APLICAÇÃO DE REVESTIMENTOS PVD EM FERRAMENTAS DE CORTE

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APLICAÇÃO DE REVESTIMENTOS PVD
EM 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 no sentido de atender à crescente demanda de produção, deparando-se com a necessidade de usinar novos tipos de materiais mais leves, com melhores propriedades mecânicas, porém, com maior resistência ao corte. Em razão disso, o foco tem se concentrado na resolução dos problemas que advém quando da usinagem 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 indústria aeroespacial, e estas novas ligas são mais difíceis de serem usinadas. Assim, apesar desses novos materiais serem mais leves, com melhores propriedades e mais resistentes ao calor, têm como uma grande desvantagem 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 para conferir forma utilizado na produção de componentes. Mesmo com o avanço de novos métodos de fabricação 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 parcela muito pequena no custo final do produto, elas exercem uma influência considerável na produtividade e nos custos de produção. A taxa de remoção de material é determinada muito mais pelos fatores tribológicos que ditam o quão rapidamente uma ferramenta de corte pode mover-se através do material do que outros fatores como a limitação da máquina. Quando a ferramenta de corte se desgasta, a operação tem que ser interrompida e a ferramenta, trocada ou reafiada. Os custos com a parada da máquina para troca da ferramenta e os custos com reafiação e uma nova preparação são uma parcela considerável do custo total de produção.
A maioria das indústrias que trabalham com usinagem em seu processo produtivo tem dado uma contribuição valiosa para a melhoria na tecnologia do corte. O desenvolvimento de materiais cortantes desde as ferramentas de aço rápido, metal duro, cerâmica e outros, aliado às técnicas de revestimento PVD com camadas resistentes ao desgaste tem possibilitado a utilização dessas ferramentas com velocidades de corte cada vez maiores. E isto tem feito com que os fabricantes de máquinas operatrizes desenvolvam 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 as ferramentas de aço rápido, particularmente com os desenvolvimentos de processos de deposição física PVD. 
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 e ferramentas de corte. A diferença básica consiste na maneira como o material metálico sólido é evaporado. Dentre os modos de evaporação, o processo a arco é o mais empregado, uma vez que propicia maior taxa de ionização, cerca de 90%. 
Os átomos do material metálico evaporado e ionizado positivamente são acelerados em direção ao substrato submetido a um potencial negativo. Para a formação de camadas duras geralmente são introduzidos gases reativos (N2, C2H2, O2, etc.) na câmara de revestimento. O processo PVD transcorre sob 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 as ferramentas de corte para usinagem são confeccionadas com materiais cortantes que suportam essa temperatura, não há o risco de alteração dimensional e nem de queda de dureza, além do que o processo PVD não irá comprometer o tratamento térmico desse material [ 2 ].
Três camadas aplicadas pelo processo PVD têm se destacado no revestimento de ferramentas de corte, são elas: TiN, TiCN e TiAlN. Estas camadas são caracterizadas por uma alta dureza, excelente aderência, baixa porosidade, altas estabilidades química e térmica, entre outras características. Na tabela 1 encontram-se relacionadas algumas das propriedades destas camadas [ 3 ]
TABELA 1 – Propriedades selecionadas das camadas de TiN, TiCN e TiAlN [ 3 ]
 ________________________________________________________________________
Camada
TiN
TiCN
TiAlN
Dureza [HV0,05]
2500
2700
2600
Espessura máxima[(m]
4
4
3
Estabilidade térmica [ºC]
550
450
800
Aderência *1 [N]
60
50
50
Coef. Atrito contra aço
0.65
0.50
0.60
Coef. Transmissão de calor [W/mK]
29
29
-
Cor
dourado
lilás
cinza/preto
*1 Aderência medida indiretamente através da determinação da carga crítica no ensaio de riscamento, utilizando aço rápido temperado como substrato.
Com esse conjunto de propriedades, as camadas PVD podem retardar significativamente os mecanismos de desgaste que atuam quando a ferramenta de corte entra em contato com o material a ser usinado
3. PROCESSO DE CORTE
Durante o processo de corte, isto é, quando o material da peça está sendo cisalhado, a ferramenta fica exposta às cargas mecânicas, térmicas, dinâmicas e tribológicas tão complexas que não há nenhum material 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 e ductilidade; resistência contra altas temperaturas e choques térmicos bem como resistência contra a formação de crateras, propagação de trincas e rupturas. Tais combinações de propriedades são somente encontrados em materiais cortantes revestidos, em particular os metais duros e cermets, e mesmo assim com restrições[ 4].
