AULA 8 MATERIAL DA FERRAMENTA DE CORTE

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1 AULA 8 MATERIAL DA FERRAMENTA DE CORTE

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3 53 8. VARIÁVEIS INDEPENDENTES DE ENTRADA: MATERIAL DA FERRAMENTA DE CORTE 8.1. Introdução Durante centenas de anos, a pedra foi a matéria-prima do homem, mas por volta de 4000 A.C. ele começou a trabalhar com metais, começando com o cobre, depois com o bronze e finalmente com o ferro para a fabricação de armas e ferramentas. Mas um fato marcante para o desenvolvimento tecnológico foi a descoberta de metais como o cobre, o zinco e o ferro. Já a partir de 700 a.c. praticamente todas as ferramentas eram executadas em ferro, e a partir do séc. XVII foram descobertas constantes melhorias no processo de fabricação do ferro e na siderurgia do aço, que colocaram o aço em posição vantajosa em relação aos metais até então conhecidos. No entanto, estudos sistemáticos sobre a tecnologia de usinagem só iniciaram no início do século XIX e levaram entre outros a descoberta de novos materiais de corte. No início de 1900, com a descoberta do aço-rápido, o americano Frederick Winslow TAYLOR ( ) determinou um passo marcante no desenvolvimento tecnológico da usinagem. Os metais-duros sinterizados e os materiais de ferramentas baseados em materiais oxicerâmicos são outros resultados de uma pesquisa intensiva na área de materiais para ferramentas que até hoje ainda não está concluída e sim está submetida a uma melhora constante; isto referido à fabricação e utilização de materiais para ferramentas, como p.ex. os materiais nitreto de boro cúbico (CBN cubic boron nitride) e diamante policristalino (PCD polycrystalline diamond). Para poder satisfazer as exigências crescentes feitas à qualidade das peças e a viabilidade econômica do processo de fabricação, as ferramentas de corte devem ser usadas de forma econômica, para que as variáveis envolvidas na usinagem (geometria da ferramenta, condições de corte, material da peça etc.) sejam consideradas quanto à sua influência e o seu efeito sobre o resultado do trabalho. Sabe-se que o processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando na ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que na peça. Além disso, as condições requeridas de processo dependem do material a ser usinado, dos parâmetros de corte e das características da máquinaferramenta. Por outro lado, a seleção do material da ferramenta que produza o desempenho desejável em tais condições ainda é um desafio, pois nenhum material apresenta as propriedades a serem exigidas da ferramenta no seu mais alto grau. Partindo-se do princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuíram para o aparecimento de novos materiais para a concepção de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem. Porém, o corte de materiais frágeis ou as operações de corte interrompido requerem materiais com suficiente tenacidade para suportar os choques e impactos inerentes ao processo de usinagem. Como, em geral, dureza e tenacidade são duas propriedades antagônicas (alta dureza se associa a baixa tenacidade e viceversa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramentas de corte se tornou um desafio para os fabricantes. A Figura 8.1 mostra o comportamento de cada um dos materiais em relação a estas duas propriedades. A conciliação destas propriedades foi conseguida com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, refinamento dos grãos, controle dos processos de fabricação e do tratamento térmico, o que lhes confere graus compatíveis de pureza e qualidade.

