Monitoramento de Tecnologias de Tratamentos

1707
MONITORAMENTO DE TECNOLOGIAS DE TRATAMENTOS SUPERFICIAIS
PARA RESISTÊNCIA AO DESGASTE EM COMPRESSORES HERMÉTICOS
Leandro Innocentini Lopes de Faria, Pedro Carlos Oprime,
Wanda A. Machado Hoffmann, José Angelo R. Gregolin
NIT/Materiais - Núcleo de Informação Tecnológica em Materiais
DEMa/Universidade Federal de São Carlos
Rodovia Washington Luís, km 235
13565-905 São Carlos - SP
http://www.nit.ufscar.br
mailto:[email protected]
RESUMO
O conhecimento das tecnologias de materiais disponíveis ou em desenvolvimento
possibilita a aplicação mais eficaz desses recursos na indústria para a criação de
produtos inovadores e elevação da competitividade. As tecnologias de tratamentos
superficiais são particularmente importantes uma vez que proporcionam melhorias
no desempenho dos produtos em relação a várias solicitações, como resistência ao
desgaste, à corrosão à temperatura e à fadiga, dentre outros. Nesse contexto, o
objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um procedimento para
monitoramento de tecnologias na área de tratamento de superfícies, visando à
melhoria da resistência ao desgaste, que permita apoiar decisões sobre inovações.
O procedimento conta com as etapas de coleta, armazenagem, análise e síntese de
informações científicas e tecnológicas a partir de fontes formais e informais. A
análise das informações é realizada com o auxílio de softwares estatísticos e de
análise bibliométrica. Como resultado deste trabalho, é criada uma visão do assunto
focalizado, evidenciando o atual estágio de desenvolvimento dos compressores
herméticos e das tecnologias de tratamentos superficiais empregados na sua
fabricação.
ABSTRACT:
Knowing materials technology, available or in development, makes it possible for
industries to effectively apply this resources, targetting the development of innovatory
products and increasing the competitiveness. The surface treatment technologies are
specifically important once they ensure the increase of product performance related
to several requests, such as wearing and corrosion resistance, fatigue, and others. In
this way, this work intends to develop a procedure for technological watching in the
field of surface treatments, aiming the increase of wearing resistance, which ensures
support for decision making involving innovation. The procedure embodies collection,
storage, analysis and synthesis of scientific and technological information from formal
and informal sources. The information analysis has been accomplished with
computer aided methods and bibliometric analysis. The results have generated a
view of the focused subject, making evident the current state of hermetic
compressors development and surface treatment technologies used in its production.
1708
INTRODUÇÃO
Para a coleta, tratamento e uso de informações sobre mudanças tecnológicas
que possam ter valor estratégico em decisões sobre inovação, é importante uma
atividade de vigilância sistematizada sobre os acontecimentos do ambiente externo
da empresa interessada. Esta atividade vem sendo chamada de Monitoramento
Tecnológico ou Inteligência Competitiva e parte da definição dos fatores críticos do
ambiente externo que possam causar maior impacto sobre os negócios da empresa
e continua com a realização de coleta de informações a partir de diferentes fontes,
análise das informações coletadas para a criação de uma visão abrangente do
assunto focalizado, e síntese das informações para a geração de um relatório
conciso, de alto valor agregado, suficientemente completo e claro. A análise de
informações externas à empresa sobre surgimento de tecnologias e frentes de
pesquisa ou criação e desenvolvimento de novos produtos e processos permite a
visualização de tendências de mercado ou estratégias de outras empresas [1-4].
A coleta de informação vem sendo favorecida pelo crescimento exponencial
do número de fontes de informação úteis para a realização do Monitoramento
Tecnológico. A utilização de Bancos de Dados on-line é um dos recursos mais
importantes para o acesso às informações formais. Seu grande mérito é
disponibilizar, de maneira concentrada, informações sobre grande parte dos
assuntos potencialmente estudáveis. Bases de dados científicas, como Metadex,
Compendex, Rapra e Chemical Abstracts, e de patentes, como a WPIL - World
Patent Index Latest, a QpatUs e a Classificação Internacional de Patentes,
disponibilizadas on-line, pela internet ou através de CD-ROMs, são algumas das
fontes de informação úteis para o Monitoramento Tecnológico de materiais [5].
