As ligas de tungstênio estão definitivamente na lista de “materiais de pesadelo” dos engenheiros. Sua alta densidade e dureza apresentam desafios de processamento significativos, fazendo com que cada etapa pareça uma batalha difícil. Como transformar esse difícil material de matéria-prima em produto acabado com alta eficiência?
Não se preocupe, esta inestimável “arma secreta” está aqui! Este artigo analisará o processo desde o início da preparação da matéria-prima, comparando as vantagens e desvantagens da metalurgia do pó e da impressão 3D, detalhando as principais técnicas de corte, retificação e corte de fio e apresentando uma-tecnologia de ponta que pode ajudá-lo a obter o dobro dos resultados com metade do esforço-impressão por extrusão de pó (PEP), fornecendo uma base sólida para seu projeto e fabricação.
PARTE.01
Introdução
As ligas de tungstênio, como material de liga com tungstênio como componente principal (o conteúdo de tungstênio geralmente é responsável por 85% a 99%) e elementos adicionados como níquel, ferro, cobre, cobalto, molibdênio e cromo, desempenham um papel indispensável em muitos campos de alta{2}}tecnologia, como indústria nuclear, indústria militar e cuidados médicos, devido à sua densidade extremamente alta (16,5 a 19,0 g/cm3), alto ponto de fusão e excelente resistência mecânica [1]. Na área médica, as ligas de tungstênio são usadas para fabricar componentes-chave de equipamentos de radioterapia. Devido às suas características de alta densidade, eles podem bloquear e moldar raios com precisão e são os principais materiais para a fabricação de colimadores e escudos de radiação[2]. Estas excelentes propriedades também trazem muitas dificuldades ao processamento e fabricação de ligas de tungstênio. Este artigo tem como objetivo explorar sistemática e profundamente o processo de preparação de blanks e os métodos de processamento comumente usados de peças de liga de tungstênio, além de fornecer referências valiosas para sua fabricação de precisão.
PARTE.02
Processo de preparação de peças em bruto de liga de tungstênio
2.1 Tecnologia de metalurgia do pó
As ligas de tungstênio são difíceis de fabricar usando processos convencionais de fundição e preparação de ligas devido à sua alta densidade, alto ponto de fusão e alta dureza. A metalurgia do pó é um método tradicional e amplamente utilizado para a preparação de peças brutas de liga de tungstênio. Seus principais processos são mostrados na Figura 1, incluindo preparação de pó de tungstênio, mistura, formação e sinterização [3]. No processo de preparação do pó de tungstênio, a fim de garantir a pureza do pó de tungstênio, processos como redução de hidrogênio e redução de tungstato de amônia são frequentemente usados. Ao mesmo tempo, o teor de oxigênio, o tamanho das partículas e a forma do pó de tungstênio têm um impacto significativo no desempenho final e na qualidade da liga e devem ser rigorosamente controlados. Um teor de oxigênio muito alto reduzirá o desempenho da liga, enquanto o tamanho e a forma das partículas afetarão o efeito dos processos subsequentes de mistura e formação. Por exemplo, o pó de tungstênio com tamanho de partícula uniforme ajuda a misturar mais uniformemente com outros pós metálicos durante a mistura, garantindo a consistência da composição da liga. Durante o processo de mistura, é necessário garantir que o tamanho das várias partículas de pó metálico seja uniforme e a proporção seja precisa. Agitação mecânica, moagem de bolas e outros métodos são frequentemente usados para uma mistura precisa. Os métodos de conformação incluem prensagem isostática a frio, prensagem de matrizes, conformação por extrusão de pó e conformação por injeção de pó, etc. Esses métodos podem produzir peças com formatos complexos.
