Metal duro

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Metal duro é o nome dado a uma liga de carboneto de Tungstênio, produzido por metalurgia do pó. Na verdade o produto é obtido pela prensagem e sinterização de uma mistura de pós de carboneto e outros materiais de menor ponto de fusão, chamados ligantes (Cobalto, Níquel, Titânio, Cromo ou uma combinação deles). Após a prensagem, ou seja, o pó compactado com a forma do molde, o composto já tem consistência suficiente para ser usinado na forma desejada, ou bem próximo dela. Ocorre a seguir o processo de sinterização, aquecimento a uma temperatura suficiente para fundir o metal ligante, que preenche os vazios entre os grãos dos carbonetos. O resultado é um material de dureza elevada, entre 75 e 95 HRA, dependendo do teor de ligante e do tamanho de grão do carboneto. As maiores durezas são conseguidas com baixos teores de ligante e tamanho de grão reduzido. Por outro lado maior tenacidade é obtida aumentando o teor de ligante e/ou aumentando o tamanho de grão.

Durante o processo de sinterização, ocorre uma perda de volume que ocasiona uma contração. Linearmente essa contração pode ocasionar redução de 14% a 26% (45% a 60% em volume). A densidade do metal duro é bem alta, podendo o seu peso específico ser considerado o dobro, comparado ao aço. A dilatação térmica porém, sofre um efeito inverso, podendo seu coeficiente ser considerado a metade em comparação ao do aço.

As ferramentas de corte, onde a propriedade desejada é elevada dureza, tem teores baixos de ligante, menos de 5%. Já em discos de laminação, onde a resistência ao impacto passa a ser vital, é necessário perder um pouco da dureza para conseguir um mínimo de tenacidade. Nesse caso, dependendo da aplicação, o teor de ligante pode chegar a 50 ou 70%. Seu advento no final da década de 20, na Alemanha, quando Karl Schröter conseguiu produzir em laboratório um material com pó de carboneto de Tungstenio misturado ao de outros materiais como Níquel ou Cobalto, compactá-lo e após sinterizado verificar que tinha muito boas propriedades como baixa porosidade, alta dureza e boa resistência ao desgaste. Isso provocou o segundo grande impulso na área dos materiais de ferramenta de corte (o primeiro foi com o surgimento do aço rápido).

Em 1927 o metal duro passou a ser usado em ferramentas de corte, introduzido por Fried. Krupp com o nome widia (de wie diamant do alemão, como diamante), fazendo referência à semelhança das propriedades desse material com as do diamante, o que até certo ponto é um exagero. Materiais descobertos posteriormente como o CBN (nitreto cúbico de boro) merecem mais essa honraria.

Com os metais duros, as velocidades de corte das ferramentas puderam ser aumentadas na usinagem de aço comum, e trouxe ao mercado, na década de 30, um dos mais fantásticos grupos de materias de ferramentas de corte. Passou a ser possível a usinagem de materiais endurecidos como cilindros de ferro fundido para laminação. Novamente, as velocidades de corte puderam ser aumentadas, dessa vez de tal maneira que passaram praticamente de 35 m/min com os aços rápidos para 250 a 300 m/min com os metais duros. Devido sua alta dureza, elas tendem a quebrar, submetidas a paradas repentinas ou esforços muito grandes, para minimizar o problema, várias soluções foram apresentadas novas coberturas e geometrias de corte para seu maior rendimento e vida útil. As peças de metal duro revolucionaram a indústria, pois permitem avanços e velocidades de corte maiores no processo de usinagem, e também foram aplicadas na fabricação de discos e anéis para cilindros de laminação com capacidade de laminar até 10 vezes mais entre reusinagens que os equivalentes em ferro fundido, reduzindo assim os câmbios de cilindros que interrompem a produção.

As grandes aplicações do metal duro, que é fabricado pelo processo de metalurgia do pó, devem-se ao fato de possuír uma combinação de resistência ao desgaste e resistência à compressão em altos níveis.



Caracteristicas e propriedades[editar | editar código-fonte]

O carboneto de Tungstênio tem como caracteristicas principais sua alta densidade, e grande fragilidade, consequência da dureza elevada. A resistência à compresão também se destaca, mas em contra partida não tem boa resistência à tração.

