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1. INTRODUÇÃO
Cermet é um material compósito formado por Cerâmica e Metal. O mesmo foi projetado para ter as propriedades ideais tanto de um material cerâmico como resistência a altas temperaturas e dureza, e também as propriedades de um metal como capacidade de sofrer deformação plástica. É um metal duro a base de titânio, ou seja, seus principais componentes são Carbeto de Ti, Nitreto de Ti e o chamado Carbeto relacionado de Ti. O metal é usado como um ligante para um óxido, boreto, carbeto ou alumina. Geralmente, os elementos metálicos utilizados são níquel, molibdênio e cobalto. Os cermets são obtidos pela metalurgia do pó e podem ser constituídos principalmente de carbonetos e nitretos de titânio (TiC; TiN) utilizando, quase sempre, o níquel (Ni) como elemento ligante.
2. OBJETIVO
Esse trabalho tem como objetivo principal apresentar uma breve revisão sobre as ligas de Cermet, abordando também suas vantagens e desvantagens.
3. HISTÓRICO
Foi durante a Segunda Guerra Mundial que surgiram as ligas de Cermet. Houve uma necessidade de desenvolver materiais com uma excelente força e resistentes de alta temperatura, com isso, os cientistas alemães desenvolveram cermets. Primeiramente começaram usando nos motores de jato e lâminas de turbina. (TINKLEPAUGH). Esse nome Cermet foi dado pela Força Aérea dos Estados Unidos, é a combinação de dois materiais, um metal e um cerâmico. O primeiro materal feito de Cermet foi usado óxido do magnésio (MgO), Óxido do berílio (BeO), e óxido de alumínio (Al 2 O 3 ). A ênfase em forças elevadas da ruptura era em torno de 980°C. (TINKLEPAUGH).
carbeto de tungstenio (WC) ou o carbeto de titanio (TiC), que se encontram envolvidas por uma matriz de um metal, tal como o cobalto ou o níquel. Esses compósitos são amplamente utilizados como ferramentas de corte para aços endurecidos ou encruados. As duras partículas de carbeto proporcionam a superfície de corte; no entanto como elas são extremamente frágeis, não são capazes de suportar por si só as tensões do corte. A tenacidade é aumentada pela sua inclusão no interior da matriz metálica dúctil, a qual isola as partículas de carbeto umas das outras, dessa forma impedindo a propagação de trincas de partícula para partícula. Ambas as fases, matriz e particulada, são bastante refratárias, de forma a suportar as temperaturas elevadas geradas pela ação do corte sobre materiais extremamente duros. Nenhum material isolado poderia proporcionar a combinação de propriedades que possui um cermet. Podem ser usadas frações volumétricas relativamente grandes da fase particulada, com frequência superiores a 90% de volume; dessa forma, a ação abrasiva do compósito é maximizada. (CALLISTER). A alternância de temperaturas altas e baixas também são fatores que ajudam a originar falha por trincas nas ferramentas devido à variação volumétrica cíclica. Assim, dá-se preferência aos cermets para usinagem de acabamento e super- acabamento de ferrosos, em especial os ferros fundidos e os aços endurecidos, devido às pequenas áreas de contato entre o cavaco e a ferramenta, podendo trabalhar com altas velocidades de corte mas, necessariamente, devem ser utilizados com pequenos avanços e pequenas profundidades de usinagem (RIBEIRO). Embora uma grande variedade de cermets fosse produzida em pequena escala, apenas alguns tipos têm uso comercial significativo. Estes se dividem em dois grupos principais: Óxido-base e Carboneto-base de cermet.
Óxido-base de cermet: o tipo mais comum destes cermets, contém óxido de alumínio de partículas de cerâmica (variando 30-70 percentual da fração de volume) e cromo ou matriz de cromo. Em geral, o óxido-base tem um peso específico entre 4,5 e 9,0, e resistência à tração variando de 21.000 a 39.000psi. Seu módulo de elasticidade é executado entre 37 e 50 milhões de psi, e sua escala de dureza é A70 a 90 na escala Rockweel. Os cermets base de óxido são usados como ferramenta para materiais de alta velocidade de corte e difíceis de usinar. Outros usos incluem tubos
de proteção para termopares, peças de equipamentos de fundição de metal de processamento, e selos mecânicos. (CLAUSER).