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 através da peça, formando o cavaco que é removido da superfície da peça. As condições tribológicas de contato entre as duas superfícies que se movem são extremamente severas. A superfície da ferramenta continuamente vai de encontro com um novo material da peça. A temperatura na zona de cisalhamento do material pode chegar a variar entre 900 e 1300 ºC por exemplo, na usinagem de aço utilizando ferramenta de metal duro. De uma maneira geral, a temperatura é afetada principalmente pela velocidade de corte. De todo o calor produzido naquele contato, estima-se que 80% tem como origem o calor gerado pela deformação mecânica do cavaco, 18% pelo atrito do cavaco na superfície de saída da ferramenta e somente 2% é criado pelo atrito da ferramenta com a peça conforme ilustra a Fig. 2.. De todo o calor gerado, estima-se genericamente também que 75% é removido pelo cavaco, 5% é absorvido pela peça e 20% 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 do material 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 naferramenta e assim, na vida útil dela. Em comparação com operações de torneamento, onde as ferramentas não são expostas a variações bruscas e sucessivas nas forças de corte e portanto, na temperatura, os processos de corte interrompido como por exemplo em operações de fresamento implicam em alterações significativas de cargas mecânicas e térmicas nas arestas de corte. As condições de tensões resultantes com a alteração das tensões de tração e compressão para cada impacto da ferramenta, leva às trincas na superfície de saída depois de um número específico de cargas. Devido à baixa condutividade térmica, o TiAlN é capaz de proteger especialmente as ferramentas de corte à base de metal duro contra trincas por fadiga térmica e mecânica
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 da ferramenta e a ruptura dessas junções pela força de cisalhamento faz com que pequenos fragmentos do material da ferramenta adiram no cavaco ou na peça. Este tipo de desgaste pode ocorrer na superfície de folga 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 do material usinado. Muitos materiais usinados, como por exemplo ferro fundido e aço, contêm partículas com fases que tem durezas superiores à da peça. Essas partículas duras podem ser formadas de carbonetos e 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 superfície de 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 da ferramenta no material usinado e vice-versa. Os requisitos para que haja o desgaste por difusão são a afinidade físico-química entre as duas superfícies, fazendo com que os átomos possam mover-se livremente através da interface desde que a temperatura seja alta o suficiente para possibilitar uma rápida difusão. 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 em qualquer condição de corte, enquanto o desgaste adesivo é encontrado principalmente a baixas temperaturas 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 ]
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 de saída de cavaco, conforme mostra a Fig. 5. são os modelos de desgastes mais comuns em usinagem. O desgaste 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 desgaste de cratera tem como origem a dissolução do material da ferramenta por mecanismo de difusão, já que ocorre na região de maior temperatura sobre a ferramenta. Esse material dissolvido é arrastado pelo cavaco, 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 e assim, serem fatores limitantes na vida útil da ferramenta. Se houver o predomínio do desgaste por abrasão, a dureza da camada de revestimento será importante, se predominar o desgaste adesivo, a baixa adesão 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 e aumento de vida útil pode ser obtida pela deposição de camadas duras na superfície da ferramenta. Os 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 resultando em menor transferência do material da superfície da ferramenta; aumento da dureza superficial e portanto como conseqüência um menor desgaste abrasivo; redução do mecanismo de difusão devido a propriedade que o revestimento tem de formar uma barreira química e térmica.
Sua pequena espessura proporciona um elevado grau de elasticidade, necessário para absorver impactos 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 de trabalho. 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 é surpreendente 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 utilizadas em 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 é ideal para todas as aplicações e isto abriu o campo para a implementação de outras camadas como o TiCN e 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 revestimento de 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 grande vantagem desse revestimento em usinagem é a sua baixa condutividade térmica. Assim, maior quantidade de calor é dissipado pelo cavaco, permitindo que se utilizem velocidades de corte mais altas, já que a carga térmica no substrato é menor.
