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Ferramentas de corte – Qual é a cobertura certa?

Cerca de 95% das arestas de corte das ferramentas de metal duro são cobertas atualmente. O aumento na dureza da superfície aumenta a resistência ao desgaste da ferramenta, a resistência ao deslizamento reduzida durante a remoção de cavacos graças às superfícies ultra-lisas reduz a tendencia a formação de aresta postiça, e o efeito isolante da camada aumenta a dureza em altas de temperaturas. Como resultado, devem ser alcançadas vidas úteis da ferramenta significativamente mais longas.

Dois processos principais são usados para cobertura: a Cobertura PVD (Physical Vapour Deposition) e a Cobertura CVD (Chemical Vapour Deposition). 

Exemplo: Cobertura AlTiN

Coberturas CVD

A deposição química por vapor (Chemical Vapour Deposition = CVD) é um método para a produção de coberturas de baixa tensão residual por meio de reações químicas induzidas termicamente.  

As substâncias básicas utilizadas para a cobertura são vaporizadas e fornecidas à zona de cobertura como vapor. O gás é então decomposto ou reage com outras matérias-primas e, em seguida, depositado no substrato como uma camada fina. Isso pode ser feito à vácuo ou sob pressão atmosférica.  

São necessárias temperaturas do substrato de até 1000º C para permitir as reações superficiais. Esses processos podem ser suportados por um plasma que aumenta a taxa de reação, o que pode reduzir a temperatura da cobertura.   

O processo CVD é utilizado para depositar coberturas com uma espessura de 5 a 12 µm, em alguns casos até 20 µm. Os materiais utilizados são TiC, TiCN, TiN e óxido de alumínio (Al203). As coberturas podem ser aplicadas como camadas simples ou múltiplas. 

Propriedades da cobertura CVD

  • Baixas tensões residuais da cobertura
  • Muito boa aderência da cobertura 
  • Alta capacidade de suportar cargas
  • Camadas até 20 µm são possíveis
  • Muito boa homogeneidade da cobertura
  • Possibilidade cobertura interna e geometrias complexas
  • Efeito de proteção térmica muito bom para camadas mais espessas
  • No torneamento e fresamento de ferro fundido, são possíveis velocidades de corte que, de outra forma, somente seriam alcançadas com cerâmica.
  • As altas temperaturas do processo fazem com que o substrato de metal duro se torne mais frágil (quebradiço) e, portanto, reduza a tenacidade da aresta de corte.
  • Coberturas espessas de 20 µm geram o arredondamento da aresta de corte tornando-as menos afiadas. 

Cobertura de diamante

A cobertura de diamante é uma forma especial de cobertura CVD: Para isso, o gás hidrogênio introduzido é dividido em radicais de hidrogênio por altas temperaturas (2000º C) ou ignições de plasma. Esses radicais então reagem junto com o gás carbônico, que também é introduzido (geralmente metano, CH4), o que, por sua vez, leva ao acúmulo de carbono na superfície do substrato. Se os parâmetros corretos do processo forem mantidos, este carbono será depositado sob a forma de cristal de diamante. As coberturas de diamante são muito adequadas para a usinagem de materiais altamente abrasivos, como grafite ou componentes CFRP.

Áreas de aplicação CVD

Os revestimentos CVD são a primeira escolha quando se tata de resistência ao desgaste, como torneamento e furação de aço inoxidável em geral, onde os revestimentos CVD espessos fornecem resistência ao desgaste por craterização. O mesmo se aplica para classes de fresamento em ISO P, ISO M e ISO K. Em furação, as classes CVD geralmente são usadas na aresta externa. 

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Coberturas PVD

Os processos de PVD, ao contrário dos processos de CVD, são baseados em métodos puramente físicos. Trata-se de um vapor de material que condensa na superfície do substrato. Para assegurar que as partículas de vapor atinjam aos componentes e não sejam perdidas através da dispersão das moléculas de gás, o processo ocorre em pressão negativa (vácuo). Como o processo de fabricação de PVD ocorre em temperaturas mais baixas de 400 a 600º C, as propriedades do material de base são menos afetadas do que com o processo de CVD. Portanto, a tenacidade de metais duros especiais de granulação fina é amplamente mantida.

Existem quatro tipos principais de cobertura PVD: Vaporização, Pulverização catódica, Vaporização por arco elétrico e Cobertura iônica. A pulverização catódica é o mais importante. Com os diferentes métodos de cobertura PVD, quase todos os metais e até mesmo o carbono podem ser depositados em uma forma muito pura. Ao adicionar gases reativos como oxigênio, nitrogênio ou hidrocarboneto ao processo, também é possível depositar dióxidos, nitretos e carbonetos.