4 54 Figura 8.1 Relação entre a tenacidade e a dureza entre os materiais aplicados como ferramenta de corte As principais propriedades desejadas em um material para ferramenta de corte são: alta dureza; suficiente tenacidade para evitar falha por fratura; alta resistência ao desgaste abrasivo, à compressão e ao cisalhamento; boas propriedades térmicas e mecânicas em altas temperaturas; alta resistência ao choque térmico; alta resistência ao impacto; ser quimicamente inerte. Estas não se reúnem em um só material, mas dependendo da aplicação, priorizam-se algumas delas. Desde as primeiras aplicações surgiram diversos materiais aplicados a ferramentas de corte Os dois tipos de materiais mais comuns usados em ferramentas de corte destinadas às operações tradicionais de usinagem são: o aço-rápido e o metal-duro, que juntos somam 90% das aplicações na indústria moderna. Materiais avançados como: nitreto de boro cúbico (CBN cubic boron nitride), cerâmica e diamantes, detêm 10% das aplicações Aço-rápido (AR) O aço-rápido (AR) é usado em ferramentas de uso geral [usinagem de peças forjadas, fundidas ou sinterizadas (metalurgia do pó)], em ferramentas de geometria complexa ou naquelas usadas em situações em que as velocidades de corte são mais modestas. Principais propriedades: dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade. Desenvolvido por F. W. TAYLOR, no final do século XIX, o aço-rápido foi o responsável pelo primeiro grande salto tecnológico na história da usinagem. Com o seu advento, foi possível aumentar as velocidades de corte antes obtidas com ferramentas de aço-carbono (3 a 5 m/min) em cerca de 10 vezes (30 a 35 m/min) razão pela qual os aços-rápidos possuem este nome (em inglês HSS high-speed steel). Hoje, comparando com os materiais das ferramentas atuais, esses valores são relativamente baixos. Apesar disso, esse grupo de materiais ainda resiste, pois mais de um século depois de descobertos, ainda são largamente empregados (cerca de 40% das ferramentas aplicadas na indústria são de HSS). As principais aplicações de aços-rápidos são em brocas, fresas inteiriças, cossinetes, brochas e até em ferramentas de barra para aplicações em torneamento de peças de diâmetros reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais mais resistentes (Fig. 8.2).

5 55 Figura 8.2 Algumas aplicações dos aços-rápidos Com elevada tenacidade, resistência ao desgaste e dureza a quente quando comparados com os aços-carbonos usados na fabricação de ferramentas, o aço-rápido é um aço alta liga com microestrutura martensítica com inclusões de carbonetos. As ferramentas de aço-rápido são divididas em dois grandes grupos: aços ao tungstênio (W), identificados pela letra T, e aços ao molibdênio (Mo), identificados pela letra M. Assim, os principais elementos de liga dos aços-rápidos são: W, Mo, Co, V e Cr. Diferente do que acontece com os aços convencionais, que são temperados e revenidos, e cuja dureza exibe uma queda contínua com o aumento da temperatura de revenimento, os aços-rápidos apresentam uma elevação de dureza quando revenidos em temperaturas entre 480 e 565 C, dependendo da composição química. Quando da seleção de um aço-rápido, deve-se considerar as principais características necessárias ao desempenho da função. A Tabela 8.1 mostra algumas dessas características e suas relações com os elementos de liga presentes. Tabela 8.1 Principais características dos aços-rápidos e suas relações com os elementos de liga presentes CARACTERÍSTICAS Dureza a quente Resistência ao desgaste abrasivo Profundidade de endurecimento Empenamento mínimo Aumento da tenacidade pelo refinamento do grão ELEMENTOS DE LIGA W, Mo, Co (com W ou Mo), V, Cr, Mn V, W, Mo, Cr, Mn B, V, Mo, Cr, Mn, Si, Ni Mo (com Cr), Cr, Mn V, W, Mo, Mn, Cr Apesar da existência de materiais para ferramenta mais avançados que o aço-rápido, em diversos processos de usinagem, a aplicação destes materiais é restrita devido às formas ou geometrias das ferramentas, ou ainda às condições tanto de operação quanto da máquina operatriz. Um exemplo é a operação de fresamento com fresas de pequeno diâmetro. Neste caso, além da dificuldade de obtenção da forma da fresa, a grande maioria das máquinas operatrizes não atinge as velocidades de corte necessárias para o uso de fresas de metal-duro, sendo o aço-rápido ainda bastante usado. Porém, algumas propriedades, como resistência ao desgaste e coeficiente de atrito do aço-rápido não condizem com a eficiência de corte almejada. Uma solução bastante usada por fabricantes de ferramentas de corte é a

