Usinagem Do Carbeto De Tungstênio

1.0. INTRODUÇÃO

Carbeto cementado, também chamado de metal duro, é um compósito formado por grãos de carbeto de tungstênio envoltos em uma matriz de cobalto, os grãos cerâmicos são extremamente duros embora tenham elevada fragilidade, o que dificulta sua utilização em aplicações de elevada tensão, assim o metal que tem elevada ductilidade atua no compósito aumentando a tenacidade do sistema, uma vez que isola as partículas evitando a propagação de trincas. Segundo Callister (2002) o que permite que permite que o carbeto cementado seja utilizado para o corte de matérias extremamente duros, além da dureza que pode variar entre 17000 e 36000 MPa e tenacidade a fratura que varia de 2 a 3,8 MPa.m1/2, é o fato de que ambas fases são bastante refratárias, podendo suportar temperaturas elevadas geradas pelo atrito e ação de corte com outros materiais, sendo que a máxima temperatura de trabalho pode chegar a 1005K. As frações volumétricas da fase particulada podem superar 90%, maximizando o poder abrasivo do material. Uma fotomicrografia do carbeto cimentado pode ser vista na figura 1.

Figura 1: Fotomicrografia de um carbeto cimentado WC-Co, asáreas claras são a matriz de cobalto enquanto as regiões mais escuras são os grãos de WC. Ampliação de 100X. (CALLISTER, 2002)

Tal material vem sendo bastante utilizado em aplicações que necessitam de resistência ao desgaste por abrasão, como fabricação de ferramentas para usinagem, brocas dentárias, partes de moldes e equipamentos para minério e trituração (HAN, 1990, p.4949). No entanto esse material vem sendo utilizado com sucesso como insertos óticos no processo de moldagem por injeção de pós cerâmicos e vidros para sistemas óticos em aparelhos eletrônicos, dispositivos óticos e equipamentos de transmissão ótica avançados, devido a sua excelente combinação propriedades como elevada dureza, ductilidade e tenacidade à fratura. Porém para que possa ser utilizado em aplicações óticas um perfil de baixa rugosidade em escala nanométrica é fundamental, além de rigorosa precisão de forma na escala submicrométrica e poucos danos superficiais. (YIN, et al. 2003, p. 533)

Yin também ressalta que o carbeto de tungstênio é um material de difícil usinagem uma vez que possui propriedades mecânicas superiores, assim superfícies que contenham baixa rugosidade, precisão de forma e poucos danos superficiais não é facilmente obtidas em processos de usinagem tradicionais, como a retificação com grãos abrasivos de diamante que fratura e pulveriza os grãos de WC e pode causar seu arrancamento da superfície, além da formação de trincas na superfície e subsuperfície do material , não permitindo a obtenção de uma superfície ótica de boa qualidade. Para remover tais danos e obter uma superfície espelhada é necessário fazer a lapidação e polimento, utilizando granulação de diamante cada vez mais fina. Entretanto tais processos podem deteriorar a forma, encarecendo a usinagem da peça. Como alternativa foi desenvolvida a retificação de ultra precisão, que introduz pequena quantidade de dano na subsuperfície e permite controle preciso da forma, em alguns casos pode até ser utilizado como processo de acabamento final dispensando o polimento.

Outra frequente aplicação do carbeto de tungstênio é na fabricação de moldes de ultraprecisão para a injeção de vidro de aplicação ótica (HANSSEN et al. 2011). No entanto os perfis necessários são dificilmente obtidos por técnicas convencionais, porém podem ser obtidos pelo uso exclusivo de microusinagem com fresa de topo, do desbaste ao acabamento, atendendo aos requisitos de qualidade para a rugosidade e precisão geométrica (DORNFELD et al. 2006). Segundo Nakamoto et al. (2012, p.567), no processo de usinagem micromecânica pode ser usada uma microfresa de material mais duro do que o WC, podendo ser diamante policristaino.

O metal duro também pode ser usinado por um processo que utiliza feixes de raios iônicos para a ejeção de átomos do material. Tal técnica é bastante utilizada para a produção de moldes, uma vez que produz padrões com alguns micrômetros de profundidade e algumas dezenas de micrômetros de largura que dificilmente seriam obtidos por usinagem convencional, em decorrência da rugosidade e precisão necessárias. Segundo Miyamoto (1991) a utilização de feixes de íons na fabricação é um dos métodos que apresenta maior precisão e melhor acabamento superficial baseado na ejeção atômica por partículas de alta energia. Em adição a esse processo utiliza-se a litografia e lift-off para a produção de máscaras. A integridade superficial da peça depende fortemente do ângulo de incidência do feixe, composição do material, fração de WC e Co e tamanho dos grão do carbeto de tungstênio, uma vez que a rugosidade se deve basicamente a diferença entre as taxas de usinagem nos grão de WC e no Co. Portanto a relação entre esses parâmetros e a superfície obtida deve ser estudada.

Para o melhor entendimento da usinagem do carbeto cementado é importante conhecer seu comportamento na fratura. Como outros materiais cerâmicos a fratura do WC-Co se dá por trincas ou defeitos do tamanho de trincas formadas por endentadores. Segundo Han e Mecholsky (1990) assim como outros materiais frágeis formados por grãos grandes a fratura se dá de forma transgranular, enquanto que se as partículas forem pequenas a fratura é intergranular. Em geral há quatro formas de fratura dos compósitos de carbeto de tungstênio, o primeiro envolve a fratura das partículas com decoesão interfacial múltipla, deixando um padrão de ligamentos de cobalto rompidos na face da maior partícula de WC em uma das superfícies de fratura, enquanto na superfície oposta deixa diversas partículas lisas do carbeto cercadas por uma “cordilheira” de cobalto. O segundo modo envolve a fratura frágil dos contornos das partículas de carbeto de tungstênioem contato com outras partículas do mesmo material e envolve microtrincas transgranulares ou intergranulares nos grãos. As partículas descoladas ou quebradas são cercadas por picos grosseiros do ligante que podem ser combinados em ambas superfícies de fratura. O terceiro modo é o rasgamento dúctil da fase de cobalto, que deixa um padrão de dimples em ambas superfícies, em decorrência da ruptura da camada de cobalto ocorrer em uma espessura não uniforme, em geral camadas mais finas levam a formação de dimples menores. O quarto e último modo de fratura envolve a falha da coesão dos grãos após apreciável deformação, dessa forma as partículas se descolam da matriz e ambas fases ficam com um padrão de rasgamento. Em geral a fratura de dá primeiro nos contorno de grão WC-WC e prossegue pela matriz de cobalto.

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