Faculdade de Tecnologia SENAI Belo Horizonte Pós-graduação: Gestão em Processos Metalúrgicos

1. Faculdade de Tecnologia SENAI Belo Horizonte Pós-graduação: Gestão em Processos Metalúrgicos NÚCLEO DE COMPETÊNCIAS ESPECÍFICAS TECNOLOGIA DA USINAGEM Prof.: William Xavier d’Alcântara

2. Materiais para Ferramenta de Corte

3. Exigências básicas para um material para ferramenta de corte • Elevada dureza a quente; • Elevada dureza a frio bem superior à da peça usinada; • Tenacidade para resistir aos esforços de corte e impactos; • Resistência à abrasão; • Estabilidade química; • Facilidade de obtenção a preços econômicos.

4. Classificação dos materiais de corte • Aços ferramenta • Aços rápidos comuns • Aços rápidos ao cobalto • Ligas fundidas • Carbonetos sinterizados • Cerâmicas de corte • Diamantes • Nitreto de boro cristalino cúbico (CBN)

6. Lista dos materiais para ferramentas de corte

7. Variação da dureza de alguns materiais de ferramentas de corte com a temperatura

8. Dureza a quente de alguns materiais de corte Fonte: (KÖNIG e KLOCKE, 2002)

9. Evolução da Vc (velocidade de corte)

10. Comparação dos materiais para ferramentas de corte

11. Aço-carbono - C de 0,8 a 1,5 %; - Até 1900 eram os únicos materiais disponíveis para ferramentas - utilizados em baixíssimos Vc, no ajuste de peças. - Comum até 200° C (limas, machos manuais); - Com elementos de liga (V, Cr, Mo e W) até 400° C (brocas, machos, etc.) Materiais para ferramentas de corte

12. - Baixo custo - Facilidade de usinagem (gumes muito vivos) - Fácil tratamento térmico - Quando bem temperado, elevada dureza e resistência ao desgaste - Boa tenacidade. Principais vantagens

13. - Desenvolvido por Taylor e apresentado publicamente em 1900 na exposição mundial de Paris; - Indicados para operações de baixa e média Vc; - Dureza a quente até 600° C; - Elementos de ligas, W, Co, Mo, Cr e V; - Desvantagens: preço elevado e difícil tratamento térmico. Aço-rápido

14. Surgiram em 1921; O cobalto aumenta a dureza a quente e a resistência ao desgaste, mas diminui a tenacidade; Teor de Co varia de 5 a 12%. Aços rápidos com cobalto

15. Revestimento de TiN (1 a 3 m de espessura) aplicado por processos PVD (Physical Vapor Deposition) abaixo de 550°C conferem aparência dourada; Redução do desgaste da face e do flanco, pelo aumento da dureza; Diminuição do coeficiente de atrito reduzindo Fc e melhorando o acabamento superficial TiN protege o metal base contra temperatura; Sucesso da ferramenta depende mais da adesão do revestimento do que da sua espessura; Lascamento do revestimento tem sido a principal causa de falha Bons resultados em usinagem com corte interrompido (fresamento, plainamento, etc.) Aço rápido com revestimento de TiN

16. Obtidos por processos de metalurgia do pó (sinterização); Estrutura cristalina muito fina e uniforme; Menor deformação na têmpera e no revenido; Menos tendência a trincas e tensões internas; Tenacidade um pouco mais alta; Vida mais longa; Melhor aderência de revestimentos de TiN. Aço rápido sinterizado

17. Descobertas por Haynes em 1922; Altas porcentagens de W, Cr e Co; As ligas são fundidas e vazadas em moldes; Nomes comerciais: Stellite, Tantung, Rexalloy, Chromalloy, Steltan (Brasil); Composição típica: W = 17%, Cr = 33%, Co = 44%, Fe = 3% Elevada resistência a quente permite utilização em temperaturas em torno de 800º C; Qualidades intermediárias entre o aço rápido e o metal duro. Ligas fundidas

18. Em 1927 a Krupp lançou o produto Widia (“Wie diamant” – como diamante); Composição típica: 81% de W, 6% de C e 13% de Co; Tungstênio (W), metal de mais alto ponto de fusão (3387º C) Maior resistência à tração (4200 N/mm2) Mais baixo coeficiente de dilatação térmica A dificuldade de fusão do W levou ao desenvolvimento da metalurgia do pó Metal duro

19. Sistemas de fixação de insertos

20. Características do metal duro • Elevada dureza; • Elevada resistência à compressão; • Elevada resistência ao desgaste; • Possibilidade de obter propriedades distintas nos metais duros pela mudança específica dos carbonetos e das proporções do ligante. • Controle sobre a distribuição da estrutura.

