Processamento e caracterização mecânica e metalográfica de compósitos adiamantados à base de cobre-níquel obtidos por hot pressing

Abstract

No mercado da prospeção de rochas existe uma grande procura por ferramentas que possuam características e propriedades adequadas às rochas onde são aplicadas, nomeadamente com resistência mecânica e comportamento ao desgaste adequados. Neste contexto é fundamental um estudo contínuo para encontrar os melhores materiais que possam ser utilizados na produção deste tipo de ferramentas. Atualmente as ferramentas de corte adiamantadas utilizam como principal matriz metálica o cobalto, mas dado que a sua utilização apresenta algumas desvantagens, como é o caso da sua toxicidade e do seu elevado preço, tem vindo a estudar-se a possibilidade de se implementar outro tipo de matriz metálica. O presente trabalho tem como finalidade o estudo de compósitos adiamantados à base de uma matriz de cobre-níquel, de modo a aferir do seu potencial para utilização em ferramentas de corte adiamantadas. O trabalho apresentado faz inicialmente um enquadramento teórico acerca das ferramentas de corte adiamantadas, dando a conhecer toda a sua envolvência e materiais que são usualmente utilizados neste tipo de ferramentas, bem como os prós e contras da sua utilização. Posteriormente, o trabalho foca-se no estudo da aplicabilidade de uma matriz de cobre-níquel neste tipo de ferramentas, realizando a caracterização mecânica e metalográfica de compósitos adiamantados que apresentam por base esta matriz. Foi também estudado se a adição de certos elementos/compostos (Sn e WC) poderiam melhorar as propriedades mecânicas e o comportamento ao desgaste da matriz de Cu-Ni. Deste modo foram produzidas amostras com adição de Sn e/ou WC. Ao longo do trabalho apresentado são dadas a conhecer (estudadas) as condições de processamento utilizadas para a produção destes compósitos, os ensaios realizados para a sua caracterização (ensaios de dureza, testes de corte e ensaios de desgaste) e os resultados obtidos. Uma inovação deste trabalho foi a utilização, nos ensaios de desgaste, de pedras graníticas, introduzindo uma maior proximidade entre o ensaio laboratorial e a realidade sobre a qual se foca este estudo. Com a realização desta tese foi possível concluir que a adição de Sn à matriz Cu-Ni mostrou ser bastante positiva, melhorando as suas propriedades mecânicas e comportamento ao desgaste. Foi assim possível encontrar um compósito que poderá substituir o Co na produção das ferramentas de corte adiamantas, sendo este o Cu-Ni-Sn-10WC reforçado com diamante. No entanto caso as condições em que os pinos fossem idênticas entre si (mesma dispersão e mesmo número de partículas expostas), o resultado espectável seria que o compósito Cu-Ni-10Sn reforçado com diamante fosse a melhor solução, pois foi nesta matriz que se observaram as melhores propriedades e comportamento ao desgaste.

On the market of prospecting of rocks there is a great demand for tools that possess characteristics and properties appropriate to the rocks where they are applied, particularly with appropriate mechanical resistance and wear performance. In this context it is essential to study continuously in order to find the best materials that can be used in the production of this type of tools. Currently, diamond cutting tools use cobalt as main metal matrix, but this material drawbacks, such as its toxicity and high cost, has dictated the need to study new possibilities for metallic matrices. The present work intends to study composite tools based on a copper-nickel metal matrix, in order to assess its potential for use in diamond cutting tools. The thesis here presented starts with a theoretical framework about diamond cutting tools, focusing on all its related issues and materials that are usually used in this kind of tools, as well as the pros and cons of its use. Subsequently, the applicability of this copper-nickel matrix in this kind of tools is assessed, by performing the mechanical and metallographic characterization of the diamondreinforced composites that use this matrix. It was also studied whether the addition of certain elements/compounds (Sn and WC) could improve the mechanical properties and wear behaviour of Cu-Ni matrix, thus samples were produced with addition of Sn and WC. Throughout the work, the processing conditions used for the production of these composites are studied and presented, as well as the tests performed for their characterisation (hardness tests, shear tests and wear tests), finishing with the results obtained. An innovative aspect of this work was the use of granitic stones in the wear tests, introducing a greater proximity between laboratory tests and the reality on which is focused this study. This thesis allowed to conclude that the addition of Sn to the Cu-Ni matrix proved to be very positive, by improving its mechanical properties and wear behaviour. It was thus possible to find a composite that can effectively replace Co in the production of diamond cutting tools: the Cu-Ni-Sn-10WC reinforced with diamond. However if the conditions of the pins were identical to each other (same dispersion and same number of particles exposed), the expected result would be that the composite made of Cu-Ni-10Sn diamond reinforced would be the best solution, once it was the material with best mechanical and wear behaviour.