Metal-duro (MD)

O metal-duro é usado em cerca de 50% das aplicações devido ao custo e à combinação da dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, possível graças à variação da sua composição. A ferramenta de MD pode ser aplicada em altas velocidades de corte.

A grande vantagem do metal duro é manter o corte da ferramenta vivo por muito mais tempo, mesmo quando submetido à velocidade de trabalho inúmeras vezes superior ao que suportaria o aço rápido. O metal duro aumentou significativamente a produtividade, por ter a propriedade de manter a dureza e assim o fio de corte, mesmo quando muito aquecido, pois quanto mais rápido se executa uma usinagem, maior o calor gerado na interface ferramenta-peça.

Desde o princípio, o metal-duro, por ser fruto da metalurgia do pó, foi desenvolvido em forma de pastilhas que, no começo, eram soldadas a hastes ou cabeçotes metálicos para, deste modo, formar a chamada ferramenta. Como as soldas não resistem às altas temperaturas geradas na usinagem e por isso soltariam as pastilhas durante o processo, causando acidentes, estas passaram a ser intercambiáveis e fixadas mecanicamente aos seus suportes, facilitando o processo de troca de uma ferramenta gasta por uma nova. A Figura 8.3 ilustra o processo de fabricação da ferramenta MD.

Figura 8.3 – Esquema do processo de fabricação da ferramenta de metal-duro

O metal-duro é composto de carbonetos metálicos em forma de minúsculas partículas que são incrustadas em metal ligante. Os componentes mais importantes são o carboneto de tungstênio (WC)

9 PVD (Physical Vapor Deposition), ou deposição física de vapor, é formada em temperaturas relativamente baixas (de 400 a 600°C) e envolve a evaporação de um metal que reage, por exemplo, com nitrogênio para formar uma cobertura de nitreto dura na superfície da ferramenta de corte. As coberturas PVD agregam resistência ao desgaste a uma classe devido à sua dureza. As tensões de compressão das coberturas PVD também agregam tenacidade à aresta e resistência contra trincas térmicas. A cobertura PVD é recomendada para arestas de corte tenazes e afiadas, bem como para materiais com tendência a abrasão. As aplicações incluem todas as fresas e brocas inteiriças e a maioria das classes para canais, roscamento e fresamento.

denominado Fase  (determina a resistência ao desgaste) e o metal ligante cobalto (Co) denominado Fase

 (determina a tenacidade).

O tamanho do grão do WC é um dos parâmetros mais importantes para ajuste da relação de dureza/tenacidade de uma classe; o tamanho do grão mais fino significa maior dureza a um determinado teor da fase ligante. A quantidade e composição do ligante rico em Co controla a tenacidade e a resistência da classe quanto à deformação plástica. Com um tamanho de grão igual ao WC, um aumento na quantidade de ligante resultará em uma classe mais tenaz, mais propícia ao desgaste por deformação plástica. Um teor de ligante muito baixo pode resultar em um material quebradiço.

Com o tempo, outros componentes foram adicionados a essa composição básica. A adição de carbonetos de titânio (TiC) (aumentar a resistência à craterização), de tântalo (TaC) e de nióbio (NbC) (maior tenacidade ao MD) denominados Fase , melhoraram muito a performance das ferramentas de metal-duro quanto a prevenir desgastes que se originam nos processos de formação de cavacos particulares a cada tipo de material.

Mais tarde, os pesquisadores descobriram a possibilidade de se revestir a superfície das pastilhas com finas camadas de Fase . Este revestimento geralmente é obtido tanto pelo processo CVD¹⁰ (85% dos casos), mas também pode ser feito pelo processo PVD¹¹ (15% dos casos). Estas camadas, que medem de 3 a 5 m de espessura, proporcionaram maior durabilidade à aresta de corte, pois a camada extrafina e extremamente dura sobre o núcleo tenaz permitiu que uma mesma pastilha suportasse tanto maiores esforços de corte (em operações de desbaste) quanto altas velocidades (em operações de acabamento).

Apesar de no início os revestimentos serem simples, a tecnologia do revestimento evoluiu até as pastilhas multirrevestidas, com camadas sobrepostas, onde cada uma delas exerce uma função específica a fim de conter os diferentes processos de desgastes que se desenvolvem durante a usinagem.