Propriedades Valores
Estrutura Cristalina Hexagonal Compacta
Densidade (g/cm³) 15,7
Módulo de Elasticidade (kN/mm²) 696
Coef. Dilatação Térmica Linear (20-400°C), 10-6/K 5,2
Resistividade Elétrica (μcm) 22

Peças fabricadas em WC-Co (ou outros ligantes), mantém essas características, porém com valores menores.

Histórico[editar | editar código-fonte]

O carboneto de Tungstênio foi sinterizado pela primeira vez por um químico francês, Henri Moissan, nos anos 1890 porém a fabricação de ferramentas com carboneto de Tungstênio puro, é considerada muito dificultosa, pois são necessárias altíssimas temperaturas, acima de 2000°C. Quando isso foi conseguido, percebeu-se que não servia para uso industrial, pois eram demasiadamente frágeis. No início do século 20, ja se conhecia o aço rápido para usinagem de aço, e que sua elevada resistência mecânica e dureza se devia à presença de particulas muito duras de carbonetos em matriz metálica, que resultam da combinação de carbono e outros elementos do aço rápido como o Tungstênio.

Devido à necessidade de se desenvolver um novo material para a ferramenta de cortar filamentos para lâmpadas incandecentes, foi num laboratório da fabrica de lâmpadas da Osram, na Alemãnha, que Karl Schröter chegou à liga WC-Co, que pode ser sinterizada em temperaturas inferiores a 1500°C.

Sua produção, pela Krupp-Widia's na planta de Essen, chegou a uma tonelada por mês ainda nos anos 1930. Em 1944, limitada pela escasses do Tungstênio, chegou a mais de 40 toneladas por mês.

Durante a 2ª guerra, o metal duro foi de grande contribuição, quando devido a grande escasses de Tungstênio, deveria ser utilizado da forma mais eficiente possível, se percebeu que com um quilo de Tungstenio transformado em metal duro se produzia muito mais e bem mais rapidamente, do que a um quilo de Tungstênio transformado em aço rápido. Os alemães fizeram o possível para manter essa tecnologia em segredo durante a guerra, sendo que apenas as organizações Krupp detinham completo conhecimento da composição Widia.

As duas principais revoluções das ferramentas de corte de metal duro tiveram em um dos casos o envolvimento dos EUA, com o desenvolvimento da fixação por brasagem e no outro caso o envolvimento da Europa, com o desenvolvimento das tecnologias dos revestimentos.

O metal duro também começou a ser usado na industria de mineração, sendo que em 1945 metade da produção era destinada aos bottoms bits usados em brocas de mineração. Da outra parte, 25% eram para as ferramentas de corte e o restante para peças diversas.

Processo de fabricação[editar | editar código-fonte]

  • Moagem

Após a preparação do carboneto de Tungstênio e outros que serão adicionados á liga, é necessário a preparação dos graus WC-Co. A mistura é feita de acordo com a composição desejada e processada em moinho de bolas ou atritors, durante algumas horas. Neste processo é utilizado um solvente, como hexano, heptano ou outros que se adequem. Também é nessa etapa que é adicionada a parafina, lubrificante sólido que inibe a oxidação enquanto pó e ajuda na prensagem dos compactos. Após a moagem, é feita a remoção do solvente e secagem do pó.

Prensagem unidirecional
Prensagem isostática
Prensagem dry bag
  • Prensagem

Existem três técnicas básicas para a compactação de pó, sendo as principais a prensagem unidirecional, a prensagem isostática e a prensagem dry bag:

