REVESTIMENTO PVD

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APLICAÇÃO DE REVESTIMENTOS PVDEM FERRAMENTAS DE CORTE

(agosto, 2000) Eng. Daniel Atsuhito Yuhara (Brasimet Com. Ind. S.A., São Paulo, Brasil)

1. INTRODUÇÃO

Principalmente no decorrer dos últimos anos, a Engenharia de Manufatura tem sido desafiada nosentido de atender à crescente demanda de produção, deparando-se com a necessidade de usinar novostipos de materiais mais leves, com melhores propriedades mecânicas, porém, com maior resistência aocorte. Em razão disso, o foco tem se concentrado na resolução dos problemas que advém quando dausinagem desses novos metais e ligas bem como na necessidade cada vez maior de reduzir os custos de produção.

Diversos novos materiais construtivos têm sido desenvolvidos, particularmente pela indústriaaeroespacial, e estas novas ligas são mais difíceis de serem usinadas. Assim, apesar desses novosmateriais serem mais leves, com melhores propriedades e mais resistentes ao calor, têm como uma grandedesvantagem a sua baixa usinabilidade, criando condições desfavoráveis na aresta de corte da ferramenta(grandes tensões e altas temperaturas) que levam a uma redução na vida útil e, em muitos casos, à quebra prematura da ferramenta.

A usinagem desses metais e outros tipos de materiais tem sido ainda o maior processo paraconferir forma utilizado na produção de componentes. Mesmo com o avanço de novos métodos defabricação que estão sendo desenvolvidos o tempo todo, até agora não surgiu qualquer desafio mais sério para tomar o lugar do processo de corte dentro da próxima década.

Mesmo que o valor despendido com o consumo de ferramentas de corte represente uma parcelamuito pequena no custo final do produto, elas exercem uma influência considerável na produtividade enos custos de produção. A taxa de remoção de material é determinada muito mais pelos fatorestribológicos que ditam o quão rapidamente uma ferramenta de corte pode mover-se através do material doque outros fatores como a limitação da máquina. Quando a ferramenta de corte se desgasta, a operaçãotem que ser interrompida e a ferramenta, trocada ou reafiada. Os custos com a parada da máquina paratroca da ferramenta e os custos com reafiação e uma nova preparação são uma parcela considerável docusto total de produção.

A maioria das indústrias que trabalham com usinagem em seu processo produtivo tem dado umacontribuição valiosa para a melhoria na tecnologia do corte. O desenvolvimento de materiais cortantesdesde as ferramentas de aço rápido, metal duro, cerâmica e outros, aliado às técnicas de revestimentoPVD com camadas resistentes ao desgaste tem possibilitado a utilização dessas ferramentas comvelocidades de corte cada vez maiores. E isto tem feito com que os fabricantes de máquinas operatrizesdesenvolvam suas máquinas para trabalhar utilizando todo o potencial desses novos materiais cortantes.

Embora camadas duras e finas tenham sido introduzidas no mercado de ferramentas nos anos 60 para combater o desgaste por difusão em metais duros, o impacto real aconteceu na última década com asferramentas de aço rápido, particularmente com os desenvolvimentos de processos de deposição físicaPVD.


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2. PROCESSO DE REVESTIMENTO PVD- Physical Vapour Deposition (deposição física a vapor)

Atualmente são utilizados diversos tipos de processo PVD para o revestimento de peças eferramentas de corte. A diferença básica consiste na maneira como o material metálico sólido éevaporado. Dentre os modos de evaporação, o processo a arco é o mais empregado, uma vez que propiciamaior taxa de ionização, cerca de 90%.

Os átomos do material metálico evaporado e ionizado positivamente são acelerados em direção aosubstrato submetido a um potencial negativo. Para a formação de camadas duras geralmente sãointroduzidos gases reativos (N2, C2H2, O2, etc.) na câmara de revestimento. O processo PVD transcorresob vácuo e a atmosfera gerada à base de átomos metálicos e de gases reativos, ambos ionizados,denomina-se plasma. O revestimento é efetuado a uma temperatura ao redor de 500 ºC. Como asferramentas de corte para usinagem são confeccionadas com materiais cortantes que suportam essatemperatura, não há o risco de alteração dimensional e nem de queda de dureza, além do que o processoPVD não irá comprometer o tratamento térmico desse material [ 2 ].

