Relatório Metal Duro

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO - UFES
CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
MCA08696 - LABORATÓRIO DE MATERIAIS II
	
RELATÓRIO DE PRÁTICA 
CARACTERÍSTICAS DO METAL DURO E SUA APLICAÇÃO
Daniella Gualberto Caldeira de Paula - 2020100048
Vitória, 07 de dezembro de 2020
O presente relatório apresenta o artigo: Ciência dos materiais do metal duro (cemented carbides) - uma visão geral. O objetivo é apresentar as características do material e sua principal aplicação. 
Ferramenta de corte
Um grande impulso na área dos materiais de ferramenta de corte aconteceu com o aparecimento do metal duro. Através desse material, as velocidades de corte puderam ser aumentadas. O advento desta classe aconteceu no final da década de 20, na Alemanha, quando Karl Schröter conseguiu produzir em laboratório o WC em pó pela primeira vez. A mistura deste pó principalmente com o cobalto, trouxe ao mercado, na década de 30, um dos mais fantásticos grupos de materiais de ferramentas de corte.
A grande popularidade dos metais duros, que são fabricados pelo processo de metalurgia do pó, se deve ao fato deles possuírem a combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e tenacidade à fratura em altos níveis. 
Os principais constituintes do metal duro consistem em partículas finas de carboneto de tungstênio, que são duras e quebradiças, e o ligante metálico, cobalto, de menor teor, que é relativamente macio e dúctil. 
A natureza do aglutinante cobalto
Existem duas modificações alotrópicas de cobalto, uma forma hexagonal compacta, ε, estável em temperaturas abaixo de aproximadamente 400°C, e uma forma cúbica de face centrada, α, estável em temperaturas mais altas. 
A temperatura da transformação alotrópica depende criticamente da pureza e da taxa de mudança de temperatura, mas para o material de maior pureza (aprox. 99,998%) e mudança lenta de temperatura, a temperatura de transformação é 421,5°C. A mudança de energia livre associada com a transformação é baixa, aproximadamente 500 J/mol para ε → α e aproximadamente 360 J/mol para α → ε, e isso explica a lentidão da mudança e sua sensibilidade às condições experimentais. 
No pó de cobalto, normalmente existe uma mistura com aproximadamente as mesmas quantidades das fases hexagonal e cúbica. Durante a moagem, a quantidade de cobalto hexagonal aumenta até 100%. Em metais duros sinterizados, o ligante de cobalto tem uma estrutura cúbica que não pode ser transformada por recozimento. A razão para esse comportamento foi atribuída a restrições mecânicas; o mais provável, entretanto, é que seja devido à estabilização da modificação cúbica por tungstênio e carbono dissolvidos. 
A relação de fase em WC – Co
Embora existam algumas diferenças entre os vários diagramas de fases WC-Co, algumas das semelhanças comuns são:
· Para composições correspondentes a uma razão atômica W/C próxima a um, a fase WC, β (ligante) e líquido são estáveis;
· Com menores teores de carbono, ocorre uma fase ternária frágil η. Outras fases ternárias de W2C serão estáveis apenas com um teor de carbono muito menor ou com um teor de cobalto muito baixo, respectivamente;
· Em uma razão atômica W/C abaixo de um, o carbono primário precipitará e permanecerá em equilíbrio com a fase WC e a fase β rica em Co em ligas solidificadas;
· O WC-β bifásico existe apenas em uma faixa estreita de concentração de carbono.
O diagrama binário WC-Co melhor representado, foi construído por Gruter em 1959, apresentado na Figura 1.
Figura 1 - Seção vertical estequiométrica entre WC e Co no diagrama de fases W-Co-C.
Fonte: Adaptado (UPADHYAYA, 2001).
O teor bruto de carbono das ligas também desempenha um papel importante no complexo sistema de ligas MeC/WC/Co/C. Pode influenciar fortemente a temperatura eutética e a proporção de concentração de saturação de equilíbrio de MexCy e WC no ligante.
Sinterização do Metal Duro
O metal duro sofre sinterização em fase líquida remanescente, na qual ocorrem as condições básicas: (i) uma temperatura relativamente baixa; (ii) solubilidade do sólido em líquido; e (iii) umedecimento líquido dos grãos sólidos. 
Uma rápida densificação é observada no estágio inicial devido à força capilar exercida nas partículas sólidas pelo líquido umedecedor logo após a formação desse líquido. Uma característica importante no sistema WC-Co é que a alta densidade é obtida no primeiro estágio da sinterização. Simultaneamente, ocorre a eliminação dos poros, pois o sistema tenta minimizar sua energia superficial total, que é a principal força motriz para a densificação em todas as etapas da sinterização da fase líquida. A quantidade máxima de densificação atingível devido ao rearranjo é influenciada por alguns fatores importantes, como a quantidade de líquido presente, tamanho de partícula, solubilidade do sólido no líquido, ângulo de contato, ângulo diedro, etc.
Uma característica importante do sistema WC-Co é que a alta densidade é obtida logo no primeiro estágio de sinterização. Uma contração considerável ocorre mesmo antes da formação do líquido eutético. Isso é evidente na Figura 2, onde é mostrada a variação de contração junto com o diagrama de fases binárias WC-Co. À medida que a solubilidade do sólido em líquido aumenta, outros processos além do rearranjo contribuem para a densificação inicial. Ou seja, a contração ocorre antes do material atingir a temperatura eutética na sinterização.
Figura 2 - O diagrama de fases pseudo-binárias do WC-Co é mostrado à esquerda e o encolhimento por sinterização versus temperatura é mostrado à direita para o metal duro WC-6Co.
Fonte: Adaptado (UPADHYAYA, 2001).
