USINAGEM DE CARBONO-CARBONO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS REVESTIDAS COM DIAMANTE POR CVD

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 USINAGEM DE CARBONO-CARBONO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS REVESTIDAS COM DIAMANTE POR CVD M. A. Lanna, A. M. Abrão, C. R. M. da Silva, E. Corat, L. F. Bonetti, R. F. de Ávila, J. V. C. Souza. Centro Técnico Aeroespacial, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias CEP São José dos Campos - SP Brasil. lanna@mec.ita.br RESUMO A relevância dos compósitos de carbono-carbono (C/C) deve-se a algumas de suas propriedades como: elevadas resistências à ablação e ao choque térmico, boa resistência mecânica, alta rigidez e inércia química, baixa massa específica e etc. Entretanto, os custos associados às etapas de fabricação deste material são muito elevados, por exigirem longos períodos de tempo em elevadas temperaturas. No presente trabalho, ferramentas de nitreto de silício foram produzidas por sinterização normal e depois revestidas com diamante pelo processo CVD (chemical Vapour Deposition). O substrato de nitreto de silício, devido às suas propriedades, é indicado para revestimento de diamante. As ferramentas cerâmicas com revestimento de diamante são potenciais substitutas do PCD (diamante policristalino) na usinagem de compósitos carbono-carbono, devido sua excelente relação custo benefício se comparadas com o PCD. Palavras-chave: sinterização, nitreto de silício, cvd e carbono-carbono. INTRODUÇÃO. O nitreto de silício é encontrado em duas formas cristalográficas: α-si 3 N 4 e β- Si 3 N 4. O nitreto na forma α-si 3 N 4 é instável a altas temperaturas e sua transformação em β- Si 3 N 4 ocorre em temperaturas acima de 1500 C. Na família de produtos sinterizados de nitreto de silício, há quatro grupo maiores: β- Si 3 N 4, β-

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 SIALON, α-sialon e (α+β)-sialon. Os sialons são soluções sólidas de α-si 3 N 4 ou β- Si 3 N 4 com Al, O e algum outro íon metálico [Chen et all, 1998]. O diamante sintético desenvolvido pelas organizações industriais nos anos 60 usando a combinação de altas pressões com altas temperaturas (HPHT, high pressure, high temperature) foi usado primariamente em operações de corte, retificação e polimento, contudo uma grande variedade de aplicações requer filmes finos e revestimentos que não podem ser produzidos por este processo [Davis, 1993]. O diamante é o material existente de maior dureza, possui baixo coeficiente de expansão térmica, é quimicamente inerte e resistente ao desgaste, oferece baixa fricção, tem alta condutividade térmica e é oticamente transparente aos raios ultravioleta. Devido a essas excelentes propriedades, o diamante possui diversas aplicações, como pedra preciosa, como abrasivo, insertos ou revestimentos resistentes ao desgaste em ferramenta de corte Tendo em vista o crescente uso de carbono reforçado com fibras de carbono (carbono-carbono) nas indústrias aeronáutica, aeroespacial, nuclear, biomédica e automotiva, a necessidade de se usinar este material de forma adequada aumentou. Como os compósitos carbono-carbono são de difícil usinabilidade, é necessário um estudo maior do processo de usinagem desse material [Ferreira, 2001]. A usinagem de compósitos carbono-carbono é uma área complexa, principalmente devido ao seu caráter sigiloso. O torneamento desse material constitui-se um problema, resultando grande desgaste da ferramenta [Windhorst and Blount, 1997]. Muitos filmes de diamante CVD relatados até hoje têm usado como substrato pastilhas de silício, principalmente devido ao seu baixo custo e às propriedades favoráveis do silício. Outro critério é que o material do substrato possua um coeficiente de expansão térmica comparável com o do diamante, pois o crescimento é feito em altas temperaturas, assim o substrato se expande e o crescimento se dá sobre a superfície dilatada do substrato O material compósito carbono-carbono foi escolhido por se tratar de um material extremamente abrasivo e por ter sua usinabilidade pouco estudada. O carbono-carbono é muito empregado nas indústrias aeronáutica e aeroespacial devido suas excelentes propriedades principalmente em temperaturas elevadas. Dentre as aplicações do compósito carbono-carbono destaca-se o revestimento interno da tubeira do VLS (Veículo Lançador de Satélites) desenvolvido pelo Centro

