O carboneto é a classe de materiais para ferramentas de usinagem de alta velocidade (HSM) mais utilizada. Produzido por processos de metalurgia do pó, ele consiste em partículas duras de carboneto (geralmente carboneto de tungstênio, WC) e um ligante metálico mais macio. Atualmente, existem centenas de carbonetos cementados à base de WC com diferentes composições, a maioria utilizando cobalto (Co) como ligante. Níquel (Ni) e cromo (Cr) também são elementos ligantes comuns, e outros elementos de liga podem ser adicionados. Por que existem tantas classes de carboneto? Como os fabricantes de ferramentas escolhem o material certo para uma operação de corte específica? Para responder a essas perguntas, vamos primeiro analisar as diversas propriedades que tornam o carboneto cementado um material ideal para ferramentas.
dureza e tenacidade
O carboneto cimentado de WC-Co apresenta vantagens únicas tanto em dureza quanto em tenacidade. O carboneto de tungstênio (WC) é inerentemente muito duro (mais duro que o coríndon ou a alumina), e sua dureza raramente diminui com o aumento da temperatura de operação. No entanto, ele carece de tenacidade suficiente, uma propriedade essencial para ferramentas de corte. Para aproveitar a alta dureza do carboneto de tungstênio e melhorar sua tenacidade, utiliza-se ligas metálicas para unir as partículas de carboneto de tungstênio, resultando em um material com dureza muito superior à do aço rápido, capaz de suportar a maioria das forças de corte. Além disso, ele suporta as altas temperaturas de corte geradas pela usinagem em alta velocidade.
Atualmente, quase todas as lâminas e pastilhas de WC-Co são revestidas, de modo que o papel do material base parece menos importante. Mas, na verdade, é o alto módulo de elasticidade do material WC-Co (uma medida de rigidez, que é cerca de três vezes maior que a do aço rápido à temperatura ambiente) que fornece o substrato indeformável para o revestimento. A matriz de WC-Co também proporciona a tenacidade necessária. Essas são as propriedades básicas dos materiais WC-Co, mas as propriedades do material também podem ser ajustadas pela alteração da composição e da microestrutura durante a produção dos pós de metal duro. Portanto, a adequação do desempenho da ferramenta a uma usinagem específica depende, em grande parte, do processo de fresamento inicial.
Processo de moagem
O pó de carboneto de tungstênio é obtido pela cementação do pó de tungstênio (W). As características do pó de carboneto de tungstênio (especialmente o tamanho das partículas) dependem principalmente do tamanho das partículas do pó de tungstênio utilizado como matéria-prima e da temperatura e tempo de cementação. O controle químico também é crucial, e o teor de carbono deve ser mantido constante (próximo ao valor estequiométrico de 6,13% em peso). Uma pequena quantidade de vanádio e/ou cromo pode ser adicionada antes do tratamento de cementação para controlar o tamanho das partículas do pó em processos subsequentes. Diferentes condições de processamento e diferentes aplicações finais exigem uma combinação específica de tamanho de partícula do carboneto de tungstênio, teor de carbono, teor de vanádio e teor de cromo, permitindo a produção de uma variedade de pós de carboneto de tungstênio. Por exemplo, a ATI Alldyne, fabricante de pó de carboneto de tungstênio, produz 23 tipos padrão de pó de carboneto de tungstênio, e a variedade de pó de carboneto de tungstênio personalizado de acordo com as necessidades do usuário pode ser mais de 5 vezes maior que a dos tipos padrão.
Ao misturar e moer pó de carboneto de tungstênio e ligante metálico para produzir um determinado tipo de pó de carboneto cimentado, diversas combinações podem ser utilizadas. O teor de cobalto mais comum é de 3% a 25% (em peso), e, caso seja necessário aumentar a resistência à corrosão da ferramenta, adiciona-se níquel e cromo. Além disso, o ligante metálico pode ser ainda mais aprimorado com a adição de outros componentes de liga. Por exemplo, a adição de rutênio ao carboneto cimentado de WC-Co pode melhorar significativamente sua tenacidade sem reduzir sua dureza. Aumentar o teor de ligante também pode melhorar a tenacidade do carboneto cimentado, mas reduzirá sua dureza.
