setembro 7, 2021
Apesar de não tão duros quanto o diamante, esses carbonetos ainda eram mais duros do que a maioria dos materiais duros conhecidos até então. Portanto, fazia sentido fabricar ferramentas e componentes extremamente resistentes de carboneto de tungstênio, que superavam até mesmo as peças de aço em termos de vida útil. No início, a invenção não teve tanto sucesso, já que os produtos de carboneto de tungstênio eram muito frágeis, provavelmente porque os carbonetos fundidos continham muitas cavidades e precipitados de grafite. Assim, Henri Moissan não recebeu o Prêmio Nobel de Química pela descoberta do carboneto, mas pela investigação e o isolamento do elemento flúor - assim como pela invenção do forno elétrico de arco que leva seu nome, o forno de Moissan.
E assim a breve história dos carbonetos já chegou ao fim? Muito longe disso! Em 1914, Hugo Lohmann e Otto Voigtländer conseguiram criar peças de trabalho resistentes ao desgaste, esmagando o carboneto de tungstênio fundido para formar um pó muito fino que, em seguida, era prensado e sinterizado. Neste processo, o problema era o mesmo: muita fragilidade! Para melhorar a tenacidade, metais ferrosos, cromo e titânio foram adicionados à liga.
Mas o passo decisivo para o sucesso dessa história foi dado só em 1923. Foi neste ano que Karl Schröter atingiu a inovação no desenvolvimento do metal duro sinterizado, na Osram Study Society. Para isso, ele primeiro misturou pó de monocarboneto de tungstênio (fórmula química WC) com pó de cobalto de 5 a 10% e aqueceu os grânulos produzidos a partir dessa mistura perto do ponto de fusão do cobalto. O que aconteceu? Uma massa fundida eutética se formou, já que o carboneto de tungstênio se dissolve no cobalto. Essa massa fundida molha os cristais de carboneto de tungstênio na forma de uma liga de brasagem, os encolhendo para o menor espaço possível. Esse processo de encolhimento cria um corpo muito denso. E com valores de resistência até então inatingíveis! O metal duro finalmente conseguiu se estabelecer no mercado como um material a ser levado a sério - o que foi confirmado com a primeira patente em 30 de março de 1923.
Muita coisa aconteceu no desenvolvimento do metal duro ao longo destes quase 100 anos de história. Porém, na verdade, o "metal duro" simplesmente não existe. Em vez disso, os metais duros descrevem um grupo de materiais que se diferem de outros materiais duros, como cerâmica, corindo ou diamante, devido à sua alta dureza e propriedades metálicas. Metal duro é, portanto, um material bifásico de pó-metalúrgico que consiste em uma fase de material duro e uma fase de ligante metálico.
Imagem de microscópio
No caso do metal duro sinterizado, os carbonetos de tungstênio duros e frágeis são combinados com metais bastante macios, mas tenazes - cobalto, níquel ou ferro - para formar um tipo de material composto. Para isso, durante o processo de sinterização o pó de carboneto, em tamanhos de grão de 0,1–20 μm, é misturado com os ligantes metálicos resistentes; em seguida, a mistura é sinterizada a temperaturas entre 1.300 °C e 1.500 °C e às vezes sob alta pressão de até 100 bar. Neste processo, o volume inicial é reduzido em até 50%.
No entanto, diferente da massa fundida pura, nenhum ou, pelo menos, nem todos os materiais iniciais são fundidos – mais do que isso, são "cozidos". Neste processo, o ligante metálico preenche os espaços entre os grãos de metal duro, garantindo uma espécie de "liga de brasagem" entre os carbonetos. Essa estrutura pode ser melhor comparada ao concreto, no qual partículas individuais de agregados duros, como cascalhos, são firmemente unidas com cimento.
O desenvolvimento dos metais duros fez com que se tornassem um material extremamente versátil: isso porque, onde quer que ferramentas e componentes sejam expostos ao desgaste extremo, os metais duros são uma boa pedida. Alta dureza, resistência ao desgaste e tenacidade, combinados com outras propriedades de alto desempenho que podem ser amplamente adaptadas, fazem do metal duro o material ideal para uma grande variedade de aplicações. Atualmente existem mais de cem tipos diferentes de metal duro, com uma grande variedade de composições, disponíveis para aplicações específicas, por ex., para usinagem de aço, laminação a quente ou aplicações de moldagem por injeção, para citar apenas uma pequena seleção.
