A ferramenta PCD é feita de ponta de diamante policristalino e matriz de carboneto, obtidas por sinterização em alta temperatura e alta pressão. Ela não só aproveita ao máximo as vantagens de alta dureza, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de atrito, baixo coeficiente de expansão térmica, baixa afinidade com metais e não metais, alto módulo de elasticidade, ausência de superfície clivável e isotropia, como também leva em consideração a alta resistência de ligas duras.
A estabilidade térmica, a resistência ao impacto e a resistência ao desgaste são os principais indicadores de desempenho do PCD. Como ele é usado principalmente em ambientes de alta temperatura e alta tensão, a estabilidade térmica é de suma importância. O estudo demonstra que a estabilidade térmica do PCD tem um grande impacto em sua resistência ao desgaste e resistência ao impacto. Os dados mostram que, quando a temperatura ultrapassa 750 °C, a resistência ao desgaste e a resistência ao impacto do PCD geralmente diminuem entre 5% e 10%.
O estado cristalino do PCD determina suas propriedades. Em sua microestrutura, os átomos de carbono formam ligações covalentes com quatro átomos adjacentes, obtendo a estrutura tetraédrica, que então forma o cristal atômico, o qual apresenta forte orientação e força de ligação, além de alta dureza. Os principais índices de desempenho do PCD são os seguintes: ① dureza que pode atingir 8000 HV, 8 a 12 vezes maior que a do carboneto; ② condutividade térmica de 700 W/mK, 1,5 a 9 vezes maior, superior até mesmo à do PCBN e do cobre; ③ coeficiente de atrito geralmente de apenas 0,1 a 0,3, muito menor que o de 0,4 a 1 do carboneto, reduzindo significativamente a força de corte; ④ coeficiente de expansão térmica de apenas 0,9 x 10⁻⁶ a 1,18 x 10⁻⁶, 1/5 do valor do carboneto, o que pode reduzir a deformação térmica e melhorar a precisão do processamento; ⑤ menor afinidade à formação de nódulos em comparação com materiais não metálicos.
O nitreto cúbico de boro possui forte resistência à oxidação e pode processar materiais que contêm ferro, mas sua dureza é inferior à do diamante monocristalino, a velocidade de processamento é lenta e a eficiência é baixa. O diamante monocristalino possui alta dureza, mas sua tenacidade é insuficiente. A anisotropia facilita sua dissociação ao longo da superfície (111) sob o impacto de uma força externa, e a eficiência do processamento é limitada. O PCD é um polímero sintetizado a partir de partículas de diamante de tamanho micrométrico por meio de um processo específico. A natureza caótica do acúmulo desordenado de partículas leva à sua natureza macroscópica isotrópica, e não há superfície direcional ou de clivagem na resistência à tração. Comparado ao diamante monocristalino, o contorno de grão do PCD reduz efetivamente a anisotropia e otimiza as propriedades mecânicas.
1. Princípios de projeto de ferramentas de corte de PCD
(1) Seleção adequada do tamanho das partículas de PCD
Teoricamente, o PCD deve refinar os grãos e a distribuição dos aditivos entre os produtos deve ser a mais uniforme possível para superar a anisotropia. A escolha do tamanho das partículas de PCD também está relacionada às condições de processamento. De modo geral, o PCD com alta resistência, boa tenacidade, boa resistência ao impacto e grãos finos pode ser usado para acabamento ou superacabamento, enquanto o PCD com grãos grossos pode ser usado para usinagem de desbaste em geral. O tamanho das partículas de PCD pode afetar significativamente o desempenho de desgaste da ferramenta. A literatura pertinente aponta que, quando o grão da matéria-prima é grande, a resistência ao desgaste aumenta gradualmente com a diminuição do tamanho do grão, mas quando o tamanho do grão é muito pequeno, essa regra não se aplica.
Experimentos relacionados selecionaram quatro pós de diamante com tamanhos médios de partícula de 10 µm, 5 µm, 2 µm e 1 µm, e concluiu-se que: ① Com a diminuição do tamanho da partícula da matéria-prima, o Co se difunde de maneira mais uniforme; com a diminuição de ②, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor do PCD diminuem gradualmente.