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 Técnico Aeroespacial, onde o alto calor das chamas exige boas propriedades do material a altas temperaturas. MATERIAIS E MÉTODOS. No presente trabalho nitreto de silício foi sinterizado sem aplicação de pressão utilizando como aditivos de sinterização: óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), óxido de ítrio (Y 2 O 3 ), óxido de cério (CeO 2 ) e nitreto de alumínio (AlN). O óxido de cério possui um custo inferior ao óxido de ítrio e sua utilização como aditivo de sinterização tem como objetivo a redução dos custos de produção de cerâmicas a base de nitreto de silício para aplicações estruturais, como em ferramentas de corte. Outro aspecto importante do atual trabalho foi a utilização do processo de sinterização normal, que permite a produção de componentes a um custo reduzido e em maior quantidade do que os outros processos. As pastilhas sinterizadas foram lapidadas em forma quadrada e com as dimensões padronizadas conforme a norma ISO 1832 para possível utilização em porta ferramentas no processo de usinagem. Após o processo de lapidação as ferramentas foram recobertas com uma camada de diamante por CVD. Para o recobrimento das ferramentas, foi utilizado um reator de filamentos quentes (HFCVD), localizado no INPE-LAS. Para a deposição foi utilizado um reator de filamentos quentes, com tempo de deposição d 4 horas em atmosfera de H 2 e CH 4 a uma temperatura de 780 C por um tempo de quatro horas. Nos ensaios de usinagem foi utilizado um torno ROMI modelo Centur 30S equipado com comando numérico computadorizado MACH9 com potência e rotação máximas de 6,5 Kw e 3500 rpm. Para evitar a contaminação do equipamento e evitar que o pó oriundo da usinagem do compósito carbono-carbono se espalhasse pelo laboratório, utilizou-se um aspirador de pó da marca Schulz, modelo Hidropó 72 IPX4 de 2400 watts, 220 Volts e 50/60 Hz. As partes mais vulneráveis da máquina foram protegidas com filme de pvc. Para evitar a inalação do pó pelos operadores, utilizou-se máscaras. Foram utilizados como corpos de prova, discos de carbono-carbono com 300 mm de diâmetro e 11 mm de espessura. Esse material foi produzido com fibras de carbono impregnadas com resina de carbono em sua matriz, possuindo densidade aparente de 1,42 g/cm 3, porosidade de 7 % em volume e 45 % de fibras.

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Nos ensaios de usinagem, foram utilizadas três ferramentas diferentes em uma mesma condição de corte: ferramenta comercial (K), ferramenta produzida por sinterização normal (C) e uma ferramenta com revestimento de diamante (CD). Os parâmetros de usinagem utilizados estão apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Parâmetros de corte utilizados nos ensaios de usinagem. Ferramenta Vc (m/min) f (mm/rot) a p (mm) Lc (m) K, C CD , RESULTADOS E DISCUSSÃO. A Figura 1 mostra a comparação da usinagem de carbono-carbono com as três ferramentas utilizadas (C, K e CD). Tomando-se como referência a velocidade de corte de 600 m/min, onde temos a mesma condição de usinagem para todas as ferramentas, tem-se uma redução considerável no desgaste de flanco quando se trabalha com ferramentas revestidas. A camada de diamante na superfície da ferramenta, mesmo que fina (4 µm), protege o substrato de cerâmica da ação abrasiva do compósito. A Figura 2 mostra a influência do material da ferramenta e da velocidade de corte na rugosidade média Ra. A rugosidade foi medida no sentido perpendicular ao diâmetro da peça, devido às orientações das fibras de carbono. Observa-se que no torneamento com ferramenta cerâmica revestida com diamante (ferramenta CD), o aumento da velocidade de corte promove uma redução da rugosidade média da peça. O torneamento com ferramenta cerâmica sem revestimento produz uma superfície com rugosidade bem mais alta do que as obtidas com ferramentas com recobrimento devido ao seu excessivo desgaste. Os valores de rugosidade são altos devido à heterogeneidade do material. As ferramentas com revestimento de diamante, por apresentarem pequenos valores de desgaste, proporcionaram um menor valor de rugosidade média do que a ferramenta cerâmica comum.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 1 Desgaste de flanco VBb (mm) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Vc=600 Vc=800 Vc=1000 Velocidade de corte Vc (m/min) FERRAMENTA CD FERRAMENTA K FERRAMENTA C Figura 1: Comparação da usinagem de carbono-carbono com as três ferramentas utilizadas. Através da análise da superfície das ferramentas diamantadas após a usinagem, percebe-se a presença de pó de carbono aderido à superfície de saída. Esse pó na superfície age como um lubrificante, reduzindo o atrito entre a ferramenta e a peça e favorecendo a usinagem. 10 Rugosidade Média Ra Velocidade de Corte Vc (m/min) Ferramenta C Ferramenta CD Figura 2: Influência do material da ferramenta e da velocidade de corte na rugosidade média Ra As Figuras 3 e 4 mostram a morfologia das fibras de carbono após a usinagem para as velocidades de 600 e 1000 m/min, respectivamente. As figuras mostram a melhora no acabamento superficial quando aumentamos a velocidade de

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 corte.as fibras de carbono se apresentam cortadas de forma bem mais homogênea onde foi utilizada uma velocidade de corte maior. Pelas figuras percebemos um maior arrancamento das fibras de carbono do material. Figura 3: Morfologia das fibras de carbono após a usinagem para as velocidades de 600 m/min. Figura 4: morfologia das fibras de carbono após a usinagem para as velocidades de 1000 m/min. A Figura 5 mostra a evolução dos custos de fabricação em função da velocidade de corte para as ferramentas com cobertura de diamante. O aumento da velocidade de corte reduz os custos com máquina e mão-de-obra, que são custos ligados diretamente ao tempo de fabricação, possuem uma queda com o aumento