Resumo rápido das vantagens do metal duro em geral:
Os metais duros não se limitam a uma gama de aplicação específica, pois são extremamente versáteis. Porque é precisamente onde outros materiais deixam a desejar que os componentes de metal duro podem fazer a diferença - em termos de proteção contra o desgaste, vida útil e dureza, assim como confiabilidade. Com sua ampla gama de possibilidades entre dureza, resistência ao desgaste e tenacidade, os metais duros se tornaram estrelas da usinagem: ainda que o diamante seja o material mais duro, devido à sua baixa resistência à fratura, ele deixa de ser economicamente viável em muitas aplicações. O metal duro atinge sua enorme flexibilidade graças à sua composição, que pode ser adaptada para uma dureza maior ou menor, atingindo a resistência ao desgaste ideal, de acordo com a aplicação.
A imagem mostra a discrepância entre os dois parâmetros resistência ao desgaste e tenacidade, com base nas leis físicas. Se existisse o material de corte ideal - que por enquanto só existe em teoria - ele se encontraria "em cima à direita" no diagrama: resistência ao desgaste e tenacidade máximas.
Quando um material é exposto a cargas externas, sejam estáticas ou dinâmicas, inevitavelmente surgem tensões mecânicas. Na aplicação, especialmente no caso de cargas de impacto, tanto a resistência quanto a deformabilidade do material devem ser levadas em consideração. Essas duas propriedades são a base do termo "tenacidade", que significa a "resistência à fratura ou à propagação de trincas". Quanto maior é o teor de ligante metálico e quanto maior é o tamanho do grão, maior é a tenacidade.
Consequentemente, existem grandes diferenças no comportamento de tenacidade dos metais duros, o que é explicado por sua microestrutura: metais duros com pouco ligante e tamanhos de grãos pequenos tendem a desenvolver trincas muito críticas, que podem levar à falha espontânea do componente (devido às trincas).
Em contraste, no caso de metais duros com alto teor de ligante e tamanhos de grãos maiores, as trincas na matriz do ligante podem ser desviadas ou o avanço das trincas pode até mesmo ser interrompido por completo. Este chamado crescimento subcrítico de trincas geralmente evita a falha espontânea dos componentes ou pode, pelo menos, retardá-la significativamente.
Para esses casos, existem tipos de metal duro que são projetados para máxima resistência à fratura e são necessários, por exemplo, para martelos de forjamento. Eles conformam a peça de trabalho com grande força e têm que suportar uma carga de impacto constante sem falhar, ou seja, sem trincar. Em relação à composição do metal duro, isso significa um teor de cobalto de até 30% com um tamanho de grão de 10 µm.
Diagrama de resistência à fratura: comparação de tipos de metal duro em diferentes tamanhos de grão
Muitas vezes, o teste de força de ruptura transversal é usado para determinar a resistência mecânica do respectivo metal duro. Geralmente as fraturas ocorrem devido a defeitos na estrutura e na superfície do componente. Portanto, é indispensável: ter uma estrutura homogênea do metal duro e evitar os defeitos da superfície.
Para obter a maior resistência à ruptura transversal possível são usados tipos de metal duro com teor médio de cobalto e tamanho de grão médio pequeno – por ex., no caso de micro brocas para placas de circuito impresso. Essas ferramentas podem ser mais finas do que um fio de cabelo humano e são expostas a altas forças de flexão durante a perfuração. Para resistir a essas forças, classes de metal duro com aprox. 8,5% de teor de cobalto e um tamanho de grão WC de < 0,5 µm podem ser usadas.
Diagrama de força de ruptura transversal: comparação de tipos de metal duro em diferentes tamanhos de grão
Corrosão – o terror em qualquer chão de fabrica Isso porque, se um material metálico reage com seu ambiente, isso inevitavelmente resulta em uma mudança mensurável no material. Assim, na maioria dos casos, a função de um componente metálico é prejudicada - chegando até a uma falha total e a consequências fatais para todo o processo.
Os metais duros também não são poupados disso. A corrosão em soluções aquosas ácidas (pH < 7), por exemplo, leva ao esgotamento da superfície da fase ligante – no pior caso, apenas um "esqueleto" de carboneto permanece na superfície. Essa lixiviação ou co-lixiviação de cobalto enfraquece a ligação entre os grãos de carboneto adjacentes, enquanto a taxa de destruição aumenta continuamente. E, se o valor do pH diminui, a tendência à corrosão aumenta.