(2) Escolha adequada do formato da boca da lâmina e da espessura da lâmina
O formato da boca da lâmina inclui principalmente quatro estruturas: aresta invertida, círculo rombo, composto de aresta invertida e círculo rombo, e ângulo agudo. A estrutura de ângulo agudo proporciona uma aresta afiada, alta velocidade de corte, reduzindo significativamente a força de corte e a formação de rebarbas, melhorando a qualidade da superfície do produto. É mais adequada para ligas de alumínio com baixo teor de silício e outros metais não ferrosos de baixa dureza, com acabamento uniforme. A estrutura arredondada obtusa passiva a boca da lâmina, formando um ângulo em R, prevenindo eficazmente a quebra da lâmina e sendo adequada para o processamento de ligas de alumínio com teor médio/alto de silício. Em alguns casos especiais, como profundidade de corte rasa e avanço de lâmina pequeno, a estrutura arredondada romba é preferível. A estrutura de aresta invertida aumenta as arestas e cantos, estabilizando a lâmina, mas ao mesmo tempo aumenta a pressão e a resistência ao corte, sendo mais adequada para o corte de ligas de alumínio com alto teor de silício sob cargas pesadas.
Para facilitar a eletroerosão (EDM), geralmente se opta por uma fina camada de PDC (0,3-1,0 mm), além da camada de metal duro, resultando em uma espessura total da ferramenta de aproximadamente 28 mm. A camada de metal duro não deve ser muito espessa para evitar a estratificação causada pela diferença de tensão entre as superfícies de ligação.
2. Processo de fabricação de ferramentas PCD
O processo de fabricação da ferramenta de PCD determina diretamente o desempenho de corte e a vida útil da ferramenta, sendo fundamental para sua aplicação e desenvolvimento. O processo de fabricação da ferramenta de PCD é mostrado na Figura 5.
(1) Fabricação de comprimidos compostos de PCD (PDC)
① Processo de fabricação do PDC
O PDC (diamante de diamante polimérico) é geralmente composto de pó de diamante natural ou sintético e um agente ligante, sinterizados a alta temperatura (1000-2000 °C) e alta pressão (5-10 atm). O agente ligante forma uma ponte de ligação com TiC, SiC, Fe, Co, Ni, etc., como componentes principais, e o cristal de diamante é incorporado à estrutura dessa ponte por meio de ligações covalentes. O PDC é geralmente fabricado em discos com diâmetro e espessura fixos, sendo submetido a processos de retificação, polimento e outros tratamentos físico-químicos. Essencialmente, a forma ideal do PDC deve preservar ao máximo as excelentes características físicas do diamante monocristalino; portanto, os aditivos na massa sinterizada devem ser mínimos, ao mesmo tempo que se busca maximizar a combinação das partículas por meio de ligações covalentes.
② Classificação e seleção de aglutinantes
O aglutinante é o fator mais importante que afeta a estabilidade térmica da ferramenta de PCD, influenciando diretamente sua dureza, resistência ao desgaste e estabilidade térmica. Os métodos comuns de ligação do PCD incluem: ferro, cobalto, níquel e outros metais de transição. Pó misto de Co e W foi utilizado como agente de ligação, e o desempenho geral do PCD sinterizado foi melhor quando a pressão de síntese foi de 5,5 GPa, a temperatura de sinterização foi de 1450 °C e o tempo de isolamento foi de 4 minutos. SiC, TiC, WC, TiB₂ e outros materiais cerâmicos também foram utilizados. O SiC apresenta estabilidade térmica superior à do Co, porém sua dureza e tenacidade à fratura são relativamente baixas. A redução adequada do tamanho da matéria-prima pode melhorar a dureza e a tenacidade do PCD. Outra opção é a utilização de grafite ou outras fontes de carbono, sinterizadas em temperaturas e pressões ultra-altas, para a obtenção de um diamante polimérico em nanoescala (NPD). O uso de grafite como precursor para a preparação do NPD representa as condições mais exigentes, resultando em NPD sintético com a maior dureza e as melhores propriedades mecânicas.
Seleção e controle de ③ grãos
O pó de diamante, matéria-prima, é um fator crucial que afeta o desempenho do PCD. O pré-tratamento do micropó de diamante, a adição de uma pequena quantidade de substâncias que inibem o crescimento de partículas anormais de diamante e a seleção criteriosa de aditivos de sinterização podem inibir o crescimento dessas partículas.
O NPD de alta pureza com estrutura uniforme pode eliminar eficazmente a anisotropia e melhorar ainda mais as propriedades mecânicas. O pó precursor de nanografite, preparado pelo método de moagem de alta energia com esferas, foi utilizado para regular o teor de oxigênio durante a pré-sinterização em alta temperatura, transformando a grafite em diamante sob 18 GPa e 2100-2300 °C, gerando NPD lamelar e granular, e a dureza aumentou com a diminuição da espessura da lamela.