No caso específico de compressores herméticos, as bases de dados
bibliográficas Compendex e Metadex são bastante úteis para proporcionar um visão
dos desenvolvimentos científicos quanto a aspectos de engenharia e de materiais,
respectivamente. As bases de dados de patentes também são importantes nesse
caso, para permitir o conhecimento de como as tecnologias de tratamentos
superficiais estão sendo aplicadas para promover melhorias em compressores.
O compressor hermético, popularmente conhecido como "motor de geladeira"
e utilizado em refrigeradores e condicionadores de ar entre outras aplicações, é um
sistema mecânico que depende do comportamento de seus componentes frente ao
desgaste para apresentar um bom desempenho [6]. Nos últimos anos, os fabricantes
de compressores herméticos têm sido pressionados para aperfeiçoar o produto
quanto à eficiência energética, redução de ruídos e substituição dos gases
refrigerantes CFC por outros menos prejudiciais à camada de ozônio [7]. A
substituição dos gases refrigerantes tem produzido um efeito colateral para o
desempenho e a vida útil do compressor hermético: o aumento do desgaste de seus
componentes. Atribui-se esse fato, entre outros fatores, ao menor poder lubrificante
dos novos gases e à alteração das interações do par gás - lubrificante. Entre outras
alternativas para o problema do desgaste, vem sendo testado o uso de tratamentos
superficiais, como implantação de íons e recobrimento por spray térmico [8-10].
Há dois posicionamentos quando deseja-se reduzir os níveis de desgaste de
um produto baseando-se nas propriedades do material: a) a utilização de um
material que apresente boa resistência ao desgaste devido a sua composição e
propriedades; b) a utilização de um material estrutural, de baixo custo, com sua
superfície modificada através de tratamentos ou recobrimentos para proporcionar o
nível desejado de proteção contra o desgaste [11].
1709
As propriedades superficiais de um material podem ser alteradas segundo
três tipos de processos [11,12]: a) aplicação de filmes sólidos lubrificantes, que
protegem a material do desgaste através da prevenção da adesão entre os
substratos; b) aplicação de tratamentos superficiais, que modificam a superfície do
substrato, tanto para endurecê-la como para produzir uma liga mais resistente ao
desgaste na superfície do material; c) aplicação de recobrimentos superficiais que
não alteram as propriedades da superfície do material, mas a substituem. Nesse
último caso, o desgaste torna-se função das propriedades do recobrimento e não do
material. A deposição de recobrimentos permite o uso de materiais de alto
desempenho na superfície, sobre um material base de baixo custo.
A partir desses três tipos de processos para melhoria das propriedades
superficiais de um material, foram desenvolvidos vários métodos de tratamentos
superficiais, mas poucos deles chegam a ser considerados para todas as
aplicações. Muitos não são aplicáveis devido a outros fatores além da resistência ao
desgaste. Alguns dos critérios que devem ser levados em conta no momento de
selecionar o processo a ser usado são [11]:
 Aplicabilidade do tratamento ao metal e peça em questão;
 Efeitos de variáveis ambientais e de processamento sobre o tratamento;
 Efeitos sobre dimensões, propriedades e processamentos subseqüentes;
 Disponibilidade;
 Custos.
Alguns dos processos de tratamento superficial envolvem tecnologias em
grande parte assimiladas pelas indústrias e são consideradas como convencionais,
entre elas, a cementação de aços e o endurecimento de metais por aplicação de
laser. Embora haja grande experiência nessas tecnologias, elas permitem ainda o
surgimento de mudanças e inovações que podem trazer vantagens competitivas.
Existem outros processos que não estão ainda plenamente desenvolvidos e que
também constituem-se em oportunidades de inovação na fabricação de produtos
resistentes ao desgaste. O melhor uso das tecnologias de tratamento superficial
podem levar as indústrias a um nível mais elevado de competitividade [12-14].
Os aços, por exemplo, estão entre os materiais que têm sido mais estudados
quanto a métodos para alteração de suas propriedades superficiais visando à
elevação da sua resistência ao desgaste. A TABELA 1 apresenta um conjunto
representativo dos métodos disponíveis para a melhoria da resistência ao desgaste
dos aços, através de endurecimento superficial [15,16].