Carboneto-base de cermets: existem três grandes grupos de carboneto de base para os cermets: tungstênio, cromo, e titânio. E cada um desses grupos é composto por uma variedade de tipos de composição ou graus. Carboneto de tungstênio - Os cermets contém cerca de até 30 por cento de cobalto como agente aglutinante matriz. São os mais pesados tipos de cermet (densidade de 11 a 15). Suas excelentes propriedades incluem alta rigidez, com forças compressivas, dureza e resistência à abrasão. Seu módulo de elasticidade varia entre 65 e 95 milhões de psi e uma dureza de A90 Rockwell. São usados para medidores e peças da válvula. Carboneto de Titânio - A maioria dos cermets carboneto de titânio ou ligas de níquel têm níquel como a matriz metálica, o que resulta em resistência à alta temperatura. Eles têm densidade relativamente baixa combinada com resistência à alta temperatura. Possuem densidade relativamente baixa combinada com alta rigidez e resistência a altas temperaturas (acima de 2200° F). As propriedades típicas são: gravidade específica 5,5 - 7,3; resistência à tração, 75,000 a 155,000psi; módulo de elasticidade, 36 a 55 milhões psi e dureza Rockwell, A70 a 90. O uso típico são as palhetas da turbina a gás e válvulas. cermet cromo-carboneto - contém de 80-90% de carboneto de cromo, sendo que o saldo seja de níquel ou de ligas de níquel. Sua resistência à tração corre cerca de 35,000 psi, e eles têm um módulo de elasticidade variando de 50 a 56milhões psi. Sua dureza é de A88 Rockwell. Eles têm mais resistência à oxidação, excelente resistência à corrosão, e relativamente baixa densidade (gravidade específica é de 7,0). Sua alta rigidez e resistência à abrasão os torna adequados para gages, os forros de válvulas, anéis de rolamento de vedação, mancais e rotores de bomba. (CLAUSER). O Titanium base-Carbonitreto são importantes materiais estruturais e resistentes ao desgaste. Por ter essas características são amplamente utilizadas em pedido de corte de metal, devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Recentemente, muitas ligas estão sendo substituídas por Ti (C, N)-cermet base, acompanhando a tendência de usinagem de alta velocidade. Comparando com WC- Co, um metal duro, as vantagens da Ti (C, N)-cermet são dureza a quente,
Figura 1: Tamanho de partícula do (a) 0,7-0,95 lm (b) 1,4 lm e (c) 3-5 lm. Fonte: JEON.
Um bom exemplo de um composto de partículas é WC / Co, um material excelente para ferramentas de corte. Um carboneto de alta dureza em uma matriz de metal fundido dúctil é um exemplo importante de um cermet. O carboneto é capaz de cortar aço temperado, mas as necessidades da resistência fornecida pela matriz dúctil, o que também impede a propagação de trincas que seria causada por partículas de partículas de contato da fase de carboneto de frágil. Como as fases de cerâmica e metal são relativamente refratários, ambos podem suportar as altas temperaturas geradas pelo processo de usinagem. O metal contém concentrações relativamente pequenas (menos de 15% volume) de partículas de óxido de pequeno diâmetro (0,01 e 0,1μ de diâmetro). (SHACKELFORD).
Vantagens
- Baixa tendência à formação de gume postiço;
- Boa resistência à corrosão;
- Resistência à temperatura elevada;
- Alta estabilidade química;
- Superior resistência ao desgaste e à formação de crateras, é capaz de usinar a altas velocidades;
- Baixa afinidade com a peça usinada, capaz de obter acabamento espelhado.
Características:
Tabela 1: Características dos Cermets. Símbolo Cor Características
TN6020 Cinza
Alta resistência à torção, equivalente ao Metal Duro. Excelente resistência à quebra e ao desgate.
TN30 Cinza
O melhor Cermet de alta velocidade para Ferro e para acabamento de Ferro Fundido. Resistência ao desgaste das Cerâmicas e resistência à torção Cermet.
TN60 Cinza
Cermet de grande abrangência. Larga gama de aplicações, de acabamento a desbaste.
TN100M Cinza
Cermet tenaz para Fresamento. Grande melhoria na resistência a choques. Melhor resistência à oxidação previne desgate por oxidação durante fresam. a altas velocidades Fonte: (RIBEIRO)
Embora o cermet possa parecer mais complexo que o metal duro convencional, como material de ferramenta ele possui certas propriedades que são muito vantajosas para algumas operações de acabamento. O efeito de reascender da aresta de corte na medida em que ela se desgasta uniformemente é uma; a estabilidade química é outra; não se pode falar em efeito de abrasão sobre as pastilhas; a transferência de material da ferramenta para o cavaco é insignificante. (SANDVIK). Muitas das operações de acabamento envolvem somente os cortes contínuos adequados aos cermets. Entretanto, os cortes intermitentes também ocorrem com frequência e já não representam mais “o fim do mundo” para este material, que, efetivamente, tem inclusive sido visto como um solucionador de problemas. (SANDVIK).