Figura 1 Principais processos de metalurgia do pó para peças brutas de liga de tungstênio
O processo de sinterização é a chave para garantir que a liga de tungstênio atinja a densidade, resistência e outras propriedades necessárias. A sinterização em duas-etapas [4] é amplamente utilizada: o estágio de pré-sinterização geralmente controla a temperatura em 1.000-1.200 graus. Dentro dessa faixa de temperatura, metais com baixo ponto de-fusão-, como cobre e ferro, atingirão o estado líquido e sofrerão difusão-de fase sólida com as partículas de pó de tungstênio circundantes, fixando a posição das partículas de pó de liga de tungstênio e preenchendo-as uniformemente, conseguindo assim a moldagem em branco. Em seguida vem o estágio de sinterização-de alta temperatura, onde ocorrem reações de fase-sólida e de fase-líquida entre as partículas de pó, formando, em última análise, uma estrutura densa de liga de tungstênio. O controle da temperatura e do tempo de sinterização desempenha um papel decisivo no desempenho do produto. Se o tempo de sinterização for muito longo, o tamanho do cristal de tungstênio aumentará, afetando a densidade e o desempenho geral da liga; se a temperatura for muito alta, isso causará a volatilização de metais com baixo ponto de-ponto de fusão-, como cobre e ferro, reduzindo a densidade e a resistência mecânica da liga. A temperatura de sinterização é geralmente controlada em torno de 1.400 graus, e a pré-sinterização e a sinterização-de alta temperatura são geralmente realizadas em um ambiente de vácuo ou gás inerte para reduzir a oxidação e volatilização de ligas de baixo ponto de-fusão-. Um processo comum é primeiro pré-queimar o pó de tungstênio formado a 1.200 graus por 1 hora em uma atmosfera de hidrogênio para dar-lhe certa resistência e condutividade e, em seguida, realizar a sinterização de auto-resistência usando o calor gerado pela própria resistência do branco para promover ainda mais a sinterização.
2.2 Processo de Fabricação Aditiva
Os métodos tradicionais de metalurgia do pó só podem produzir peças em bruto com formatos relativamente regulares. Para peças de liga de tungstênio com estruturas complexas, especialmente aquelas com cavidades complexas, o processamento complexo ainda é necessário após a conformação da peça bruta para finalmente atender aos requisitos da peça. Atualmente, não existem métodos eficazes de processamento e conformação para cavidades internas fechadas complexas, o que limita o projeto de peças de liga de tungstênio. A tecnologia de fabricação aditiva fornece uma nova solução para o projeto e fabricação de peças de liga de tungstênio. As tecnologias de fabricação aditiva de metal comumente usadas incluem fusão seletiva a laser (SLM), estereoformação a laser (LSF), fabricação aditiva de arco elétrico (WAAM), fusão seletiva a laser em leito de pó (L-PBF) e deposição de energia direcional a laser (L-DED) [5, 6]. Uma comparação das vantagens e desvantagens de diferentes processos de fabricação aditiva para a fabricação de peças de liga de tungstênio é mostrada na Tabela 1. O SLM pode fabricar peças com geometrias complexas, mas tem problemas como superfície rugosa, grande tensão residual entre camadas e tamanho de peça limitado, e é adequado para a fabricação de peças pequenas; O LSF pode obter estrutura fina, uniforme e densa, melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão dos materiais, mas quando os parâmetros do processo não são combinados, é fácil ocorrer defeitos como má fusão na camada depositada; O WAAM é adequado para a fabricação de peças estruturais aeroespaciais integradas e em grande escala, com alta taxa de conformação e alta densidade, mas a qualidade da superfície das peças moldadas é ruim. Uma peça típica de liga de tungstênio fabricada por tecnologia de fabricação aditiva é mostrada na Figura 2. Em comparação com o método tradicional de metalurgia do pó, a fabricação aditiva tem vantagens óbvias na fabricação de peças complexas de liga de tungstênio. Ele pode não apenas preparar peças com estruturas e cavidades complexas para atender a requisitos especiais de projeto, mas também realizar a deposição de materiais camada-por{15}}camada, melhorar a utilização do material e reduzir custos[7]. Tabela 1. Comparação de vantagens e desvantagens de peças de liga de tungstênio fabricadas por diferentes processos de fabricação aditiva
a) Grade anti-dispersão
b) Partes porosas
Figura 2. Peças típicas de liga de tungstênio fabricadas com tecnologia de fabricação aditiva
2.3 Comparação e Seleção de Processos
A metalurgia do pó e a fabricação aditiva são atualmente os dois principais métodos para a fabricação de peças brutas de liga de tungstênio, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens na preparação da peça bruta. Uma comparação dos processos de preparação de ligas de tungstênio é mostrada na Tabela 2. A metalurgia do pó é relativamente mais madura, produzindo materiais com melhor densidade e oferecendo vantagens na produção em massa estável. A manufatura aditiva é um processo novo desenvolvido nos últimos anos, com diversas rotas de processos derivativos, e apresenta vantagens na fabricação de peças estruturais com cavidades complexas.