④ Tratamento químico tardio
À mesma temperatura (200 °C) e tempo (20 h), o efeito de remoção de cobalto do ácido de Lewis-FeCl3 foi significativamente melhor do que o da água, e a proporção ideal de HCl foi de 10-15 g/100 ml. A estabilidade térmica do PCD melhora à medida que a profundidade de remoção de cobalto aumenta. Para PCD com crescimento de grãos grosseiros, o tratamento com ácido forte pode remover completamente o Co, mas tem grande influência no desempenho do polímero; a adição de TiC e WC para alterar a estrutura policristalina sintética e a combinação com o tratamento com ácido forte melhoram a estabilidade do PCD. Atualmente, o processo de preparação de materiais PCD está sendo aprimorado, a tenacidade do produto é boa, a anisotropia foi bastante melhorada, a produção comercial já foi alcançada e as indústrias relacionadas estão se desenvolvendo rapidamente.
(2) Processamento da lâmina de PCD
① processo de corte
O PCD possui alta dureza, boa resistência ao desgaste e é altamente difícil de usinar.
② procedimento de soldagem
A fixação do PDC ao corpo da lâmina é feita por meio de fixação mecânica, colagem e brasagem. A brasagem consiste em pressionar o PDC sobre a matriz de carboneto, podendo ser realizada por brasagem a vácuo, soldagem por difusão a vácuo, brasagem por indução de alta frequência, soldagem a laser, etc. A brasagem por indução de alta frequência apresenta baixo custo e alto retorno, sendo amplamente utilizada. A qualidade da soldagem está relacionada ao fluxo, à liga de soldagem e à temperatura de soldagem. A temperatura de soldagem (geralmente inferior a 700 °C) tem o maior impacto; temperaturas muito altas podem causar a grafitização do PCD ou mesmo a "queima excessiva", o que afeta diretamente o resultado da soldagem, enquanto temperaturas muito baixas resultam em resistência insuficiente da solda. A temperatura de soldagem pode ser controlada pelo tempo de isolamento e pela profundidade de incandescência do PCD.
③ processo de afiação da lâmina
O processo de retificação de ferramentas PCD é fundamental no processo de fabricação. Geralmente, o valor de pico da aresta de corte e da lâmina fica dentro de 5 µm, e o raio do arco fica dentro de 4 µm; as superfícies de corte frontal e traseira garantem um acabamento superficial específico, podendo até mesmo reduzir a rugosidade Ra da superfície de corte frontal para 0,01 µm para atender aos requisitos de espelhamento, fazendo com que os cavacos fluam ao longo da superfície frontal da lâmina e evitando que ela grude.
O processo de retificação de lâminas inclui a retificação mecânica com rebolo diamantado, a retificação por eletroerosão (EDG), a retificação eletrolítica online com rebolo abrasivo superduro e aglomerante metálico (ELID) e a usinagem de lâminas compostas. Dentre esses métodos, a retificação mecânica com rebolo diamantado é o mais consolidado e amplamente utilizado.
Experimentos relacionados: ① o rebolo de partículas grossas leva ao colapso significativo da lâmina, e a redução do tamanho das partículas do rebolo melhora a qualidade da lâmina; ② o tamanho das partículas do rebolo está intimamente relacionado à qualidade da lâmina em ferramentas de PCD com partículas finas ou ultrafinas, mas tem efeito limitado em ferramentas de PCD com partículas grossas.
A pesquisa relacionada, tanto nacional quanto internacional, concentra-se principalmente no mecanismo e no processo de retificação de lâminas. No mecanismo de retificação de lâminas, a remoção termoquímica e a remoção mecânica são predominantes, enquanto a remoção frágil e a remoção por fadiga têm importância relativamente pequena. Durante a retificação, de acordo com a resistência e a tolerância ao calor de diferentes ligantes para rebolos diamantados, busca-se aumentar ao máximo a velocidade e a frequência de oscilação do rebolo, evitando a remoção frágil e por fadiga, aumentando a proporção de remoção termoquímica e reduzindo a rugosidade superficial. A rugosidade superficial na retificação a seco é baixa, mas, devido à alta temperatura de processamento, a superfície da ferramenta pode ser facilmente queimada.