21. Adição de carboneto de titânio e de tântalo ao metal duro reduz grandemente o atrito; Estes carbonetos apresentam dureza maior que o de tungstênio; Atualmente são usados como componentes dos metais duros. Componentes dos metais duros e suas propriedades

22. WC – Co O carboneto de tungstênio é solúvel no cobalto, e em decorrência disso temos uma alta correspondência entre a resistência de ligação interna com boa resistência de gume. Porém o carboneto de tungstênio tem limitações de velocidade de corte devido a sua alta afinidade de difusão em temperaturas mais elevadas.

23. TiC Pouca tendência à difusão Maior resistência a quente; Menor resistência de ligação interna Menor resistência do gume; Metais duros com altos teores de TiC são frágeis e de fácil fissura; Usados para usinagem de materiais ferrosos em altas velocidades.

24. TaC Pequenas quantidades diminuem o tamanho dos grãos aumentando a tenacidade e a resistência do gume NbC Efeito semelhante ao TaC

25. Revestimentos em camadas TiN (nitreto de titânio) - Maior estabilidade química e dureza do que o TiC; - Menos propício ao desgaste de cratera na usinagem de materiais ferrosos. - Revestimento usado em aplicações gerais (SHAW, 2005);

26. TiCN (carbonitreto de titânio) - Revestimento multicamada que concilia a aderência do TiC ao substrato com a estabilidade química e menor fragilidade e coeficiente de atrito do TiN. Revestimento usado em corte interrompido (SHAW, 2005);

27. TiNAl - Revestimento multicamada que combina as propriedades do óxido de alumínio e do nitreto de titânio; - Bastante utilizado em ferramentas para fabricação de moldes e matrizes, oferecendo alta resistência e baixa condutividade térmica - (GAMARRA, 2003). Este revestimento é usado em aplicações HSC para corte à seco.

28. Al2O3 (óxido de alumínio) - Elevada fragilidade; - Preponderantemente empregado em operações de torneamento; - Susceptível a quebras por choques mecânicos e térmicos; - Sua aplicação sobre o metal duro necessita de uma camada prévia de TiC para ancoragem ao substrato; - A principal vantagem é a isolamento térmico e elétrico por causa de sua baixa condutividade

29. Processos para revestimento de ferramentas Processo de deposição química a vapor - CVD (Chemical Vapour Deposition); - Deposição por meio de reações químicas; - Faixa de temperatura entre 900 e 1100°C;

30. Processo de deposição física a vapor • PVD (Physical Vapour Deposition); • Deposição ocorre por meio de vapores gerados no interior de um forno a baixa pressão; • Temperaturas em torno de 500° C; • Possibilidade de revestir substratos de aço-rápido; • Obtenção de revestimentos com granulometria mais fina

31. Principais revestimentos na atualidade e forma de deposição (Santos, 2002)

32. Efeito de alguns elementos sobre o metal duro

33. Classe P: (WC + Co com adições de TiC, TaC e às vezes NbC) aplicamos a usinagem de aços e materiais que produzem cavacos longos; Classe K: (WC + Co puros) usinagem do FoFo e das ligas não ferrosas que produzem cavacos curtos; Classe M: intermediária. As ferramentas de cortes de metal duro operam com elevadas Vc, temperaturas até 1300°C. Classes de metais duros

34. Cermet • Cermet é um composto formado por cerâmica e metal (CERâmica/Metal); • 1930, os primeiros cermets (Ti/Ni),frágeis e pouco resistentes à deformação plástica; • Evoluiram a margem do metal duro.