6 56 aplicação de uma camada de cobertura de material com resistência ao desgaste (e outras propriedades, como inércia química, baixo coeficiente de atrito) mais elevada sobre a ferramenta de aço rápido. Esta cobertura geralmente é feita pelo processo PVD 1. Popularmente chamadas de ferramentas de aço-rápido sinterizado, este processo de fabricação apresenta como vantagens a possibilidade do uso de partículas de carbonetos muito menores, com melhor dispersão, além de um número maior de elementos de liga em comparação com AR fabricado pelo processo convencional. Lembrando que sinterização é apenas parte de processo de metalurgia do pó Metal-duro (MD) O metal-duro é usado em cerca de 50% das aplicações devido ao custo e à combinação da dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e tenacidade, possível graças à variação da sua composição. A ferramenta de MD pode ser aplicada em altas velocidades de corte. A grande vantagem do metal duro é manter o corte da ferramenta vivo por muito mais tempo, mesmo quando submetido à velocidade de trabalho inúmeras vezes superior ao que suportaria o aço rápido. O metal duro aumentou significativamente a produtividade, por ter a propriedade de manter a dureza e assim o fio de corte, mesmo quando muito aquecido, pois quanto mais rápido se executa uma usinagem, maior o calor gerado na interface ferramenta-peça. Desde o princípio, o metal-duro, por ser fruto da metalurgia do pó, foi desenvolvido em forma de pastilhas que, no começo, eram soldadas a hastes ou cabeçotes metálicos para, deste modo, formar a chamada ferramenta. Como as soldas não resistem às altas temperaturas geradas na usinagem e por isso soltariam as pastilhas durante o processo, causando acidentes, estas passaram a ser intercambiáveis e fixadas mecanicamente aos seus suportes, facilitando o processo de troca de uma ferramenta gasta por uma nova. A Figura 8.3 ilustra o processo de fabricação da ferramenta MD. Figura 8.3 Esquema do processo de fabricação da ferramenta de metal-duro O metal-duro é composto de carbonetos metálicos em forma de minúsculas partículas que são incrustadas em metal ligante. Os componentes mais importantes são o carboneto de tungstênio (WC) 1 PVD (Physical Vapor Deposition), ou deposição física de vapor, é formada em temperaturas relativamente baixas (de 400 a 600 C) e envolve a evaporação de um metal que reage, por exemplo, com nitrogênio para formar uma cobertura de nitreto dura na superfície da ferramenta de corte. As coberturas PVD agregam resistência ao desgaste a uma classe devido à sua dureza. As tensões de compressão das coberturas PVD também agregam tenacidade à aresta e resistência contra trincas térmicas. A cobertura PVD é recomendada para arestas de corte tenazes e afiadas, bem como para materiais com tendência a abrasão. As aplicações incluem todas as fresas e brocas inteiriças e a maioria das classes para canais, roscamento e fresamento.

7 57 denominado Fase (determina a resistência ao desgaste) e o metal ligante cobalto (Co) denominado Fase (determina a tenacidade). O tamanho do grão do WC é um dos parâmetros mais importantes para ajuste da relação de dureza/tenacidade de uma classe; o tamanho do grão mais fino significa maior dureza a um determinado teor da fase ligante. A quantidade e composição do ligante rico em Co controla a tenacidade e a resistência da classe quanto à deformação plástica. Com um tamanho de grão igual ao WC, um aumento na quantidade de ligante resultará em uma classe mais tenaz, mais propícia ao desgaste por deformação plástica. Um teor de ligante muito baixo pode resultar em um material quebradiço. Com o tempo, outros componentes foram adicionados a essa composição básica. A adição de carbonetos de titânio (TiC) (aumentar a resistência à craterização), de tântalo (TaC) e de nióbio (NbC) (maior tenacidade ao MD) denominados Fase, melhoraram muito a performance das ferramentas de metal-duro quanto a prevenir desgastes que se originam nos processos de formação de cavacos particulares a cada tipo de material. Mais tarde, os pesquisadores descobriram a possibilidade de se revestir a superfície das pastilhas com finas camadas de Fase. Este revestimento geralmente é obtido tanto pelo processo CVD 2 (85% dos casos), mas também pode ser feito pelo processo PVD 3 (15% dos casos). Estas camadas, que medem de 3 a 5 m de espessura, proporcionaram maior durabilidade à aresta de corte, pois a camada extrafina e extremamente dura sobre o núcleo tenaz permitiu que uma mesma pastilha suportasse tanto maiores esforços