Reduzir o tamanho das partículas de carboneto de tungstênio pode aumentar a dureza do material, mas o tamanho das partículas deve permanecer constante durante o processo de sinterização. Durante a sinterização, as partículas de carboneto de tungstênio se combinam e crescem por meio de um processo de dissolução e reprecipitação. No processo de sinterização propriamente dito, para formar um material totalmente denso, a ligação metálica se torna líquida (chamada sinterização em fase líquida). A taxa de crescimento das partículas de carboneto de tungstênio pode ser controlada pela adição de outros carbonetos de metais de transição, incluindo carboneto de vanádio (VC), carboneto de cromo (Cr3C2), carboneto de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC). Esses carbonetos metálicos são geralmente adicionados quando o pó de carboneto de tungstênio é misturado e moído com uma liga metálica, embora o carboneto de vanádio e o carboneto de cromo também possam ser formados durante a cementação do pó de carboneto de tungstênio.
O pó de carboneto de tungstênio também pode ser produzido a partir de materiais reciclados de resíduos de carboneto cementado. A reciclagem e a reutilização de resíduos de carboneto têm uma longa história na indústria de carboneto cementado e são uma parte importante de toda a cadeia econômica do setor, ajudando a reduzir custos de materiais, economizar recursos naturais e evitar o descarte prejudicial de resíduos. Os resíduos de carboneto cementado geralmente podem ser reutilizados pelo processo APT (paratungstato de amônio), pelo processo de recuperação de zinco ou por trituração. Esses pós de carboneto de tungstênio "reciclados" geralmente apresentam densificação melhor e mais previsível, pois possuem uma área superficial menor do que os pós de carboneto de tungstênio produzidos diretamente pelo processo de cementação de tungstênio.
As condições de processamento da moagem mista de pó de carboneto de tungstênio e ligante metálico também são parâmetros cruciais do processo. As duas técnicas de moagem mais comumente utilizadas são a moagem de bolas e a micromoagem. Ambos os processos permitem a mistura uniforme dos pós moídos e a redução do tamanho das partículas. Para que a peça prensada posteriormente tenha resistência suficiente, mantenha sua forma e permita que o operador ou manipulador a manuseie para operação, geralmente é necessário adicionar um ligante orgânico durante a moagem. A composição química desse ligante pode afetar a densidade e a resistência da peça prensada. Para facilitar o manuseio, é aconselhável adicionar ligantes de alta resistência, mas isso resulta em uma menor densidade de compactação e pode produzir grumos que podem causar defeitos no produto final.
Após a moagem, o pó é geralmente seco por pulverização para produzir aglomerados de fluxo livre, unidos por ligantes orgânicos. Ajustando a composição do ligante orgânico, a fluidez e a densidade de carga desses aglomerados podem ser otimizadas conforme desejado. Ao peneirar partículas mais grossas ou mais finas, a distribuição granulométrica do aglomerado pode ser ainda mais ajustada para garantir um bom fluxo quando carregado na cavidade do molde.
Fabricação de peças
As peças de metal duro podem ser fabricadas por diversos métodos de processamento. Dependendo do tamanho da peça, do nível de complexidade da forma e do lote de produção, a maioria das pastilhas de corte é moldada utilizando matrizes rígidas de pressão superior e inferior. Para manter a consistência do peso e do tamanho da peça durante cada prensagem, é necessário garantir que a quantidade de pó (massa e volume) que flui para a cavidade seja exatamente a mesma. A fluidez do pó é controlada principalmente pela distribuição granulométrica dos aglomerados e pelas propriedades do aglutinante orgânico. As peças moldadas (ou "blanks") são formadas aplicando-se uma pressão de moldagem de 10 a 80 ksi (quilo-libras por pé quadrado) ao pó carregado na cavidade do molde.