7.3 TiCN (Carbonitretode Titânio)
O TiN forma uma camada de estrutura simples, ou seja, mono-camada. Já o TiCN normalmente possui uma estrutura mais complexa. Com o objetivo de conciliar uma boa aderência com uma alta dureza superficial, a relação entre os teores de C e N é variada de uma forma crescente durante o processo de revestimento, 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.
Para aplicações especiais, tais como em usinagem de aços de alta liga, TiCN freqüentemente mostra vantagens em comparação com TiN e TiAlN 
8. EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
Nas figuras abaixo, são apresentados alguns exemplos de aplicação de revestimentos PVD em ferramentas 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 ]
9. USINAGEM A SECO
9.1. Dificuldades que se apresentam
Os benefícios na utilização dos óleos refrigerantes nos processos de corte são bastante significativos, como por exemplo, na redução do atrito na superfície de contato entre o cavaco e a ferramenta (efeito de lubrificação), remoção de cavacos da área de corte (efeito de extração), transporte de calor gerado na zona de contato (efeito de refrigeração) bem como efeitos de limpeza e proteção anticorrosiva. Entretanto, o uso desses líquidos refrigerantes na usinagem tem causado sérios problemas ambientais com o descarte e também econômicos com o custo de reciclagem. A pesquisa e desenvolvimento de ferramentas de corte que permitam trabalhar a seco ou com mínima quantidade de refrigeração será a alternativa mais viável a curto prazo. É possível observar esse caminho de desenvolvimento em brocas, que é uma típica ferramenta utilizada com refrigeração.
As principais características na operação de furação são as variações de velocidade de corte na aresta principal de corte; a dificuldade de remoção dos cavacos pelos canais; além de altas cargas térmicas e dinâmicas nas arestas de corte da broca. As atividades de pesquisa estão concentradas na adaptação 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 dessas ferramentas, pelas novas ligas de materiais cortantes com suficiente tenacidade e alta resistência e dureza a quente, pela adaptação das geometrias das brocas e principalmente pelo emprego de revestimentos adequados 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 a necessidade 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 e se 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 de aços, as perdas são grandes. Somente as brocas de metal duro para trabalho a seco obtém a produtividade de 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 elevadas rotações e um sistema de refrigeração interna bem eficiente para as ferramentas. Com HSC as necessidades 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 trabalhar sem 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 propicia melhor isolação térmica. À parte da alta temperatura, o aparecimento de aresta postiça de corte é um grande problema na usinagem a seco e HSC. Os cavacos aderem nas arestas de corte e nos canais da ferramenta, dificultando a extração do cavaco. O baixo coeficiente de atrito do TiAlN auxilia bastante no transporte 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-permite alta performance para quase todas as aplicações e materiais usinados; 2- a cor dourada sugere alta qualidade para todos e permite que o desgaste seja supervisionado facilmente.
Especialmente para usinagem com corte interrompido, com altas cargas dinâmicas, tais como em operações de fresamento e rosca, o revestimento de TiCN é o mais adequado devido a sua estrutura de multicamada. As vantagens são só percebidas com altas velocidades de corte.
A alta resistência ao calor do TiAlN faz desse revestimento o mais adequado para usinagem a seco e HSC.
BIBLIOGRAFIA
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Vencovsky, P. – “Revestimentos em Ferramentas – Processo PVD”, Informação técnica, 1999, p. 1-5
Kaiser, O., “PVD – Beschichtungen schützen Werkzeug und Schmelze”, Kunststoffe, vol 85, 1995, p. 898-904
Lugscheider, E. et al – “Arc PVD – coated cutting tools for modern machining applications”, Surface and Coatings Technology, vol 94/95, 1997, p. 641-646
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Tönshoff, K. et al – “Wear mechanisms of TiAlN coatings in dry drilling” Surface and Coatings Technology, vol 94/95, 1997, p. 603-609
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
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
20
30
VELOCIDADE DE CORTE (m/min)
S/ REVEST.
TiN
TiAlN
Nº DE FUROS
VELOCIDADE DE CORTE 50m/min
AVANÇO 200 mm/min
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 930 N/mm2
MATERIAL 42 CrMo4
FRESA PARA RASGO "T", DIÂM. 10 mm, 3 CORTES
COMPRIMENTO FRESADO (mm)
TiCN
TiAlN
TiN
s/ Revestimento
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
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