Três camadas aplicadas pelo processo PVD têm se destacado no revestimento de ferramentas decorte, são elas: TiN, TiCN e TiAlN. Estas camadas são caracterizadas por uma alta dureza, excelenteaderência, baixa porosidade, altas estabilidades química e térmica, entre outras características. Na tabela 1encontram-se relacionadas algumas das propriedades destas camadas [ 3 ]

TABELA 1 – Propriedades selecionadas das camadas de TiN, TiCN e TiAlN [ 3 ]

________________________________________________________________________Camada TiN TiCN TiAlNDureza [HV0,05] 2500 2700 2600Espessura máxima[µm] 4 4 3Estabilidade térmica [ºC] 550 450 800Aderência *1 [N] 60 50 50Coef. Atrito contra aço 0.65 0.50 0.60Coef. Transmissão de calor [W/mK] 29 29 -Cor dourado lilás cinza/preto

*1 Aderência medida indiretamente através da determinação da carga crítica no ensaio deriscamento, utilizando aço rápido temperado como substrato.

Com esse conjunto de propriedades, as camadas PVD podem retardar significativamente osmecanismos de desgaste que atuam quando a ferramenta de corte entra em contato com o material a serusinado

3. PROCESSO DE CORTE

Durante o processo de corte, isto é, quando o material da peça está sendo cisalhado, a ferramentafica exposta às cargas mecânicas, térmicas, dinâmicas e tribológicas tão complexas que não há nenhummaterial cortante disponível, suficientemente adequado para suportar todas essas combinações de cargas como mostrado na Fig. 1. As variáveis que surgem durante o corte requerem que o material cortante possua as combinações de propriedades tais como resistência contra a abrasão e adesão; dureza eductilidade; resistência contra altas temperaturas e choques térmicos bem como resistência contra aformação de crateras, propagação de trincas e rupturas. Tais combinações de propriedades são somenteencontrados em materiais cortantes revestidos, em particular os metais duros e cermets, e mesmo assimcom restrições[ 4].


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Fig. 1. Distribuição das tensões sobre a ferramenta na interface cavaco – ferramenta [ 5 ]

Quando o material está sendo cisalhado, a superfície da ferramenta é forçada a mover-se atravésda peça, formando o cavaco que é removido da superfície da peça. As condições tribológicas de contatoentre as duas superfícies que se movem são extremamente severas. A superfície da ferramentacontinuamente vai de encontro com um novo material da peça. A temperatura na zona de cisalhamento domaterial pode chegar a variar entre 900 e 1300 ºC por exemplo, na usinagem de aço utilizando ferramentade metal duro. De uma maneira geral, a temperatura é afetada principalmente pela velocidade de corte. Detodo o calor produzido naquele contato, estima-se que 80% tem como origem o calor gerado peladeformação mecânica do cavaco, 18% pelo atrito do cavaco na superfície de saída da ferramenta esomente 2% é criado pelo atrito da ferramenta com a peça conforme ilustra a Fig. 2.. De todo o calorgerado, estima-se genericamente também que 75% é removido pelo cavaco, 5% é absorvido pela peça e20% é conduzido através da ferramenta.

Fig. 2. Zonas de geração de calor: (1) zona cisalhamento; (2) zona escoamento do cavaco; (3) zona de

atrito peçca-ferramenta. Distribuição de temperatura a uma determinada velocidade de corte

A distribuição de temperatura no sistema é influenciada também pela condutividade térmica domaterial de que é feito a ferramenta e o tipo de revestimento aplicado. A transferência de calor do cavaco para a ferramenta tem um impacto significativo na ferramenta e assim, na vida útil dela. Em comparaçãocom operações de torneamento, onde as ferramentas não são expostas a variações bruscas e sucessivasnas forças de corte e portanto, na temperatura, os processos de corte interrompido como por exemplo emoperações de fresamento implicam em alterações significativas de cargas mecânicas e térmicas nas arestasde corte. As condições de tensões resultantes com a alteração das tensões de tração e compressão paracada impacto da ferramenta, leva às trincas na superfície de saída depois de um número específico decargas. Devido à baixa condutividade térmica, o TiAlN é capaz de proteger especialmente as ferramentasde corte à base de metal duro contra trincas por fadiga térmica e mecânica


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4. MECANISMOS DE DESGASTES EM FERRAMENTAS

Principais mecanismos que causam desgaste em ferramentas de corte são: desgaste adesivo,desgaste abrasivo, desgaste por difusão [ 5 ].