TABELA 1: Métodos para endurecimento superficial de aços [15].
ADIÇÃO DE CAMADAS
Hardfacing
Soldagem
Spray térmico
Recobrimentos
Deposição química de vapor
Filmes finos
Recobrimento eletroquímico
TRATAMENTO SUPERFICIAL DO SUBSTRATO
Métodos difusivos (termoquímicos)
Cementação
Nitretação
Carbonitretação
Cianetação
Boretização
Métodos de endurecimento seletivo
por chama
por indução
por laser
por feixe eletrônico
por implantação de íons
1710
Algumas técnicas de tratamentos superficiais têm sido estudadas e
aplicadas em compressores, visando à elevação da resistência do produto ao
desgaste. Podem ser citadas a implantação e íons em diversas ligas metálicas,
a deposição física de fase vapor - PVD e o spray térmico. Especificamente para
compressores herméticos empregados em refrigeração, a implantação de íons
de nitrogênio em placas válvulas e o spray térmico por plasma têm
apresentado bons resultados para a redução do desgaste [8,9].
Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de
um procedimento para monitoramento de tecnologias na área de compressores
herméticos e tratamento de superfícies, visando à melhoria da resistência ao
desgaste.
PROCEDIMENTOS
As bases de dados Metadex, que contém registros de artigos científicos
e conferências na área de materiais, e QpatUs, contendo as páginas de rosto
das patentes concedidas nos Estados Unidos, foram selecionadas como fontes
de informação para a realização deste trabalho. O Metadex utilizado está
disponível em CD-ROM na Biblioteca Comunitária da Universidade Federal de
São Carlos e a QpatUs está disponível para buscas gratuitas no site
http://www.qpat.com.
A base de patentes dos Estados Unidos permite o monitoramento das
empresas atuantes no setor de compressores herméticos e das tecnologias por
elas empregadas. O Metadex, por ser uma base de dados científica, permite o
acompanhamento das tecnologias que estão sendo pesquisadas e
desenvolvidas para futuras aplicações.
Foram recuperadas 177 registros de patentes dos Estados Unidos e 158
registros de artigos científicos. Para facilitar a integração de dados
provenientes das diferentes fontes utilizadas foi criada uma base de dados
chamada Operacional. Antes de serem consolidados na Base de Dados
Operacional, os registros passaram por um processo de reformatação para
correção de erros existentes nas bases de dados e adequação do formato dos
registros para possibilitar um tratamento automatizado da informação. Após a
reformatação, realizada com o software Infotrans, foi criada a Base de Dados
Operacional através da importação dos dados pelo software Idealist.
Para a realização dos tratamentos bibliométricos necessários a esse
trabalho, foi utilizado o software Dataview, desenvolvido pelo Centre de
Recherche Rétrospective de Marseille - CRRM. Os dados provenientes das
duas bases de dados foram tratados separadamente. O tratamento realizado
envolveu a construção de listas de freqüências de aparição das palavras no
conjunto de dados e a construção de matrizes de co-ocorrência de palavras em
um mesmo registro. Através desse tratamento, os dados textuais foram
transformados em dados numéricos.
A partir das listas de freqüências de palavras e matrizes de coocorrência, e com a utilização dos softwares Word97 e Matrisme, foram
construídas tabelas e figuras que apresentam empresas e instituições de
pesquisa, pesquisadores, temas de pesquisa e fontes de informação ligados ao
produto focalizado e as redes de relacionamento existentes entre esses
elementos.
1711
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A evolução das concessões de patentes sobre compressores herméticos
nos Estados Unidos, apresentada pela FIGURA 1, ilustra uma tendência de
crescimento na concessão de patentes nos últimos 10 anos. Esse fato indica
que o mercado de compressores herméticos é atraente o suficiente para
estimular o desenvolvimento de novas tecnologias.
16
14
Número de patentes
12
10
8
6
4
1997
1996
S1
1995
1993
1994
1992
1990
1988
1991
Ano de depósito da patente
1989
1986
1987
1985
1983
1984
1982
1980
1981
1979
1977
1978
1974
0
1975
2
FIGURA 1: Evolução das concessões de patentes sobre
compressores herméticos nos Estados Unidos, entre 1974 e 1997.
