Ferramentas de diamante com cBN

Na última semana mostramos diversas propriedades interessantes que o diamante possui como material de engenharia. Não é de se surpreender que este material, que apresenta a maior dureza dentre os materiais conhecidos, seja utilizado como matéria prima para ferramentas de usinagem. No entanto, além do preço elevado, o diamante apresenta outro problema, a baixa inércia química ao realizar a usinagem de peças de aço e ferro fundido.  Como os processos de usinagem provocam um aumento da temperatura na região de contato entre ferramenta e peça, o diamante sofre um desgaste químico, uma grafitização catalisada por metais como ferro e níquel, o que explica a reatividade desta ferramenta frente a metais ferrosos. Considerando a importância desses metais para a indústria, principalmente o aço, pode-se dizer que este é um grande empecilho para a utilização de diamante como ferramenta. No entanto, os ferros fundidos apresentam em geral uma baixa usinabilidade, assim como alguns tipos de aço, necessitando de ferramentas de elevado desempenho, elevada dureza.  Dessa maneira, apesar de não ser tão adequado, o diamante ainda é bastante utilizado para a usinagem desses materiais.

Outro material de elevada dureza comumente utilizado para a fabricação de ferramentas é o nitreto cúbico de boro (cBN). Diferentemente do diamante, este material é inerte quimicamente ao ferro, entretanto, sua dureza é cerca de 4x menor. Por esta razão, as ferramentas de cBN apresentam curto tempo de vida não pelo desgaste químico, mas sim por serem mais propensas a se destruir mecanicamente no contato com o material da peça a ser usinada. Essa destruição mecânica é a única razão que impede hoje que o diamante seja completamente substituído pelo cBN.

Considerando as características complementares desses materiais e a utilização consolidada de ambos como matéria prima para ferramentas, cientistas tiveram a ideia de misturá-los. Apesar de os materiais apresentarem afinidade química, já que ambos possuem ligações covalentes e afinidade quanto a suas redes atômicas,  “a ideia nunca havia sido demonstrada na prática porque as amostras obtidas em estudos anteriores eram pequenas demais para que se pudesse testar seu desempenho prático”, diz o professor Duanwei He.

No entanto, em junho deste ano (2015), o cientista russo Pavel Loginov e seus colegas conseguiram produzir e testar um compósito contendo partículas de diamante e de cBN. Para isso, os autores misturaram diamante monocristalino em pó e nitreto cúbico de boro, também em pó, mostrados na Figura abaixo.

pó_diamante_cBN

Diamante monocristalino e nitreto cúbico de boro em pó. Adaptado de Loginov et al (2015).

Para unir estes dois pós, foi utilizado um ligante de composição 35%Cu – 17%Fe– 18%Co – 30%Ni. O próximo passo foi definir qual proporção de diamante e cBN confereria à ferramenta o melhor desempenho.  Para isso, foi feito um lote piloto de ferramentas , verificando que a falha das mesmas após a usinagem ocorria por dois mecanismos: O primeiro deles é a grafitização do diamante, provocando desgaste químico e arredondamento do grão, que devido à mudança de formato torna-se facilmente arrancável do ligante, podendo sofrer pull out. O outro, diz respeito ao cBN, que não possui nenhum problema de adesão ao ligante ao longo da usinagem, no entanto é rapidamente danificado mecanicamente. Através da medição da perda de massa sofrida por cada ferramenta, representando o desgaste da mesma, foi observado que a proporção de 3 diamante : 1 cBN é a que possui melhor desempenho, 20% superior a ferramentas contendo apenas diamante e 2x melhor do que ferramentas de cBN.

Visando uma melhora ainda maior da ferramenta, foi adicionado nitreto hexagonal de boro (hBN) como nanoreforço ao ligante. Este material foi escolhido por ser quimicamente inerte com o diamante e com o ferro e também por se comportar como lubrificante sólido a elevadas temperaturas. Como resultado, além de aumentar a dureza do ligante, há a formação de um filme fino sobre os grãos de diamante, reduzindo seu contato direto com o ferro e protegendo-o, portanto, da grafitização. Assim, ferramentas contendo hBN apresentaram-se ainda melhores, sendo 80% mais eficientes do que as ferramentas produzidas sem o hBN.

Referências:

LOGINOV, P. et al. Diamond and cBN hybrid and nanomodified cutting tools with enhanced performance: Development, testing and modelling.Materials & Design, v. 88, p. 310-319, 2015.