Desgaste adesivo é causado pela formação de junções soldadas, entre o cavaco e as superfícies daferramenta e a ruptura dessas junções pela força de cisalhamento faz com que pequenos fragmentos domaterial da ferramenta adiram no cavaco ou na peça. Este tipo de desgaste pode ocorrer na superfície defolga da ferramenta em baixas velocidades de corte quando as temperaturas de contato não são tão altas.Pode envolver oxidação da superfície da ferramenta, ou outra interação química com o ar ao redor,seguido pela remoção mecânica dos produtos da reação. Vide Fig. 3.

Desgaste abrasivo nas superfícies de folga e de saída da ferramenta é causado pelas partículas duras domaterial usinado. Muitos materiais usinados, como por exemplo ferro fundido e aço, contêm partículascom fases que tem durezas superiores à da peça. Essas partículas duras podem ser formadas de carbonetose óxidos, em especial o Al2O3, mas também de sílicas e alguns silicatos. As partículas podem também ser provenientes de formação da aresta postiça de corte na ferramenta. Em particular, o desgaste na superfíciede folga da ferramenta pode ser atribuído ao desgaste abrasivo.

Desgaste por difusão é caracterizado pela perda do material devido à difusão dos átomos do material daferramenta no material usinado e vice-versa. Os requisitos para que haja o desgaste por difusão são aafinidade físico-química entre as duas superfícies, fazendo com que os átomos possam mover-selivremente através da interface desde que a temperatura seja alta o suficiente para possibilitar uma rápidadifusão. Vide Fig. 3.

Fig. 3. Mecanismos de desgaste presentes em uma ferramenta de metal duro: adesão (região A/1),

difusão (região B/2) e abrasão (região C/3)

Conforme mostrado na Fig. 4. para um determinado material, o desgaste adesivo ocorre emqualquer condição de corte, enquanto o desgaste adesivo é encontrado principalmente a baixastemperaturas de corte, ou seja, a baixas velocidades de corte. Os desgastes devido à instabilidade química,incluindo os efeitos de difusão e oxidação aparecem a altas velocidades de corte [ 3 ]


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Fig. 4. Diagrama esquemático dos mecanismos de desgaste em diferentes temperaturas de corte [ 5 ]

5. TIPOS DE DESGASTES MAIS COMUNS

Desgaste frontal na superfície de folga da ferramenta e Desgaste de cratera na superfície desaída de cavaco, conforme mostra a Fig. 5. são os modelos de desgastes mais comuns em usinagem. Odesgaste frontal se origina principalmente pela abrasão de partículas duras na ferramenta, mas também pode ser conseqüência de desprendimento de partículas aderidas. O desgaste de cratera é caracterizado pela formação de um canal ou uma cratera na face da ferramenta onde o cavaco está escoando. O desgastede cratera tem como origem a dissolução do material da ferramenta por mecanismo de difusão, já queocorre na região de maior temperatura sobre a ferramenta. Esse material dissolvido é arrastado pelocavaco, formando o desgaste de cratera como mostra a Fig. 2.[ 5 ]

Fig. 5. Desgastes típicos sobre a ferramenta de corte. [ 5 ]

Dependendo das condições de corte, poderão predominar um ou mais mecanismos de desgaste eassim, serem fatores limitantes na vida útil da ferramenta. Se houver o predomínio do desgaste porabrasão, a dureza da camada de revestimento será importante, se predominar o desgaste adesivo, a baixaadesão para o material usinado será importante e, se o desgaste devido à instabilidade química predominar, as propriedades de barreira contra a difusão serão importantes no revestimento.6. MELHORIA NA PERFORMANCE DAS FERRAMENTAS PELO REVESTIMENTO PVD

A melhoria na performance das ferramentas de corte, gerando menos desgaste, baixo atrito eaumento de vida útil pode ser obtida pela deposição de camadas duras na superfície da ferramenta. Os


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principais efeitos favoráveis na utilização de revestimentos duros vêm da redução do atrito propiciando:menor geração de calor e baixas forças de corte; menor tendência a adesão do material da peça resultandoem menor transferência do material da superfície da ferramenta; aumento da dureza superficial e portantocomo conseqüência um menor desgaste abrasivo; redução do mecanismo de difusão devido a propriedadeque o revestimento tem de formar uma barreira química e térmica.

Sua pequena espessura proporciona um elevado grau de elasticidade, necessário para absorverimpactos e altas tensões na aresta de corte. Ao mesmo tempo, essas camadas duras influenciam positivamente no fluxo e na forma do cavaco, na temperatura na aresta de corte e na otimização faixa detrabalho. A ferramenta, portanto, precisa ser reprojetada com relação aos ângulos da aresta de corte,ângulos de folga, qualidade do aço, dureza, acabamento superficial, etc.