- Consistência / precisão dimensional
- Poupar matéria prima e eliminação de sucata
- Melhoria em propriedades mecânicas, maior resistência para relação de peso ratiado, fluxo de grão irrompível.
- Realização de grandes séries de peças a custos reduzidos.
- Alta resistência das peças deformadas.
- Aumenta a dureza e a resistência dos materiais, mas a ductilidade diminui.
- Permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.
- Produz melhor acabamento superficial.
5.2. Deformação a Quente
Deformação acima da temperatura de recristalização. O material sofre recristalização durante a deformação e permanece macio e dúctil. Deformação a quente é aquela realizada a temperaturas maiores que 60% da temperatura de fusão do material, induzindo alterações metalúrgicas microestruturais simultâneas como encruamento, recuperação e recristalização. Existem dificuldades experimentais para se observar esses processos na microestrutura. Dessa forma, a recuperação dinâmica e a recristalização dinâmica são “observadas” indiretamente por curvas tensão-deformação obtidas em ensaios mecânicos a quente como tração, compressão e torção. Essa técnica de “observação” é chamada algumas vezes de “metalografia mecânica”. Os principais processos industriais de conformação a quente são as laminações de planos e de não planos, o forjamento e a extrusão. As variáveis de processo que balizam as pesquisas realizadas nessa área são as temperaturas na qual a deformação é aplicada, o valor dessa deformação, a taxa com que a mesma é realizada e o tempo entre deformações. (CANDEIA).
Vantagens
- Permite o emprego de menor esforço mecânico para a mesma deformação (necessita-se então de máquinas de menor capacidade se comparado com o trabalho a frio).
- Promove o refinamento da estrutura do material, melhorando a tenacidade.
- Elimina porosidades.
- Deforma profundamente devido a recristalização.
Desvantagens
- Exige ferramental de boa resistência ao calor, o que implica em custo.
- O material sofre maior oxidação, formando casca de óxidos.
- Não permite a obtenção de dimensões dentro de tolerâncias estreitas.
Tabela 2: Comparação da tenacidade: Materiais Tenacidade/MPa m Cermet (Co + partículas de tungstenio)
Tungstênio sozinho 1 Fonte: SOARES.
Estes resultados confirmam bem o fato de um material compósito melhorar uma das propriedades dos seus constituintes (SOARES). Na usinagem, a categoria de materiais no estado recozido normalmente é realizada com ferramentas de metal duro ou cermet podendo ser composta pelo carboneto de tungstênio (WC) e cobalto (Co). Citam que este material contém também a adição de carbonetos cúbicos de tântalo (TaC), de nióbio (NbC) e de titânio (TiC). Entretanto, o carboneto de tungstênio é o principal constituinte e influencia diretamente a dureza do composto, sendo o cobalto o elemento aglomerante que influencia diretamente a tenacidade. Os carbonetos cúbicos são adicionados para melhorar propriedades como a dureza a quente, a resistência ao desgaste químico e a resistência à deformação (RIBEIRO). As principais características de alguns dos revestimentos aplicados nas ferramentas são: TiN – indicado em casos em que peças de diferentes materiais são usinadas pela mesma ferramenta, apresentando boa relação custo-benefício como principal aspecto positivo. Proporciona baixos coeficientes de atrito entre cavaco e a ferramenta quando utilizado na usinagem de materiais ferrosos, com geração de cavacos de menores comprimentos. Tal se deve ao fato de ser quimicamente estável e ter menor tendência a fenômenos de difusão com estes. Na usinagem de alumínio (Al), cobre (Cu) e suas ligas ocorre o inverso, devido à elevada afinidade química do titânio (Ti) com estes materiais, predominando a adesão e a difusão. TiCN – apresenta bons resultados na usinagem de aços. Desempenho satisfatório em substratos HSS e carboneto de tungstênio/cobalto (WC/Co). Os revestimentos de TiCN possuem a característica de não permitir a propagação de trincas em direção ao substrato, desenvolvendo-as ao longo de suas multicamadas (RIBEIRO).