O processo de afiação de lâminas requer atenção aos seguintes pontos: ① Escolher parâmetros de afiação adequados para obter uma melhor qualidade na aresta de corte e um acabamento superficial superior na parte frontal e traseira da lâmina. No entanto, é importante considerar que uma alta força de afiação pode resultar em grandes perdas, baixa eficiência e alto custo; ② Selecionar um rebolo de qualidade adequada, incluindo tipo de aglomerante, granulometria, concentração, revestimento e condições de afiação a seco e úmido, otimizando o ângulo de contato da ferramenta, o valor de passivação da ponta da lâmina e outros parâmetros, melhorando a qualidade da superfície da ferramenta.
Diferentes tipos de rebolos diamantados possuem características distintas, bem como mecanismos e efeitos de retificação diferentes. Os rebolos diamantados com aglomerante de resina são macios, as partículas de retificação se desprendem prematuramente com facilidade, não possuem resistência ao calor e sua superfície se deforma facilmente com o calor, tornando a superfície de retificação da lâmina propensa a marcas de desgaste e alta rugosidade. Já os rebolos diamantados com aglomerante metálico mantêm o fio por meio da trituração, oferecendo boa conformabilidade e acabamento superficial, baixa rugosidade na retificação da lâmina e maior eficiência. No entanto, a capacidade de aglomeração das partículas de retificação prejudica a autoafiação, e a aresta de corte tende a deixar uma folga por impacto, causando sérios danos marginais. Os rebolos diamantados com aglomerante cerâmico possuem resistência moderada, bom desempenho de autoexcitação, mais poros internos, favorecendo a remoção de poeira e a dissipação de calor, podendo se adaptar a diversos fluidos de corte, apresentando baixa temperatura de retificação, menor desgaste, boa retenção de forma e máxima precisão e eficiência. Contudo, a presença de aglomerante no corpo do rebolo diamantado pode levar à formação de cavidades na superfície da ferramenta. Utilize de acordo com os materiais a serem processados, a eficiência geral da retificação, a durabilidade do abrasivo e a qualidade da superfície da peça.
A pesquisa sobre eficiência de retificação concentra-se principalmente na melhoria da produtividade e no controle de custos. Geralmente, a taxa de retificação Q (remoção de PCD por unidade de tempo) e a taxa de desgaste G (relação entre a remoção de PCD e a perda na rebolo) são utilizadas como critérios de avaliação.
O pesquisador alemão KENTER realizou testes de retificação de ferramentas de PCD com pressão constante, demonstrando que: ① o aumento da velocidade do rebolo, do tamanho das partículas de PCD e da concentração do fluido de corte reduz a taxa de retificação e o desgaste; ② o aumento do tamanho das partículas de retificação, da pressão constante e da concentração de diamante no rebolo resulta em aumento da taxa de retificação e do desgaste; ③ diferentes tipos de aglutinante influenciam a taxa de retificação e o desgaste. O processo de retificação de lâminas de ferramentas de PCD foi estudado sistematicamente por KENTER, mas a influência desse processo não foi analisada de forma sistemática.
3. Uso e falhas de ferramentas de corte PCD
(1) Seleção dos parâmetros de corte da ferramenta
Durante o período inicial de usinagem da ferramenta PCD, a aresta de corte foi gradualmente passivada, melhorando a qualidade da superfície usinada. A passivação remove eficazmente as microfissuras e rebarbas resultantes da retificação da lâmina, aprimorando a qualidade da superfície da aresta de corte e, simultaneamente, formando um raio de curvatura circular que comprime e repara a superfície usinada, melhorando assim a qualidade da superfície da peça.
Na fresagem de superfície de ligas de alumínio com ferramenta PCD, a velocidade de corte geralmente é de 4000 m/min, para usinagem de furos geralmente é de 800 m/min, e para usinagem de metais não ferrosos com alta elastoplasticidade, deve-se utilizar uma velocidade de rotação mais alta (300-1000 m/min). O avanço geralmente recomendado fica entre 0,08 e 0,15 mm/rotação. Um avanço muito grande aumenta a força de corte e a área geométrica residual da superfície da peça; um avanço muito pequeno aumenta o calor gerado pelo corte e o desgaste. Quanto maior a profundidade de corte, maior a força de corte, maior o calor gerado pelo corte e menor a vida útil da ferramenta. Uma profundidade de corte excessiva pode facilmente causar a quebra da ferramenta; uma profundidade de corte pequena leva ao endurecimento da peça, desgaste e até mesmo à quebra da ferramenta.
