Implementação de ferramentas de diamante CVD no fabrico de metal duro

Mestrado em Ciência e Engenharia de MateriaisEste projeto realizado na UA e na Durit, teve como objetivo alterar um reator HFCVD de dimensão piloto para a produção de revestimentos em multicamada de diamante micro e nanocristalino sobre brocas e fresas de metal duro. As modificações incluíram a utilização de filamentos de W de diâmetro 0,125 mm, a alteração do porta-substratos de cobre por um de cerâmico de nitreto de silício, o isolamento do termopar e a fixação de distâncias entre os tubos que direcionam os gases percursores para as ferramentas e os filamentos e entre os filamentos inferiores e o porta-substratos. Com base nestas alterações desenvolveram-se as seguintes condições para o crescimento de filmes de diamante microcristalino (MCD) e nanocristalino (NCD), válidas para filmes simples ou em multicamada e para o revestimento de uma ou várias ferramentas: - MCD: fluxo total de 1465 ml/min, com 98,5% de H2 e 1,5% de CH4, temperatura dos filamentos de 2200 ºC e do substrato entre 820-850 ºC; - NCD: fluxo total de 400 ml/min, com 87,6 % de H2, 3,6 % de CH4 e 8,8 % de árgon, temperatura dos filamentos superior a 2175 ºC e do substrato de 700 °C. Em ambas as condições conseguiu-se utilizar o mesmo valor de pressão (15 mbar) o que facilita a transição dos parâmetros nos revestimentos em multicamada. Obtiveram-se taxas de crescimento de 1 μm/h para MCD e 0,4 μm/h para NCD. De um lote de ferramentas depositadas em simultâneo usou-se uma broca de 3,6 mm de diâmetro na furação de um compósito MMC (Al-15%Al2O3). As forças axiais de corte (Fz) e as forças tangenciais (Fx e Fy) medidas através de um dinamómetro tri-axial foram comparadas com as forças de corte sentidas por uma ferramenta não revestida com diâmetro idêntico e com os mesmos parâmetros de furação: avanço, f= 0,025 – 0,149 mm/rotação; velocidade de corte, Vc= 25 – 65 m/min e velocidade de penetramento, Vf= 110-660 mm/min. Inicialmente a ferramenta não revestida apresenta esforços de corte menores, mas em condições mais agressivas fratura catastroficamente por gripagem no furo, devido provavelmente a desgaste excessivo da aresta de corte. A ferramenta revestida em multicamada sofre fratura apenas na aresta de corte, muito provavelmente devido ao pré tratamento que remove o cobalto. No entanto e apesar da fratura, o filme de diamante continuou a participar no processo de corte, tanto na face de ataque como na face de saída, o que impede a falha catastrófica da ferramenta, ao contrário do que acontece com a não revestida.This project was carried out at UA and Durit, and aimed at modifying a HFCVD pilot scale reactor for the production of multilayer coatings of micro and nanocrystalline diamond on carbide drill bits and cutters. The modifications made include the use of 0.125 mm diameter W of filaments, the change copper carrier substrates by a silicon nitride ceramic, isolating the thermocouple, setting the distance between the filaments and the tubes that direct the precursor gases to the tools and fixing the distance between the bottom filaments and the substrate holder. Based on these changes the following conditions were developed for the growth of microcrystalline (MCD) and nanocrystalline (NCD) diamond films valid for single and multilayer films and for coating one or several tools: - MCD: total flow of 1465 ml/min with 98.5% H2 and 1.5% CH4, filament temperature of 2,200 °C and substrate temperature between 820-850 °C; - NCD: total flow of 400 ml/min with 87.6% H2, 3.6% CH4 and 8.8% argon, filament temperature higher than 2175 ° C and substrate temperature of 700 °C. In both conditions it was possible to use the same pressure (15 mbar) which facilitates the transition between the MCD and NCD parameters when depositing multilayer coatings. Growth rates of 1 μm/hr and 0.4 μm/h were obtained for MCD and NCD, respectively. A 3.6 mm diameter drill bit coated in a batch of 7 tools was used to drill a MMC composite (Al-15% Al2O3). The axial cutting forces (Fz) and the tangential forces (Fx and Fy) measured using a tri-axial dynamometer were compared to the cutting forces experienced by an uncoated tool with the same diameter when cutting with the same drilling parameters: feed, f = 0.025 to 0.149 mm/rev; cutting speed, Vc = 25 - 65 m/min and infeed speed, Vf = 110-660 mm/min. Initially the uncoated tool displays lower Fz values, but more aggressive conditions (high infeed rates) result in the catastrophic failure of the drill bit fracture in the hole, probably due to excessive wear of the cutting edge. The multilayer MCD/NCD coated tool suffered fracture of the cutting edge, probably because of pre-treatment which removes cobalt and reduces its mechanical strength. However, despite the fracture, the diamond film continued to participate in the cutting process, both at the rake face and the exit face, preventing the catastrophic tool failure, unlike to what happens with the uncoated one