de corte (em operações de desbaste) quanto altas velocidades (em operações de acabamento). Apesar de no início os revestimentos serem simples, a tecnologia do revestimento evoluiu até as pastilhas multirrevestidas, com camadas sobrepostas, onde cada uma delas exerce uma função específica a fim de conter os diferentes processos de desgastes que se desenvolvem durante a usinagem. Comumente se tem um triplo revestimento: TiC/TiCN/TiN ou TiC/Al 2 O 3 /TiN. Entretanto, existem registros de ferramentas com até doze camadas de diferentes revestimentos. Cada camada tem uma função específica e a sua associação permite oferecer um material com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica. Uma única pastilha em uma determinada classe pode ser aplicável tanto em acabamento quanto em desbaste de metais, que podem variar do aço ao ferro fundido. Normalmente, o TiC ou o TiCN são revestimentos muito utilizados como a 1ª camada, pois garantem uma coesão muito boa com o substrato. Além disso, o TiC é um dos mais duros revestimentos utilizados, o que garante resistência ao desgaste. O Al 2 O 3 é um revestimento intermediário muito empregado pela sua inércia química, sua dureza (e, portanto, resistência ao desgaste) e sua baixa condutividade térmica a altas temperaturas. O TiN se apresenta como a camada mais externa, pois proporciona baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco e entre a ferramenta e a peça. O TiAlN tem se mostrado excelente na 2 CVD (Chemical Vapor Deposition), ou deposição química de vapor, é gerada por reações químicas a temperaturas de 700 a 1050 C. As coberturas CVD possuem alta resistência ao desgaste e excelente adesão ao metal duro. O primeiro metal duro revestido CVD era de uma única camada de cobertura de carboneto de titânio (TiC). Coberturas de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) e coberturas de nitreto de titânio (TiN) foram introduzidas posteriormente. Mais recentemente, as coberturas de carbonitreto de titânio (MT-Ti(C,N) ou MT-TiCN, também chamado de MT-CVD, foram desenvolvidas para melhorar as propriedades da classe devido à sua habilidade em manter a interface de metal duro intacta. As modernas coberturas CVD combinam MT-Ti(C,N), Al 2 O 3 e TiN. As propriedades da cobertura foram melhoradas continuamente quanto às propriedades de adesão, tenacidade e desgaste em virtude de otimizações e tratamentos posteriores microestruturais. 3 PVD é amplamente usada em metal-duro para aplicações de acabamento e como a classe de pastilha central na furação.

8 58 usinagem de ferro fundido e pode se aplicado na usinagem de superligas de níquel. A Figura 8.4 mostra a estrutura do metal duro com o substrato de carboneto de tungstênio e a matriz metálica de cobalto, além dos revestimentos aplicados na superfície da ferramenta. Figura 8.4 Microestrutura do metal duro. A Norma ISO 513 (2004) (classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges designation of main groups and groups of application) apresenta a classificação de grupos de ferramentas. A letra de designação da classe é sempre acompanhada de um número que representa a tenacidade a resistência ao desgaste da ferramenta: quanto maior o número, maior a tenacidade e menor a resistência ao desgaste. A subdivisão dentro de cada classe de metal-duro (P, M, K) depende principalmente de: A composição química do material da ferramenta, incluindo qualidade e quantidade de carbonetos. Por exemplo, a presença de TiC garante maior resistência ao desgaste, e uma maior quantidade de Co garante maior tenacidade. O tamanho dos grãos de carboneto: quanto mais finos, maior a tenacidade da ferramenta, aliada a uma maior dureza média. A Figura 8.5 ilustra os diferentes tamanhos de grão na composição do metal-duro. (a) (b) (c) Figura 8.5 Composição do metal duro: (a) tamanhos de grãos de (WC) médios a grossos; (b) tamanhos de grãos de WC fino ou submícron; (c) Metal duro com adição de carbonetos (fase ). Metal duro revestido combina metal-duro com uma cobertura. Juntos eles formam uma classe personalizada para sua aplicação. As classes de metal duro revestido são a primeira escolha para uma variedade de ferramentas e aplicações. Comumente pode-se encontrar nos catálogos de fornecedores referências sobre o grau de dureza e tenacidade das distintas classes de metal-duro, incluindo informações sobre os seus materiais constituintes. Essas informações são úteis para a escolha e adequação da ferramenta ao processo de usinagem que se deseja executar. A tabela da Figura 8.6 mostra esta designação.

