Development and aplication of diamond coatings onto cutting tools to machine electrodes for mould industry

Abstract

A área do de metal duro encontra actualmente um vasto campo de aplicações e por esse motivo é considerada uma área estratégica do ponto de vista tecnológico e científico. Salientam-se neste âmbito, o corte por arranque de apara, as ferramentas de estampagem, o corte de chapa e ferramentas para resistência ao desgaste. Compreende-se assim o elevado número de publicações e projectos de I&D dedicados nos últimos anos ao aumento do tempo de vida e desempenho de ferramentas. É bem conhecido que alguns materiais utilizados na indústria de moldes (alumínios e suas ligas) ou na produção de eléctrodos para electroerosão de penetração (grafite, cobre e suas ligas) são de difícil maquinação. Por esse motivo, as ferramentas de corte apresentam, geralmente, um reduzido tempo de vida. Neste contexto, o recurso a ferramentas com diamante policristalino como material de revestimento tem sido geralmente adoptado, apesar dos elevados custos que lhes está associado. Além disso, o revestimento de ferramentas de metal duro com filmes de diamante encerra algumas dificuldades tecnológicas, nomeadamente a adesão ao substrato Estudos previamente realizados demonstram que a fase de nucleação é determinante para o controlo do tamanho de grão do filme O presente trabalho de doutoramento teve como principal objectivo desenvolver novas soluções tecnológicas para a deposição de filmes de diamante com elevadas taxas de nucleação. Para o efeito, desenvolveu-se a técnica de deposição química em fase vapor modulada no tempo com controlo de tamanho de grão (TMCVD-GC). Esta técnica pressupõe a combinação das técnicas usuais de TMCVD com fluxos críticos de gases conducentes à obtenção de uma mono camada com elevada taxa de nucleação. Deve salientarse que no caso de revestimentos de metal duro, a fraca adesão está relacionada com as tensões residuais com origem na enorme diferença entre coeficiente de expansão térmica do diamante e do metal duro e com o efeito grafitizante do cobalto. Os filmes produzidos por TMCVD foram testados em condições industriais de maquinação de grafite, por torneamento. Os mecanismos de desgaste inerentes ao processo foram objecto de análise. Foi testado o comportamento de dois “interlayer” (CrN e SiC) no processo de nucleação/crescimento de diamante e o desempenho do “interlayer” de carboneto de silício foi testado na maquinação de grafite. Finalmente procedeu-se à comparação do desempenho das ferramentas revestidas por TMCVD com o desempenho de ferramentas comercias de PCD.

Today, the cemented carbide has found wide application in different areas such as the cutting tools, the wear parts, and the metal forming tools. Therefore, the powder metallurgy of cemented carbides is considered as topic of major interest for the scientific community and the industry. Certainly this is the reason why in the past years were observed the increase of I&D projects with the purpose of increasing the performance and the tool life of the tools. It is well known that a few materials employed in the mould industry (aluminium alloys) or in the EDM (electrical discharge machines) electrodes are of difficult machining with high accuracy. Therefore, the tool life is in general very short. Consequently WC-Co tools coated with polycrystalline diamond tools are often employed for this application, despite its high cost. However, to obtain such coatings with high quality represents an enormous challenge, due to the lack of adhesion between the diamond film and the substrate. Previous studies have shown that proper control of the early nucleation stage of diamond crystallites is detrimental for the crystal grain size control. The main objective of the present work is to develop new technological solutions for the deposition of diamond films with high nucleation density. For that, it was been developed a technique based on the modulation of the gases, with time, during the chemical vapour deposition, namely TMCVD. This process enables not only the control of the crystal grain size of the coating (TMCVD-GC) but also a high nucleation density. The films grown by TMCVD were tested in industrial cutting conditions by dry turning of graphite. The wear mechanisms were identified and studied. It was studied two approaches of interlayer to prevent the negative effect of cobalt during the diamond grown, the silicon carbide (SiC) and the chromium nitrite (CrN). The behaviour of the SiC interlayer was tested during the dry turning of graphite. Finally, the performance of the diamond coatings was compared with the performance of commercial polycrystalline diamond tools, under the same cutting operations.