Fundamentos do metal duro como material de ferramentas de corte: resumo

O pó de carboneto de tungsténio pode ser produzido por carburação de pó de tungsténio (W). O tamanho inicial das partículas, a temperatura, o tempo e o controlo do carbono afetam o resultado. O WC estequiométrico contém cerca de 6.13% de carbono em massa; o balanço de carbono necessário para um lote de metal duro depende também dos restantes constituintes e do processamento. Os fornecedores disponibilizam diferentes granulometrias e composições para requisitos posteriores específicos; confirme os dados atuais das qualidades em vez de confiar em números históricos de produtos.

O pó de carboneto de tungsténio é misturado com um ligante metálico selecionado. O teor de cobalto varia com a qualidade; podem utilizar-se ligantes à base de níquel e outras adições para requisitos específicos de corrosão ou desempenho. Aumentar o ligante geralmente favorece a tenacidade à custa da dureza e da resistência ao desgaste, mas toda a microestrutura importa. As adições de ruténio são específicas da qualidade e não se deve pressupor que melhoram a tenacidade sem alterar outras propriedades.

Grãos mais finos de carboneto de tungsténio podem aumentar a dureza, mas o crescimento durante a sinterização em fase líquida deve ser controlado. O carboneto de vanádio (VC) e o carboneto de crómio (Cr3C2) são utilizados como inibidores do crescimento em formulações adequadas. O carboneto de titânio (TiC), o carboneto de tântalo (TaC) e o carboneto de nióbio (NbC) também podem modificar a estrutura de fases e o comportamento de corte. Estas adições não são intercambiáveis; as quantidades e o ciclo de sinterização devem ser ajustados à qualidade.

O metal duro reciclado pode fornecer tungsténio e metais ligantes valiosos. As vias químicas através de paratungstato de amónio (APT), a recuperação com zinco e determinados processos de reutilização direta servem diferentes matérias-primas. A separação, o controlo de contaminação e os ensaios são essenciais. O pó reciclado não é automaticamente mais denso, mais previsível nem adequado a todas as qualidades; a sua aceitação depende da composição e das propriedades especificadas.

A moagem húmida mistura o pó de carboneto com os metais ligantes e ajuda a controlar o tamanho das partículas. Os auxiliares orgânicos de prensagem conferem resistência em verde para o manuseamento antes da sinterização. A composição e a quantidade influenciam o escoamento, a compactação e a remoção do ligante. Ligante em excesso ou mal disperso pode criar defeitos; a formulação deve equilibrar resistência de manuseamento, densidade e remoção limpa, em vez de maximizar apenas a resistência do ligante.

Após a moagem, o pó é normalmente seco por atomização, formando grânulos de escoamento livre unidos pelo ligante orgânico. Ao ajustar a composição do ligante, adaptam-se a fluidez e a densidade aparente. A peneiração das partículas mais grossas ou finas permite ajustar melhor a distribuição granulométrica para facilitar o enchimento da cavidade do molde.

A prensagem em matriz, a prensagem isostática, a extrusão e a moldação por injeção são utilizadas para diferentes formas e volumes de produção de metal duro. Muitas pastilhas são compactadas em matrizes rígidas. O enchimento uniforme, o escoamento do granulado, as ferramentas e a pressão controlada são importantes para repetir a densidade em verde e as dimensões. Utilize os dados de compactação do fornecedor e uma janela de processo validada; um intervalo amplo de pressão não é uma instrução operacional para todas as qualidades.

Durante a compactação, as partículas e os grânulos reorganizam-se e o sistema ligante ajuda a formar um compacto em verde coeso. Uma pressão maior pode aumentar a densidade dentro de uma janela de processo adequada, mas uma pressão excessiva pode danificar as partículas, as ferramentas ou o compacto. O comportamento depende da morfologia do pó, do teor de ligante, da granulação e dos auxiliares de prensagem. As curvas de pressão e densidade do fornecedor ajudam a ajustar o pó ao processo de conformação.

As pré-formas grandes ou esbeltas, incluindo as destinadas a fresas e
brocas, podem ser obtidas por prensagem isostática a frio em moldes flexíveis. A pressão é transmitida através de um fluido e a pré-forma resultante pode ser maquinada antes da sinterização. O tempo de ciclo, as ferramentas, a sobremedida de maquinagem e o volume de produção determinam o custo; esta via nem sempre é mais barata do que a prensagem em matriz rígida.

Na prensagem isostática a frio, o pó é colocado num molde flexível selado e compactado sob pressão de fluido. A pressão e o procedimento de enchimento devem ser validados para o pó e a geometria. As dimensões das ferramentas consideram a compactação, a contração posterior de sinterização e a sobremedida de maquinagem. A uniformidade do enchimento e da densidade continua a ser importante: o excesso de material aumenta o trabalho de maquinagem e reciclagem, enquanto uma quantidade insuficiente pode produzir uma pré-forma subdimensionada.

