Materiais e Propriedades para Ferramentas de Corte

Propriedades dos Materiais para Ferramentas de Corte

• Dureza a quente: Capacidade de um material para manter a sua dureza, resistência à deformação plástica e resistência ao desgaste em altas temperaturas.
• Resistência: A capacidade de um material para dissipar a energia em deformação plástica antes de chegar ao ponto de fratura.
• Ductilidade: A capacidade de um material se deformar plasticamente sem quebrar.
• Resistência ao impacto: Capacidade mecânica de um material para absorver energia de impacto antes de produzir rachaduras.
• Resistência ao desgaste: A resistência oferecida por um material a ser desgastado quando em contato com outro material.
• Resistência ao choque térmico: Capacidade de um material para resistir a ciclos de temperatura rápida em usinagem interrompida.
• Dureza: Resistência oferecida por um material à penetração, riscos, etc.

Características de Materiais para Ferramentas de Corte

Os materiais comuns incluem: Aço de alta velocidade, ligas de cobalto, carbonetos não revestidos, carbonetos revestidos, cerâmicas, nitreto de boro cúbico, diamante policristalino.

Características gerais: Dureza a quente, resistência ao desgaste, velocidade de corte, custos de material.

Características importantes: Dureza, resistência ao impacto, resistência ao desgaste, resistência a lascamento, resistência ao choque térmico.

Aço de Alta Velocidade (HSS)

Desenvolvido no século XX. Possui alta tenacidade, boa resistência ao desgaste e é relativamente barato. Indicado para ferramentas com grandes ângulos de ataque, cortes interrompidos, máquinas-ferramentas com baixa rigidez sujeitas a vibrações, ferramentas complexas e de peça única, brocas, machos e engrenagens. Limitações: baixas velocidades de corte devido à baixa resistência térmica. Tipos: Série M (molibdênio) e Série T (tungstênio). O molibdênio aumenta a resistência à abrasão, diminui a distorção durante o tratamento térmico e é menos caro que o tungstênio. 95% do HSS são da série M.

Ligas de Cobalto

Desenvolvidas em 1915. Composição: 38-53% Co, 30-33% Cr, 10-20% W. Propriedades: Menos tenacidade que o HSS, boa resistência ao desgaste, mantêm a dureza em temperaturas superiores ao HSS. Adequadas para corte brusco, profundo e contínuo, com alta taxa de avanço (dobro do HSS). Limitações: Não adequadas para acabamento, menos adequadas para operações de corte interrompido que o HSS.

Carbonetos (Carbonetos Cimentados ou Sinterizados)

Desenvolvidos na década de 1930. São materiais versáteis e rentáveis para ferramentas. Propriedades: Alto módulo, alta dureza em uma ampla faixa de temperatura, alta condutividade térmica, baixa expansão térmica, relativamente baratos. Comparados com HSS e ligas de cobalto: Resistência e resistência ao impacto similares, melhoram a força e a dureza a quente. Podem ser usados de forma mais eficaz para altas velocidades de corte (altas temperaturas). Tipos: Carboneto de tungstênio (WC) e carboneto de titânio (TiC).

Ferramentas Revestidas

Desenvolvimento a partir de 1960. Alta resistência e tenacidade. Características: Atrito reduzido, aumento da adesão intermoleculares, maior resistência ao desgaste, atuam como barreira à difusão, maior dureza a quente e resistência ao impacto. Ferramentas revestidas podem ter uma vida útil 10 vezes maior, permitindo altas velocidades de corte (aumento de produtividade). 40-80% dos revestimentos utilizados em ferramentas de corte.

Materiais de revestimento: TiN, TiC, TiCN (carbonitretos de titânio) e Al₂O₃.

Espessura: 2-15 µm. Métodos de deposição: Deposição de Vapor Químico (CVD) e Deposição de Vapor Físico (PVD). CVD é o método mais utilizado para revestimento com carbonetos multifásicos e cerâmicas. PVD é usado para revestimentos de TiN em carbonetos, oferecendo maior resistência da aresta de corte, menor atrito, menor tendência a formar a borda de esmerilhamento e superfícies mais lisas e uniformes (2 a 4 µm).

