Capítulo 2 Literatura relevante
2.1.8 Aspectos do processamento a laser do metal duro WC-Co
No metal duro WC-Co, o coeficiente de absorção varia pouco com o comprimento de onda da irradiação laser, é 76-74% com λ = 1064 nm e 85% com λ = 355 nm. Em pulsos laser com duração de ns, a transferência de energia acontece no intervalo de duração do pulso em condições de equilíbrio térmico.
A remoção de material ocorre principalmente por fundição e vaporização, sendo determinantes as propriedades térmicas dos grãos de WC e da matriz de Co. Estas fases exibem condutividades térmicas comparáveis em temperatura ambiente (WC: 60–84 W·m-1·K-1, Co: 69– 75 W·m-1·K-1), mas têm diferentes comportamentos de fusão, como contrastado na Figura 2.7. O ponto de fusão do Co puro é de 1495 ºC e seu ponto de vaporização (2927 ºC) está na vizinhança do ponto de fusão do WC (2870 ºC). Mas o ponto de fusão das fases WC e Co embebidas começa na faixa entre 1250 e 1300 ºC devido à reação eutéctica. A temperatura eutéctica binária WC-Co está na casa dos 1310 ºC, enquanto a temperatura eutéctica ternária WC-Co é 1280 ºC. [Dumitru et al., 2005]. O ponto de vaporização do WC é 6000 ºC [Tiejun et al., 2001a].
No processo com laser, a fase de Co se funde e se vaporiza primeiro e a ablação do material ocorre principalmente por remoção seletiva do material aglomerante. Os grãos de WC são removidos pelo líquido e/ou pelos vapores de Co ejetados. Com altas densidades de energia, pode-se alcançar a temperatura de fusão do WC produzindo o crescimento de grãos de WC maiores (uns poucos µm) durante a solidificação [Dumitru et al., 2005].
Figura 2.7: Temperaturas influentes no processamento a laser
do metal duro WC-Co.
A Tabela 2.2 resume as propriedades térmicas do WC e do Co que podem ser usadas em modelos do processo. Mas, a pesquisa das propriedades dos materiais na literatura deve ser criteriosa, pois no processamento laser, as propriedades são altamente dependentes da temperatura, do comprimento de onda, da geometria e da intensidade [Zhang e Yao, 2004].
Tabela 2.2: Propriedades térmicas do WC e do Co de interesse no processamento a laser
[Lee, 1998; Santhanam, Tierney e Hunt, 1990; Dumitru et al., 2005].
WC Co Densidade [g·cm-3] 15,7 8,8
Temperatura de fusão [K] 3070-3140* 1768
Calor de fusão [J·g-1] 192,4 259,6
Refletividade (λ = 248 nm) 0,51 0,41
Coeficiente de absorção da luz (λ = 248 nm) [cm-1] 1,4×106 9,3×105
Condutividade térmica (a temp. ambiente) [W·m-1·K-1] 60–84 69–75
Calor específico (a temp. ambiente) [J·g-1·K-1] 0,210 0,440
A profundidade de penetração térmica, l, para o WC e o Co, utilizando, por exemplo, uma fonte laser com τ = 100 ns, l resulta 1,3 µm para os grãos de WC enquanto que para a matriz de Co é 1,4 µm, calculados através da equação (2.3). Em outras palavras, as profundidades de penetração são comparáveis e somente a grande diferença entre os pontos de fusão do WC e do Co determina seu comportamento diferenciado na ablação laser em regime temporal de ns.
Tiejun et al. [2001a], pesquisaram o comportamento de uma liga de metal duro WC-Co submetida à ablação com 100 pulsos laser aplicados com um laser excimer XeCl (308 nm, 20 ns). Com uma área irradiada de 0,003 cm2, foi observado que com uma intensidade de 80 MW·cm-2 se tinha o limiar de ablação (Figura 2.8).
Figura 2.8: Dependência da taxa de ablação em relação à
intensidade do laser [Li et al., 2001a].
Como mostrado na Figura 2.8 com baixas intensidades, a taxa de ablação aumenta quase linearmente com a intensidade até uns 200 MW·cm-2, então cresce lentamente até uma intensidade de 450 MW·cm-2 enquanto com intensidades maiores, a taxa de ablação se aproxima à saturação. Segundo os autores, este comportamento é devido provavelmente à blindagem por plasma e à atenuação do acoplamento energético produzida pelo vapor. A superfície obtida teve uma micromorfologia caracterizada por um padrão interligado de “picos e vales”.