Empresas
A FIGURA 2 apresenta a participação das empresas na concessão de
patentes sobre compressores herméticos no perído de 1974 a 1997. Nota-se a
presença das empresas líderes mundiais do setor de compressores herméticos
(Electrolux, com 19% do mercado mundial, Embraco 17%, Matsushita 16%,
Tecumseh 10% e Danfoss 7%).
1
0
5
10
15
Núm ero de Patentes
20
25
T ECUMSEH
EMBRACO
MAT SUSHIT A
HIT ACHI
GE
GOLDST AR
NECCHI
COPELAND
LG ELECT RONICS
DUNHAM BUSH
SANDEN
ASPERA (EMBRACO)
WHIT E C I (AMERICOLD/ELECT ROLUX)
WEST INGHOUSE
SANYO
CARRIER
UBUKAT A
T OKYO SHIBAURA
SUNDST RAND
SAMSUNG
MIT SUBISHI
L'UNIT E HERMET IQUE (T ECUMSEH)
HELIX T ECHNOLOGY
T OSHIBA
T HE T RANE
LENNOX
FUJIKURA
DANFOSS
DAEWOO
BORG WARNER
FIGURA 2: Distribuição das patentes concedidas sobre compressores
herméticos nos EUA, por empresa, de 1974 a 1997 (total de 177 patentes)
1712
Empresas
A FIGURA 3 apresenta a participação das empresas na concessão de
patentes sobre compressores herméticos no período de 1994 a 1998.
Comparando-se as FIGURAS 2 e 3, nota-se que nos úttimos anos, empresas
que não possuem tanto destaque no setor têm investido em desenvolvimentos.
0
5
10
Número de Patentes
15
Matsushita
LG
Goldstar
Copeland
Embraco
Ubukata
Necchi
Tecumseh
Sanyo
Sanden
Samsung
Mitsubishi
Carrier
FIGURA 3: Distribuição das patentes concedidas sobre compressores
herméticos nos Estados Unidos, por empresa, de 1994 a 1998
A FIGURA 4 apresenta os códigos das patentes concedidas nos Estados
Unidos a uma empresa fabricante de compressores. O monitoramento das
redes formadas por esses códigos revela tecnologias nas quais as empresas
têm investido esforços de desenvolvimento. O grupo dos códigos H02K-003 /
B32B-011 / B32B-027, por exemplo, indica o desenvolvimento tecnologias de
deposição de poliamida em superfícies tubulares para uso em enrolamentos.
FIGURA 4: Códigos de patentes de uma empresa qualquer, fabricante de
compressores.
A FIGURA 5 apresenta a rede de pesquisadores de um fabricante de
compressores, responsáveis por desenvolvimentos de compressores
patenteados nos Estados Unidos. Nota-se que dois pesquisadores, Da Costa,
que trabalha sozinho, e Lilie D., que é o coordenador da principal equipe, são
responsáveis pela maior parte dos desenvolvimentos de produtos deste
fabricante.
1713
FIGURA 5: Rede de pesquisadores de fabricante de compressores.
Empresas e instituições que realizam pesquisas sobre materiais para
uso em compressores são apresentadas na TABELA 1, criada a partir de
dados extraídos do Metadex. Entre elas, pode ser destacada a PUC do Rio de
Janeiro, como a única instituição brasileira presente na tabela.
TABELA 1: Empresas e instituições que pesquisam materiais para
utilização em compressores
o.
Empresa / Instituição
N de artigos
GENERAL ELECTRIC
5
HITACHI
4
PRATT AND WHITNEY
4
SUMITOMO INDUSTRIES
4
NATIONAL RESEARCH COUNCIL OF CANADA
3
ROLLS-ROYCE
3
UNIVERSITY OF TORONTO
3
DAIDO STEEL
2
DIESEL KIKI
2
GENERAL MOTORS
2
INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY
2
INTESCO
2
KOBE STEEL
2
NIHON UNIVERSITY
2
NOVA
2
PERM STATE UNIVERSITY
2
TOSHIBA
2
US NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY
2
UNIVERSIDADE CATOLICA DO RIO DE JANEIRO
1
Outras 92
1
1714
A TABELA 2 apresenta os autores de artigos científicos sobre o uso de
materiais em compressores. A tabela indica que há uma grande dispersão, com
um número muito grande de pesquisadores (331 no total) com poucas
publicações. Podem ser destacados os pesquisadores Freire, J L F e Vieira, R
D, da PUC do Rio de Janeiro, únicos pesquisadores brasileiros da tabela.
