OTIMIZAÇÃO DE CUSTOS DE PRODUÇÃO DE FERRAMENTAS UTILIZANDO SINTERIZAÇÃO NORMAL

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 OTIMIZAÇÃO DE CUSTOS DE PRODUÇÃO DE FERRAMENTAS UTILIZANDO SINTERIZAÇÃO NORMAL M. A. Lanna, J. V. C. Souza, C. Santos, C. R. M. da Silva, O.M. M. Silva. 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 O nitreto de silício é um material promissor para aplicações estruturais, dentre elas estão as ferramentas de corte, devido às suas excelentes propriedades térmicas e mecânicas. Porém, esses materiais são de um alto custo de produção, devido à pureza das matérias primas utilizadas e do controle necessário aos processos utilizados em sua manufatura. Neste trabalho, foram produzidas ferramentas cerâmicas alternativas por sinterização normal e com diferentes materiais em sua fase líquida, visando assim uma redução no custo desses materiais. Foram produzidos três materiais diferentes e seus custos foram comparados com materiais semelhantes encontrados no mercado. A relação custo benefício foi avaliada e suas propriedades foram comparadas com os materiais tradicionais encontrados na literatura. Palavras-chave: sinterização, ferramentas cerâmicas, nitreto de silício. INTRODUÇÃO. Com o desenvolvimento das indústrias e dos processos de usinagem, se torna cada vez mais necessário o desenvolvimento de novos materiais e novas ferramentas de corte que possibilitem trabalhar com velocidades cada vez mais altas e a um custo cada vez mais reduzido. No entanto as tecnologias de produção desses novos materiais são dominadas por um pequeno grupo de empresas, tornando difícil o acesso a elas, necessitando que o país desenvolva seus próprios métodos de produção desses materiais. Os materiais cerâmicos avançados

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 constituem uma tecnologia viabilizadora de produtos e equipamentos de ponta. As cerâmicas avançadas geram um considerável efeito multiplicador na economia, com índice de alavancagem de 11 para 1, ou seja, cada unidade monetária investida nesses materiais viabiliza ou exerce forte influência em um mercado de produtos onze vezes maior [Comissão de Cerâmica Avançada, 1990]. Esse trabalho visa uma evolução no conhecimento científico e tecnológico do país no que diz respeito aos materiais cerâmicos a base de nitreto de silício para ferramentas de corte, buscando produzir ferramentas a um baixo custo através da utilização de sinterização sem pressão e de composições alternativas que possibilitem também a redução de custos com matéria prima. O nitreto de silício (Si 3 N 4 ) é um material cerâmico com boas propriedades de resistência à corrosão, ao desgaste e elevada resistência mecânicas à altas temperaturas. As boas propriedades combinadas com baixas densidade e estabilidade química e dimensional fazem com que esse material seja de interesse de uma vasta gama de aplicações em temperaturas elevadas. Essa classe de ferramentas de corte é mais recente, surgiu no mercado nos anos 80 e foram desenvolvidas para possibilitar a fabricação de ferramentas com melhores propriedades em relação às anteriores, maior tenacidade à fratura e portanto menos frágeis do que os óxidos e mantendo sua boa resistência aos choques térmicos [Wertheim, 1986]. O nitreto de silício é um composto covalente, com excelentes propriedades a altas temperaturas. A 1000 C o nitreto de silício ainda mantém sua dureza. Com o uso de velocidades de corte elevadas, a temperatura local pode chegar a 1000 C e a essas temperaturas os metais possuem sua resistência reduzida [Mostaghaci, 1996]. Dos materiais cerâmicos que contém nitrogênio na sua composição, o nitreto de silício e o sialon são os mais importantes. Um dos produtos desse grupo são os sialons, nome que tem origem nos símbolos dos elementos que o formam, que são, Si, Al, O e N. Os sialons tem mostrado excelentes resultados na usinagem de superligas de níquel. Suas características principais são um pouco diferentes do Si 3 N 4 puro. A presença de oxigênio faz com que seu comportamento seja um intermediário entre as cerâmicas covalentes e aquelas à base de óxidos. Os Sialons são ótimos em termos de dureza a quente e resistência ao choque térmico e são bons com relação à tenacidade, porém são péssimos com relação à estabilidade química. Devido a isso são indicados na