Comumente se tem um triplo revestimento: TiC/TiCN/TiN ou TiC/Al2O3/TiN. Entretanto, existem registros de ferramentas com até doze camadas de diferentes revestimentos. Cada camada tem uma função específica e a sua associação permite oferecer um material com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica. Uma única pastilha em uma determinada classe pode ser aplicável tanto em acabamento quanto em desbaste de metais, que podem variar do aço ao ferro fundido. Normalmente, o TiC ou o TiCN são revestimentos muito utilizados como a 1ª camada, pois garantem uma coesão muito boa com o substrato. Além disso, o TiC é um dos mais duros revestimentos utilizados, o que garante resistência ao desgaste. O Al2O3 é um revestimento intermediário muito empregado pela sua inércia química, sua dureza (e, portanto, resistência ao desgaste) e sua baixa condutividade térmica a altas temperaturas. O TiN se apresenta como a camada mais externa, pois proporciona baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco e entre a ferramenta e a peça. O TiAlN tem se mostrado excelente na

10 CVD (Chemical Vapor Deposition), ou deposição química de vapor, é gerada por reações químicas a temperaturas de 700 a 1050°C. As coberturas CVD possuem alta resistência ao desgaste e excelente adesão ao metal duro. O primeiro metal duro revestido CVD era de uma única camada de cobertura de carboneto de titânio (TiC).

Coberturas de óxido de alumínio (Al2O3) e coberturas de nitreto de titânio (TiN) foram introduzidas posteriormente. Mais recentemente, as coberturas de carbonitreto de titânio (MT-Ti(C,N) ou MT-TiCN, também chamado de MT-CVD, foram desenvolvidas para melhorar as propriedades da classe devido à sua habilidade em manter a interface de metal duro intacta. As modernas coberturas CVD combinam MT-Ti(C,N), Al2O3 e TiN. As propriedades da cobertura foram melhoradas continuamente quanto às propriedades de adesão, tenacidade e desgaste em virtude de otimizações e tratamentos posteriores microestruturais.

11 PVD é amplamente usada em metal-duro para aplicações de acabamento e como a classe de pastilha central na furação.

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usinagem de ferro fundido e pode se aplicado na usinagem de superligas de níquel. A Figura 8.4 mostra a estrutura do metal duro com o substrato de carboneto de tungstênio e a matriz metálica de cobalto, além dos revestimentos aplicados na superfície da ferramenta.

Figura 8.4 – Microestrutura do metal duro.

A Norma ISO 513 (2004) (classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges – designation of main groups and groups of application) apresenta a classificação de grupos de ferramentas. A letra de designação da classe é sempre acompanhada de um número que representa a tenacidade a resistência ao desgaste da ferramenta: quanto maior o número, maior a tenacidade e menor a resistência ao desgaste.

A subdivisão dentro de cada classe de metal-duro (P, M, K) depende principalmente de:

 A composição química do material da ferramenta, incluindo qualidade e quantidade de carbonetos. Por exemplo, a presença de TiC garante maior resistência ao desgaste, e uma maior quantidade de Co garante maior tenacidade.

 O tamanho dos grãos de carboneto: quanto mais finos, maior a tenacidade da ferramenta, aliada a uma maior dureza média.

A Figura 8.5 ilustra os diferentes tamanhos de grão na composição do metal-duro.

(a) (b) (c)

Figura 8.5 – Composição do metal duro: (a) tamanhos de grãos de (WC) médios a grossos; (b) tamanhos de grãos de WC fino ou submícron; (c) Metal duro com adição de carbonetos (fase ).

Metal duro revestido combina metal-duro com uma cobertura. Juntos eles formam uma classe personalizada para sua aplicação. As classes de metal duro revestido são a primeira escolha para uma variedade de ferramentas e aplicações.

Comumente pode-se encontrar nos catálogos de fornecedores referências sobre o grau de dureza e tenacidade das distintas classes de metal-duro, incluindo informações sobre os seus materiais constituintes. Essas informações são úteis para a escolha e adequação da ferramenta ao processo de usinagem que se deseja executar. A tabela da Figura 8.6 mostra esta designação.

Figura 8.6 – Classificação dos metais duros segundo a norma ISO 513 (2004)