Materiais para ferramenta

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1 Materiais para ferramenta SEM - SEM -EESC - USP SEM534 Processos de Fabricação Mecânica Professor - Renato G. Jasinevicius Materiais para Ferramenta Materiais mais utilizados para ferramenta no Brasil Aços rápidos 33% Metal duro 36% Material Cerâmico 12% Nitreto de Boro Cúbico (CBN) 7% CERMET 7% PCD 5% Materiais mais usinados no Brasil Fonte MM/Dez.1999 Aços Carbono 20.5% Aço Inox 19% Ferro Fundido 14.5% Não-Ferrosos 20% Aços Temperados 13% não metálicos 13% 1

2 Materiais para Ferramenta Materiais mais Processados em 496 empresas consultadas (Fonte: MM2003) 100,00% 80,00% 60,00% 91,50% 79% 77,80% 67% 53,20% 53,20% 40,00% 20,00% 0,00% Aço Carbono Não ferrosos Aço Inoxidável Ferrro Fundido Aço temperado Não Metálicos Materiais para Ferramenta Materiais de Ferramenta mais usados em 496 empresas consultadas (Fonte MM2003) 100,00% 80,00% 93,54% 79,83% 60,00% 40,00% 35,68% 20,00% 20,16% 14,31% 10,48% 0,00% Metal duro Aço Rápido Cerâmica CBN Cermet PCD 2

3 Materiais para Ferramenta Idade das máquinas em 496 empresas consultadas (Fonte: MM2003) 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 19,78% 29,66% 33,34% 17,22% 0,00% 0-4 anos 5-9 anos anos mais de 20 anos Materiais para Ferramenta Propriedades a serem consideradas para o material da ferramenta: Dureza a Quente Resistência ao desgaste Tenacidade Estabilidade química 3

4 Materiais para Ferramenta Materiais para Ferramenta A escala Mohs foi usada pela primeira vez em Ela simplesmente consiste num grupo de 10 minerais, ordenados de 1 a 10. O diamante é classificado como o mais duro e possui o índice 10; o mais mole é o talco, classificado com o índice 1. Cada mineral da escala pode riscar todos aqueles abaixo do seu índice. Alguns exemplos da dureza de metais comuns na escala Mohs são: o cobre, entre 2 e 3 e os aços ferramenta, entre 7 e 8. 4

5 Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Material a ser usinado: Dureza do material Tipo de cavaco Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Processo de usinagem: Ferramentas Rotativas de D pequeno ainda usam materiais como AR 5

6 Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Condição da Máquina Operatriz (potência, faixa de velocidades, estado de conservação, etc.) Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Forma e dimensões da ferramenta 6

7 Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Forma e dimensões da ferramenta Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Custo do material da Ferramenta A - Metal Duro Sem Cobertura B Cermet C Metal Duro com Cobertura D Cerâmica E Sialon (Si 3 N 4 ) F CBN & Diamante F 44 E 3.7 A 1.0 B 1.1 C 1.2 D 1.7 7

8 Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Condições típicas de acabamento: Condições de usinagem exemplo: Vc, f, ap em peças que sofreram operação de usinagem, processos de conformação plástica; casca dura de fundição; exigem ferramentas mais resistentes ao desgaste Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Condições de operação (rigidez do sistema de fixação) 8

9 Fatores a serem considerados para escolha da ferramenta Condições de operação (corte interrompido/continuo) Materiais para Ferramenta Materiais para ferramenta Aços rápidos Aços rápidos com cobertura Metal duro Metal duro com cobertura Material Cerâmico Nitreto de Boro Cúbico (CBN) Diamante Em geral quando se aumenta a dureza a quente e a resistência ao desgaste por abrasão, a tenacidade do material Outros materiais: liga fundida (estelita) e aço carbono (com ou sem elemento de liga) D u r e z a T e n a c i d a d e 9

10 Comparação: Velocidade Fontes de geração de calor durante a usinagem: Cisalhamento atrito cavaco/superfície de saída atrito superfície de folga/superfície recém usinada Figura: Comparação da dureza de diversos materiais para ferramenta em função da temperatura Aços rápidos Desenvolvimento: 1905 Ferramenta de alta liga: W, Mo. Cr, V, Co, Nb Propriedades do aço rápido: Tenaz Elevada resistência ao desgaste Elevada dureza a quente (T corte = 600 o C) Tipo e número de carbonetos duros são responsáveis pela resistência a abrasão Tenacidade depende dos elementos de liga e grau de dissolubilidade Observação: aços rápidos resistentes a abrasão são poucos tenazes Classificação AISI Letra T os tipos ao W e ao W-Co e letra M os tipos ao Mo e ao Mo-Co (Vide TABELA) 10