Objetivos dos revestimentos: Aumentar a dureza em altas temperaturas (resistência ao desgaste e estabilidade química), neutralidade química (resistência ao desgaste), baixa condutividade térmica (para evitar o aumento da temperatura no substrato), compatibilidade com boa adesão ao substrato, baixa porosidade (manutenção da integridade e força do material de revestimento).

Tipos de Revestimentos

• Revestimentos de Nitreto de Titânio (TiN - Ouro): Baixo atrito, alta dureza, resistência a altas temperaturas, boa aderência ao substrato. Melhoram a vida útil de ferramentas HSS e de carboneto. Bom desempenho em altas velocidades de corte. Avanço e margem com menor desgaste. Principal desvantagem em baixas velocidades: adesão do cavaco, requer o uso de fluidos de corte.
• Revestimentos de Carboneto de Titânio (TiC): Conferem alta resistência ao desgaste da ferramenta em usinagem de materiais abrasivos.
• Revestimentos Cerâmicos (Al₂O₃): Neutralidade química, condutividade térmica, resistência a altas temperaturas. Menor desgaste da cratera e do flanco. O óxido de alumínio é muito estável, liga-se fracamente ao substrato.
• Revestimento de Diamante Comercial (Policristalino): Substratos revestidos com WC (e nitreto de silício SiN) por técnicas PVD e CVD. Eficiente em metais não ferrosos e usinagem abrasiva (ligas de silício de alumínio, compósitos reforçados com fibra e matriz metálica, grafite). Vida útil 10 vezes maior que outros revestimentos.

Outros revestimentos: Carbonitretos de titânio (TiCN - mais duros e resistentes que TiN), Nitreto de titânio alumínio (TiAlN), Carboneto de cromo (CrC), Nitreto de zircônio (ZrN), compósitos, nitreto de háfnio (HfN), Revestimentos Nano.

Cerâmicas

Aparecem pela primeira vez na década de 1950. Base de alumina (Al₂O₃). Formadas principalmente de grãos de Al₂O₃ de alta pureza, prensados a frio e sinterizados em alta temperatura. Adição de TiC e ZrO melhora a tenacidade e a resistência ao choque térmico. Propriedades: Alta resistência à abrasão e alta dureza a quente. São quimicamente mais estáveis que HSS e metal duro, menos propensos à formação de aresta postiça. Baixa tenacidade pode levar a falha prematura. Eficazes em alta velocidade e corte contínuo (usinagem de peças fundidas). Usinagem a seco ou com pouco fluido de corte (choque térmico).

Cermets

Aparecem pela primeira vez na década de 1950. Matriz de partículas cerâmicas e metálicas (70% Al₂O₃ + 30% TiC). Desvantagens: Alto custo e fragilidade. Vantagens: Estabilidade e resistência à formação de aresta postiça. Melhoraram muito nas últimas décadas (força, resistência e confiabilidade). Seus benefícios estão entre os carbonetos e as cerâmicas. Cortes de desbaste e acabamento de alta velocidade. O design do cavaco é crítico nos cermets.

Nitreto de Boro Cúbico (cBN)

Depois do diamante, é o material mais duro existente. Formado pela junção de uma pastilha de cBN a um substrato de metal duro por sinterização em alta temperatura e pressão. Propriedades: Oferece resistência ao impacto. A camada de cBN fornece elevada resistência ao desgaste e resistência da aresta de corte.

Cerâmica à Base de Nitreto de Silício (SiN)

Aparecem pela primeira vez na década de 1970. Formados por SiN com adições de Al₂O₃, TiC, óxido de ítrio. Propriedades: Tenacidade, dureza a quente. Limitações: Resistência ao impacto. Devido à sua afinidade química com o ferro em altas temperaturas, as ferramentas à base de SiN não são adequadas para usinagem de aços.