As peças de metal duro também podem ser conformadas por extrusão ou moldação por injeção. A extrusão é mais adequada à produção em série de peças axialmente simétricas, enquanto a injeção é normalmente utilizada para grandes séries de formas complexas. Nos dois processos, o pó da qualidade escolhida é disperso num ligante orgânico, formando uma mistura uniforme com consistência semelhante à de uma pasta dentífrica. A mistura é extrudida por uma abertura ou injetada numa cavidade. As características do pó determinam a proporção ideal entre pó e ligante e influenciam significativamente o escoamento pela abertura ou para o molde.

Após a prensagem, extrusão ou moldação por injeção, os constituintes orgânicos são removidos numa etapa controlada antes da densificação final. A sinterização em fase líquida leva o ligante metálico ao estado líquido e reduz a porosidade. As forças capilares e o esqueleto de partículas ajudam a conservar a forma geral, mas a densidade, a distorção e os defeitos dependem do ciclo térmico, da atmosfera e da qualidade.

A sinterização produz uma contração significativa e podem ocorrer distorções. As ferramentas e a maquinagem em verde devem considerar um comportamento de contração validado e a sobremedida de acabamento. As dimensões finais dependem das propriedades do pó, da densidade em verde, da geometria e do ciclo de sinterização; não é garantido que a geometria original permaneça inalterada.

Muitas ferramentas de metal duro exigem retificação, preparação da aresta ou outros acabamentos após a sinterização. As operações dependem da geometria, das tolerâncias e do estado superficial exigidos; nem todas as peças necessitam do mesmo tratamento. Os resíduos de retificação podem ser recolhidos para reciclagem adequada, mas a recuperação depende da contaminação, dos métodos de recolha e dos critérios de aceitação do reciclador.

Revestimentos adequados podem melhorar o comportamento ao desgaste, reduzir o atrito ou limitar a interação química, consoante o revestimento e a aplicação. As propriedades do substrato continuam a ser fundamentais. Algumas qualidades utilizam uma zona superficial enriquecida em cobalto para melhorar a tenacidade da aresta, mas também se alteram a dureza e a deformação. A engenharia de superfície deve ser avaliada com o revestimento e as condições de corte; o enriquecimento em cobalto não melhora universalmente todas as propriedades.

A remoção do ligante, a velocidade de aquecimento, a atmosfera, o potencial de carbono, a temperatura e o tempo de permanência à temperatura de sinterização influenciam o metal duro sinterizado. A sinterização em vácuo, a sinterização-HIP e a prensagem isostática a quente (HIP) separada são opções distintas. O tratamento assistido por pressão pode reduzir a porosidade residual em condições adequadas, mas também se devem controlar o crescimento de grão e o balanço de carbono. Ajuste as especificações do pó ao ciclo de forno validado; o conceito relevante é o potencial de carbono, não uma tensão de carburação indefinida.

Os fabricantes de ferramentas e os fornecedores de pó devem coordenar a composição, o tamanho de grão, o comportamento de prensagem e os requisitos de sinterização. Existem muitas qualidades comerciais porque diferentes equipamentos e aplicações exigem equilíbrios de propriedades distintos. Utilize especificações atuais do fornecedor e dados de qualificação, em vez de um número histórico não verificado de qualidades disponíveis.

A combinação de diferentes pós de carboneto de tungsténio, componentes da mistura e teores de ligante metálico, juntamente com o tipo e a quantidade de inibidores do crescimento de grão, gera uma grande variedade de qualidades. Estes parâmetros determinam a microestrutura e as propriedades do metal duro. Algumas combinações de propriedades são preferidas para aplicações específicas de maquinagem, tornando útil a classificação das qualidades.

A classificação histórica C e os grupos de aplicação ISO fornecem orientação geral, mas não definem completamente a composição química nem o desempenho do metal duro. As designações dos fabricantes descrevem produtos específicos e não podem ser substituídas apenas por um código de aplicação. Selecione segundo o material da peça, a operação, as condições de corte e as recomendações do fabricante.

Uma distinção descritiva útil separa as qualidades WC-Co simples, as finas ou submicrométricas e as que contêm carbonetos cúbicos adicionais. As qualidades simples contêm carboneto de tungsténio e um ligante metálico, pelo que designá-las carboneto de tungsténio puro é enganador. As submicrométricas utilizam grãos finos controlados, frequentemente com inibidores de crescimento. Os carbonetos adicionais alteram as fases e as propriedades; estas descrições não substituem uma especificação precisa do fornecedor.

