O metal duro é a classe mais amplamente utilizada de materiais para ferramentas de usinagem de alta velocidade (HSM), que são produzidos por processos de metalurgia do pó e consistem em partículas de metal duro (geralmente carboneto de tungstênio WC) e uma composição de ligação metálica mais macia. Atualmente, existem centenas de carbonetos cimentados à base de WC com diferentes composições, a maioria dos quais usa cobalto (Co) como ligante, níquel (Ni) e cromo (Cr) também são elementos ligantes comumente usados, e outros também podem ser adicionados . alguns elementos de liga. Por que existem tantas classes de metal duro? Como os fabricantes de ferramentas escolhem o material certo para uma operação de corte específica? Para responder a essas perguntas, vamos primeiro examinar as diversas propriedades que tornam o metal duro um material ideal para ferramentas.
dureza e tenacidade
O metal duro WC-Co tem vantagens exclusivas tanto em dureza quanto em tenacidade. O carboneto de tungstênio (WC) é inerentemente muito duro (mais que o corindo ou alumina) e sua dureza raramente diminui à medida que a temperatura operacional aumenta. No entanto, falta-lhe tenacidade suficiente, propriedade essencial para ferramentas de corte. A fim de aproveitar a alta dureza do carboneto de tungstênio e melhorar sua tenacidade, as pessoas usam ligações metálicas para unir o carboneto de tungstênio, de modo que este material tenha uma dureza muito superior à do aço rápido, ao mesmo tempo em que é capaz de suportar a maioria dos cortes. operações. força de corte. Além disso, pode suportar as altas temperaturas de corte causadas pela usinagem em alta velocidade.
Hoje, quase todas as facas e insertos WC-Co são revestidos, então o papel do material de base parece menos importante. Mas, na verdade, é o elevado 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 não deformável para o revestimento. A matriz WC-Co também fornece a tenacidade necessária. Essas propriedades são as propriedades básicas dos materiais WC-Co, mas as propriedades do material também podem ser adaptadas ajustando a composição e a microestrutura do material ao produzir 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 fresagem
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 da matéria-prima em pó de tungstênio e da temperatura e do tempo de carburação. O controle químico também é crítico 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 através de processos subsequentes. Diferentes condições de processo a jusante e diferentes usos de processamento final exigem uma combinação específica de tamanho de partícula de carboneto de tungstênio, teor de carbono, teor de vanádio e teor de cromo, através da qual uma variedade de diferentes pós de carboneto de tungstênio podem ser produzidos. Por exemplo, a ATI Alldyne, fabricante de pó de carboneto de tungstênio, produz 23 tipos padrão de pó de carboneto de tungstênio, e as variedades de pó de carboneto de tungstênio personalizadas de acordo com as necessidades do usuário podem chegar a mais de 5 vezes as qualidades padrão de pó de carboneto de tungstênio.
Ao misturar e moer pó de carboneto de tungstênio e ligação metálica para produzir um certo grau de pó de carboneto cimentado, várias combinações podem ser usadas. O teor de cobalto mais utilizado é de 3% a 25% (relação em peso), e caso seja necessário aumentar a resistência à corrosão da ferramenta é necessário adicionar níquel e cromo. Além disso, a ligação metálica pode ser melhorada pela adição de outros componentes de liga. Por exemplo, adicionar rutênio ao metal duro WC-Co pode melhorar significativamente sua tenacidade sem reduzir sua dureza. Aumentar o teor de ligante também pode melhorar a tenacidade do metal duro, mas reduzirá sua dureza.
A redução do tamanho das partículas de carboneto de tungstênio pode aumentar a dureza do material, mas o tamanho das partículas do carboneto de tungstênio deve permanecer o mesmo durante o processo de sinterização. Durante a sinterização, as partículas de carboneto de tungstênio se combinam e crescem através de um processo de dissolução e reprecipitação. No processo de sinterização real, para formar um material totalmente denso, a ligação metálica torna-se 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 ligação metálica, embora o carboneto de vanádio e o carboneto de cromo também possam ser formados quando o pó de carboneto de tungstênio é cementado.