  • Prensagem unidirecional - É muito utilizada para fabricação de peças depequeno porte e geometria simples. É uma execelente técnica para prensagem direta, ou seja, quando não há necessidade de usinagem do compacto "em verde", como é chamado antes de ser sinterizado. Esse tipo de prensagem é feita por prensa hidráulica, com pressões variando entre 50 - 100 N/mm² aplicada apenas na direção do eixo, normalmente utilizando um molde e dois punções, um superior e outro inferior, com o perfil desejado na peça, considerando a contração na sinterização. Nesse processo, o molde é fechado pelo punção inferior e prenchido com pó, o punção superior faz a compactação e logo após a mesa com o molde é movida para baixo, fazendo com que ocorra a extração pelo punção inferior.
  • Prensagem isostática (CIP Dry Bag) - Esse é método é amplamente utilizado, pois permite a prenssagem de peças de médio a grande porte. Também confere aos compactos densidade mais uniforme, principalmente nos casos de maior espessura, pois a prenssagem ocorre em todas as direções. Sendo que não necessiata a adição de lubrificante sólido ao pó e as peças após a prensagem, requerem usinagem do compacto em verde. Nesse processo, uma cápsula flexível com a pre forma da peça a ser prensada, geralmente de látex, é preenchida com pó e inserida em um molde também com a pré forma da peça, normalmente metálico e com perfurações nas paredes, que interligam a parte externa à interna. Essa montagem, é suspensa em um líquido compressível no interior de um vaso de pressão. A pressão é aplicada e a compressão do líquido no interior do vaso origina a compressão da cápsula flexível por todos os lados, densificando o pó homogeneamente e lhe conferindo a forma do molde. A pressão aplicada pode variar de 200 a 300 MPa.
  • Prensagem dry bag (monostática) - Esse método tem o processo muito semelhante á prenssagem isostática, porém o tipo de peça e o resultado da compactação, é semelhante à prensagem unidirecional. Em geral é utilizado para prensagem de peças pequenas e cilíndricas. Nesse processo, é utilizado pó com lubrificante, o molde é integrado à câmara de pressão que possui uma membrana flexível, a qual contém água em seu interior. No momento da prenssagem, a compressão da água é feita apenas na direção radial, que força a membrana a comprimir o pó, compactando-o com a forma do molde.

Também é possível a obtenção de barras por meio de extrusão. O pó com uma consistência pastosa é comprimido por um fuso, processo semelhante ao utilizado na injeção de plástico, e passa por um orifício com a forma geométrica desejada para a secção da barra. Esse método também é utilizado para fabricação de brocas.

  • Usinagem

O compacto ainda em verde, pode ser usinado com ferramentas e técnicas especiais. Podem ser realizadas operações de torneamento, corte, fresamento e retificação, utilizando ferramentas de diamante ou discos e rebolos diamantados. Durante as operações, é necessário muito atenção ao manusear as peças, pois a consistencia nesse estágio é semelhante à de um giz. Pelas caracterisiticas pirofóbicas do composto, também são necessários cuidados especias, pois as faíscas geradas pela usinagem podem causar incêndio, ou a queima do pó. Para a fixação das peças nas máquinas, são comumente utilizados dispositivos em grafite.

  • Sinterização

A utilização de fornos especiais com atmosfera controlada é uma necessidade para a boa realização desse processo. Os dois processos mais utilizados são, à vácuo e HIP (hot isostatic pressure)

  • Acabamento

Para realizar a usinagem de acabamento nas peças, é basicamente necessário o uso de diamante, por meio de rebolos, insertos e pastas, porém também é possível a usinagem de uma classe menos dura por uma ferramenta numa classe mais dura. Existem outros processos como eletro-erosão e laser, que também podem ser utilizados na fase de acabamento.

Aplicaçõe industriais[editar | editar código-fonte]

  • Siderurgia

Rolos de laminação, fieiras de trefilação, roletes de guia, ferramentas para fabricação de pregos, ferramentas para fabricação de arames, etc.

  • Mineração

Pastilhas e botões para brocas de perfuração, panelas para moinhos vibratórios.

  • Embalagens metálicas

Ferramentas para corte e conformação.

  • Embalagens papelão

Facas, discos de corte e vinco.

  • Automotiva

Matriz para extrusão de eletrodo de velas, insertos para furação de lona de freio, brochas para acabamento de bronzinas, etc.

  • Óleo & Gás

Bicos, sedes, esferas, selos, etc.

  • Alimentos

Componentes de moinhos e trituradores no processamento de açaí, palma, cacau, etc.

  • Tintas

Pinos de agitação, bicos de atomização, palhetas de misturadores, etc.

Referências[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]