Mesmo sob pressão de moldagem extremamente alta, as partículas duras de carboneto de tungstênio não se deformam nem quebram, mas o aglutinante orgânico é comprimido nos espaços entre as partículas, fixando-as em sua posição. Quanto maior a pressão, mais forte a ligação entre as partículas de carboneto de tungstênio e maior a densidade de compactação da peça. As propriedades de moldagem de diferentes tipos de pó de carboneto cementado podem variar, dependendo do teor de aglutinante metálico, do tamanho e formato das partículas de carboneto de tungstênio, do grau de aglomeração e da composição e adição de aglutinante orgânico. Para fornecer informações quantitativas sobre as propriedades de compactação de diferentes tipos de pó de carboneto cementado, o fabricante do pó geralmente define a relação entre densidade de moldagem e pressão de moldagem. Essas informações garantem que o pó fornecido seja compatível com o processo de moldagem do fabricante da ferramenta.
Peças de metal duro de grandes dimensões ou com alta relação de aspecto (como hastes de fresas e brocas) são geralmente fabricadas a partir de pó de metal duro prensado uniformemente em um saco flexível. Embora o ciclo de produção do método de prensagem balanceada seja mais longo do que o do método de moldagem, o custo de fabricação da ferramenta é menor, tornando este método mais adequado para produção em pequenos lotes.
Este método de prensagem consiste em colocar o pó em um saco, selar a boca do saco e, em seguida, colocar o saco cheio de pó em uma câmara, aplicando uma pressão de 30 a 60 ksi por meio de um dispositivo hidráulico. As peças prensadas são frequentemente usinadas para geometrias específicas antes da sinterização. O tamanho do saco é ampliado para acomodar a contração da peça durante a compactação e para fornecer margem suficiente para operações de retificação. Como a peça precisa ser processada após a prensagem, os requisitos para a consistência da carga não são tão rigorosos quanto os do método de moldagem, mas ainda é desejável garantir que a mesma quantidade de pó seja carregada no saco a cada vez. Se a densidade de carga do pó for muito baixa, pode haver pó insuficiente no saco, resultando em peças muito pequenas e que precisam ser descartadas. Se a densidade de carga do pó for muito alta e houver pó em excesso no saco, a peça precisará ser processada para remover mais pó após a prensagem. Embora o excesso de pó removido e as peças descartadas possam ser reciclados, isso reduz a produtividade.
As peças de metal duro também podem ser moldadas por extrusão ou injeção. O processo de moldagem por extrusão é mais adequado para a produção em massa de peças com formato axissimétrico, enquanto o processo de moldagem por injeção é geralmente utilizado para a produção em massa de peças com formatos complexos. Em ambos os processos de moldagem, diferentes tipos de pó de metal duro são suspensos em um aglutinante orgânico que confere à mistura uma consistência semelhante à de pasta de dente. O composto é então extrudado através de um orifício ou injetado em uma cavidade para formar a peça. As características do tipo de pó de metal duro determinam a proporção ideal de pó para aglutinante na mistura e têm uma influência importante na fluidez da mistura através do orifício de extrusão ou na injeção na cavidade.
Após a conformação da peça por moldagem, prensagem isostática, extrusão ou injeção, o aglutinante orgânico precisa ser removido antes da etapa final de sinterização. A sinterização elimina a porosidade da peça, tornando-a totalmente (ou substancialmente) densa. Durante a sinterização, a ligação metálica na peça conformada por prensagem torna-se líquida, mas a peça mantém sua forma sob a ação combinada de forças capilares e ligação entre as partículas.
Após a sinterização, a geometria da peça permanece a mesma, mas suas dimensões são reduzidas. Para obter o tamanho desejado da peça após a sinterização, a taxa de contração precisa ser considerada no projeto da ferramenta. O tipo de pó de metal duro utilizado na fabricação de cada ferramenta deve ser projetado para apresentar a contração correta quando compactado sob a pressão adequada.
Em quase todos os casos, é necessário um tratamento pós-sinterização da peça sinterizada. O tratamento mais básico de ferramentas de corte é a afiação da aresta de corte. Muitas ferramentas requerem retificação de sua geometria e dimensões após a sinterização. Algumas ferramentas requerem retificação superior e inferior; outras requerem retificação periférica (com ou sem afiação da aresta de corte). Todos os cavacos de metal duro provenientes da retificação podem ser reciclados.
