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Paulistana Doutoramento CAPES- Coordenao de Aperfeioamento de
Pessoas de Nvel Superior Engenharia e Cincias dos Materiais
Estudo do compsito Fe-Cu-Nb-diamante para uso em ferramentas de
corte em rochas
ornamentais.
CSSIO SANTOS DE CARVALHO
VALDENIR MOREIRA JUNIOR
ZUMIRA ALICE SOARES GUIMARAES
RENAM SOARES GUIMARES
MARCELLO FILGUEIRA
Resumo
As ferramentas diamantadas podem ser utilizadas no corte de
materiais no metlicos frgeis e
duros, tais como cermicos, rochas e concretos. Nestas
ferramentas, so utilizados gros
abrasivos de diamantes, que so responsveis pela ao de corte,
embebidos numa matriz
metlica. O presente trabalho estudou a caracterizao
microestrutural do compsito
diamantado 25%Fe-50%Cu-25%Nb e cristais de diamantes de alta
qualidade com tamanho de
gro mdio de 425m. Os ps metlicos foram misturados e prensados a
quente a
800C/35MPa/3 minutos - sendo esta a condio de prensagem a quente
utilizada na indstria
para produo de ferramentas diamantadas. Os resultados so
favorveis a esta liga, indicando
boa interao entre os elementos e diamante.
Palavras chave: Ferramentas de corte; sinterizao; liga
diamantada.
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1- Introduo
Os compsitos diamantados so normalmente produzidos em grande
escala pelas tcnicas da
Metalurgia do P e, abrange uma gama de aplicaes, como corte de
rochas, engenharia civil,
entre outras.
To importante quanto a escolha dos diamantes, a seleo adequada
dos ligantes metlicos
para estas ferramentas, a qual est fortemente relacionada com o
nvel de abrasividade do
material a ser cortado. A eficincia da ferramenta de cortante
depende da capacidade da matriz
de reter os diamantes, pois a unio entre matriz e diamante
determina a vida til do mesmo bem
como caractersticas microestruturais. O cobalto vem sendo
utilizado e, funciona como um
ligante nas ferramentas diamantadas, pois combina perfeita
compatibilidade qumica com o
diamante nas temperaturas de processamento, uma adequada reteno
do diamante e excelente
resistncia ao desgaste aps processamento ou operao de corte (Del
villar et al, 2001: 82-90;
Oliveira e Filgueira, 2007: 15-20). Neste panorama o cobalto
(Co) caro, trs problemas
ambientais, e o Brasil no um pas produtor deste metal. Portanto,
este trabalho faz parte do
esforo de grupos em substituir o Co por nibio (Nb), sendo este
ltimo metade do preo do
Co, e o Brasil o maior produtor mundial deste metal (Nb). Este
estudo tambm investigar o
mecanismo de desgaste do novo composto de diamante 25% Fe-50%
Cu-25% Nb + diamante,
comparativamente com aliga comercial DIABSIO-V21, ao longo do
tempo, obtido pela
tcnica industrial de prensagem a quente.
2. Materiais e Mtodo
Para este trabalho utilizou-se, p de ferro com tamanho mdio de
partcula de 50 m, cobre
com tamanho mdio de partcula de 67 m, nibio com tamanho mdio de
partcula de 60 m
e diamante tamanho entre 300 e 425 m. Estes ps foram misturados
nas seguintes
concentraes.
50%Cu 25%Fe 25%Nb-Diamante
61%Fe 21,2%Cu 12,5%Co 2,6%Sn - 1,8%P 0,6%S Diamante
(Diabase-V21)
Aps a mistura, os compsitos foram prensados e sinterizados
simultaneamente, seguindo os
seguintes parmetros: Temperatura de 850C; presso de 35 Mpa,
durante 3 minutos.
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3. Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)
Onde observa-se detalhes da morfologia das amostras processadas
e selecionadas aps a
Microscopia tica, avaliando a efetividade da sinterizao, da rea
exposta, definio dos
modos de falha e distribuio dos cristais de diamante, entre
outros, em um aumento
aproximado de 35, 100 e 200x.
4. Teste de compresso
O ensaio de resistncia compresso verifica algumas propriedades
mecnicas importantes
(OLIVEIRA, 2010). Este ensaio verifica a resistncia ao
escoamento e o mdulo de elasticidade
dos compsitos diamantados. O ensaio de compresso ser feito em
uma mquina universal de
ensaios mecnicos INSTRON, marca 5582 - 100 KN de capacidade,
utilizando uma velocidade
de 1 milmetro/minuto, as amostras testadas tm a finalidade de
observar as microestruturas das
superfcies de fratura por (MEV), em aumento de 50 a 100x, sem
qualquer tratamento
superficial.
5. Teste de Desagaste
Os compsitos metlicos foram conduzidos ao desgaste mecnico, a
fim de verificar a
resistncia a abraso seguindo os respectivos tempos acumulados de
2, 6, minutos. Para tal usou
um Abrasmetro Amsler modificado, fabricado pela CONTENCO com um
disco abrasivo de
granito cinza acoplado. As amostras foram montadas verticalmente
sobre o disco de granito em
um suporte fixo. Onde utiliza uma rotao de 20 rpm e uma fora
vertical de cerca de 2 kgf.