35. Característica do Cermet • boa resistência a corrosão; • baixa tendência a formação de gume postiço; • boa resistência a corrosão; • boa resistência ao desgaste; • resistência a temperatura elevada; • alta estabilidade química;

36. Cerâmicas • Hoje encontramos dois tipos básicos de cerâmica: • base de óxido de alumínio. • base de nitreto de silício.

37. Características das cerâmicas • Alta dureza à quente (1600oC) • Não reage quimicamente com o aço; • Longa vida da ferramenta; • Usado com alta velocidade de corte; • Não forma gume postiço.

38. Característica da cerâmica não metálica em relação ao aço • 1/3 da densidade do aço; • alta resistência a compressão; • muito quebradiço; • módulo de elasticidade em torno de 2 vezes ao do aço; • baixa condutividade térmica; • velocidade de 4 à 5 vezes a do metal duro; • baixa deformação plástica;

39. Aplicação das Cerâmicas • Ferro Fundido; • Aço endurecido; (hard steels) • Ligas resistentes ao calor. (Heat resistant alloys)

40. Fabricação de cerâmicas Pó finíssimo de Al2O3 (partículas compreendidas entre 1 e 10 mícrons) mais ZrO2 (confere tenacidade a ferramenta de corte) é prensado, porém apresenta-se muito poroso. Para eliminar os poros, o material é sinterizado a uma tempertura de 1700° C ou mais. Durante a sinterização as peças experimentam uma contração progressiva, fechando os canais e diminuindo a porosidade.

41. Exigência • Máquina Ferramenta com extrema rigidez e potência disponível

42. Recomendações quanto ao uso da cerâmica • Usinagem a seco para evitar choque térmico; • Evitar cortes interrompidos; • Materiais que não devem ser usinados: • Alumínio, pois reage quimicamente • Ligas de titânio e materiais resistentes ao calor, pela tendência de reagir químicamente, devido a altas temperaturas envolvidas durante o corte; • Magnésio, berílio e zircônio, por inflamarem na temperatura de trabalho da cerâmica.

43. Nitretos de Boros Cúbicos Cristalinos(CBN) Material relativamente jovem, introduzido nos anos 50 e mais largamente nos anos 80, devido a exigência de alta estabilidade e potência da máquina-ferramenta

44. Características do CBN • São mais estáveis que o diamante, especialmente contra a oxidação; • Dureza elevada; • Alta resistência à quente; • Excelente resistência ao desgaste; • Relativamente quebradiço; • Alto custo; • Excelente qualidade superficial da peça usinada; • Envolve elevada força de corte devido a necessidade de geometria de corte negativa, alta fricção durante a usinagem e resistência oferecida pelo material da peça.

45. Aplicação do CBN • Usinagem de aços duros; • Usinagem de desbaste e de acabamento; • Cortes severos e interrompidos; • Peças fundidas e forjadas; • Peças de ferro fundido coquilhado; • Usinagem de aços forjados • Componentes com superfície endurecida; • Ligas de alta resistência a quente(heat resistant alloys); • Materiais duros (98HRC). Se o componente for macio (soft), maior será o desgaste da ferramenta

46. Recomendações • Alta velocidade de corte e baixa taxa de avanço (low feed rates); • Usinagem a seco para evitar choque térmico. Nomes comerciais • Amborite; • Sumiboron; • Borazon.

47. Diamante Monocristalino • Tipos: Carbonos, ballos e Borts. • Característica marcante: são os materiais que apresentam maior dureza. • Materiais que podem ser empregados: usinagem de ligas de metais, latão, bronze, borracha, vidro, plástico, etc.

49. Parâmetros de corte permitido para uma ferramenta de corte: • Velocidade de corte permitida: 100 a 3000m/min; • Avanço: 0,002 a 0,06 mm; • Profundidade de corte: 0,01 a 1,0 mm;

50. Limitações • Ferramentas de diamante não podem ser usadas na usinagem de materiais ferrosos devido a afinidade do C com o ferro; • Não pode ser usado em processos com temperaturas acima de 900°C devido a grafitização do diamante.