Revestimento da peça
Em muitos casos, a peça acabada precisa ser revestida. O revestimento proporciona lubrificação e maior dureza, além de uma barreira de difusão para o substrato, prevenindo a oxidação quando exposto a altas temperaturas. O substrato de metal duro é crucial para o desempenho do revestimento. Além de ajustar as principais propriedades do pó da matriz, as propriedades da superfície da matriz também podem ser ajustadas por meio da seleção química e da alteração do método de sinterização. Através da migração do cobalto, é possível concentrar mais cobalto na camada mais externa da superfície da lâmina, numa espessura de 20 a 30 μm, em relação ao restante da peça, conferindo assim à superfície do substrato maior resistência e tenacidade, tornando-a mais resistente à deformação.
Com base em seu próprio processo de fabricação (como método de desparafinação, taxa de aquecimento, tempo de sinterização, temperatura e tensão de cementação), o fabricante de ferramentas pode ter requisitos especiais quanto ao tipo de pó de carboneto cimentado utilizado. Alguns fabricantes de ferramentas podem sinterizar a peça em um forno a vácuo, enquanto outros podem usar um forno de sinterização por prensagem isostática a quente (HIP) (que pressuriza a peça perto do final do ciclo do processo para remover quaisquer resíduos ou poros). Peças sinterizadas em forno a vácuo também podem precisar ser prensadas isostaticamente a quente por meio de um processo adicional para aumentar a densidade da peça. Alguns fabricantes de ferramentas podem usar temperaturas de sinterização a vácuo mais altas para aumentar a densidade sinterizada de misturas com menor teor de cobalto, mas essa abordagem pode resultar em uma microestrutura mais grosseira. Para manter um tamanho de grão fino, podem ser selecionados pós de carboneto de tungstênio com partículas menores. Para adequar-se ao equipamento de produção específico, as condições de desparafinação e a tensão de cementação também têm requisitos diferentes quanto ao teor de carbono no pó de carboneto cimentado.
Classificação de notas
A combinação de diferentes tipos de pó de carboneto de tungstênio, a composição da mistura e o teor de ligante metálico, o tipo e a quantidade de inibidor de crescimento de grãos, entre outros fatores, constituem uma variedade de classes de carboneto cementado. Esses parâmetros determinam a microestrutura do carboneto cementado e suas propriedades. Algumas combinações específicas de propriedades são prioritárias para determinadas aplicações de processamento, tornando importante a classificação das diversas classes de carboneto cementado.
Os dois sistemas de classificação de carboneto mais comumente usados para aplicações de usinagem são o sistema de designação C e o sistema de designação ISO. Embora nenhum dos sistemas reflita completamente as propriedades do material que influenciam a escolha das classes de carboneto cementado, eles fornecem um ponto de partida para discussão. Para cada classificação, muitos fabricantes têm suas próprias classes especiais, resultando em uma ampla variedade de classes de carboneto.
Os tipos de carboneto também podem ser classificados por composição. Os tipos de carboneto de tungstênio (WC) podem ser divididos em três categorias básicas: simples, microcristalino e ligado. Os tipos simples consistem principalmente de carboneto de tungstênio e ligantes de cobalto, mas também podem conter pequenas quantidades de inibidores de crescimento de grão. O tipo microcristalino é composto de carboneto de tungstênio e ligante de cobalto, com adição de algumas milésimas de carboneto de vanádio (VC) e/ou carboneto de cromo (Cr3C2), e seu tamanho de grão pode atingir 1 μm ou menos. Os tipos ligados são compostos de carboneto de tungstênio e ligantes de cobalto contendo alguns por cento de carboneto de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC). Essas adições também são conhecidas como carbonetos cúbicos devido às suas propriedades de sinterização. A microestrutura resultante exibe uma estrutura trifásica não homogênea.