11 Efeito dos Elementos de liga nos Aços rápidos Carbono: aumentar a dureza e possibilita a formação de carbonetos (duros e resistentes ao desgaste) Tungstênio e Molibdênio: W sempre presente, Mo é usado como substituto, substituindo a outra classe. Formam carbonetos resistentes ao desgaste e dureza a quente (peso atômico do Mo ~ 1/2 W. Vanádio e Nióbio: a cada 1% de Vanádio implica em aumentar 0.25% de C para formação de carbonetos (carboneto mais duro dos aços rápidos). Alto teor de C e V são os mais resistentes ao desgaste. Cromo: juntamente com C responsável pela alta temperabilidade dos aços rápidos Cobalto: aumenta a dureza a quente. Aços rápidos ao Co são recomendados para cortes em desbaste e usinagem de materiais com cavaco curtos (FoFo, temperatura eleva-se porque não se usa fluido) Metal Duro Ferramentas de Metal Duro revestidas: início década de 60 Processo CVD - Chemical Vapor Deposition Aço rápido não era revestido devido à temperatura do processo: 1000 o C PVD (Physical Vapor Deposition): 450 o C a 500 o C - Câmara de alto vácuo na presença de gás inerte (Argônio) Coberturas mais comuns: TiN e TiCN Características dessas camadas : alta dureza, ~2300 HV Elevada dutilidade redução sensível do caldeamento a frio (evita a formação de BUE) Baixo coeficiente de atrito; Quimicamente inerte Espessura: 1-4 µm Ótima aparência S/ Cobertura C/ Cobertura 11

12 Metal Duro Designação ISO %WC %TiC + TaC %Co Densid. (g/cm 3 ) Dureza (Hv) Resistência a Ruptura Tranv. (Kgf/ mm 2 ) P P P P P P M M M M K K K K Propriedades Da Ferramenta T E N A C I D A C E R E S I S T Ê N C I A A O D E S G A S T E Metal Duro 12

13 Metal Duro Aumenta a resistência 100º 90º 80º 60º 55º 35º Aumento da chance de lascar e/ou quebrar Metal Duro: acabamento de pastilhas Preparação da aresta dos insertos para melhorar a resistência da aresta Aumento da resistência da aresta 13

14 Metal Duro: acabamento de pastilhas Metal Duro: acabamento de pastilhas 14

15 Metal Duro: acabamento de pastilhas Metal Duro com Cobertura METAL DURO REVESTIDO Aumentam a vida da ferramenta em 200 a 300% ou mais Camadas para revestimento: TiC, TiN ou Al 2 O 3 Para serem eficazes as camadas devem ser: Duras Refratárias Estáveis quimicamente Inertes quimicamente para proteger os constituintes do MD de interagir com o material de corte Revestimentos composição: são grãos finos, livres de ligante e porosidade São metalurgicamente ligados ao MD (substrato) São espessos o suficiente para prolongar a vida da ferramenta e finos o bastante para evitar a fragilidade Maiores camadas podem ser frágeis (p.e. 12 µm) que podem melhorar a reist6encia ao desgaste mas Tenacidade diminui e aumenta tendência ao lascamento: Solução: Novas camadas TiAlN ou AlTiN - PVD - mais finas e resistentes, arestas menores 15

16 Processos de revestimentos para ferramentas CVD PVD Processos de revestimentos para ferramentas CVD PVD 16

17 Ferramenta Revestida Microscopia das camadas do recobrimento (Sandvik) Material da Ferramenta: Cerâmica Endentação Tipos de Materiais cerâmicos para ferramenta: 1) à base de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) - SINTERIZADA Puro e prensado a frio = Cor Branca Puro e prensado a quente = Cor Cinza Teor de MgO, Função inibir crescimento de Grão; CrO, Ti e Ni: resistência mecânica ou Al 2 O 3 % de ZrO 2 que aumenta a tenacidade do material 2) à base de Nitreto de Silício (Si 3 N 4 ) com fase intergranular de SiO2 sinterizados na presença de de alumina e/ou óxido de ítrio e óxido de manganês 3) CERMETS = Fase Cerâmica + Fase Metálica - Semelhante ao MD Partículas duras: TiC, TiN e/ou TiCN (ao invés de WC, TiC e TaC do MD) e Niquel como ligante (ao invés de Co) Podem ser revestidos com TiN - menor atrito e tendência a BUE 17

18 Material da Ferramenta: CBN e PCBN Nitreto de Boro Cúbico (borazon, CBN ou PCBN): BCl 4 + NH 3 BN + 3 HCl BN tem estrutura de grafite hexagonal. Na presença de Pressão (5 GPa a 9 GPa) e Calor (T = 1500 o a 1900 o C) na presença de um catalisador (Lítio) podem transformar para estrutura cúbica = plaquetas de CBN. Espessura da camada formada = 0.5 mm sobre MD Quimicamente mais estável que o Diamante para usinar metais ferrosos Tenacidade do CBN ~ Cerâmica (Nitretos) e 2 x Al 2 O 3 Dureza < Diamante porém 2x Al 2 O 3 Material da Ferramenta: CBN e PCBN Nitreto de Boro Cúbico (borazon, CBN ou PCBN): 18

19 Desgaste e Vida de Ferramenta Largura do Desgaste de Flanco Desgaste de Cratera Entalhe f } Desgaste do raio Prof. de usinagem ap Metal duro DESGASTE DE FLANCO Desgsate de Flanco (V B ) v= 130 m/min Desgaste e Vida de Ferramenta Critério de Desgaste - Flanco 20 v= 100 m/min 40 Tempo de Corte (min) 0.50 mm νt v = velocidade T = tempo ou Tv y x onde y = = C = 1 x K 19