Quando o teor de ligante metálico já é baixo, o "esqueleto" de carboneto acaba sendo mais resistente; consequentemente, estas classes de metal duro apresentam uma resistência combinada ao desgaste e à corrosão um pouco mais alta do que os metais duros correspondentes com maior teor de ligante metálico. Infelizmente, isso não é suficiente para resolver a questão pois, na prática, este efeito não é de forma alguma suficiente para prolongar significativamente a vida útil. Por isso, devido à resistência à corrosão limitada, os metais duros puramente de carboneto de tungstênio e cobalto não são adequados em áreas de aplicação com condições difíceis de corrosão. Nesta caso, faz sentido dispensar os ligantes de Co puro e, em vez disso, usar materiais como Co/Cr, Co/Ni ou Ni/Cr.
Em meios fortemente básicos (a partir de pH 11), a fase de carboneto, ou seja, o carboneto de tungstênio, é removido uniformemente por mecanismos de corrosão. Isso resulta em uma taxa de destruição levemente mais alta – que, por sua vez, é perceptível no componente através do desgaste maior.
Comparação entre classes padrão e classes resistentes à corrosão (imagens de microscópio)
Hoje em dia, praticamente já não existe uma aplicação padrão – cada uma requer sua própria abordagem individual. E no caso do Metal Duro? Aqui, o mesmo se aplica: dependendo de sua utilização, algumas propriedades específicas são mais importantes que outras. Portanto, primeiro é sempre necessário escolher a classe correta de metal duro – afinal, com uma seleção tão ampla, já existe a classe perfeitamente adequada para cada caso de aplicação.
Aqui, uma alta qualidade do metal duro é essencial: porosidade, propriedades estruturais e defeitos na microestrutura têm fortes efeitos negativos nas propriedades mecânicas. Para atingir um resultado ideal, vale a pena contar com a experiência e o know-how específico de fabricantes premium de metal duro. Só assim é possível definir as características desejadas de maneira específica, por exemplo, adicionando aditivos, a fim de melhorar a resistência a temperaturas altas ou a resistência à corrosão dos metais duros.
Assim como em todos os metais duros, a fase dura de WC é o que confere ao carboneto de tungstênio sua alta dureza, dureza a quente e resistência ao desgaste, enquanto o ligante metálico garante uma boa tenacidade do material. Com um módulo de elasticidade extremamente alto, o metal duro dificilmente sofre deformação plástica sob carga. Essa combinação de propriedades por si só torna os carbonetos de tungstênio interessantes para uma grande variedade de aplicações. Mas a grande vantagem é que as propriedades podem ser variadas de muitas formas, razão pela qual os metais duros podem ser usados em áreas de aplicação muito distintas – dependendo do alto impacto, cargas de flexão ou altas cargas de desgaste a que são expostos.
Os metais duros usados com mais frequência são aqueles à base de WC e Co. Eles são usados não apenas para o corte de metal (grupo de aplicação ISO K), como também em produtos para a usinagem de madeira e aço, assim como em muitas peças de desgaste. Além dos metais duros WC-Co simples, existem também aqueles com carbonetos mistos, que contêm adicionalmente carboneto de titânio, tântalo ou nióbio. Eles são usados tanto para corte de aço (grupo de aplicação ISO P) quanto para serrar metal.
As inúmeras classes de metal duro, necessárias para as mais diversas aplicações, se diferenciam em três pontos básicos: o tamanho médio do grão de WC (fase α), o conteúdo de ligante metálico (fase β) e o conteúdo de outros compostos de liga (fase γ). Com estes três parâmetros, em especial o tamanho do grão WC e o conteúdo de ligante metálico, é possível variar significativamente as propriedades do material.
O metal duro deve seu avanço triunfante não apenas ao equilíbrio entre dureza e resistência ao desgaste, mas também à tenacidade. As propriedades exatas são determinadas pela composição do metal duro. Um critério muito decisivo é a seleção dos tamanhos de grãos usados. A regra é: quanto mais fina a liga, maior sua dureza e resistência ao desgaste.
Por exemplo, o grão mais fino. Esta classe geralmente é usada para materiais abrasivos que tendem a se acumular e, portanto, desgastar. Ela atinge a mais alta estabilidade de aresta e, ao mesmo tempo, tem pouca tendência para aderir. As classes de microgrão oferecem um equilíbrio ideal entre tenacidade e resistência ao desgaste – e não funcionam apenas para preencher lacunas: elas são frequentemente usadas, por exemplo, em metais não ferrosos ou em aço.