9 59 Figura 8.6 Classificação dos metais duros segundo a norma ISO 513 (2004) 8.4. Materiais Avançados Na busca por aumentar produtividade, ferramentas avançadas trazem benefícios adicionados à usinagem em grande escala, que permitem tornear, furar e fresar peças complexas de difícil usinagem com mais eficiência. Ferramentas avançadas podem dobrar as taxas de usinagem, enquanto prolonga a vida útil da aresta, reduzindo as forças na máquina e possibilitando também a economia de energia. A Figura 8.7 mostra as ferramentas avançadas de geometria definida utilizadas em operações de corte de alto desempenho: (a) Cerâmica branca; (b) Cerâmica mista; (c) PCD; (d) CBN Cerâmicas As cerâmicas são muito importantes na usinagem em alta velocidade de aços e ferros fundidos (a velocidade de corte pode ser 4 a 5 vezes maior que as usadas em ferramentas de metal duro). Durante muitos anos as cerâmicas não obtiveram sucesso comercial por exigirem máquinas-ferramentas com altas

10 60 velocidades de corte, potências elevadas e extrema rigidez. A alta velocidade de corte implica em um fluxo intenso de cavacos, tornando necessária a remoção eficiente e a proteção do operador. A possibilidade de se utilizar baixos avanços (na ordem de 0,1 mm/volta) e altas velocidades de corte (na ordem de 1000 m/min) permite excelente acabamento (semelhante à retificação). As cerâmicas de corte são classificadas segundo o seu teor de óxidos de alumínio em cerâmica branca e cerâmica mista. (a) (b) (c) (d) Figura 8.7 Ferramentas avançadas: (a) cerâmica branca; (b) cerâmica mista; (c) PCD; (d) CBN. A cerâmica branca consiste de materiais com óxido de alumínio superior a 90%, o que dá a cor branca. O componente principal é o coríndon (Al 2 O 3 ), o qual é uma forma estável da alumina. O material de partida é um pó finíssimo (1 a 10 m), sendo que as peças são obtidas pela prensagem a frio da matéria-prima que pode ser Al 2 O 3 com 99,98% de pureza, ou então, uma composição de 90 a 99% de coríndon e o restante de SiO 2, MnO 2, CrO 2 ou Ni 2 O 3. A qualidade da ferramenta cerâmica oxida depende da sua pequena porosidade associada a pequenos tamanhos de grãos. A cerâmica mista (CERMET) possui teor de Al 2 O 3 menor que 90%, com adição de óxidos e carbonetos metálicos, especialmente o TiC e o WC. Ela é obtida por prensagem a quente, produzindo uma estrutura mais fechada, geralmente de cor preta. A presença dos óxidos e carbonetos metálicos inibe o crescimento dos grãos, resultando em alta dureza, maior tenacidade, maiores resistências a impactos e desgastes no flanco e na face. CERMETS são condutores elétricos, têm razoável condutividade térmica, são menos frágeis e menos sujeitos às trincas térmicas que as brancas. Empregadas em desbaste e acabamento de ferros fundidos duros, maleáveis, esferoidais ou cinzentos com dureza de até 700 HB e de aços (de cementação, de beneficiamento, aço-rápido e de alta liga) com dureza de até 64 HRC Diamante É o material mais duro conhecido. Podem ser naturais (MCD) ou sintéticos (PCD). Os diamantes naturais (MCD Monocrystalline Diamonds) são monocristalinos e anisotrópicos (as propriedades mecânicas variam com a direção). A lapidação deve ser feita na direção de menor dureza e a montagem no porta-ferramenta deve ser feita na direção de máxima dureza. São indicados na usinagem de metais leves, latão, bronze, cobre, liga de estanho, borracha, vidros, plásticos e pedras. Aplicam-se para a usinagem fina (precisão e qualidade semelhante ao