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 usinagem dos ferros fundidos, onde os cavacos são curtos e o contato com a ferramenta é pequeno, reduzindo o desgaste químico. As cerâmicas à base de nitreto de silício mantém a mesma resistência ao desgaste que as cerâmicas brancas (Al 2 O 3 ), com uma tenacidade superior. Isto faz com que a aplicação destes materiais chegue ao fresamento, o que pouco tempo atrás era inadimissível para as cerâmicas. Os custos envolvidos no processo de usinagem são divididos entre ferramentas, equipamento, fluidos de corte (quando utilizado) entre outros. A Figura 1 mostra a parcela do custo de usinagem que cabe a cada parte. Apesar do custo com ferramentas ser apenas 3 % do custo total de produção, indiretamente a ferramenta tem grande influência nos custos de usinagem. Dentre estas ferramentas destacam-se as ferramentas cerâmicas como sendo um seguimento muito promissor na área de ferramentas de corte. A demanda mundial para aplicação de insertos cerâmicos gira em torno de 5 % do volume total de insertos. Fluidos de corte=16% Usinagem=30% Ferramenta=3% Troca de ferram.=25% Equipamento=7% Outros=19% Figura 1: Divisão dos custos de produção [Kopac, 1998]. MATERIAIS E MÉTODOS. As composições estudadas foram misturas à base de nitreto de silício aditivadas com nitreto de alumínio (AlN), óxido de alumínio (Al 2 O 3 ), óxido de ítrio (Y 2 O 3 ) e óxido de cério (CeO 2 ). As composições estudadas estão apresentadas na Tabela 1.

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Tabela1: Composições estudadas. Material A (% em peso) B(% em peso) C(% em peso) Si 3 N 4 78,3 78,3 84,5 AlN 14,4 14,4 5,5 Y 2 O 3 6,3 0 0 CeO 2 0 6,3 0 Al 2 O Processamento das misturas. Os pós foram pesados em balança analítica, com precisão de duas casas decimais para que posteriormente o material fosse moído em moinho de bolas do tipo planetário durante um período de seis horas para todas as amostras. A moagem se realizou por meio líquido, utilizando-se álcool isopropílico, sendo as bolas de alumina e o recipiente de nylon. Após a moagem, os pós foram secos em estufa a uma temperatura de 100 C por um período de cinco horas para completa retirada do álcool. Após os pós estarem totalmente secos, foram então desagregados em almofariz de ágata e posteriormente peneirados em peneira com malha de 100 mesh, para posterior compactação. As amostras foram prensadas uniaxialmente na forma de pastilhas quadradas de 16,36x16,36x7,5 mm, para se atingir uma geometria final de 13x13x4,8 mm das ferramentas de corte. Após a prensagem uniaxial, as amostras foram submetidas à prensagem isostática, para que pudéssemos melhorar as suas propriedades à verde. A pressão de compactação foi de 300 MPa. A sinterização das amostras foi realizada em forno com atmosfera controlada de nitrogênio. O ciclo térmico de sinterização utilizado é apresentado na Figura Aquecimento de 0 a 1750 C em atmosfera de nitrogênio com pressão de 0,1 MPa e taxa de aquecimento de 10 C/min. 2- Isoterma a 1750 C durante 30 minutos em atmosfera de nitrogênio a uma pressão de 1,5 MPa. 3- Aquecimento de 1750 a 1850 C em atmosfera de nitrogênio com pressão de 1,5 MPa e taxa de aquecimento de 10 C/min.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 4- Isoterma a 1850 C durante 30 minutos em atmosfera de nitrogênio a uma pressão de 1,5 MPa. 5- Resfriamento com taxa de 25 C/min. Temperatura (graus) Tempo (min) Figura 2: Ciclo Térmico. Caracterização. A caracterização das amostras foi realizada considerando suas propriedades físicas e mecânicas. Com relação às propriedades físicas, foram determinadas a massa específica à verde (método geométrico), a massa específica aparente (método de Arquimedes), a densidade relativa, a microestrutura (fotomicrografias com Microscopia Eletrônica de Varredura) e fases presentes (difração por raios-x). Quanto às propriedades mecânicas, foram medidas as durezas e a tenacidade à fratura das amostras (ambas pelo método de indentação Víckers). RESULTADOS E DISCUSSÃO. Massa específica (ρ). Os valores de massa específica obtidos estão apresentados na Tabela 2. O ciclo térmico utilizado foi eficiente, promovendo altos valores de densificação. A grande quantidade de fase líquida formada, intensifica o mecanismo de rearranjo das partículas e o processo de solução-reprecipitação de grãos α-si 3 N 4, em α-sialon.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 Os altos valores de densidade à verde (em torno de 60% da densidade teórica) evidenciam a eficiência do processo de moagem, confirmando um excelente nível de empacotamento do pós no processo de prensagem. Tabela 2: Resultados de massa específica. Mistura ρ à verde (g/cm 3 ). ρ aparente (g/cm 3 ). ρ teórica (%). Retração linear (%). A 2,00 3,227 96,94 15,06 B 2,01 3,093 97,15 16,07 C 1,95 3,248 97,97 15,5 Propriedades mecânicas (GPa). Analisando os valores apresentados na Tabela 3, verifica-se que as amostras estudadas apresentaram altos valores de dureza e tenacidade. As amostras A e C apresentaram características similares em relação às propriedades analisadas. A amostra B, apresentou um menor valor de dureza, mas dentro dos valores utilizados como ferramentas de corte. Tabela 3: Resultados de microdureza e tenacidade à fratura. Mistura Microdureza (GPA) Tenacidade (MPam 0,5 ) A 19,87 6,63 B 16,08 6,05 C 20,10 5,42 Nas amostras A e C observa-se maiores valores de dureza (da ordem de 20 GPa), devido à formação de α-sialon, que possui maior dureza do que o β- Si 3 N 4 e também devido à redução de fase intergranular no sistema, já que parte da fase líquida se consome na formação de α-sialon. A amostra A possui uma maior aplicabilidade como ferramenta de corte, já que conjuga um alto valor de dureza com um alto valor de tenacidade à fratura.