Propriedades da cobertura PVD

  • Alta pureza das camadas
  • Baixa influência térmica do substrato – a tenacidade é mantida
  • Cobertura realizável com qualquer material
  • Baixa tolerância de espessura de camada
  • Excelente adesão (mesmo em camadas intermediárias adicionais)
  • Espessura de cobertura relativamente pequena 

Áreas de aplicação PVD

Classes cobertas com PVD são recomendadas para materiais aderentes devido às suas arestas de corte duras, mas afiadas. As áreas de aplicação são amplas e incluem todas as fresas e brocas inteiriças de metal duro, bem como a maioria das classes para canais, usinagem de roscas e fresamento. As classes com cobertura PVD também são amplamente utilizadas em operações de acabamento e como classe de corte central em furação. 

Multi-camadas

Se um alto nível de tenacidade for necessário, uma cobertura multi-camadas é uma boa opção. Nesse processo, são aplicadas até 2000 camadas individuais, cada uma das quais com apenas alguns nanos de espessura. A estrutura multi-camadas evita que as trincas que ocorrem durante a usinagem se propaguem para dentro do substrato. O material removido não penetra na aresta de corte rápido o suficiente para danificá-la. Com revestimentos multi-camadas, pode-se, portanto, alcançar uma vida útil mais longa. Além da estrutura das multi-camadas, a camada superior é também crucial. Os metais não ferrosos, em particular, tendem a formar arestas postiças, o que aumenta as forças de corte e as temperaturas e, portanto, o desgaste da ferramenta. Este problema é minimizado com camadas superiores de baixo atrito. 

Qual material de corte é mais adequado para quê?

No caso da cobertura CVD, os materiais utilizados são geralmente TiC, TiCN, TiN e Óxido de alumínio (Al203). Com os diferentes métodos de revestimento PVD, quase todos os metais e até mesmo o carbono podem ser depositados. Para a sua orientação, Aqui você encontrará uma visão geral das características dos compostos químicos mais comuns:

TiN: Cobertura de Nitreto de Titânio

  • Cobertura standard mais comum, adequado para aplicação universal
  • Composto químico de Titânio e Nitrogênio
  • Dureza nanométrica: até 24 Gigapascal (GPa)
  • Espessura da camada: 1-7 μm
  • Coeficiente de atrito: 0,55 μ
  • Temperatura de aplicação: 600° C
  • Aplicação: Aço (N/mm²) < 900, Latão e Ferro fundido
  • Em alumínio apenas com máquinas-ferramentas estacionárias e refrigeração líquida forçada
  • Recomenda-se a refrigeração
  • Vida da ferramenta três a quatro vezes mais longa em comparação com as ferramentas sem cobertura

TiAlN: Cobertura de Nitreto de Titânio-Alumínio

  • Cobertura universal
  • Dependendo da aplicação, vida útil até dez vezes mais longa
  • Alta dureza a quente e resistência à oxidação
  • Altas velocidades de corte
  • Composto químico de Titânio, Alumínio e Nitrogênio
  • Dureza nanométrica: até 35 Gigapascal (GPa)
  • Espessura da camada: 1-4 μm
  • Coeficiente de atrito: 0,5 μ
  • Temperatura de aplicação: 800° C
  • Aplicação: Aço (N/mm²) < 1.100, aço inoxidável, ligas de titânio, ferro fundido, alumínio, latão, bronze e plástico
  • A refrigeração não é absolutamente necessária

AlTiN: Cobertura Nitreto de Alumínio e Titânio

  • Dependendo da aplicação, vida útil até catorze vezes mais longa
  • Dureza a quente e resistência à oxidação muito altas
  • Composto químico de Alumínio, Titânio e Nitrogênio
  • Dureza nanométrica: até 38 Gigapascal (GPa)
  • Espessura da camada: 1-4 μm
  • Coeficiente de atrito: 0,7 μ
  • Temperatura de aplicação: 900° C
  • Aplicação: Aço (N/mm²) < 1.300, aço inoxidável
  • A refrigeração não é absolutamente necessária

TiCN: Cobertura de Carbonitreto de Titânio

  • Dependendo da aplicação, vida útil de quatro a cinco vezes mais longa
  • Dureza muito alta e ao mesmo tempo boa tenacidade
  • Composto químico de Titânio, Carbono e Nitrogênio
  • Dureza nanométrica: até 32 Gigapascal (GPa)
  • Espessura da camada: 1-4 μm
  • Coeficiente de atrito: 0,2 μ
  • Temperatura de aplicação: 400° C
  • Aplicação: Aço (N/mm²) < 1.300, aço inoxidável
  • A refrigeração é necessária em velocidades de corte mais altas