Tabela 2. Comparação de processos de preparação de blanks de liga de tungstênio
Para buscar um desempenho mais abrangente, as peças de liga de tungstênio em-campos de ponta, como aeroespacial, defesa, indústria nuclear, equipamentos médicos e eletrônicos tendem a ter características estruturais mais complexas, incluindo paredes finas, superfícies curvas e estruturas porosas, que os métodos tradicionais de metalurgia do pó não conseguem lidar. A produção direta de peças de liga de tungstênio puro de alta-densidade e{3}}livres de defeitos usando a fabricação aditiva ainda enfrenta vários desafios técnicos. A impressão por extrusão de pó (PEP), uma tecnologia de impressão 3D indireta de metal que combina impressão 3D e metalurgia do pó, usa pó de liga de tungstênio com um aglutinante. O pó é moldado usando equipamento de impressão 3D e depois-processado por meio de desligação e sinterização por metalurgia do pó, resultando em peças estruturais de alta-densidade e alto{11}}desempenho. Esta tecnologia fornece uma solução inovadora para as dificuldades de usinagem de ligas de tungstênio e produção de estruturas complexas. Suas características de formação em baixa-temperatura e configuração em alta-temperatura resolvem efetivamente problemas como deformação, rachaduras e vazios que são facilmente encontrados em outros processos de impressão 3D de ligas de tungstênio.
PARTE.03
Usinagem de peças de liga de tungstênio
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) leva a uma taxa de desgaste da ferramenta significativamente acelerada durante a usinagem, afetando a precisão da usinagem e a vida útil da ferramenta. A vida útil da ferramenta e a eficiência da usinagem são fatores-chave a serem considerados na usinagem. As ligas de tungstênio têm condutividade térmica relativamente baixa e o calor gerado durante o corte é difícil de dissipar rapidamente. A aresta de corte trabalha em alta temperatura, o que facilmente gera estresse térmico, levando à deformação da ferramenta e aumento do desgaste [8]. Os cavacos de liga de tungstênio são granulares, dificultando a remoção dos cavacos. Eles tendem a se acumular na área de corte, formando arestas de cavacos, afetando a qualidade superficial das peças usinadas, podendo também danificar a ferramenta e a máquina-ferramenta. Uma comparação de ferramentas de corte e parâmetros de processo para peças de liga de tungstênio é mostrada na Tabela 3. Na prática de engenharia, as ferramentas PCBN são uma das melhores escolhas. Peças típicas de liga de tungstênio processadas por corte são mostradas na Figura 3. Tabela 3 Comparação de ferramentas de corte e parâmetros de processo para peças de liga de tungstênio Figura 3 Peças típicas de liga de tungstênio processadas por corte PARTE.04 Retificação de peças de liga de tungstênio A retificação, como um método de micro-corte, é adequada para processar materiais de alta-dureza, como ligas de tungstênio. A retificação do rebolo é mostrada na Figura 4. O rebolo é composto principalmente de grãos abrasivos, poros e ligantes em uma proporção específica. Seus grãos abrasivos possuem características de ângulo obtuso, geralmente na faixa de 90 graus a 120 graus. Durante o processo de moagem de ligas de tungstênio, o material de moagem resultante é granular. Devido à sua viscosidade e tenacidade relativamente baixas, os cavacos são relativamente fáceis de remover e não obstruem facilmente os poros do rebolo [9]. Portanto, ao retificar ligas de tungstênio, rebolos com poros maiores podem ser usados para melhorar a eficiência da retificação e a qualidade do processamento. Na área de moagem, o calor de moagem é fácil de acumular, o que pode causar queimaduras. Para lidar efetivamente com esse problema, é necessário adotar medidas de resfriamento forçado de alta-pressão e alto-fluxo para remover o calor gerado durante o processo de retificação a tempo e reduzir a deformação térmica e o estresse