Diamante

Substância mais dura conhecida. Propriedades: Baixo atrito, alta resistência ao desgaste, capacidade de manter o fio. São usados quando: Requer um bom acabamento superficial e boa precisão dimensional.

Fluidos de Corte

Utilizados para: Reduzir o atrito e o desgaste, resfriar a área de corte, reduzir forças e consumo de energia, remover cavacos da área de corte, proteger a superfície usinada da corrosão.

Tipos de fluidos de corte:

• Óleos: Operações de baixa velocidade onde o aumento de temperatura não é significativo.
• Emulsões (óleo, água e aditivos): Operações de alta velocidade onde o aumento de temperatura é significativo.
• Semi-sintéticos: Emulsões químicas contendo óleo mineral diluído em água e aditivos que reduzem o tamanho das partículas de óleo.
• Sintéticos: Aditivos químicos diluídos em água e óleo.

Métodos de aplicação de fluidos de corte:

1. Inundação ou Resfriamento por Fluxo Contínuo: Método mais comum.
2. Névoa ou Resfriamento por Névoa: Modo de spray. Fornece fluido para áreas inacessíveis. Necessita de ventilação para evitar inalação.
3. Sistema de Alta Pressão: Aumenta a velocidade de dissipação de calor. Atuam como quebra-cavacos.
4. Sistema Interno de Fornecimento de Fluido de Corte à Ferramenta: Facilita o fornecimento de fluido para a área de corte. Aplica líquido de alta pressão através de passagens estreitas na ferramenta e no mandril.

Efeitos do fluido de corte: A escolha dos fluidos de corte deve levar em conta: Material da peça e da máquina-ferramenta, considerações biológicas, o meio ambiente (poluição).

Usinagem Quase Seca: Melhoria da qualidade do ar nas fábricas, redução dos riscos à saúde, redução do custo das operações de usinagem, melhoria da qualidade da superfície.

Vida Útil da Ferramenta: Desgaste e Falha

As ferramentas de corte são submetidas a: alta tensão localizada na ponta, altas temperaturas, deslizamento de cavaco na face de ataque, deslizamento da ferramenta sobre a superfície usinada, desgaste gradual da lâmina.

A velocidade de desgaste depende de: Material da peça de trabalho, geometria da ferramenta, parâmetros do processo, características da máquina-ferramenta.

A vida útil da ferramenta diminui rapidamente com o aumento da velocidade de corte. É influenciada pelas condições de trabalho e depende do tipo de material (microestrutura) da peça de trabalho.

Sinais de que as ferramentas de corte necessitam de substituição: A superfície da peça de trabalho começa a deteriorar-se, as forças de corte aumentam significativamente, a temperatura sobe de forma significativa.

Crateras

Localizam-se na face de ataque. São atribuídas à temperatura na interface ferramenta-cavaco e à afinidade química entre a ferramenta e a peça. Fatores de desgaste da borda também influenciam a craterização. O revestimento de ferramentas é eficaz em reduzir a craterização. A profundidade máxima da cratera (KT) ocorre na zona de temperatura máxima da interface ferramenta-cavaco.

Desgaste da Ponta

Arredondamento da ponta da ferramenta. Afeta a formação de cavacos, provoca atrito da ferramenta sobre a peça, causando altas temperaturas e tensões residuais.

Entalhe ou Ranhura

Limitar a área em que o cavaco não está em contato com a ferramenta. Uma camada endurecida pode causar graves problemas.

Lascar (Astillamento)

Quebra de um pequeno pedaço da ponta da ferramenta. Pode ser um processo gradual. As principais causas são: impacto mecânico e fadiga térmica.

Inspeção das Condições da Ferramenta

Método Direto: Medições ópticas (microscópio) requerem paradas intermitentes para inspeção. Contato da ferramenta com um sensor após cada ciclo de usinagem.

Método Indireto: Baseado nos sinais dos sensores do processo de corte (online). Emissão acústica, força, aceleração, etc. Os sinais coletados são processados, analisados e interpretados. Através de sistemas online, o desgaste pode ser estimado em tempo real.