Autor(es):
Almeida, Flávia Aparecida de 
Data: 2007
Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10773/2313
Origem: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Assunto(s): Ciência dos materiais; Materiais cerâmicos; Ferramentas cortantes; Filmes de diamante
Descrição
O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de ferramentas de corte
de diamante CVD (Chemical Vapour Deposition) obtido na forma de
revestimento em materiais cerâmicos à base de nitreto de silício monolítico
(Si3N4) ou compósitos nitreto de silício-nitreto de titânio (Si3N4-TiN). A
adição de TiN acima de 23 vol.% conferiu conductividade eléctrica ao
compósito, na ordem de 1×10-1 W−1.cm-1, possibilitando a sua maquinagem
por electroerosão.
Duas técnicas foram utilizadas para o crescimento dos filmes de diamante:
deposição química em fase vapor por plasma gerado por microondas,
MPCVD (Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition), e por filamento
quente, HFCVD (Hot Filament Chemical Vapour Deposition). Previamente
os substratos cerâmicos sofreram uma preparação superficial por diversos
métodos: rectificação por mós diamantadas; polimento com suspensão de
diamante (15μm); ataque da superfície por plasma de CF4; riscagem
manual ou por ultra-sons com pó de diamante (0.5-1.0 μm).
A caracterização das ferramentas revestidas envolveu: o estudo da
qualidade e tensões residuais dos filmes de diamante a partir da difracção
dos raios X e espectroscopia Raman; a análise da respectiva
microestrutura e medida da espessura por microscopia electrónica de
varrimento (SEM); a determinação dos valores de rugosidade dos filmes
por microscopia de força atómica (AFM); e a avaliação da adesão dos
filmes aos substratos por indentação com penetrador Brale.
Foram obtidos filmes com granulometria que variaram da gama do
diamante nanométrico (< 100 nm) até ao micrométrico convencional (3-12
μm), com consequências na rugosidade superficial do filme. Os filmes de
diamante CVD apresentaram espessuras de 15 a 150μm. Os
revestimentos apresentaram elevada adesão ao substrato, sendo que o
melhor resultado foi atingido pelo diamante micrométrico, suportando um
limite de carga aplicada de até 1600 N.
O estudo do comportamento em serviço das ferramentas foi efectuado na
operação de torneamento de metal duro (WC-Co) e de eléctrodos de
grafite, com medição de forças de corte em tempo real por meio de um
dinamómetro. Os ensaios foram realizados num torno CNC, em ambiente
industrial, na empresa Durit (Albergaria-a-Velha), produtora de metal duro.
Os modos de desgaste das ferramentas foram avaliados por meio de
observação em microscopia óptica e electrónica de varrimento e o grau de
acabamento da superfície maquinada por rugosimetria. A influência destes
parâmetros foi estudada em termos das forças envolvidas em operações
de torneamento, desgaste das ferramentas e do acabamento conferido à
peça maquinada.
Os melhores resultados do torneamento de metal duro foram atingidos
pelas ferramentas com geometria de aresta em quina-viva, recobertas com
os filmes de diamante de 100-200 nm de tamanho de grão,
correspondentes às menores forças de corte (<150N), melhor qualidade da
peça maquinada (rugosidade aritmética igual a 0,2 μm) e menor desgaste
(flanco igual a 110μm). No torneamento de eléctrodos de grafite, as forças
de corte foram baixas (< 20N), sendo que o principal modo de desgaste foi
a formação de cratera na superfície de ataque (valor máximo igual a
22 μm). O fio da aresta de corte permaneceu inalterado (devido ao mínimo
desgaste de flanco), sendo que as diferentes granulometrias do diamante
não tiveram influência significativa no comportamento geral das
ferramentas.
ABSTRACT: This work consisted on the development of CVD (Chemical Vapour
Deposition) diamond cutting tools directly deposited on monolithic silicon
nitride (Si3N4) based ceramics and silicon nitride-titanium nitride composites
(Si3N4-TiN). A TiN content higher than 23 vol.% confers electric conductivity
to the composite in the order of 1×10-1 W−1.cm-1, making possible its
machinability by means of electrodischarge machining.
Two techniques were used for diamond growth: Microwave Plasma
Chemical Vapour Deposition (MPCVD) and Hot Filament Chemical Vapour
Deposition (HFCVD). The substrate pre-treatment steps prior to diamond
deposition were: grinding with diamond wheels; polishing with diamond
suspension (15μm); chemical etching with CF4 plasma; manual scratching
or ultrasonic bath scratching with diamond powder (0.5-1.0 μm) for seeding
purposes.
The diamond cutting tools characterization involved: study of the quality
and the residual stress of the films by X ray diffraction and Raman
spectroscopy; analysis of respective film microstructure and measurement
of film thickness by scanning electron microscopy (SEM); quantification of
film surface roughness by atomic force microscopy (AFM); evaluation of
adhesion strength of the thin films to Si3N4 substrate by the indentation
technique with a Brale indenter.
The grain size of the films varied from nanometric (< 100 nm) to
conventional micrometric (3-12 μm), therefore giving different surface
roughness. The CVD diamond film thickness was in the range of (15-150
μm). The diamond films presented a high adhesion level to the Si3N4
ceramic substrates, the best results being achieved by the micrometric
grain sized film, which undergo a normal load of until 1600N.
The study of the cutting tool behaviour was performed in turning operations
of hardmetal (WC-Co) and graphite electrodes, by real-time acquisition of
the cutting forces using a dynamometer. The turning operations were
carried out in a CNC lathe, at industrial environment of a hardmetal
producer company, Durit (Albergaria-a-Velha). The wear modes of the
tested cutting tools were analysed by optical and electronic microscopy
observations and the finishing quality of the machined workpiece was
measured by surface roughness measurements. The influence of these
parameters was studied in terms of the cutting forces developed during
turning operations, of tool wear and of the finishing quality of the machined
workpieces.
The best results attained in hardmetal turning were achieved by the cutting
tools with sharp edges, covered with diamond films of 100-200 nm of grain
size, which presented the lowest cutting forces (<150N), the best workpiece
surface quality (Ra=0.2μm) and the lowest flank wear (110μm). In graphite
turning, the cutting forces were very low (<20N) and the main wear mode
was the crater one on the rake face (maximum value of 22μm). The cutting
edge remained almost intact (due to the minimum flank wear) while the
different diamond grain sizes did not have a significant influence on the
overall cutting behaviour. Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais