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Fases presentes. A Tabela 4 apresenta os resultados da difractometria de raios-x. Nas amostras A e C observou-se a predominância das fases β- Si 3 N 4 e α-sialon. A presença da fase α-sialon é importante para o aumento de dureza do material. A amostra B apresentou predomínio das fases α-si 3 N 4 e β- Si 3 N 4. Mistura Tabela 4: Fases presentes. Fases presentes. A α-si 3 N 4, β- Si 3 N 4, α-sialon, YO(NO 3 ) 3, Y 2 O 3 B α-si 3 N 4, β- Si 3 N 4, AlN C β- Si 3 N 4, α-sialon Microestrutura. As Figuras 3, 4 e 5 ilustram a microestrutura das amostras sinterizadas. A amostra A apresentou grãos maiores do que as outras amostras e com alta razão de espectro. A amostra B (aditivada com óxido de cério) apresentou um melhor refinamento no tamanho de grãos, compostos principalmente da fase β- Si 3 N 4. As amostras A e C apresentaram grãos mais alongados, majoritariamente de α-sialon. Figura 3: Micrografia da amostra A. Comparação dos custos. A Figura 6 ilustra a comparação dos custos de sinterização dos materiais utilizados. O material B apresentou menor custo por Kg de material sinterizado,

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 porém também foi o que apresentou menor dureza. Em uma primeira análise, o material com melhor relação custo benefício foi a amostra C, pois combina um baixo custo com boas propriedades mecânicas. Figura 4: Micrografia da amostra B. Figura 5: Micrografia da amostra C. 130 Custo (US%/Kg) A B C Material Figura 6: Custo dos materiais sinterizados.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 Considerando o peso de uma ferramenta em torno de 5 gramas de material e os custos de sinterização e afiação, o custo por ferramenta para os materiais produzidos gira em torno de 6 US$, o que corresponde a menos da metade de uma ferramenta comercial importada similar, que custa em torno de 13 US$. CONCLUSÕES. Os valores de propriedades mecânicas obtidos com os materiais testados permitem o seu emprego como ferramentas de corte. Os custos dos materiais produzidos no laboratório são inferiores dos encontrados no mercado, mostrando ser uma boa opção na redução dos custos de produção no processo de usinagem. São necessários ensaios de usinagem que submetam esses materiais a situações reais de trabalho para verificar a resistência à abrasão, a altas temperaturas (fluência) e ao choque desses materiais. AGRADECIMENTOS. À CAPES pelo apoio financeiro. Ao Centro Técnico Aeroespacial pela disponibilização dos laboratórios de sinterização. REFERÊNCIAS. 1. Comissão de Cerâmica Avançada ABC, Cerâmica, 36 [246] 10A-18A (1990). Proposta de Programa para o Desenvolvimento do Brasil. 2. R. Wertheim, Improved Tool Life with Silicon Nitride, Machine and Tool Blue Book, 1986, H. Mostaghaci, Advanced Ceramic Materials, Key Engineering Materials, vols , Copyright, J. Kopac, Influence of Cutting Material and Coating on Tool Quality and Tool Life, Journal of Materials processing Technology 78 (1998)

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 THE COST REDUCTION OF NORMAL SINTERING CERAMIC CUTTING TOOLS. ABSTRACT The silicon nitride is a promising material for structural applications, since ceramic cutting tools, because his excellent termo-mechanical properties. But this material cost is expensive, because the purity of raw material and manufacture process. In this work, the purpose is product low cost ceramic cutting tolls by normal sintering. The three materials were performed and the cost of production compared with commercial ceramic product. KEY-WORDS: sintering, ceramic tools, silicon nitride.