A melhor performance das ferramentas de corte revestida resulta em vantagens como:- Redução de custos com ferramentas, em razão de uma vida útil maior.- Redução de custos com tempos não produtivos- Aumento da produtividade por permitir trabalhar com velocidades de corte maiores em razão

de menor atrito, o que reduz também o consumo de potência da máquina e,- Melhoria na qualidade da peça na forma de um melhor acabamento superficial e outros

efeitos tais como melhor precisão dimensional durante o corte.

7. REVESTIMENTOS COM NITRETOS NA USINAGEM

7.1 TiN (Nitreto de Titânio)

O TiN foi a primeira camada disponível comercialmente e por muitos anos a única, portanto não ésurpreendente o fato de encontrar um grande número de empresas utilizando-se desse revestimento. A partir da década de 90, entretanto, principalmente na Europa, outras camadas começaram a ser utilizadasem escala industrial e em muitos casos estão substituindo o TiN. São elas: TiCN e TiAlN

TiN tem um grande espectro de utilização devido ao fato de possuir um bom balanço entre propriedades como: dureza, tenacidade, aderência (sobre aço e metal duro), estabilidade química,estabilidade térmica e reduzido coeficiente de atrito. Este compromisso de propriedades, porém não éideal para todas as aplicações e isto abriu o campo para a implementação de outras camadas como o TiCNe TiAlN.

7.2. TiAlN (Nitreto de Titânio Alumínio)

O TiAlN é uma evolução natural da camada dura mais utilizada até os dias de hoje, o TiN.Enquanto TiN pode também ser obtido pelo processo CVD o TiAlN só é possível de se obter usando processos PVD.

Um aumento considerável na vida útil da ferramenta de corte tem sido obtido com o revestimentode Nitreto de Titânio Alumínio. A principal vantagem do TiAlN é a sua característica de formar um filme protetivo extremamente denso e com alta adesão de Al2O3 em sua superfície quando é aquecida,aumentando a resistência a difusão e oxidação do material do revestimento na peça. A segunda grandevantagem desse revestimento em usinagem é a sua baixa condutividade térmica. Assim, maior quantidadede calor é dissipado pelo cavaco, permitindo que se utilizem velocidades de corte mais altas, já que acarga térmica no substrato é menor.

7.3 TiCN (Carbonitreto de Titânio)

O TiN forma uma camada de estrutura simples, ou seja, mono-camada. Já o TiCN normalmente possuiuma estrutura mais complexa. Com o objetivo de conciliar uma boa aderência com uma alta durezasuperficial, a relação entre os teores de C e N é variada de uma forma crescente durante o processo derevestimento, gerando desta forma uma superposição de 5 a 10 camadas de composição diferente.As principais vantagens do TiCN são sua elevada dureza, quando comparado a TiN e ainda o seu baixíssimo coeficiente de atrito.


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Para aplicações especiais, tais como em usinagem de aços de alta liga, TiCN freqüentementemostra vantagens em comparação com TiN e TiAlN

8. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO

Nas figuras abaixo, são apresentados alguns exemplos de aplicação de revestimentos PVD emferramentas de corte.

Fig. 6 - Desempenho comparativo dos revestimentos em uma broca de HSS nas seguintes condições:

Material: 42 CrMo 4; Diâmetro da broca = 8 mm; Avanço = 0,3 mm/U; Profund. Furo = 20 mm [ 6 ]

Fig. 7 - Desempenho comparativo dos revestimentos em uma Fresa para rasgo “T”de HSS [ 6 ]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

s/ Revestimento TiN TiAlN TiCN

C O M P R I M E N T O

F R E S A D O

( m m

)

FRESA PARA RASGO "T", DIÂM. 10 mm, 3 CORTES

MATERIAL 42 CrMo4

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 930 N/mm2

AVANÇO 200 mm/min

VELOCIDADE DE CORTE 50m/min

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

20 30

N º D E F U R O S

S/ REVEST. TiN TiAlN

VELOCIDADE DE CORTE (m/min)


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9. USINAGEM A SECO

9.1. Dificuldades que se apresentam

Os benefícios na utilização dos óleos refrigerantes nos processos de corte são bastantesignificativos, como por exemplo, na redução do atrito na superfície de contato entre o cavaco e aferramenta (efeito de lubrificação), remoção de cavacos da área de corte (efeito de extração), transportede calor gerado na zona de contato (efeito de refrigeração) bem como efeitos de limpeza e proteçãoanticorrosiva. Entretanto, o uso desses líquidos refrigerantes na usinagem tem causado sérios problemasambientais com o descarte e também econômicos com o custo de reciclagem. A pesquisa edesenvolvimento de ferramentas de corte que permitam trabalhar a seco ou com mínima quantidade derefrigeração será a alternativa mais viável a curto prazo. É possível observar esse caminho dedesenvolvimento em brocas, que é uma típica ferramenta utilizada com refrigeração.