Na maioria dos metais duros WC-Co, a densificação total é alcançada antes do estágio final da fase líquida começar, e a manutenção adicional nesta temperatura de sinterização não leva a qualquer densificação adicional. Mudanças microestruturais de importância prática ocorrem durante a etapa final da sinterização. Destes, os notáveis são o tamanho do grão e a distribuição do tamanho, o formato do grão e a distribuição da fase do ligante. As mudanças microestruturais observadas no estágio final influenciam propriedades como resistência ao desgaste, resistência, tenacidade à fratura, propriedades magnéticas e ductilidade.
Propriedades mecânicas do Metal Duro
A ferramenta desenvolvida na Alemanha, contendo apenas WC-Co, se mostrou prodigiosa na usinagem de ferros fundidos cinzentos, mas com baixa resistência a craterização, quando usinando aços. Para superar esta séria deficiência, pesquisas logo se iniciaram, pois os aços, que são os mais importantes materiais de uso geral em engenharia, não poderiam deixar de se beneficiar desta revolução. Adicionou-se, então TiC, TaC e/ou NbC aos WC-Co e verificaram que este produto reduziu em muito o problema na usinagem dos aços. Esse comportamento é justificado através dos carbonetos adicionados, que têm maiores durezas que o WC e, portanto, apresentam maiores resistências ao desgaste. Ainda pode ser explicado pela solubilidade dos carbonetos adicionados no ferro, a qual é muito menor que no WC, inibindo assim difusão, que é um dos mecanismos de desgastes mais importante a altas temperaturas. Além disso, a estabilidade dos carbonetos adicionados é maior que os WC, implicando em maiores dificuldades de dissolução e difusão desses elementos.
O teor de cobalto é a variável mais importante na produção de metais duros de diferentes qualidades. O aumento do Co implica em menor dureza, maior resistência à ruptura transversal (TRS) e, portanto, maior resistência ao impacto (ou tenacidade) e menor módulo de elasticidade e, portanto, menor rigidez. A resistência à ruptura transversal melhora com o aumento do teor de cobalto até um máximo de 20±5% em massa Co. A resistência máxima depende fortemente das variáveis, como o tamanho do grão de carboneto. Chegando ao papel de outras adições de carboneto no WC-Co, o TiC é conhecido por reduzir a tendência de soldagem em cavacos usinados, mas tem um efeito adverso na resistência à rupturatransversal à temperatura ambiente. 
Visto que as ferramentas de metal duro, durante a usinagem, operam em temperaturas elevadas, o estudo do comportamento da resistência a temperaturas elevadas é necessário. A tenacidade à fratura em metais duros WC-Co não altera significativamente em KIC até 600°C. No entanto, no caso de mistura de carbonetos contendo TiC e (Ta, Nb)C, a temperatura na qual KIC muda é aproximadamente 700°C, com um aumento acentuado no valor da tenacidade à fratura. Pensa-se que isto se deve ao aumento da plasticidade local na ponta da fissura, isto é, como resultado da transformação de fase hexagonal em cúbica na fase de cobalto. Em segundo lugar, a plasticidade do WC é aumentada à medida que uma rápida diminuição na dureza do WC é geralmente observada começando aproximadamente nesta temperatura. Outras razões para o aumento de KIC são a cura e o embotamento das fissuras. 
Em síntese, a grande utilização da classe dos metais duros como ferramenta de corte revolucionou a indústria metalúrgica, pois permitiram avanços e velocidades de corte maiores no processo de usinagem. As várias aplicações do metal duro devem-se ao fato deste material possuir uma combinação de alta resistência ao desgaste e grande resistência à compressão.
Referências
UPADHYAYA, G. S. Materials Science of cemented carbides – an overview. Materials and Design, v. 22, p. 483-489, 2001.
MACHADO, A. R.; SILVA, M. B. Usinagem dos metais. Apostila, Universidade Federal de Uberlândia – EDUFU, 8a. versão, 2004.
Adendos da aula 01/12/2020
O que é o vidro?
Em ciência dos materiais o vidro é uma substância sólida e amorfa, que apresenta temperatura de transição vítrea. No dia a dia o termo se refere a um material cerâmico transparente geralmente obtido com o resfriamento de uma massa líquida à base de sílica. Em sua forma pura, o vidro é um óxido metálico transparente, de elevada dureza, essencialmente inerte e biologicamente inativo, que pode ser fabricado com superfícies muito lisas e impermeáveis. Estas propriedades desejáveis conduzem a um grande número de aplicações. No entanto, o vidro geralmente é frágil, quebra-se com facilidade. O vidro comum se obtém por fusão em torno de 1.250°C de dióxido de silício, (SiO2), carbonato de sódio (Na2CO3) e carbonato de cálcio (CaCO3).
O que é o fônon?
Um fônon na física da matéria condensada, é uma quase-partícula que designa um quantum de vibração em um retículo cristalino rígido. O nome fônon deriva do grego phone, que significa som, voz. O estudo dos fônons é importante na física do estado sólido por facilitar a compreensão de muitas propriedades dos sólidos, como por exemplo o calor específico, a condução térmica, a condutividade elétrica e a propagação do som. Em uma descrição quântica os fônons equivalem a um tipo especial de movimento vibratório, conhecido como modos normais de vibração em mecânica clássica, em que cada parte de uma rede oscila com a mesma frequência. Estes modos normais são importantes, devido a um resultado bem conhecido em mecânica clássica, qualquer vibração arbitrária de movimento de uma rede pode considerar-se como uma superposição de modos normais com diversas frequências; neste sentido, os modos normais são as vibrações elementares de uma rede. Os fônons são bósons que possuem spin zero.