Revestimentos PVD e CVD em Aços Ferramenta

Por que a temperatura de revenimento decide o processo

Um revestimento só ajuda se o aço abaixo dele mantiver a dureza para a qual a ferramenta foi comprada. O CVD é um processo de alta temperatura, portanto, em qualquer aço ferramenta, ele fica acima da temperatura de revenimento, e a ferramenta precisa ser revenida uma segunda vez após a aplicação do revestimento. Esse segundo revenimento deve ser escolhido de modo que não amoleça o substrato enquanto condiciona o revestimento. O PVD funciona de forma oposta. Ele deposita em temperaturas baixas o suficiente para que uma ferramenta de aço rápido totalmente endurecida mantenha sua dureza durante o ciclo, razão pela qual o PVD se tornou a rota de revestimento padrão para fresas, brocas, machos e fresas de engrenagens.

Deposição química de vapor

O CVD é realizado em uma câmara de vácuo e forma o revestimento a partir de um gás que reage na superfície da ferramenta. Cromo, óxido de alumínio, carboneto de titânio, carboneto de cromo, nitreto de ferro e nitreto de titânio já foram usados como materiais de revestimento. A temperatura do processo é geralmente acima de 800 °C (1472 °F). TiC e TiN são os dois revestimentos resistentes ao desgaste de uso comum em aços rápidos, para trabalho a frio e para trabalho a quente, e a espessura do revestimento depositado varia de 2 a 20 µm (0,0001 a 0,001 pol.). O mecanismo de desgaste que um revestimento CVD combate é a abrasão, por meio de sua dureza. A fonte acrescenta uma advertência de processo. O teor de cloro do revestimento deve ser mantido abaixo de 5%, porque acima desse nível a resistência ao desgaste do revestimento se degrada.

Os aços ferramenta que a fonte lista como revestidos com sucesso por CVD são os tipos AISI A, S, D, H, M e T. Os graus S de menor liga e todos os graus W e O são difíceis ou impossíveis de revestir adequadamente, porque suas temperaturas de austenitização são muito baixas para o processo.

Deposição física de vapor

O PVD também funciona em uma câmara de vácuo e baseia-se na precipitação assistida por plasma de TiC ou TiN sobre o aço ferramenta a 200 a 550 °C (400 a 1025 °F). Essa faixa é o que torna o PVD a rota de revestimento para aço rápido, já que a temperatura do CVD levaria a ferramenta de volta abaixo de sua dureza de trabalho. O desgaste do aço ferramenta é reduzido em aproximadamente a mesma proporção, 2 a 6 vezes menos desgaste, seja TiC ou TiN aplicado por CVD ou por PVD, portanto a escolha do processo é feita com base na temperatura e no custo, e não na resistência ao desgaste.

Dois resultados medidos na fonte mostram quanto do ganho é atrito e não dureza. Revestimentos de TiN em pinos de H13 reduziram o coeficiente de atrito em testes de pino sobre disco de 0,7 para menos de 0,2. Um teste de desgaste abrasivo ASTM G65-10 modificado em aço ferramenta D3 constatou que o desgaste nas amostras revestidas com TiN ficou entre 4 e 23% do desgaste nas amostras não revestidas, dependendo da rugosidade superficial inicial do corpo de prova.

A condição de rugosidade superficial em uma ferramenta revestida

O mesmo trabalho levou Sundquist e colaboradores a uma condição que as oficinas ignoram. Um revestimento de TiN só pode aumentar a vida útil da ferramenta quando a rugosidade superficial da ferramenta é mais fina que a espessura do revestimento. Uma ferramenta retificada com riscos mais profundos que o revestimento carrega o revestimento nas cristas das marcas de retificação com os vales expostos, e o revestimento é desgastado ou removido das cristas primeiro. Retificar e polir a ferramenta até um acabamento mais fino antes do revestimento é o que converte o revestimento em vida útil da ferramenta, e é a razão pela qual duas ferramentas idênticas de duas oficinas podem apresentar ganhos muito diferentes com o mesmo revestimento.

Vida útil de ferramentas de corte revestidas por PVD

A Tabela 5 apresenta as peças usinadas antes do reafiamento para um conjunto de ferramentas de aço rápido, cada uma operada sem revestimento e depois com revestimento. O ganho é maior onde o material da peça é mais difícil de cortar. Uma fresa de topo M7 cortando alumínio 6061-T6 passou de 166 peças para 1500, um macho cortando aço 1050 com 30 a 33 HRC passou de 60 a 70 peças para 750 a 800 peças, e uma pastilha de brochamento cortando aço inoxidável tipo 303 passou de 100.000 peças para 300.000. Duas ferramentas na tabela possuem revestimento diferente de TiN. A ferramenta de perfil T15 que corta aço 1045 é revestida com TiC, e a ferramenta de corte M2 que corta aço de baixo carbono é revestida com uma combinação de TiC-TiN.

Fonte, Tabela 5 de Surface Engineering of Specialty Steels, em ASM Handbook Volume 5, Surface Engineering.

O que os números pressupõem

Cada linha é a prática da oficina ou laboratório que a forneceu à fonte, portanto peças por ferramenta é um ponto de referência e não uma garantia. Velocidade de corte, avanço, fluido de corte, rigidez da máquina e a condição do material da peça alteram a contagem. Uma ferramenta revestida também tem um custo que uma ferramenta não revestida não tem. Cada reafiagem remove o revestimento da aresta de corte, então a ferramenta precisa ser revestida novamente para manter o ganho de vida, e isso deve ser incluído no custo da ferramenta antes da troca. Use a tabela como evidência de que o revestimento compensa nos materiais de peça difíceis, depois defina os dados de corte em uma primeira peça.

Fonte: ASM Handbook, Volume 5, Surface Engineering, ASM International, 1994.