionalidade da energia de bombardeamento foi calculada conforme o item anterior, baseado na Figura 4.19 e são mostradas na Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Valores de pressão dos gases no reator de plasma e da proporcionalidade da energia de bombardeamento dos íons para ton iguais a 100 e 200 µs e Vcc de 400 a 700 V.
ton = 100 µs ton = 200 µs Tensão negativa aplicada (V) Pressão
medida (Pa) Produto p.d (Pa.mm) V (p.d)
-1 (VPa1mm-1) [Energia proporcional a 700 V] Pressão
medida (Pa) Produto p.d (Pa.mm) V (p.d)
-1 (VPa1mm-1) [Energia proporcional a 700 V] 400 * * * 1950 290 1,38 [0,30] 500 2690 220 2,27 [0,49] 1050 212 2,36 [0,51] 600 1430 171 3,51 [0,76] 610 173 3,47 [0,75] 700 825 151 4,63 [1,00] 440 156 4,63 [1,00]
* condição não atingida devido à elevada pressão requerida.
Observando as Tabelas 4.4 e 4.6 pode-se notar que para uma mesma tensão aplicada, os valores de pressão necessitam ser elevados quando o tempo ligado da fonte é reduzido. Com 500 V de tensão negativa aplicada ao cátodo e tempos ligados da fonte (ton) de
200, 150 e 100 µs a pressão necessária para manter a temperatura a 1150ºC foi de 1050, 1300 e 2690 Pa, respectivamente. No entanto analisando as densidades de corrente necessárias para atingir a temperatura de 1150ºC (Figura 4.24) pode-se dizer que houve certa perda na energia dos íons ao se elevar a pressão na câmara. Nas condições de tensão de pico constante, as densidades de corrente para os diferentes valores de tempo de pulso deveriam permanecer constantes, pois a redução no tempo de pulso (ton) deveria ser contrabalanceada pelo aumento
Figura 4.24 – Variação da densidade de corrente em função do tempo de pulso ligado da fonte (ton) para tensões de pico de 500, 600 e 700 V.
O leve aumento da densidade de corrente para tempos de pulso ligado (ton)
menores, pode ser conseqüência da não linearidade da redução da espessura da bainha catódica com o aumento da pressão, conforme sugerido por Mason e Pichilingi [47], para espessura da bainha catódica menores que 1 mm. Este efeito faz com que o produto “p.d” aumente com o aumento da pressão, reduzindo consequentemente a energia dos íons.
Admite-se que a ordem de grandeza do erro causado por este comportamento não seja suficientemente grande para interferir na análise qualitativa apresentada nesta pesquisa. Sabe-se, no entanto, que o método utilizado para estimar a proporcionalidade da energia de bombardeamento é aproximado e que estudos mais detalhados necessitariam de uma cuidadosa estimativa da energia dos íons, sendo até mesmo imprescindível a medição direta da energia dos mesmos. No presente momento não há no Laboratório de Materiais o equipamento necessário para este fim.
A variação de perda de massa do cátodo e o ganho de massa da amostra são mostrados nas Figuras 4.25a e 4.25b, respectivamente. Com estas figuras é possível notar um comportamento similar na perda de massa do cátodo e no ganho de massa da amostra. Isto significa dizer que mesmo em condições diferentes de pressão, a deposição foi proporcional à quantidade removida do cátodo.
Observando a Figura 4.25b pode-se notar que em todas as condições as amostras submetidas à sinterização com ton igual a 200 µs apresentaram variação de massa maior que as
amostras tratadas com ton de 100 µs. Esta característica já era esperada, pois com tempo de
pulso ligado da fonte maior tem-se maior tempo efetivo de bombardeamento para um mesmo tempo de tratamento. Como conseqüência do maior tempo efetivo de bombardeamento se
observa maior taxa de pulverização do cátodo e, consequentemente, maior quantidade de átomos depositados na superfície da amostra.
(a) (b)
Figura 4.25 – Variação de massa do cátodo (a) e da amostra (b) para as diferentes condições de tensão aplicada ao cátodo e tempo de pulso ligado.