Com o propósito de obter uma remoção seletiva do Co na superfície, Tiejun et al. [2001b] decidiram então utilizar uma intensidade de 125 MW·cm-2. A análise da superfície por difração
de raios-X mostrou que o pico de Co diminuiu até ser quase imperceptível quando foram aplicados 300 pulsos laser à superfície. Logo depois o pico de Co voltou a aumentar até 700 pulsos, possivelmente devido à segregação do Co na vizinhança da subsuperfície do substrato (possivelmente devido à difusão como proposto por Kano e Inoue [2006]). Tiejun et al. [2001b] concluíram que, com o propósito de remover o cobalto superficial do metal duro e reter ao máximo possível o carboneto de tungstênio, deve-se aplicar o feixe laser com a intensidade (fluência) correta. Se a intensidade do laser for muito baixa, não se pode esperar a remoção do cobalto superficial porque não há suficiente elevação da temperatura induzida pela irradiação laser. Se for aplicada uma intensidade muito elevada, a temperatura superficial vai aumentar excessivamente e, assim, não somente o cobalto como também o carboneto de tungstênio serão ablacionados.
Dumitru et al. [2003, 2004] experimentaram a furação de uma liga de metal duro com um laser de pulsos curtos de Ti:safira (800 nm, 100 fs, 1 kHz) com fluência entre 2 e 10 J·cm-2 e com 1 a 5×103 pulsos. O diâmetro do feixe laser no foco foi 25 µm. Nos maiores valores de fluência houve poucos pontos isolados com modificações térmicas no volume de material ao redor do furo, ao contrário do que acontece com o regime em ns em que se apresenta uma zona modificada contínua. Mas desfavoravelmente, houve, especialmente na parede de entrada dos furos, a presença de uma camada de material redepositado. Similarmente ao reportado por Tiejun et al. [2001a], foi observado que a taxa de ablação é linear com a fluência até certo valor após o qual a profundidade de material ablacionado por pulso é constante (Figura 2.8). Os furos produzidos tiveram uma geometria quase cilíndrica e nos valores moderados de fluência (2 e 5 J·cm-2) em que não se formou plasma, foi demonstrada a possibilidade de um processamento preciso e reproduzível.
Kano e Inoue [2006] encontraram que no tratamento a laser da superfície de uma liga de metal duro, a fluência apropriada pode produzir uma redução na dureza de até 10% em uma fina camada da superfície sem dano aparente por ablação do laser. Este fenômeno foi atribuído pelos autores à difusão do Co na subsuperfície devido à energia térmica gerada pelos pulsos do laser. Foi utilizado um laser Nd:YAG (532 nm, 5 ns, 10 Hz) com um diâmetro de feixe de 2,5 mm que
foi dirigido sobre uma área fixa da superfície durante 10 s (100 pulsos no total). Quando utilizada uma fluência de 0,25 J·cm-2, não houve dano aparente da superfície por ablação.
Karatas et al. [2007] experimentaram a fusão com laser de CO2 (10,6 µm, 100 e 200 Hz, 70 e 110 W) da superfície de uma liga de metal duro sob atmosfera com jato de proteção de nitrogênio que foi alimentado com pressão de 600 kPa coaxialmente ao feixe laser. O uso da atmosfera com proteção de nitrogênio originou a formação de uma fina camada de WN na superfície tratada. Também foi observada uma rede de trincas com comprimentos de até 0,5 mm que se estenderam dentro do substrato entre 60 e 80 µm abaixo e paralelamente à superfície. Segundo os autores, estas trincas foram o resultado do rápido aquecimento e resfriamento dos carbonetos. Além das trincas foram observados furos de sopro, particularmente nas áreas adjacentes às trincas, atribuídos à formação de gases COx devido à presença de oxigênio, embora se tivesse a proteção do jato de nitrogênio. A topografia de picos e vales resultante na superfície foi explicada como o resultado da diferença nos pontos de fusão dos materiais envolvidos, sendo que os picos são de WC pelo seu maior ponto de fusão e de evaporação.