térmico na área de retificação. Geralmente, emulsões-à base de água são selecionadas como fluidos de corte para garantir que o efeito de resfriamento atinja o melhor estado. A seleção dos parâmetros do processo de retificação para peças de liga de tungstênio é mostrada na Tabela 4. Figura 4 Diagrama esquemático do rebolo Tabela 4 Seleção dos parâmetros do processo de retificação para peças de liga de tungstênio Peças de liga de tungstênio puro ou tungstênio-níquel-cobre têm baixo magnetismo. Para peças-de paredes finas, é difícil fixá-las de forma confiável com mandris eletromagnéticos tradicionais. Dispositivos de adsorção a vácuo [10] podem ser considerados para fixação. O dispositivo de posicionamento de adsorção a vácuo para peças de liga de tungstênio é mostrado na Figura 5. Figura 5. Diagrama esquemático do dispositivo de posicionamento de adsorção a vácuo para peças de liga de tungstênio
PARTE.05
Usinagem EDM de fio de peças de liga de tungstênio
As ligas de tungstênio têm altos pontos de fusão e alta dureza e podem ser usinadas usando ferramentas de alta-dureza, como ferramentas revestidas, ferramentas PVD e ferramentas cerâmicas. No entanto, essas ferramentas sofrem desgaste significativo, dificultando a usinagem de recursos como poros, fendas estreitas e furos de formato irregular usando essas ferramentas tradicionais. A usinagem por descarga elétrica de fio (EDM) é um processo de usinagem especial. Seu princípio básico é usar um fio de eletrodo de metal fino em movimento contínuo (geralmente fio de cobre ou molibdênio) para gerar descargas de faísca pulsadas entre a peça de trabalho e a peça de trabalho. As temperaturas geradas são normalmente tão altas quanto 8.000–12.000 graus, suficientes para derreter ou até mesmo vaporizar o material da superfície da liga de tungstênio, conseguindo assim o corte da peça de trabalho. O movimento relativo entre o fio do eletrodo e a peça permite que todo o processo de corte forme o formato desejado na superfície da peça. A Figura 6 mostra a usinagem de furos de formato irregular em uma peça bruta de liga de tungstênio usando EDM com fio. Wire EDM é usado para processar peças de liga de tungstênio. A alta temperatura causa uma mudança na fase cristalina da superfície da liga de tungstênio durante o corte, resultando em uma camada modificada que degrada as propriedades únicas da liga de tungstênio. Um método de "corte-um-reparo-três" é empregado durante o processamento, reduzindo gradualmente a profundidade de corte e os parâmetros de potência do pulso para reparar a camada modificada.
Figura 6: Usinagem de furos irregulares em uma peça bruta de liga de tungstênio usando EDM com fio
PARTE.06
Conclusão Este artigo estuda e resume a preparação da peça bruta, os métodos comuns de processamento e as dificuldades de processamento de peças de liga de tungstênio de precisão. Na preparação do branco, a metalurgia do pó é relativamente mais madura, produzindo materiais com melhor densidade e oferecendo vantagens na produção em massa estável. A manufatura aditiva, um processo relativamente novo desenvolvido nos últimos anos, gerou diversas rotas de processo e apresenta vantagens na fabricação de peças estruturais com cavidades complexas. No corte, as ferramentas PCBN apresentam vantagens, alcançando alta vida útil da ferramenta e reduzindo o impacto do desgaste da ferramenta na precisão da usinagem. A tecnologia de retificação é vantajosa para usinar superfícies regulares, alcançando maior qualidade superficial. Para recursos de furos e ranhuras, a eletroerosão a fio oferece alta eficiência de processamento. O processo de preparação da peça bruta acima mencionado, bem como os métodos de corte, retificação e corte de fio, podem efetivamente melhorar a qualidade de fabricação e a eficiência da produção de peças de liga de tungstênio de precisão, fornecendo suporte técnico para o desenvolvimento de indústrias relacionadas.