20 Desgaste e Vida de Ferramenta Desgaste e Vida de Ferramenta Para Determinar o valor de C e y no gráfico anterior, selecione dois dos três pontos da curva e resolva a equação simultaneamente Solução: Escolha os dois pontos extremos: v=160 m/min, T = 5 min, and v = 100 m/min, T=41 min, temos que: 160(5) y =C 100(41) y =C => 160(5) y =100(41) y ln(160)+y(ln5)=1n(100)+y(ln41) => 0.47=2.1042y y=0.47/2.1042=0.223 => C = 160(5) =229 20

21 Desgaste e Vida de Ferramenta Em estudos de usinabilidade utiliza-se V60 ao invés de C. Tabela X.3 pg 466 (Ferraresi) ym = 0.3 para MD ym = 0.15 para AR Desgaste e Vida de Ferramenta Exemplo: Ferramenta de MD Aço Normalizado 0,45% C, f= 0,25mm/rev ap = 2,5 mm; Lf = 200 mm Velocidade de corte Vc(m/min) Vida da Ferramenta (T) min 19,95 12,20 21

22 Desgaste e Vida de Ferramenta V x T y = C Portanto 186 (19,95) y = 216 (12,2) y (19,95/12,2) y = 216/186 (1,635) y = 1,161 y log 1,635 = log 1,161 y = 0,3036 Assim 186 (19,95) 0,3036 = 461,5 (m/min) = C VT 0,3036 = 461,5 Desgaste e Vida de Ferramenta Exemplo a: Ferramenta de MD Aço Normalizado 0,45% C, f = 0,25mm/rev ap = 2,5 mm, Di =110 mm; Lf = 200 mm; Ferramenta triangular: considerar apenas 3 arestas de corte. Quantas peças podem ser torneadas sob estas condições com essa vida de ferramenta quando se usa uma Rotação 366 rpm? Formulário: V t c Z f = T t c f lc = V = f n 22

23 Desgaste e Vida de Ferramenta Exemplo: O gráfico abaixo mostra as curvas de desgaste de flanco em função do tempo (vida da ferramenta) para diversas velocidades de corte. Determine os parâmetros y e C, respectivamente, da equação de Taylor para ferramenta em questão, usando como critério para fim de vida da ferramenta VB = 0,8 mm. a) 0,348; 562 b) 0,455; 664 c) 0,375; 700 d) 0,257; 500 Kronemberg Desgaste e Vida de Ferramenta G Co v 5 = f T s 60 Tabela X.14 p.484, encontra-se os valores de Co, f, g e y e ferramentas de MD e AR. Correção para X p. 502 Tabela X.18 ASME mesma fórmula (Tabela X.13, multiplicar Co por 3.5 e utilizar 0.15 para aço) 2g g Fator de Correção : o 2 v o 45 senχ sen45 = v v o o = 45 v sen χ χ senχ g y 45 23

24 Desgaste e Vida de Ferramenta v = G Co 5 f T s 60 g y 2g o 2g o 45 senχ sen45 = v v o = o 45 v sen χ χ senχ v 45 Desgaste e Vida de Ferramenta Exemplo: Material da Peça: Aço ABNT 1045 (σr = 60daN/mm 2 ), Ferramenta de Metal duro P-20 f = 0,5 mm/rev ap = 5 mm Ângulo de Posição χ =30º Calcular a) A velocidade de corte para uma vida de 30 min, segundo Kronemberg b) As constantes da fórmula de Taylor: Tv x = k e vt y = C C o = 123; f 0 0,125; g = 0,125; y = 0,167 (Tabela X.14 para aço 60 dan/mm 2 ; ferramenta de MD-P20, γ= 10º e χ =45º. 24

25 Desgaste e Vida de Ferramenta Material de Ferramenta/material da peça y C Valores de y para formula de Taylor para diversos materiais de ferramenta (v c T y = C) (valores aprox. em operações de torneamento f = 0,25 mm/ver e ap = 2,5 mm. Não aço refere-se a Alumínio, latão e ferro fundido Aços rápidos Não ferrosos Aços Ligas fundidas Não ferrosos Aços Metal duro Sem Cobertura Não ferrosos Aços 0,1 0,1 0,1 0,25 0, Metal duro com Cobertura Não aço Aços - 0, Cerâmica Não aço Aços - 0, CERMET Não aço Aços - 0, Desgaste e Vida de Ferramenta Exemplo aplicação na indústria: Empresa de Médio para Grande porte: 68% das arestas das pastilhas de torneamento utilizadas eram trocadas antes do momento adequado Relação entre o crescimento na corrente do motor de acionamento da máquina e o desgaste (através de um amperímetro instalado na máquina) queda de 16%. Fonte: Pires, J.R., Diniz, A.E., Evitando o desperdício de ferramentas de torneamento uma aplicação em chão de fábrica Revista máquinas e metais, no. 370, pp ,