O pó de carboneto de tungstênio também pode ser produzido usando resíduos reciclados de materiais de metal duro. A reciclagem e reutilização de sucata de metal duro tem uma longa história na indústria de metal duro e é uma parte importante de toda a cadeia econômica da indústria, ajudando a reduzir custos de materiais, economizar recursos naturais e evitar desperdícios de materiais. Eliminação prejudicial. Sucata de metal duro geralmente pode ser reutilizada pelo processo APT (paratungstato de amônio), processo de recuperação de zinco ou por britagem. Esses pós de carboneto de tungstênio “reciclados” geralmente têm uma densificação melhor e previsível porque têm uma área superficial menor do que os pós de carboneto de tungstênio feitos diretamente através do processo de cementação de tungstênio.
As condições de processamento da moagem mista de pó de carboneto de tungstênio e ligação metálica também são parâmetros cruciais do processo. As duas técnicas de fresamento mais comumente utilizadas são o moinho de bolas e o microfresamento. Ambos os processos permitem a mistura uniforme de pós moídos e tamanho reduzido de partículas. Para fazer com que a peça prensada posteriormente tenha resistência suficiente, mantenha a forma da peça e permita que o operador ou manipulador pegue a peça para operação, geralmente é necessário adicionar um aglutinante orgânico durante a retificação. A composição química desta ligação 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 menor densidade de compactação e pode produzir grumos que podem causar defeitos no produto final.
Após a moagem, o pó é normalmente seco por pulverização para produzir aglomerados de fluxo livre mantidos juntos por ligantes orgânicos. Ajustando a composição do ligante orgânico, a fluidez e a densidade de carga destes aglomerados podem ser adaptadas conforme desejado. Ao filtrar partículas mais grossas ou mais finas, a distribuição do tamanho das partículas do aglomerado pode ser ainda mais adaptada para garantir um bom fluxo quando carregado na cavidade do molde.
Fabricação de peças
As peças de metal duro podem ser formadas por uma variedade de métodos de processo. Dependendo do tamanho da peça, do nível de complexidade do formato e do lote de produção, a maioria das pastilhas de corte são moldadas usando matrizes rígidas de pressão superior e inferior. Para manter a consistência do peso e tamanho da peça durante cada prensagem, é necessário garantir que a quantidade de pó (massa e volume) que flui para dentro da cavidade seja exatamente a mesma. A fluidez do pó é controlada principalmente pela distribuição de tamanho dos aglomerados e pelas propriedades do ligante orgânico. As peças moldadas (ou “blanks”) são formadas pela aplicação de uma pressão de moldagem de 10-80 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 ou quebram, mas o aglutinante orgânico é pressionado nas lacunas entre as partículas de carboneto de tungstênio, fixando assim a posição das partículas. Quanto maior a pressão, mais forte será a ligação das partículas de carboneto de tungstênio e maior será a densidade de compactação da peça. As propriedades de moldagem dos tipos de pó de carboneto cimentado podem variar, dependendo do conteúdo do ligante metálico, do tamanho e da forma das partículas de carboneto de tungstênio, do grau de aglomeração e da composição e adição do ligante orgânico. A fim de fornecer informações quantitativas sobre as propriedades de compactação de classes de pós de metal duro, a relação entre a densidade de moldagem e a pressão de moldagem é geralmente projetada e construída pelo fabricante do pó. Esta informação garante que o pó fornecido é compatível com o processo de moldagem do fabricante da ferramenta.
Peças de metal duro de grande porte ou peças de metal duro com altas proporções (como hastes para fresas de topo e brocas) são normalmente fabricadas a partir de graus de pó de metal duro prensados uniformemente em um saco flexível. Embora o ciclo de produção do método de prensagem balanceada seja mais longo que o do método de moldagem, o custo de fabricação da ferramenta é menor, portanto este método é mais adequado para produção de pequenos lotes.
Este método de processo consiste em colocar o pó no saco, selar a boca do saco e, em seguida, colocar o saco cheio de pó em uma câmara e aplicar uma pressão de 30-60 ksi através de um dispositivo hidráulico para pressionar. As peças prensadas são frequentemente usinadas em geometrias específicas antes da sinterização. O tamanho do saco é aumentado para acomodar o encolhimento 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 pequena, isso pode levar a pó insuficiente no saco, fazendo com que a peça de trabalho seja muito pequena e tenha que ser descartada. Se a densidade de carga do pó for muito alta e o pó carregado no saco for muito grande, a peça de trabalho precisa ser processada para remover mais pó após ser prensada. Embora o excesso de pó removido e as peças descartadas possam ser reciclados, isso reduz a produtividade.