Os Cermets costumam ser usados como carboneto de titânio (TiC), nitreto de titânio (TiN), e Carbonitreto de titânio (TiCN) para as partículas duras. Essas partículas são muito duras quimicamente e são termicamente estável, o que lhes conferem um alto grau de resistência ao desgaste. A composição cermet pode também conter tungstênio, tântalo, níquel, cobalto, alumínio, molibdênio e vanádio, bem como outros materiais. O aglutinante inclui geralmente níquel, cobalto e molibdênio. A dureza do aglutinante metálico da ao cermet uma resistência ao choque que exceda a resistência de um material exclusivamente cerâmica. A Figura 3 compara a dureza e a tenacidade de cermet TiCN-base para outros materiais como ferramentas de corte. Como pode ser visto a partir de sua posição perto do centro do grupo de materiais, o cermet oferece um equilíbrio entre dureza e tenacidade (RIBEIRO).
Figura 3: Um usuário foi capaz de transformar quase quatro vezes mais eixos de aço por muitos de ponta quando ele mudou de carboneto de cermet revestido de pastilhas. Fonte: RIBEIRO.
Em 1956, os fabricantes de ferramenta de corte depositaram as suas esperanças em um novo TiC / cermet, liga de níquel-molibdênio e que continham carbono. O material da ferramenta de corte foi capaz de executar bem em altas velocidades e altas temperaturas, mais foi incapaz de suportar aplicações de corte interrompido. Eles perceberam que o tungstênio executou o trabalho satisfatoriamente, mesmo quando empregado na remoção de metais pesados (MAGALHÃES). O desgaste típico das ferramentas de Cermet e metal duro com coberturas de nitreto de titânio TiN e com carboneto de titânio TiC, confirmam as previsões de excessivo desgaste que pode ser atribuído a reações químicas e adesão entre ferramenta e material usinado. As ferramentas cerâmicas também apresentam um incomum desgaste de entalhe (MAGALHÃES).
o sólido em um solvente quente e logo esfriar lentamente. Na baixa temperatura, o material dissolvido tem menor solubilidade, ocorrendo o crescimento de cristais (FERREIRA). A temperatura de aquecimento depende da composição da liga metálica; quanto mais alta a temperatura acima da recristalização, maior segurança se tem na obtenção das modificações estruturais desejadas, por outro lado tamanho do grão final será maior e pode prejudicar as qualidades do material (FERREIRA). As propriedades que conferem as características de resistência ao desgaste em altas temperaturas são as baixas energias de falha de empilhamento (EFE), a elevada temperatura de recristalização, e a estrutura CFC metaestável. A baixa EFE deixa as discordâncias parciais mais separadas, o que dificulta os mecanismos de deslizamento cruzado e escalonamento. Como estes processos requerem recombinação de discordâncias, há um aumento de tensão. Este aumento se traduz em encruamento do material, que é normalmente considerado benéfico para a resistência ao desgaste (YAEDU). O cobalto apresenta uma temperatura de recristalização maior do que os aços e as ligas a base de níquel. A combinação de baixa EFE e elevada temperatura de recristalização conferem melhor resistência ao desgaste ao cobalto. Baixa EFE acarreta maior capacidade de encruamento a elevadas temperaturas (YAEDU). Segue abaixo elementos com sua respectiva temperatura de recristalização: (COSTA).
Chumbo - 4°C
Estanho - 4°C
Zinco 10 °C Alumínio de alta pureza 80 °C
Cobre de alta pureza 120 °C
Latão 60-40 475 °C
Níquel 370 °C Ferro 450 °C
Tungstênio 1200 °C
Sendo o trabalho a quente realizado a temperatura acima da de recristalização, os fenômenos de aumento de dureza devido à deformação e amolecimento, devido ao recozimento, ocorrem simultaneamente. A estrutura cristalina, em outras palavras, deforma-se e permanece deformada somente enquanto o metal está sendo submetido ao trabalho mecânico, ficando totalmente restaurada assim que este cessar. E o mesmo ocorre com as propriedades mecânicas (UFI). A importância da prática do "trabalho a quente" reside no fato de que ele constitui a primeira etapa do processo metalúrgico de conformação mecânica. As razões são as seguintes: a energia necessária para deformar é menor; o metal adquire maior capacidade de deformar-se sem fissuração; algumas heterogeneidades das peças (ou lingotes) como porosidade, bolhas etc.,são praticamente eliminadas pelo trabalho a quente; alguns metais dificilmente são deformados a frio sem fissurar; exemplos, tungstênio, molibdênio e outros (UFI). A temperatura para o trabalho a quente não deve situar-se muito acima da temperatura de recristalização da liga, principalmente no que diz respeito à temperatura de "fim de trabalho". Isso porque, durante o resfriamento posterior, pode-se verificar crescimento de grão, enquanto o metal estiver a uma temperatura superior à de recristalização (UFI).
8. REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
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RIBEIRO, J. L. Silva. Fresamento do aço vhsuper estados recozido e têmpera com metal duro e Cermet. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS, Teses,
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