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 de velocidade. Como a ferramenta com cobertura possui uma vida maior, os custos com ferramenta são bem menores e passam a não influenciar tanto nos custos de usinagem se comparados aos custos com ferramentas cerâmicas sem revestimento. 1 Custo por peça (US$) 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Vc=600 Vc=800 Vc=1000 Velocidade de Corte Vc (m/min) Kuf Kum+kus Kp Figura 5: Custos de fabricação em função da velocidade de corte para as ferramentas com cobertura de diamante A maior vida das ferramentas revestidas permite a usinagem de várias peças sem a necessidade de parada para troca da ferramenta e a possibilidade de utilização de velocidades maiores reduz o tempo de fabricação, reduzindo assim os custos com relativos à máquina e operador. Além do ganho com os custos de operação, há também uma maior confiabilidade dimensional da peça. A Figura 6 apresenta a comparação dos custos de usinagem das ferramentas cerâmicas (C e K) com a ferramenta com revestimento. A ferramenta com revestimento possui um rendimento bem acima das ferramentas cerâmicas, mostrando ser uma boa opção na usinagem dos compósitos carbono-carbono. A redução no tempo improdutivo com um menor número de trocas da ferramenta e a redução do tempo de corte com a possibilidade de utilizar velocidades mais altas reduzem significativamente os custos de usinagem. As ferramentas com recobrimento de diamante apresentaram um bom desempenho, com uma vida bem maior do que a vida das ferramentas cerâmicas, mostrando ser tecnicamente e economicamente uma boa opção na substituição do PCD em usinagem de carbono-carbono.

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 3 Custo por peça (US$) FER C FER K FER CD Ferramenta Kuf Kum+Kus Kp Figura 6: Comparação dos custos de usinagem das ferramentas. CONCLUSÕES. A utilização do processo de sinterização normal na sinterização das amostras proporcionou propriedades físicas e mecânicas que possibilitam o seu uso em aplicações estruturais, tornando possível a obtenção de um material confiável e a um baixo custo de produção. Para a usinagem do compósito carbono-carbono, as ferramentas cerâmicas com cobertura de diamante pelo processo CVD, mostraram ser através de uma análise técnica econômica a ferramenta mais apropriada, apresentando baixos níveis de desgaste e com um menor custo de produção por peça. Nas ferramentas de corte com revestimento de diamante não foi detectado desgaste de entalhe (VBc) causado pela abrasão das fibras de carbono com a ferramenta na lateral da peça. A possibilidade de utilização de velocidades de corte mais altas com as ferramentas revestidas tornam possível a obtenção de superfícies com melhor acabamento superficial do que as ferramentas cerâmicas convencionais. As altas velocidades de corte utilizadas com maior vida da ferramenta tornaram os custos de usinagem bem mais baixos do que os custos usando ferramentas cerâmicas comuns. O cavaco formado durante o corte é um pó abrasivo e prejudicial à saúde das pessoas e ao equipamento, portanto, a condições de segurança do operador da

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 máquina-ferramenta de do ambiente de trabalho são pontos cruciai para a viabilidade da usinagem do compósito carbono-carbono. AGRADECIMENTOS. À CAPES pelo apoio financeiro. Ao Centro Técnico Aeroespacial pela disponibilização dos laboratórios de sinterização. Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais pela disponibilização dos laboratórios de crescimento de diamante. À Universidade Federal de Minas Gerais pela disponibilização do laboratório de usinagem. REFERÊNCIAS. 1. I. Chen, E. Kny, G. Groboth, Sialon ceramic with gradient microstructures; Surface and Coatings Technology, , 1998, R. F Davis, Diamond Films and Coatings, Copyright, J. R. Ferreira, N. L. Coppini and F. L. Neto, Characteristics of carbon-carbon composite turning, Journal of Materials Processing Technology, 109 (2001) T. Windhorst and G. Blount, Carbon-carbon composites: a summary of recent developments and applications, Materials & Desig, vol 18 n 1, 1997, THE CARBON-CARBON MACHINNING WITH CERAMIC TOOLS RECOVERED BY CVD-DIAMONT ABSTRACT The carbon-carbon composites are the very important material because the excellent properties, since: ablation resistance, thermal shock, mechanical resistance, high stiffness and chemical inertness, low density, etc. However, the production cost these materials are very high. In this work, the silicon nitride ceramic tools was produced by normal sintering and recovered with diamond by CVD

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 (chemical vapor depositing) process. The recovered ceramic tools are the potential PCD in carbon-carbon machining, because the low costs and wear resistance. KEY-WORDS: sintering, silicon nitride, cvd e carbon-carbon.