As Figuras 4.26a e 4.26b mostram os perfis de cromo das amostras sinterizadas com ton iguais a 100 e 200 µs para várias tensões aplicadas.
(a) (b)
Figura 4.26 – Perfil de concentração de cromo das amostras sinterizadas em várias tensões de pico com tempo ligado da fonte (ton) igual a 100 µs (a) e 200 µs (b).
Os perfis de cromo estão de acordo com os valores de ganho de massa das amostras. Para a amostra sinterizada com ton de 100 µs e tensão de pico de 500 V se observa a
ausência do patamar constante de cromo (Figura 4.26a). Este valor parece ser proporcionalmente muito menor que o subseqüente (600V e 100 µs). Isto pode ser atribuído ao fato da elevada pressão utilizada, produzindo, além de maior perda de energia dos íons,
menor distância para a termalização dos átomos pulverizados, levando a uma baixa taxa de deposição sobre o ânodo e maior taxa de retrodeposição (Figura 4.25). Neste caso, a relativa baixa quantidade de cromo depositada não foi suficiente para que a concentração mínima para a estabilização da fase α do ferro fosse atingida para o tempo de sinterização utilizado. Conforme discutido anteriormente, supõe-se que neste caso não tenha ocorrido sinterização ativada observada em todos os demais casos. As Figuras 4.27 e 4.28 mostram micrografias destas amostras.
(a) 400 V (b) 500 V (c) 600 V (d) 700 V
Figura 4.27 – Micrografias das amostras sinterizadas a 1150ºC com ton de 100 µs e tensões negativas
de pico de 500 V (b), 600 V (c) e 700 V (d). A condição de 400 V (a) não foi alcançada.
(a) 400 V (b) 500 V (c) 600 V (d) 700 V
Figura 4.28 – Micrografias das amostras sinterizadas a 1150ºC com ton de 200 µs e tensões negativas
A espessura das camadas apresentadas nas Figuras 4.27 e 4.28 estão de acordo com o perfil de cromo mostrado na Figura 4.26. Apesar da amostra da Figura 4.27b não apresentar a camada observada nos demais casos, a mesma possui uma camada superficial enriquecida com cromo, conforme perfil da Figura 4.26. Porém como não há a presença da região com concentração constante de cromo de aproximadamente 10% em peso, não foi evidenciada a presença de uma camada enriquecida com Cr. Esta característica está de acordo com a suposição levantada na primeira seção, onde se afirma que o reagente químico usado revela a camada com alto teor de cromo devido ao ataque seletivo de regiões com alto e baixo teor de Cr. A presença desta camada está relacionada à ocorrência de sinterização ativada na superfície. A Figura 4.29 apresenta imagens da superfície dos casos extremos estudados nesta seção, ou seja, 500 V, 100 µs e 700 V, 200 µs.
(a) (b)
Figura 4.29 – Imagens da superfície das amostras sinterizadas com Vcc = 500 V, ton = 100 µs (a) e
Vcc=700 V e ton = 200 µs (b).
Na superfície da amostra apresentada na Figura 4.29a não ocorreu transformação de fase γ-α durante a sinterização devido ao enriquecimento com Cr, assim a superfície apresenta ainda uma quantidade relativamente grande de poros pequenos e irregulares. Já no caso da amostra da Figura 4.29b, como a transformação de fase ocorreu, logo é observada a eliminação de poros de menores dimensões e arredondamento dos contatos entre as partículas, formando assim uma camada mais densa, em conseqüência da ocorrência da sinterização ativada nesta região.
Os resultados apresentados nesta seção confirmam a ocorrência de transformação de fase em decorrência da deposição de quantidade superior a 10% em peso de cromo, além de fornecer resultados úteis ao entendimento do processo de sinterização em descarga
luminescente anormal com enriquecimento de cromo.
4.2.4 EFEITO DA TEMPERATURA DE SINTERIZAÇÃO NO PROCESSO DE