Half Diamond, Half Cubic Boron, All Cutting Business – John Arnst

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Conheça o carbono tipo diamante (DLC)

Muitos se encantam com a beleza e raridade de um diamante, mas o que nem todos sabem é que este material pode ter aplicações incríveis na engenharia. Quando em pressão de 1 atmosfera, o diamante possui a maior densidade atômica dentre todos os materiais que existem. Seus átomos são ligados uns aos outros por ligações covalentes fortes as quais envolvem os orbitais híbridos sp³ do carbono. Considerando a densidade de átomos e a força das ligações entre eles, o diamante apresenta a maior dureza, maior módulo de elasticidade, maior condutividade térmica à temperatura ambiente e menor compressibilidade entre os materiais conhecidos. Além disso, possui elevada rigidez dielétrica (107 V/cm) e um energia de GAP de 5,5 eV, caracterizando-o como semicondutor. O fator limitante de uma ampla utilização deste material é seu custo, o qual é bastante elevado devido a sua raridade na natureza e às elevadas condições de temperatura e pressão necessárias para sintetizá-lo artificialmente.

Pensando em uma solução para conseguir as propriedades do diamante e evitar os custos elevados associados à compra deste material, cientistas tentaram sintetizar o diamante a baixas pressões, em condições nas quais este material é metaestável. Conseguiram sintetizar filmes policristalinos de diamante, mas a uma inviável taxa de crescimento de apenas algumas dezenas de nanômetros por hora. Continuando os esforços e as pesquisas, chegaram a taxas de crescimento bem maiores, de dezenas de micrômetros por hora, e além disso descobriram nesta pesquisa uma classe inteira de novos materiais, denominada de carbono tipo diamante (mais conhecida pelo termo em inglês diamond-like carbon, que dá origem à sigla DLC).

Os filmes de DLC apresentam estrutura similar à do diamante, no entanto são predominantemente amorfos (ou eventualmente microcristalinos), enquanto o diamante apresenta estrutura cristalina. Ainda assim, apresentam diversas propriedades interessantes do ponto de vista industrial e semelhantes às do diamante, tais como baixo coeficiente de atrito, elevada estabilidade térmica e elevada resistividade elétrica. Isto se deve ao fato de que os filmes de DLC contém inúmeras ligações de tipo sp³, assim como o diamante. No entanto, estes filmes também podem apresentar ligações sp², de forma que se torna possível estimar as propriedades e características de um filme de DLC através do cálculo da razão sp³/sp², em que sp³ representa o perfil “diamante” e sp², o “grafite”. O caráter desejado para o filme depende da aplicação, que abrange desde dispositivos optoeletrônicos e melhoria das propriedades químicas e/ou tribológicas de componentes, até a melhoria de ferramentas e de peças para setor automobilístico e revestimento para moldes, matrizes e próteses (biomateriais).

A variedade de possibilidades oferecidas pela combinação de ligações sp² e sp³ pode gerar uma variedade inimaginável de redes 3D de átomos de carbono. Filmes com elevada razão sp³/sp², por exemplo, tendem a apresentar ordem de médio a longo alcance como forma de aliviar tensões, o que é sinônimo da ocorrência de certo grau de cristalização. Uma vez que o conceito de material amorfo é que suas ligações não tenham ordem de longo alcance, isto implica que a maior parte dos filmes amorfos de DLC possui razão sp³/sp² não muito elevada.  A estrutura, e consequentemente as propriedades dos filmes de DLC são controladas pela técnica utilizada para depositar/implantar átomos de carbono. Sabe-se, por exemplo, que filmes produzidos por evaporação a partir de laser ou feixe de elétrons tendem a ter maior concentração de ligações sp² e caráter amorfo e que filmes microcristalinos não podem ser formados quando a energia de impacto dos íons é superior a aproximadamente 100 eV. As técnicas utilizadas para produção de filmes de DLC podem ser deposição por laser pulsado, deposição química na fase vapor assistida por plasma, bombardeamento iônico, deposição assistida por feixe de íons ou mesmo implantação iônica por imersão em plasma.  Assim, para que os filmes de DLC sejam produzidos, basicamente necessita-se de uma etapa de limpeza da superfície do material que receberá o filme, seguida de deposição de uma camada de propriedades intermediárias e, finalmente, deposição do filme de DLC por um dos métodos anteriormente mencionados. A adesão final entre filme e material de base é fortemente dependente das características que o último possui.

O que acharam do DLC? Vejam abaixo algumas imagens mostrando peças revestidas por esta classe de filmes.

dlc-on-glass.jpg

DLC depositado em vidro.

dlc7.jpg

Broca revestida por DLC.

Referências:

RAO, C. N. R.  Chemistry of advanced materials : a chemistry for the 21st century monograph. Oxford: Blackwell, 1993. 388p.

ANGUS, J. C.; HAYMAN, C. C. Low-pressure, metastable growth of diamond and” diamondlike” phases. Science, v. 241, n. 4868, p. 913-921, 1988.

FURLAN, K. P.; KLEIN, A. N.; HOTZA, D. Diamond-Like Carbon Films Deposited by Hydrocarbon Plasma Sources. Rev. Adv. Mater. Sci, v. 34, p. 165-172, 2013.

ENSINGER, W. et al. Formation of diamond-like carbon films by plasma-based ion implantation and their characterization. New Diamond and Frontier Carbon Technology, v. 16, n. 1, p. 1-32, 2006.

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