Peças de metal duro também podem ser formadas usando matrizes de extrusão ou matrizes de injeção. O processo de moldagem por extrusão é mais adequado para a produção em massa de peças de formato axissimétrico, enquanto o processo de moldagem por injeção é geralmente usado para a produção em massa de peças de formato complexo. Em ambos os processos de moldagem, os tipos de pó de metal duro são suspensos em um aglutinante orgânico que confere uma consistência semelhante à de pasta de dente à mistura de metal duro. O composto é então extrudado através de um orifício ou injetado em uma cavidade para formar. As características do tipo de pó de metal duro determinam a proporção ideal de pó para ligante na mistura e têm uma influência importante na fluidez da mistura através do orifício de extrusão ou injeção na cavidade.
Depois que a peça é formada por moldagem, prensagem isostática, extrusão ou moldagem por injeção, o ligante orgânico precisa ser removido da peça antes do estágio final de sinterização. A sinterização remove a porosidade da peça, tornando-a totalmente (ou substancialmente) densa. Durante a sinterização, a ligação metálica na peça moldada por pressão torna-se líquida, mas a peça mantém sua forma sob a ação combinada de forças capilares e ligação de partículas.
Após a sinterização, a geometria da peça permanece a mesma, mas as dimensões são reduzidas. Para obter o tamanho necessário da peça após a sinterização, a taxa de contração precisa ser considerada ao projetar a ferramenta. O tipo de pó de metal duro usado para fabricar cada ferramenta deve ser projetado para ter a contração correta quando compactado sob a pressão apropriada.
Em quase todos os casos, é necessário o tratamento pós-sinterização da peça sinterizada. O tratamento mais básico das ferramentas de corte é afiar a aresta de corte. Muitas ferramentas requerem retificação de sua geometria e dimensões após a sinterização. Algumas ferramentas requerem retificação superior e inferior; outros requerem retificação periférica (com ou sem afiação da aresta de corte). Todos os cavacos de metal duro resultantes da retificação podem ser reciclados.
Revestimento da peça
Em muitos casos, a peça acabada precisa ser revestida. O revestimento proporciona lubricidade e aumento de dureza, além de barreira de difusão ao substrato, evitando a oxidação quando exposto a altas temperaturas. O substrato de metal duro é fundamental para o desempenho do revestimento. Além de adaptar as propriedades principais do pó da matriz, as propriedades superficiais da matriz também podem ser adaptadas por seleção química e alteração do método de sinterização. Através da migração do cobalto, mais cobalto pode ser enriquecido na camada mais externa da superfície da lâmina dentro da espessura de 20-30 μm em relação ao resto da peça, dando assim à superfície do substrato melhor resistência e tenacidade, tornando-o 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 da ferramenta pode ter alguns requisitos especiais para o tipo de pó de metal duro 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). As peças sinterizadas em um forno a vácuo também podem precisar ser prensadas isosticamente 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 esta abordagem pode tornar sua microestrutura mais grosseira. Para manter um tamanho de grão fino, podem ser selecionados pós com tamanho de partícula menor de carboneto de tungstênio. Para corresponder ao equipamento de produção específico, as condições de desparafinação e a tensão de cementação também apresentam requisitos diferentes para o teor de carbono no pó de metal duro.
Classificação de notas
Mudanças combinadas de diferentes tipos de pó de carboneto de tungstênio, composição da mistura e conteúdo de ligante metálico, tipo e quantidade de inibidor de crescimento de grãos, etc., constituem uma variedade de classes de metal duro. Estes parâmetros determinarão a microestrutura do metal duro e suas propriedades. Algumas combinações específicas de propriedades tornaram-se prioridade para algumas aplicações específicas de processamento, tornando significativa a classificação de vários tipos de metal duro.
Os dois sistemas de classificação de metal duro mais comumente usados para aplicações de usinagem são o sistema de designação C e o sistema de designação ISO. Embora nenhum dos sistemas reflita totalmente as propriedades do material que influenciam a escolha das classes de metal duro, 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 metal duro.
