Implantação Iônica para Matrizes e Ferramentas de Corte em Aço Ferramenta
A implantação iônica introduz nitrogênio na camada mais externa de uma ferramenta acabada sem aplicar um revestimento sobre ela. Íons carregados são acelerados com alta energia para dentro do aço sob alto vácuo e param de 0,25 a 25 nm (2,5 a 250 Å) abaixo da superfície, de modo que o tratamento altera a composição da própria superfície. Nada é adicionado sobre a ferramenta, o que significa que não há revestimento para lascar nem acúmulo de borda a contornar. A tabela nesta página é a variação de vida medida para ferramentas, matrizes, moldes e rolos implantados, peça por peça e energia por energia.
O que o processo faz com o aço
Um feixe de íons carregados do elemento escolhido é formado e acelerado em direção à superfície da ferramenta, que é mantida sob alto vácuo. Os íons penetram no sólido e param dentro dos primeiros nanômetros. A fonte é explícita que este não é um processo de revestimento. Não há camada discreta sobre o aço, apenas uma alteração da composição química próxima à superfície, razão pela qual o tratamento não altera as dimensões da ferramenta e não cria uma interface que possa falhar. O elemento mais frequentemente implantado em aço ferramenta é o nitrogênio, e a propriedade que ele melhora é o desgaste adesivo e por deslizamento. Titânio e carbono também foram implantados em ferramentas de estampagem e corte, e ambos melhoraram a vida útil.
Resultados de vida útil para ferramentas implantadas
A Tabela 6 reúne os resultados da fonte em usinagem, roscamento, corte, conformação, moldagem e laminação. O maior multiplicador da tabela pertence a um macho. Um macho de HSS cortando aço 4140 ganhou 10 vezes a vida do macho não tratado quando o nitrogênio foi implantado a 50 keV, e o mesmo aço de macho ganhou 3 vezes a 80 keV na mesma peça. Matrizes e moldes ficam no meio da faixa, com uma matriz de conformação em D2 sobre aço inoxidável 321 com 2 vezes a vida, uma matriz de D6 conformando dióxido de titânio e borracha com 6 vezes, e um molde de D2 moldando polímeros com 5 vezes. Um rolo de H13 em serviço de laminação ganhou 5 vezes sua vida original.
| Peça | Material da peça | Processo | Material da peça | Íon | Energia, keV | Benefício |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Insertos de ferramenta | Aço ferramenta com revestimento de TiN | Machining | 4140 | N | 80 | 3× a vida |
| Machos de roscar | HSS | Roscamento | 4140 | N | 80 | 3× a vida |
| HSS | Roscamento | 4130 | N | 80 | 5× a vida | |
| HSS | Roscamento | 4140 | N | 50 | 10× a vida | |
| M35 | Roscamento | . . . | N2 | 200 | 4× a vida | |
| M7 | Roscamento | . . . | N | 100 | 2× a vida | |
| Lâmina de corte | M2 | Corte | 1050 | N | 100 | 2× a vida |
| M2 | Corte | SAE 950 | N | 100 | 4× a vida | |
| Morre | D2 | Formando | 321 SS | N | 80 | 2× a vida |
| M2 | Formando | Aço | N | 100 | 2-12× a vida | |
| M2 | Formando | 1020 | N | 100 | Efeito desprezível | |
| D6 | Formando | TiO2 e borracha | N | 100 | 6× a vida | |
| Moldes | D2 | Formando | Polímeros | N | 50 | 5× a vida |
| Rolos | H13 | Laminação | Aço | N | 100 | 5× a vida |
Fonte, Tabela 6 de Surface Engineering of Specialty Steels, no ASM Handbook Volume 5, Surface Engineering.
A linha sem ganho
Uma linha da Tabela 6 relata um efeito desprezível, uma matriz de M2 conformando aço 1020 a 100 keV. O contraste dentro da mesma tabela é útil. O mesmo aço de matriz M2 conformando uma peça diferente na mesma energia, e em um caso com uma variação de 2 a 12 vezes a vida, mostra que o resultado acompanha o mecanismo de desgaste na superfície da ferramenta e não apenas o aço ferramenta. A implantação visa o desgaste adesivo e por deslizamento. Uma matriz que falha por lascamento, trinca ou fadiga térmica está falhando por um motivo diferente, e uma camada superficial implantada não responde a essa falha.
O que os números pressupõem
Cada linha vem de um laboratório ou oficina de produção diferente, com sua própria geometria de ferramenta, acabamento superficial, máquina e dados de corte, portanto os multiplicadores não são aditivos e não são um ranking de aços ferramenta entre si. Dois pontos práticos decorrem do mecanismo. O processo é uma operação a vácuo em linha de visada, então as faces que desgastam são as faces que precisam ser apresentadas ao feixe de íons. O efeito também reside nos nanômetros mais externos, então retificar ou polir após o tratamento remove a camada implantada junto com o metal. Isso coloca o tratamento no final da rota da ferramenta, sobre a geometria acabada.
Fonte: ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1994.