Processamento e caracterização de cermetos à base de Ti(CN) com ligantes de Ni/Co

Abstract

Os cermetos à base de Ti(CN) têm excelente resistência ao desgaste, boa dureza a altas temperaturas, boa estabilidade química e, por este motivo, têm vindo a ser estudados para a substituição dos compósitos de WC-Co, apelidados de metal duro, em ferramentas de corte de alta velocidade para operações de acabamento. O seu desempenho como ferramenta em operações de elevadas velocidades de corte supera o do metal duro, uma vez que possuem boa resistência à oxidação e bom compromisso entre resistência e dureza a altas temperaturas atingidas neste tipo de operação. No entanto, a microestrutura destes cermetos ainda é muito desafiante, uma vez que os ligantes metálicos presentes (Ni, Co) apresentam baixa molhabilidade no Ti(CN), levando a uma densificação insatisfatória e ao comprometimento das propriedades mecânicas. Para ultrapassar este problema, carbonetos como WC, Mo2C e NbC são normalmente adicionados para melhorar a molhabilidade através da formação de uma estrutura muito particular denominada ‘núcleo-aro’. A fase do aro é uma solução sólida de (Ti, W, Mo, Nb, etc.) (CN), que possui a mesma estrutura cristalina fcc que o Ti(CN) e o núcleo é formado por Ti(CN) que não se dissolveu durante o processo de sinterização. Estas microestruturas necessitam de ser melhoradas através da composição e processamento utilizados para se obterem boas propriedades mecânicas. Neste trabalho, foram investigadas quatro composições de cermetos numa parceria entre a Universidade de Aveiro e a Palbit S.A. O elemento principal utilizado foi o Ti(CN), com adição de ~15% wt de ligante metálico (7,6%wt Co; 7,5%wt Ni) e ~20% de WC para melhorar a sinterabilidade. O efeito da adição de Mo2C e NbC foi investigado para se obterem características estruturais/microestruturais conducentes a um bom desempenho mecânico. Os cermetos de diferentes composições foram preparados por pulverometarlugia, com moagem, prensagem e sinterização dos pós percursores. Todo o processamento foi realizado em condições semelhantes ao dos graus de metal duro produzidos na Palbit. As caracterizações estruturais e microestruturais foram obtidas por difração de raios-X (XRD, Rigaku) e microscopia ótica de varrimento (SEM, Hitachi SU-70) acoplada a um espectrómetro de energia dispersiva (EDS, Rontec) respetivamente. As análises de EBSD foram realizadas no SEM equipado com um sistema de microscopia de orientação por imagem. Os compósitos foram caracterizados magneticamente, através de ensaios de balança magnética e força coerciva e as propriedades mecânicas avaliadas por dureza de Vickers (HV30, Matsuzawa DVK-1), onde se obteve uma dureza de 1790 HV30 para a composição com adição de Mo2C e NbC, tenacidade de Palmqvist (9.4 MPa.m½) e resistência à rotura transversal (1796 MPa). Por último, foram realizados ensaios de vida útil para avaliar o comportamento dos cermetos em operações de acabamento de aços

Ti(CN) based cermets have excellent wear resistance, good hardenss at high temperatures, good chemical stability and, for this reason, they have been studied for the replacement of WC-Co composites, named as hard metal, in highspeed cutting tools for finishing operations. Its performance as a tool in operations of high cut speeds exceed that of hard metal, since they have good resistance to oxidation and good compromise between strength and hardness at high temperatures reached in this type of operations. However, the microstructural design of those cermets is still very challenging since the metallic binders (Ni and Co) present low wettability on Ti(CN) leading to unsatisfactory densification and poor mechanical properties. To overcome it, carbides like WC, Mo2C and NbC are usually added to improve the wettability, via forming core-rim structure. Rim phase is a solid solution of (Ti, W, Mo, Nb, etc.)(C,N), which has the same fcc structure as Ti(C,N) and the core phase is formed by Ti(C,N) that wasn’t dissolved during sintering process. These microstructures need to be optimized by the used composition and processing to attain high mechanical properties. In the present work four cermet grades compositions were investigated within a partnership between University of Aveiro and Palbit S.A. The main element used is Ti(CN) bound by ~15%wt of metallic binder (7.5% wt Co; 7.5% wt of Ni) and ~20% WC phase to improve the sinterability. The effect of Mo2C and NbC addition was investigated to achieve structural/microstructural charateristics conductive to a good mechanical performance. The cermets with different compositions were prepared by pulverometallurgy with milling, pressing and sintering precursor powders. All processing was performed under conditions similar to hard metal grades produced in Palbit. The structural and microstructural characterizations were accessed by X-ray diffraction (XRD, Rigaku) and scanning electron microscopy (SEM, Hitachi SU-70) coupled with energy dispersive spectrometer (EDS, Rontec) respectively. The EBSD analysis were performed by SEM, equipped with an orientation imaging microscopy system. The composites were magnetically characterized, using coercive force and magnetic balance measurements and the mechanical properties evaluated by Vickers hardness (HV30, Matsuzawa DVK-1), where the composition with Mo2C and Nbc obtained a hardness of 1790 HV, Palmqvist toughness (9.4 MPa.m½) and tensile rupture strength (1796 MPa). Finally, life cycle tests were carried out to evaluate the behaviour of cermets in steel finishing operations