polimento). São classificados em: Negros (usados em ferramentas para afiar rebolos e pontas de brocas para trabalhar fibras, borrachas e plásticos); Ballos (são duros em função de sua estrutura; não se aplicam à fabricação de ferramentas de corte); e Borts (seu valor depende da dureza, da qualidade e do número de bordos naturais de trabalho que oferece; as arestas podem ser lapidadas em ângulos apropriados). Os diamantes sintéticos (PCD Polycrystalline Diamonds) são policristalinos produzidos pela sinterização de partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (6000 a 7000 MPa) e alta temperatura (1400 a 2000 o C). A camada é isotrópica (as propriedades mecânicas não variam com a direção) e nunca atinge a dureza do diamante monocristalino na direção de máxima dureza. A matéria-

11 61 prima das ferramentas de corte é formada por partículas muito finas de diamantes sintéticos, de granulação muita definida para obter o máximo de homogeneidade e densidade. A camada de 0,5 mm de espessura, ou é aplicada diretamente sobre a pastilha de metal-duro sinterizado previamente, ou então é ligada ao metal-duro através de uma fina camada intermediária de um metal de baixo módulo de elasticidade. O PCD é usado em operações de acabamento e desbaste na usinagem dos mesmos materiais usinados pelo MCD, com exceção de asbesto, fibras reforçadas de vidro-carbono, carvão-grafite, metalduro pré-sinterizado. Especial aplicação na usinagem de ligas de Al-Si, que são de difícil usinagem. As usinagens de aço e ferro fundido não são possíveis com diamante em virtude da afinidade do ferro com o carbono: devido à alta temperatura na região de corte, o carbono se transforma em grafite e reage com o ferro, levando a aresta cortante a um rápido desgaste. Recomenda-se velocidade de corte v c 100 m/min (não tem limite máximo: v c = 2000 m/min foi usado com sucesso), avanços 0,02 f 0,06 mm/volta e profundidades de corte 0,01 a p 0,20 mm CBN Depois do diamante, o nitreto de boro cúbico (CBN Cubic Boron Nitride) é o material mais duro que se conhece. Ele é obtido sinteticamente pela transformação do nitreto de boro de estrutura hexagonal em estrutura cúbica sob pressões de 5000 a 9000 MPa e temperaturas de 1500 a 1900 o C, na presença de um catalisador, geralmente lítio. Os insertos de CBN são fabricados da mesma forma que os de diamante policristalino. Uma camada de 0,5 mm de espessura, de partículas de CBN é sinterizada num processo de alta pressão e altas temperaturas, na presença de uma fase ligante, sobre uma base de metal duro. O CBN é quimicamente mais estável que o diamante, especialmente contra a oxidação. Além disso, em pressão atmosférica, o CBN é estável até 2000ºC enquanto o diamante não ultrapassa os 900ºC (grafitização). Outra vantagem é a não afinidade química do CBN com aços e ferros fundidos. São empregadas na usinagem de aços duros (45 a 65 HRc), mesmo em condições difíceis, aço-rápido, ligas resistentes a altas temperaturas a base de Ni e Co, revestimentos duros com altas porcentagens de WC ou Cr-Ni. Pela sua resistência ao impacto podem ser usadas em grãos abrasivos (rebolos), na usinagem de peças forjadas e fundidas e peças de ferro fundido coquilhado, para cortes interrompidos, desbaste e acabamento, usinagem fina, obtendo rugosidades inferiores a 1,0 m dispensando a etapa posterior de retificação. Podem ser aplicadas velocidades de corte entre 50 e 200 m/min, avanços de 0,1 a 0,3 mm e profundidades de corte inferiores a 2,5 mm.