As classes de metal duro também podem ser classificadas por composição. As classes de carboneto de tungstênio (WC) podem ser divididas em três tipos básicos: simples, microcristalino e ligado. As classes Simplex consistem principalmente em carboneto de tungstênio e aglutinantes de cobalto, mas também podem conter pequenas quantidades de inibidores de crescimento de grãos. O grau microcristalino é composto de carboneto de tungstênio e ligante de cobalto adicionados com vários milésimos de carboneto de vanádio (VC) e (ou) carboneto de cromo (Cr3C2), e seu tamanho de grão pode atingir 1 μm ou menos. Os graus de liga são compostos de carboneto de tungstênio e ligantes de cobalto contendo uma pequena porcentagem 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 metal duro simples
Essas classes para corte de metal geralmente contêm de 3% a 12% de cobalto (em peso). A faixa de tamanho dos grãos de carboneto de tungstênio é geralmente entre 1-8 μm. Tal como acontece com outras classes, a redução do tamanho das partículas do carboneto de tungstênio aumenta sua dureza e resistência à ruptura transversal (TRS), mas reduz sua tenacidade. A dureza do tipo puro geralmente está entre HRA89-93,5; a resistência à ruptura transversal está geralmente entre 175-350 ksi. Os pós destas qualidades podem conter grandes quantidades de materiais reciclados.
As classes de tipo simples podem ser divididas em C1-C4 no sistema de notas C e podem ser classificadas de acordo com as séries de notas K, N, S e H no sistema de notas ISO. As classes simplex com propriedades intermediárias podem ser classificadas como classes de uso geral (como C2 ou K20) e podem ser usadas para torneamento, fresamento, aplainamento e mandrilamento; classes com tamanho de grão menor ou menor teor de cobalto e maior dureza podem ser classificadas como classes de acabamento (como C4 ou K01); classes com maior tamanho de grão ou maior teor de cobalto e melhor tenacidade podem ser classificadas como classes de desbaste (como C1 ou K30).
Ferramentas fabricadas em classes Simplex podem ser usadas para usinagem de ferro fundido, aço inoxidável das séries 200 e 300, alumínio e outros metais não ferrosos, superligas e aços endurecidos. Essas classes também podem ser usadas em aplicações de corte não metálico (por exemplo, como ferramentas de perfuração geológica e de rochas) e têm uma faixa de tamanho de grão de 1,5 a 10 μm (ou maior) e um teor de cobalto de 6% a 16%. Outro uso de classes de metal duro simples no corte de metais não é na fabricação de matrizes e punções. Essas classes normalmente têm tamanho de grão médio com teor de cobalto de 16% a 30%.
(2) Classes de metal duro microcristalino
Essas classes geralmente contêm 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 do grão para obter uma estrutura de grão fino com tamanho de partícula inferior a 1 μm. Esta classe de granulação fina possui 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 inclinação positivo maior, o que reduz as forças de corte e produz cavacos mais finos cortando em vez de empurrar o material metálico.
Através da identificação rigorosa da qualidade de diversas matérias-primas na produção de tipos de pó de metal duro e do controle rigoroso das condições do processo de sinterização para evitar a formação de grãos anormalmente grandes na microestrutura do material, é possível obter propriedades adequadas do material. Para manter o tamanho do grão pequeno e uniforme, o pó reciclado reciclado só deve ser utilizado se houver controle total da matéria-prima e do processo de recuperação, além de extensos testes de qualidade.
Os graus microcristalinos podem ser classificados de acordo com a série de graus M no sistema de graus ISO. Além disso, outros métodos de classificação no sistema de notas C e no sistema de notas ISO são iguais aos das notas puras. Classes microcristalinas podem ser usadas para fazer ferramentas que cortam materiais mais macios, porque a superfície da ferramenta pode ser usinada de forma muito lisa e pode manter uma aresta de corte extremamente afiada.
Classes microcristalinas também podem ser usadas para usinar superligas à base de níquel, pois podem suportar temperaturas de corte de até 1.200°C. Para o processamento de superligas e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de grau microcristalino e ferramentas de grau puro contendo rutênio pode melhorar simultaneamente sua resistência ao desgaste, resistência à deformação e tenacidade. As classes microcristalinas também são adequadas para a fabricação de ferramentas rotativas, como brocas, que geram tensão de cisalhamento. Existe uma broca feita de classes compostas de metal duro. Em peças específicas da mesma broca, o teor de cobalto no material varia, de modo que a dureza e a tenacidade da broca são otimizadas de acordo com as necessidades de processamento.