6. Resultados e discusso
6.1 Teste de Compresso
Os resultados de compresso esto dentro aceitvel no que diz
respeito s propriedades
elsticas, uma vez que a deformao plstica constante para os dois
compostos, apenas liga
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liga a base de Nb mostraram ruptura frgil em cerca de 35000 N
fora (Del Villar et al., 2001:
80-92), Figura 1 comprovando que durante a etapa de compactao e
sinterizao, devido
baixa tenso cedida das partculas de Cu e o efeito da concentrao
de tenso produzido pela
presena de uma segunda fase dura CuFe, o Cu pode alcanar
deformao plstica significante
e consequentemente um mdulo de elasticidade elevada. O
Diabsio-V21, atingiu o limite da
Instron com 80.000 N de fora e no quebrou, Figura 2.
O compsito Diabase-v21 apresentou valores de p, e e E superior a
matriz a base de
Nb. Os valores superiores de p, e pode estar relacionada
resistncia do material a
deformao plstica, uma vez que esta matriz composta por
Fe-Cu-Co-Sn. Provavelmente a
presena do cobre com teor aproximado de 21%, responsvel pela
formao de fazes mais
dctil na liga Diabase-V21. Diferente do corrido na liga
Fe-Cu-Nb, com 50% de cobre, onde o
mesmo tem baixa solubilidade com Fe e Nb, (Junior,2013).
0,0 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6
0
50
100
150
200
250
300
p = 120 MPa
Te
nso
(M
Pa
)
Extenso (mm/mm)
Fe-Cu-Nb
e = 139 MPa
E = 1,42 GPa
Figura 1: Curva de Fora versus Deformao para o compsito
diamantado Fe-cu-Nb.
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0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
0
100
200
300
400
500
600
700
800
E = 1,60 GPa
e = 475 MPa
p = 381 MPa
Te
nso
(M
Pa
)
Extenso mm/mm)
Diabase-V21
Figura 2: Curva de Fora versus Deformao para o compsito
diamantado Diabase-V21.
6.2 Teste de desgaste
Na Figura 3, observa-se que ambos os compostos diamantados
exibem o mesmo
comportamento na resistncia a Abraso, a uma pequena variao mas
de modo geral o
mesmo comportamento.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
2,25
Tempo (minutos)
Fe-Cu-Nb
Diabase-V21
Re
sis
ten
cia
A
bra
so
(%
)
Figura 3: Grfico da Resistncia abraso versus Tempo em minutos
dos compsitos
diamantados, obtidos por prensagem a quente a 800c.
Durante o ensaio de 2 minutos, o desgaste acentuado para os dois
compsitos diamantados
para expor os cristais de diamante, deixando prontos para o
trabalho de corte, (Barbosa, 2008)..
A Figura 4.a e 4.b mostram estes gros de diamantes emergidos da
matriz, onde ambas as ligas
apresentam similaridades.
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Figure 4: Microestrutura do compsito diamantado Fe-Cu-Nb (a) e
DiabaseV-21 (b), aps 2
minutos de teste ao desgaste.
Para o tempo de 6 minutos onde h estabilidade na resistncia ao
desgaste, Figura 3, onde
podemos afirmar que os diamantes expostos estro exercendo o seu
poder de corte, protegendo
a matriz contra o desgaste, e a matriz est exercendo o seu papel
de reter os diamantes, (Oliveira
et al, 2007: 328-335). Podemos tambm observar que mesmos os gros
de diamantes quebrados
devido as grandes foras de trabalho, Figura 5 e 4b, no se
desprenderam da matriz,
demostrando eficincia na reteno dos gros abrasivos.
Figure 5: Microestrutura do compsito diamantado Fe-Cu-Nb (a) e
DiabaseV-21 (b), aps 6
minutos de teste ao desgaste.
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Concluso
- Os resultados mostraram claramente um nvel satisfatrio de
aderncia entre matriz
ligante e diamante. Sendo assim, pode-se utilizar materiais
disponvel no mercado nacional,
baseado no sistema Ferro cobre em ferramentas de corte.
- Na anlise estrutural do compsito diamantado por Microscopia
Confocal (MC)
Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV) a liga mostrou-se
eficiente na reteno dos cristais
de diamante devido a sua excelente molhabilidade e
ancoragem;
- Em termos gerais, o mecanismo de desgaste dos compsitos
diamantados, seguiu o
padro clssico de desgaste de uma ferramenta de corte
impregnada.
Agradecimentos
CAPES Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel
Superior.
UENF Universidade Estadual do Norte Fluminense.
IFPI Instituto Federal do Piau Campus Paulistana
Referencias
1. Barbosa, A.P (2008). Estudo da imfluencia da composio
Fe-Cu-Nb sobre o
comportamento me ligas usadas na fabricao de ferramentas
diamantadas via
metalurgia do P. Tese (Doutorado em Cincia e Engenharia de
Materiais) Campos
dos Goytacazes RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense.
UENF.
2. Del Villar, M.; Muro, P.; Snchez, J.M.; Iturriza, I.; Castro,
F. (2001).
Consolidation of diamond tools using Cu-Co-Fe based alloys as
metallic binders.
Powder Metallurgy. n.1. v.44. p. 82-90.
3. Oliveira, L.J.; Filgueira, M. (2007). Aplicao de ligas de
Fe-Cu-SiC como matriz
ligante em ferramentas diamantadas. Revista Brasileira de
Aplicaes de Vcuo. n.1,
v.26. p.15-20.
4. Junior, V. M. (2013). Processamento e caracterizao de Prolas
de Fios Diamantados.
Dissertao (Mestrado em Cincia e Engenharia de Materiais) Campos
dos
Goytacazes RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense.
UENF.
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5. Oliveira, L.J.; Bobrovnitchii, G.S.; Filgueira, M. (2007)
Processing and
Characterization of Impregnated Diamond Cutting Tools Using a
Ferrous Metal
Matrix. International Journal Refractory Metals and Hard
Materials. v.25. p.328-335.
