Novo revestimento cerâmico pode triplicar a vida útil das ferramentas

Investigadores do Instituto Madrileno de Estudos Avançados em Materiais (IMDEA Materiales), da Nano4Energy, da Universidade Politécnica de Madrid e do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (Alemanha) desenvolveram um novo revestimento cerâmico bicamada capaz de prolongar significativamente a vida útil das ferramentas utilizadas na maquinagem da liga de titânio mais comum a nível mundial e uma das mais usadas no setor aeroespacial.

As ligas de titânio são amplamente valorizadas pela sua baixa densidade, excelente resistência à corrosão e elevada resistência mecânica. Entre estas, destaca-se a Ti6Al4V – uma liga de titânio, alumínio e vanádio – que apresenta um equilíbrio muito favorável entre resistência mecânica, resistência à corrosão, processabilidade e custo, sendo por isso amplamente utilizada em diversos setores industriais.

Contudo, as mesmas propriedades que tornam estas ligas tão atrativas também dificultam a sua maquinagem. O processamento de ligas de titânio exige ferramentas com elevada dureza, sobretudo a altas temperaturas, bem como tenacidade suficiente para suportar as interrupções e vibrações inerentes ao processo de corte.

Para responder a estes desafios, os investigadores Arley García, Miguel Monclús e Jon Molina, do IMDEA Materiales; Iván Fernández, José Antonio Santiago Varela e Pablo Díaz Rodríguez, da Nano4Energy; Álvaro Guzmán Bautista, da Universidade Politécnica de Madrid; e Christoph Kirchlechner, Subin Lee e Eloho Okotete, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, propuseram dois novos revestimentos duros: um revestimento gradiente de nitreto de alumínio-titânio-silício (AlTiSiN) e um revestimento bicamada de nitreto de alumínio-titânio/nitreto de titânio-silício (AlTiN/TiSiN).

Embora ambos os revestimentos tenham evidenciado um desempenho superior ao da microbroca não revestida – que falhou após cerca de 20 minutos de maquinagem de precisão contínua –, o revestimento bicamada AlTiN/TiSiN apresentou melhorias substancialmente superiores em termos de dureza e tenacidade à fratura.

“Nos ensaios de maquinagem de precisão da liga Ti6Al4V, o revestimento gradiente AlTiSiN permitiu atingir 40 minutos de operação contínua”, referem os investigadores. “Em comparação, o revestimento bicamada AlTiN/TiSiN prolongou a vida útil da ferramenta até 90 minutos. Esta maior durabilidade está associada a uma maior tenacidade à fratura e dureza, bem como à ausência de fissuração nos gumes de corte. Assim, o revestimento bicamada AlTiN/TiSiN apresenta o melhor desempenho na maquinagem de materiais de difícil maquinabilidade, como a Ti6Al4V”, acrescentam.

"Nos ensaios de maquinagem de precisão da liga Ti6Al4V, o revestimento gradiente AlTiSiN permitiu atingir 40 minutos de operação contínua”

Concretamente, este revestimento atingiu uma dureza de 41 GPa e uma tenacidade à fratura de 2,8 MPa·m^1/2, um parâmetro fundamental que descreve a resistência do material à propagação de fissuras. Estes valores superam os do revestimento gradiente AlTiSiN, que apresentou 33 GPa e 1,6 MPa·m^1/2, respetivamente.

A arquitetura bicamada permitiu ainda evitar a formação de fissuras nas arestas de corte – uma vantagem crítica na maquinagem de precisão, onde as dimensões da ferramenta são comparáveis à escala da microestrutura do material.

Uma das principais vantagens deste desenvolvimento reside na utilização da tecnologia de pulverização catódica por impulsos de magnetrão de alta potência (HiPIMS). Ao contrário de técnicas convencionais, como a deposição por arco, o HiPIMS permite um controlo mais rigoroso das tensões residuais e reduz a formação de gotículas e defeitos superficiais – fatores críticos para o desempenho em operações de maquinagem de precisão.

O estudo demonstra que os revestimentos bicamada AlTiN/TiSiN constituem uma solução robusta e eficiente para melhorar o desempenho, a fiabilidade e a durabilidade das ferramentas em aplicações de maquinagem de precisão, em particular em setores onde predominam microcomponentes e materiais de elevado valor acrescentado.

Os resultados, publicados recentemente na revista Surface and Coatings Technology, poderão contribuir para aumentar a durabilidade e a precisão das ferramentas de corte em aplicações nos setores aeroespacial e da eletrónica de consumo.