(2) Forma de desgaste
Durante o processamento de peças, o desgaste é inevitável devido ao atrito, à alta temperatura e a outros fatores. O desgaste de uma ferramenta diamantada consiste em três estágios: a fase inicial de desgaste rápido (também conhecida como fase de transição), a fase de desgaste estável com taxa de desgaste constante e a subsequente fase de desgaste rápido. A fase de desgaste rápido indica que a ferramenta não está funcionando corretamente e precisa ser reafiada. As formas de desgaste em ferramentas de corte incluem desgaste adesivo (desgaste por soldagem a frio), desgaste por difusão, desgaste abrasivo, desgaste por oxidação, etc.
Diferentemente das ferramentas tradicionais, o desgaste das ferramentas de PCD ocorre por meio de desgaste adesivo, desgaste por difusão e danos na camada policristalina. Dentre esses, o dano na camada policristalina é a principal causa, manifestando-se como o colapso sutil da lâmina causado por impacto externo ou pela perda de adesão no PCD, formando uma fenda. Esse tipo de dano físico-mecânico pode levar à redução da precisão de usinagem e ao descarte de peças. O tamanho das partículas de PCD, o formato da lâmina, o ângulo da lâmina, o material da peça e os parâmetros de usinagem influenciam a resistência da lâmina e a força de corte, causando danos na camada policristalina. Na prática, o tamanho adequado das partículas da matéria-prima, os parâmetros da ferramenta e os parâmetros de usinagem devem ser selecionados de acordo com as condições de usinagem.
4. Tendência de desenvolvimento de ferramentas de corte de PCD
Atualmente, a gama de aplicações das ferramentas de PCD expandiu-se do torneamento tradicional para a furação, fresamento e corte de alta velocidade, sendo amplamente utilizadas no mercado nacional e internacional. O rápido desenvolvimento dos veículos elétricos não só impactou a indústria automobilística tradicional, como também impôs desafios sem precedentes à indústria de ferramentas, impulsionando-a a acelerar a otimização e a inovação.
A ampla aplicação de ferramentas de corte de PCD aprofundou e impulsionou a pesquisa e o desenvolvimento dessas ferramentas. Com o aprofundamento das pesquisas, as especificações do PCD estão se tornando cada vez menores, a qualidade do refinamento de grãos está sendo otimizada, a uniformidade do desempenho, a taxa de retificação e a relação de desgaste estão cada vez maiores, além da diversificação de formas e estruturas. As linhas de pesquisa para ferramentas de PCD incluem: ① pesquisa e desenvolvimento de camadas finas de PCD; ② pesquisa e desenvolvimento de novos materiais para ferramentas de PCD; ③ pesquisa para melhorar a soldagem de ferramentas de PCD e reduzir ainda mais os custos; ④ pesquisa para aprimorar o processo de retificação da lâmina de ferramentas de PCD para aumentar a eficiência; ⑤ pesquisa para otimizar os parâmetros das ferramentas de PCD e utilizá-las de acordo com as condições locais; ⑥ pesquisa para selecionar racionalmente os parâmetros de corte de acordo com os materiais processados.
Resumo breve
(1) O desempenho de corte da ferramenta PCD compensa a deficiência de muitas ferramentas de carboneto; ao mesmo tempo, o preço é muito menor do que o da ferramenta de diamante monocristalino, sendo uma ferramenta promissora no corte moderno;
(2) De acordo com o tipo e desempenho dos materiais processados, uma seleção razoável do tamanho das partículas e dos parâmetros das ferramentas de PCD, que é a premissa para a fabricação e utilização da ferramenta,
(3) O material PCD possui alta dureza, sendo o material ideal para facas de corte, mas também apresenta dificuldades na fabricação de ferramentas de corte. Na fabricação, é necessário considerar de forma abrangente a dificuldade do processo e as necessidades de processamento, a fim de obter o melhor custo-benefício;
(4) No processamento de materiais PCD no condado de facas, devemos selecionar parâmetros de corte razoáveis, com base no atendimento ao desempenho do produto, tanto quanto possível, estender a vida útil da ferramenta, a fim de alcançar o equilíbrio entre vida útil da ferramenta, eficiência de produção e qualidade do produto;
(5) Pesquisar e desenvolver novos materiais para ferramentas de PCD para superar suas desvantagens inerentes
Este artigo foi retirado de "rede de material super-resistente"
Data da publicação: 25 de março de 2025