Comparação de tamanhos de grãos (imagens microscópicas)
A fase de ligante metálico da maioria dos metais duros é composta por cobalto. Dessa forma, o cobalto representa cerca de 4% até 30% da massa total – e até 12% nas classes usadas para corte – melhorando significativamente a resistência à flexão em comparação com o carboneto de tungstênio puro. Ao longo da história da pesquisa de metais duros, vários metais foram experimentados como fase ligante, mas o cobalto se estabeleceu no longo prazo: ele forma as ligações mais fortes com o carboneto de tungstênio e oferece uma excelente molhabilidade, já que ambos se solidificam em uma estrutura hexagonal.
Os grãos de WC têm um diâmetro de 10 µm a 0,5 µm, os pequenos melhoram a dureza e a resistência. Eles apresentam formatos prismáticos e a matriz de cobalto se encontra entre eles. No caso ideal, apenas carboneto de tungstênio e cobalto são usados; se houver pouco carbono no material, a fase Eta é formada - um carboneto com a composição Co3W3C, que reduz a resistência. O excesso de carbono leva à presença de carbono elementar (grafite), o que também reduz a resistência. Uma parte do carbono e do tungstênio é dissolvida no cobalto.
Aplicações especiais requerem tratamento especial – também com metal duro. Assim, aditivos de liga especiais à vezes garantem otimizações pequenas, porém muito precisas, que trazem a vantagem decisiva para a respectiva aplicação. Pequenas quantidades de carboneto de vanádio (VC, até 0,8%), carboneto de cromo (Cr3C2) ou carboneto de tântalo-nióbio (ambos até 2%) às vezes são usadas como aditivos de dopagem porque garantem uma estrutura de grãos finos.
O metal duro é extremamente versátil e representa o melhor de sua classe em termos de resistência ao desgaste nas mais diversas indústrias: seja na conformação, no serramento, na furação, no fresamento, corte com jato de água abrasivo, perfilamento e aplainamento, perfilamento e moldagem, forjamento ou corte ultrassônico – todos os caminhos levam ao metal duro otimizado para aplicações.
Existe uma ampla gama de produtos de metal duro extremamente resistentes ao desgaste que, por sua vez, abrangem diversos componentes muito diferentes para as mais diversas indústrias. Na usinagem de madeira e aço, por exemplo, o metal duro é usado na forma de dentes de serra para serras circulares e placas de furação para brocas de concreto armado. Na indústria automotiva, componentes de baixo desgaste são fabricados em metal duro para sistemas de injeção direta de combustível. Na indústria de petróleo e gás, por outro lado, as peças de metal duro minimizam o tempo de inatividade em dutos e poços de exploração.
Seja para perfurar, dobrar, estampar, moldar, realizar a prensagem de pó ou corte fino – com peças ativas de metal duro é possível atingir grandes rendimentos e alta produtividade; dessa forma, elas são a base para a produção em massa econômica. Isso é garantido pela estabilidade otimizada da aresta de corte das ferramentas de corte e perfuração, assim como sua confiabilidade e estabilidade do processo, maior resistência à flexão e melhor resistência à tração, combinadas com uma tendência à corrosão reduzida e menor velocidade de corrosão.
Mas também caixas de relógios resistentes a riscos, peças para moldagem de metal e fabricação de ferramentas, bicos de jato de água, alvos para deposição por sputtering para a produção de revestimentos DLC ("carbono semelhante ao diamante"), ferramentas de alta pressão para a produção de diamantes artificiais ou blanks para fresas caracol e rolos de corte também são fabricados em metal duro atualmente. Classes especiais, autorizadas pela Food and Drug Administration (FDA) dos EUA, são utilizadas na tecnologia médica e na indústria alimentícia.
O metal duro desempenha um papel de destaque na usinagem por oferecer uma resistência ao desgaste significativamente melhor do que o aço rápido (HSS), suportar temperaturas de trabalho mais altas e por poder ser otimizado para atender aos requisitos de vários processos. Ao mesmo tempo, ele é mais econômico do que as ferramentas de PCD (diamante policristalino), por exemplo.
Ainda que hoje as coisas não sejam exatamente como eram na fase inicial da pesquisa: o desenvolvimento e a produção de metal duro ainda são um campo muito amplo, onde ainda existem muitas opções a explorar. Para isso, empresas inovadoras trabalham todos os dias para poder oferecer o metal duro ideal para a respectiva aplicação.
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