TABELA 2: Pesquisadores sobre materiais para uso em compressores
Autores
BOGUSLAYEV, V A
HASKELL, R W
MEGUID, S A
BLEUL, E
CRISPI, L
FRELING, M
IMMARIGEON, J P
ISOBE, S
ITAMI, T
KIRICHENKO, A I
KITAICHI, S
LINDSTROM, R M
MATSUMOTO, T
NAGAI, Y
NODA, T
OBODAN, N I
OKABE, M
PAPANIKOS, P
PAUL, R L
PRIVETT III, H M
SATO, I
SATO, K
SATO, S
TANAKA, T
UCHIDA, Y
YONEYAMA, T
FREIRE, J L F
VIEIRA, R D
Outros 303
o.
N de artigos
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1
Os temas de pesquisa associados a tratamentos de superfície
empregados em compressores são apresentados na TABELA 3. Nota-se a
preocupação em estudar processos, aplicações e usos de diversos tipos de
tratamentos de superfície para a melhoria das propriedades do produto.
TABELA 3: Tratamentos superficiais relacionados a compressores
Tratamento superficial
Coating
Coating Effects
Coatings
Protective Coatings
Ceramic Coatings
Plasma Spraying
Electroless Nickel Plating
Flame Spraying
Arc Spraying
Electroplating
Ion Implantation
Ion Nitriding
Spray Coating
Surface Pretreatments
Undercoatings
Vacuum Deposited Coatings
Vapor Deposition
Freqüência
19
15
14
6
5
5
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1715
Os materiais empregados na fabricação de compressores e sobre os
quais são aplicados recobrimentos para melhoria das propriedades são
mostrados na TABELA 4.
TABELA 4: Materiais-substrato que têm sido submetidos a recobrimentos
Substratos
TITANIUM BASE ALLOYS
SUPERALLOYS
NICKEL BASE ALLOYS
MARTENSITIC STAINLESS STEELS
HEAT RESISTANT STEELS
CAST IRON
CARBON STEELS
ALUMINUM BASE ALLOYS
A aplicação de recobrimentos sobre um material-substrato pode objetivar
a alteração de muitas das suas propriedades. A TABELA 5 apresenta as
propriedades estudadas quanto ao efeito da aplicação de recobrimentos.
TABELA 5: Propriedades estudadas sobre o efeito do uso de recobrimentos
Propriedades
CORROSION RESISTANCE
WEAR RESISTANCE
EROSION RESISTANCE
THERMAL FATIGUE
FRACTURE TOUGHNESS
FATIGUE
Freqüência
3
2
2
1
1
1
A TABELA 6 mostra os materiais que têm sido estudados para uso como
recobrimentos em compressores herméticos.
TABELA 6: Materiais que estão sendo testados como recobrimentos em
compressores
Materiais para recobrimentos
TITANIUM NITRIDE
COPPER
CEMENTED CARBIDES
BITUMENS
CONCLUSÕES
O trabalho permitiu desenvolver um procedimento coleta, tratamento,
análise e síntese de informação. Este procedimento permite a identificação de
conhecimentos úteis para a tomada de decisão visando a inovação.
A partir de informação recuperada em bases de dados disponíveis em
bibliotecas ou na internet, foi possível criar um panorama do ambiente em que
o produto compressor hermético está envolvido, incluindo a identificação de:

Nível de concorrência atual em relação ao produto focalizado;

Caracterização de empresas a partir de suas competências tecnológicas;

Especialistas em materiais para uso em compressores;

Empresas e instituições que realizam pesquisa e desenvolvimento de
tecnologias relacionadas a compressores;

Tratamentos de superfície empregados em compressores;

Materiais empregados como substrato e recobrimento em compressores;

Propriedades do material alteradas com aplicação de recobrimentos.
1716
A continuidade deste monitoramento com a inclusão de outros
procedimentos não empregados no trabalho atual trarão resultados adicionais
interessantes para auxiliar na investigação do assunto.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à FAPESP pelo suporte dado a este trabalho.
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