(3) Classes de metal duro tipo liga
Essas classes são usadas principalmente para cortar peças de aço, e seu teor de cobalto é geralmente de 5% a 10% e o tamanho do grão varia de 0,8 a 2 μm. Ao adicionar 4% a 25% de carboneto de titânio (TiC), a tendência do carboneto de tungstênio (WC) de se difundir na superfície dos cavacos de aço pode ser reduzida. A resistência da ferramenta, a resistência ao desgaste de cratera e a resistência ao choque térmico podem ser melhoradas adicionando até 25% de carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC). A adição de tais carbonetos cúbicos também aumenta a dureza vermelha da ferramenta, ajudando a evitar a deformação térmica da ferramenta em cortes pesados ou outras operações onde a aresta de corte irá gerar altas temperaturas. Além disso, o carboneto de titânio pode fornecer locais de nucleação durante a sinterização, melhorando a uniformidade da distribuição do carboneto cúbico na peça.
De modo geral, a faixa de dureza das classes de metal duro do tipo liga é HRA91-94 e a resistência à fratura transversal é de 150-300 ksi. Em comparação com as classes puras, as classes de liga apresentam baixa resistência ao desgaste e menor resistência, mas apresentam melhor resistência ao desgaste adesivo. Os graus de liga podem ser divididos em C5-C8 no sistema de grau C e podem ser classificados de acordo com as séries de grau P e M no sistema de grau ISO. As classes de liga com propriedades intermediárias podem ser classificadas como classes de uso geral (como C6 ou P30) e podem ser usadas para torneamento, rosqueamento, aplainamento e fresamento. As classes mais duras podem ser classificadas como classes de acabamento (como C8 e P01) para operações de acabamento de torneamento e mandrilamento. Essas classes normalmente têm tamanhos de grãos menores e menor teor de cobalto para obter a dureza e a resistência ao desgaste necessárias. No entanto, propriedades de material semelhantes podem ser obtidas adicionando mais carbonetos cúbicos. As classes com maior tenacidade podem ser classificadas como classes de desbaste (por exemplo, C5 ou P50). Essas classes normalmente têm tamanho de grão médio e alto teor de cobalto, com baixas adições de carbonetos cúbicos para atingir a tenacidade desejada, inibindo o crescimento de trincas. Em operações de torneamento interrompido, o desempenho de corte pode ser melhorado ainda mais usando as classes ricas em cobalto mencionadas acima com maior teor de cobalto na superfície da ferramenta.
Classes de liga com menor teor de carboneto de titânio são usadas 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 do grão dessas classes é geralmente inferior a 1 μm e o teor de cobalto é de 8% a 12%. Classes mais duras, como M10, podem ser usadas para tornear ferro maleável; classes mais tenazes, como M40, podem ser usadas para fresamento e aplainamento de aço ou para torneamento de aço inoxidável ou superligas.
Classes de metal duro tipo liga também podem ser usadas para fins de corte não metálico, principalmente para a fabricação de peças resistentes ao desgaste. O tamanho das partículas dessas classes é geralmente de 1,2 a 2 μm e o teor de cobalto é de 7% a 10%. Na produção dessas classes, geralmente é adicionada uma alta porcentagem de matéria-prima reciclada, resultando em alta relação custo-benefício em aplicações de peças de desgaste. As peças de desgaste requerem boa resistência à corrosão e alta dureza, o que pode ser obtido pela adição de níquel e carboneto de cromo na produção dessas classes.
Para atender aos requisitos técnicos e econômicos dos fabricantes de ferramentas, o pó de metal duro é o elemento chave. Pós projetados para equipamentos de usinagem e parâmetros de processo de fabricantes de ferramentas garantem o desempenho da peça acabada e resultaram em centenas de classes de metal duro. A natureza reciclável dos materiais de metal duro e a capacidade de trabalhar diretamente com fornecedores de pó permitem que os fabricantes de ferramentas controlem efetivamente a qualidade de seus produtos e os custos de materiais.
Horário da postagem: 18 de outubro de 2022