As qualidades WC-Co simples abrangem diferentes teores de ligante e tamanhos de grão. A dureza, a resistência à rotura transversal (TRS) e a tenacidade à fratura devem ser verificadas para a qualidade concreta e as condições de ensaio. Grãos mais finos aumentam frequentemente a dureza, enquanto mais ligante tende a favorecer a tenacidade; os defeitos e a microestrutura também influenciam a resistência. Pode utilizar-se material reciclado se cumprir os controlos necessários; nenhum intervalo único de propriedades define toda a família.

Para torneamento, fresagem, aplainamento ou mandrilagem, selecione a qualidade e a geometria em conjunto. O acabamento pode favorecer a resistência ao desgaste e a estabilidade da aresta, enquanto o desbaste interrompido exige frequentemente maior resistência à fratura. Os códigos históricos C e os grupos de aplicação ISO não estabelecem uma correspondência universal unívoca de composição; utilize o intervalo de aplicação recomendado pelo fornecedor.

As qualidades WC-Co adequadas são utilizadas para ferro fundido, aço inoxidável, metais não ferrosos e outros materiais quando o sistema de ferramentas e as condições de corte são adequados. Também se desenvolvem qualidades específicas para perfuração de rocha, matrizes, punções e peças de desgaste. O teor de ligante, o tamanho de grão, o revestimento e a geometria devem ser selecionados para a aplicação, não inferidos da designação de qualidade simples.

As qualidades submicrométricas têm um tamanho de grão de carboneto inferior a 1μm. Os inibidores de crescimento e a sinterização controlada ajudam a manter uma estrutura fina. Podem combinar dureza elevada com resistência útil, mas nem um intervalo fixo de cobalto nem uma resistência à rotura transversal superior a 500ksi se aplicam a todas. O ângulo da aresta e a força de corte dependem da geometria completa da ferramenta, do material e da operação.

A verificação rigorosa das matérias-primas e o controlo estrito da sinterização permitem obter as propriedades desejadas e evitar a formação de grãos anormalmente grandes. Para manter grãos pequenos e uniformes, os pós regenerados reciclados só devem ser utilizados com controlo completo das matérias-primas e dos processos de reciclagem, além de ensaios de qualidade abrangentes.

Submicrométrico descreve o tamanho de grão, não uma atribuição automática ao grupo de aplicação ISO M. As qualidades adequadas permitem arestas afiadas e bom acabamento superficial, mas a escolha depende do material, da preparação da aresta, do revestimento e das condições de corte. Consulte os dados de aplicação do fabricante.

Os metais duros de grão fino adequados são utilizados em brocas, fresas e maquinagem exigente de ligas. As condições admissíveis de corte dependem da qualidade, do revestimento, da geometria e do arrefecimento; não se deve pressupor uma capacidade universal de trabalho a 1200°C. As adições de ruténio ou as distribuições graduadas do ligante podem modificar determinadas propriedades, mas as vantagens e os compromissos exigem dados específicos do produto.

As qualidades com carbonetos cúbicos como carboneto de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC) podem melhorar certas características de desgaste a alta temperatura na maquinagem de aço. Modificam a interação química, o desgaste em cratera e a deformação, com compromissos noutras propriedades. As quantidades adicionadas são específicas da qualidade; intervalos amplos de percentagens não constituem uma formulação universal.

As qualidades com carbonetos cúbicos abrangem diferentes equilíbrios de dureza, resistência e tenacidade. O acabamento, a maquinagem geral e o desbaste interrompido exigem combinações distintas de substrato, revestimento e geometria da aresta. Os códigos históricos C e os grupos de aplicação ISO orientam a seleção, mas não especificam exatamente a composição nem as propriedades mecânicas. Verifique os dados do fornecedor em vez de atribuir um intervalo universal de dureza ou resistência à rotura a todas as qualidades ligadas.

As qualidades destinadas a aço inoxidável, aço ou ligas resistentes ao calor devem ser selecionadas segundo as recomendações de aplicação do fabricante. As designações ISO como M10 e M40 descrevem intervalos de aplicação, não composições independentes nem garantias para uma operação concreta. O tamanho de grão, o teor de ligante, o revestimento e a preparação da aresta continuam a ser importantes.

As qualidades de metal duro para peças de desgaste são selecionadas segundo o mecanismo real de desgaste, as cargas, o ambiente corrosivo e os requisitos dimensionais. Os ligantes com níquel e as adições com crómio podem melhorar o comportamento à corrosão em formulações adequadas. O tamanho de grão, o teor de ligante e a matéria-prima reciclada devem cumprir os requisitos da qualidade; uma única composição ou proporção reciclada não se aplica a todas as peças de desgaste.

Os pós de metal duro são essenciais para cumprir os requisitos técnicos e económicos dos fabricantes de ferramentas. Pós adaptados aos equipamentos e parâmetros de processo contribuem para o desempenho das peças acabadas, dando origem a centenas de qualidades. A reciclabilidade do metal duro e a colaboração direta com os fornecedores permitem controlar eficazmente a qualidade do produto e os custos do material.