As principais características na operação de furação são as variações de velocidade de corte naaresta principal de corte; a dificuldade de remoção dos cavacos pelos canais; além de altas cargastérmicas e dinâmicas nas arestas de corte da broca. As atividades de pesquisa estão concentradas naadaptação das condições de corte, bem como no desenvolvimento de novos tipos de brocas com propriedades voltadas para usinagem a seco graças às novas tecnologias para fabricação dessasferramentas, pelas novas ligas de materiais cortantes com suficiente tenacidade e alta resistência e durezaa quente, pela adaptação das geometrias das brocas e principalmente pelo emprego de revestimentosadequados a esta condição de trabalho [ 7 ].

8.2. Tendências opostas de desenvolvimento da usinagem nas indústrias nos tempos atuais:usinagem a seco versus usinagem em alta velocidade - sem refrigeração, ambos são impossíveis.

A razão de se trabalhar a seco ou com mínima quantidade de refrigeração está ligada anecessidade de proteger o meio ambiente e reduzir os custos com produção.

Usinagem a seco reduz consideravelmente os custos de produção, entretanto cria uma série de problemas técnicos, sendo um dos mais importantes, a redução na produtividade. Quando se fura a seco ese deseja obter a mesma vida útil de uma ferramenta que utilize refrigeração, deve-se trabalhar com parâmetros de corte bem menores do que com furação convencional. Especialmente para a furação deaços, as perdas são grandes. Somente as brocas de metal duro para trabalho a seco obtém a produtividadede uma broca convencional de HSS.

Com usinagem em alta velocidade as velocidades de corte podem ser aumentadas de 4 a 10 vezes.Para obtenção desta alta produtividade necessita-se de máquinas estáveis e que permitam elevadasrotações e um sistema de refrigeração interna bem eficiente para as ferramentas. Com HSC asnecessidades de energia e refrigeração são bem altas e portanto, os impactos ambientais tremendos.

Os materiais cortantes devem ter uma alta resistência e dureza a quente e não podem trabalharsem o revestimento, criando uma boa isolação térmica entre os cavacos quentes e o corpo da ferramenta.Dos revestimentos duros mais importantes em ferramentas (TiN, TiCN, TiAlN), o TiAlN é o que propiciamelhor isolação térmica. À parte da alta temperatura, o aparecimento de aresta postiça de corte é umgrande problema na usinagem a seco e HSC. Os cavacos aderem nas arestas de corte e nos canais daferramenta, dificultando a extração do cavaco. O baixo coeficiente de atrito do TiAlN auxilia bastante notransporte de cavacos para fora do furo [ 8 ].

9. CONCLUSÃO

O revestimento de TiN continua predominando no mercado, e a explicação para o fato é que: 1-permitealta performance para quase todas as aplicações e materiais usinados; 2- a cor dourada sugere altaqualidade para todos e permite que o desgaste seja supervisionado facilmente.

Especialmente para usinagem com corte interrompido, com altas cargas dinâmicas, tais como emoperações de fresamento e rosca, o revestimento de TiCN é o mais adequado devido a sua estrutura demulticamada. As vantagens são só percebidas com altas velocidades de corte.


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A alta resistência ao calor do TiAlN faz desse revestimento o mais adequado para usinagem aseco e HSC.

BIBLIOGRAFIA

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2. Vencovsky, P. – “Revestimentos em Ferramentas – Processo PVD”, Informação técnica, 1999, p. 1-53. Kaiser, O., “PVD – Beschichtungen schützen Werkzeug und Schmelze”, Kunststoffe, vol 85, 1995, p.

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and Coatings Technology, vol 94/95, 1997, p. 641-6465. Holmberg, K et al – “Coatings Tribology – properties, techniques and applications in surface

engineering”, tribology series, 28, 1994, p. 351-3626. Mack, M. – “Surface technology – wear protection”, Metaplas, 19907. Tönshoff, K. et al – “Wear mechanisms of TiAlN coatings in dry drilling” Surface and Coatings

Technology, vol 94/95, 1997, p. 603-6098. Cselle, T. et al – “Today’s applications and future developments of coatings for drills and rotating

cutting tools” Surface and Coatings Technology, vol 76/77, 1995, p. 712-718

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