1) Classes de carboneto simples
Essas ligas para corte de metais geralmente contêm de 3% a 12% de cobalto (em peso). O tamanho dos grãos de carboneto de tungstênio geralmente varia entre 1 e 8 μm. Assim como em outras ligas, a redução do tamanho das partículas de carboneto de tungstênio aumenta sua dureza e resistência à ruptura transversal (TRS), mas reduz sua tenacidade. A dureza da liga pura geralmente varia entre HRA89 e 93,5; a resistência à ruptura transversal geralmente varia entre 175 e 350 ksi. Os pós dessas ligas podem conter grandes quantidades de materiais reciclados.
Os aços do tipo simplex podem ser divididos em C1 a C4 no sistema de classificação C e classificados de acordo com as séries K, N, S e H no sistema de classificação ISO. Os aços simplex com propriedades intermediárias podem ser classificados como aços de uso geral (como C2 ou K20) e podem ser utilizados para torneamento, fresamento, aplainamento e mandrilamento; os aços com granulometria menor ou menor teor de cobalto e maior dureza podem ser classificados como aços de acabamento (como C4 ou K01); os aços com granulometria maior ou maior teor de cobalto e melhor tenacidade podem ser classificados como aços de desbaste (como C1 ou K30).
Ferramentas fabricadas com aços de classe Simplex podem ser usadas para usinagem de ferro fundido, aços inoxidáveis das séries 200 e 300, alumínio e outros metais não ferrosos, superligas e aços temperados. Essas classes também podem ser usadas em aplicações de corte de materiais não metálicos (por exemplo, como ferramentas de perfuração geológica e de rochas) e possuem uma faixa de tamanho de grão de 1,5 a 10 μm (ou maior) e um teor de cobalto de 6% a 16%. Outra aplicação de aços de classe Simplex no corte de materiais não metálicos é na fabricação de matrizes e punções. Essas classes geralmente possuem um tamanho de grão médio com um teor de cobalto de 16% a 30%.
(2) Classes de carboneto cimentado microcristalino
Essas classes de aço geralmente contêm de 6% a 15% de cobalto. Durante a sinterização em fase líquida, a adição de carboneto de vanádio e/ou carboneto de cromo pode controlar o crescimento de grãos para obter uma estrutura de grãos finos com tamanho de partícula inferior a 1 μm. Essa classe de grãos finos apresenta dureza muito alta e resistência à ruptura transversal acima de 500 ksi. A combinação de alta resistência e tenacidade suficiente permite que essas classes utilizem um ângulo de ataque positivo maior, o que reduz as forças de corte e produz cavacos mais finos, cortando em vez de empurrar o material metálico.
Por meio da rigorosa identificação da qualidade das diversas matérias-primas na produção de pós de carboneto cementado e do controle estrito das condições do processo de sinterização para evitar a formação de grãos anormalmente grandes na microestrutura do material, é possível obter propriedades adequadas. Para manter o tamanho de grão pequeno e uniforme, o pó reciclado deve ser utilizado somente se houver controle total da matéria-prima e do processo de recuperação, além de extensos testes de qualidade.
Os aços microcristalinos podem ser classificados de acordo com a série M do sistema de classificação ISO. Além disso, os demais métodos de classificação, tanto no sistema C quanto no sistema ISO, são os mesmos dos aços puros. Os aços microcristalinos podem ser utilizados na fabricação de ferramentas para corte de materiais mais macios, pois a superfície da ferramenta pode ser usinada com extrema suavidade, mantendo um fio de corte extremamente afiado.
Os aços microcristalinos também podem ser usados para usinar superligas à base de níquel, pois suportam temperaturas de corte de até 1200 °C. Para o processamento de superligas e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de aço microcristalino e ferramentas de aço puro contendo rutênio pode melhorar simultaneamente sua resistência ao desgaste, à deformação e à tenacidade. Os aços microcristalinos também são adequados para a fabricação de ferramentas rotativas, como brocas, que geram tensão de cisalhamento. Existem brocas feitas de aços compostos de metal duro. Em partes específicas da mesma broca, o teor de cobalto no material varia, de modo que a dureza e a tenacidade da broca sejam otimizadas de acordo com as necessidades de processamento.
(3) Classes de carboneto cimentado do tipo liga
Essas classes de aço são usadas principalmente para o corte de peças de aço, e seu teor de cobalto geralmente varia de 5% a 10%, com tamanho de grão entre 0,8 e 2 μm. A adição de 4% a 25% de carboneto de titânio (TiC) reduz a tendência de difusão do carboneto de tungstênio (WC) para a superfície dos cavacos de aço. A resistência da ferramenta, a resistência ao desgaste de cratera e a resistência ao choque térmico podem ser melhoradas com a adição de até 25% de carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC). A adição desses carbonetos cúbicos também aumenta a dureza a quente da ferramenta, ajudando a evitar a deformação térmica em operações de corte pesado ou outras em que a aresta de corte gera altas temperaturas. Além disso, o carboneto de titânio pode fornecer sítios de nucleação durante a sinterização, melhorando a uniformidade da distribuição de carboneto cúbico na peça.
De modo geral, a faixa de dureza dos aços cementados do tipo liga é HRA91-94, e a resistência à fratura transversal é de 150-300 ksi. Comparados aos aços puros, os aços do tipo liga apresentam menor resistência ao desgaste e menor resistência mecânica, porém melhor resistência ao desgaste adesivo. Os aços do tipo liga podem ser divididos em C5-C8 no sistema de classificação C e classificados de acordo com as séries P e M no sistema de classificação ISO. Os aços do tipo liga com propriedades intermediárias podem ser classificados como aços de uso geral (como C6 ou P30) e podem ser utilizados para torneamento, rosqueamento, aplainamento e fresamento. Os aços mais duros podem ser classificados como aços de acabamento (como C8 e P01) para operações de torneamento e mandrilamento de acabamento. Esses aços normalmente apresentam tamanhos de grão menores e menor teor de cobalto para obter a dureza e a resistência ao desgaste necessárias. No entanto, propriedades semelhantes podem ser obtidas adicionando-se mais carbonetos cúbicos. Os aços com maior tenacidade podem ser classificados como aços de desbaste (por exemplo, C5 ou P50). Essas classes de aço geralmente apresentam tamanho de grão médio e alto teor de cobalto, com baixas adições de carbonetos cúbicos para atingir a tenacidade desejada, inibindo a propagação de trincas. Em operações de torneamento interrompido, o desempenho de corte pode ser ainda mais aprimorado com o uso das classes de aço ricas em cobalto mencionadas acima, com maior teor de cobalto na superfície da ferramenta.
Ligas com menor teor de carboneto de titânio são utilizadas para usinagem de aço inoxidável e ferro maleável, mas também podem ser usadas para usinagem de metais não ferrosos, como superligas à base de níquel. O tamanho de grão dessas ligas geralmente é inferior a 1 μm e o teor de cobalto varia de 8% a 12%. Ligas mais duras, como a M10, podem ser usadas para torneamento de ferro maleável; ligas mais tenazes, como a M40, podem ser usadas para fresamento e aplainamento de aço, ou para torneamento de aço inoxidável ou superligas.
Os carbonetos cementados do tipo liga também podem ser usados para usinagem de materiais não metálicos, principalmente na fabricação de peças resistentes ao desgaste. O tamanho das partículas desses carbonetos geralmente varia de 1,2 a 2 μm, e o teor de cobalto é de 7% a 10%. Na produção desses carbonetos, geralmente é adicionada uma alta porcentagem de matéria-prima reciclada, resultando em alta relação custo-benefício em aplicações de peças de desgaste. Peças de desgaste exigem boa resistência à corrosão e alta dureza, características que podem ser obtidas com a adição de carboneto de níquel e cromo na produção desses carbonetos.
Para atender às exigências técnicas e econômicas dos fabricantes de ferramentas, o pó de carboneto é o elemento-chave. Os pós desenvolvidos especificamente para os equipamentos de usinagem e parâmetros de processo dos fabricantes de ferramentas garantem o desempenho da peça acabada e resultaram em centenas de classes de carboneto. A natureza reciclável dos materiais de carboneto e a possibilidade de trabalhar diretamente com os fornecedores de pó permitem que os fabricantes de ferramentas controlem efetivamente a qualidade de seus produtos e os custos de materiais.
Data da publicação: 18/10/2022
