Materiais para ferramentas

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1 Materiais para ferramentas Materiais para ferramentas com geometria definida Aços Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro WC - Co WC-(Ti,Ta,Nb)C - Co TiC/TiN - Co, Ni (Cermets) Cerâmicas de corte Cerâmica óxida Cerâmica mista Cerâmica à base de nitreto de silício Materiais super-duros Nitreto de boro cúbico Diamante

2 Os Materiais para ferramentas de corte devem satisfazer as seguintes propriedades: Elevada resistência à compressão; Elevada dureza Resistência à flexão e tenacidade Resistência do gume (estabilidade) Resistência interna de ligação Resistência a quente Resistência a oxidação Baixa tendência a difusão e caldeamento Resistência à abrasão Comportamento de desgaste reprodutível

3 Comparação entre os materiais de ferramentas Velocidade de corte, resistência ao desgaste dureza a quente Diamante CBN Cerâmicas Cermets Metal-duro revestido Material ideal Metal-duro Aço-rápido revestido Aço-rápido Tenacidade, resistência à flexão

4 A ç o s - f e r r a m e n t a P r i m e i r o m a t e r i a l a s e r e m p r e g a d o c o m o f e r r a m e n t a d e c o r t e C a r a c t e r í s t i c a s : - A ç o s c a r b o n o c o m t e o r e s d e 0, 8 a 1, 5 % d e c a r b o n o - D i v i d i d o e m : a ç o s n ã o l i g a d o s C, S i, M n a ç o s l i g a d o s C, S i, M n, C r, M o, V, W - A d u r e z a é a r e s i s t ê n c i a m e c â n i c a d e p e n d e m d a f o r m a ç ã o d e u m a e s t r u t u r a m a r t e n s í t i c a, o b t i d a p o r t r a t a m e n t o t é r m i c o A p l i c a ç õ e s : - F e r r a m e n t a s u s a d a s e m p e q u e n a s o f i c i n a s d e r e p a r o, u s o s d o m é s t i c o s e d e l a z e r ; - F e r r a m e n t a s a s e r e m u t i l i z a d a s u m a s ó v e z o u p a r a p o u c a s p e ç a s ; - F e r r a m e n t a s d e f o r m a, n a u s i n a g e m d e l a t ã o e a l u m í n i o. D e s v a n t a g e n s : - P e r d a d a d u r e z a e m t e m p e r a t u r a s r e l a t i v a m e n t e b a i x a s, e m t o r n o d e C. P o r i s t o, n a u s i n a g e m d e a ç o s m o l e s s ó p o d e m s e r u s a d o s e m v e l o c i d a d e s i n f e r i o r e s a 2 5 m / m i n.

5 Aço-rápido Característica: Aço de alta liga contendo W, Cr, Mo e V como elementos básicos de liga Estrutura metalográfica: Martensita na estrutura básica com carbonetos incrustrados Vantagens: Em comparação ao aço ferramenta apresenta maior dureza (60 a 67 HRC) até a temperatura em torno de 520 a 600 ºC Ótima tenacidade e resistência à flexão Boa usinabilidade na retificação Desvantagem: Tratamento térmico complexo Exemplo: W Mo V Co % HS possibilita a fabricação de ferramentas com gumes afiados e maiores ângulos de saída

6 Aços rápidos com cobalto Características: Também conhecido como aços super-rápidos. Mesmos elementos de liga do aço rápido, entretanto pela adição de cobalto melhora as características de dureza a quente e de desgaste, Desvantagem: menor tenacidade. Aço rápido sinterizado Características: Obtido pelo processo de metalurgia do pó. Vantagens principais: Aumento da tenacidade, vida mais longa e menor dispersão no tempo de vida das ferramentas. Ligas Fundidas Características: Contém altas porcentagens de W, Cr e Co. São fundidas e vasadas em moldes. Nomes comerciais: Stellite, Tantung, Rexalloy, Chromalloy... Vantagens: Elevada resistência a quente, temperaturas em torno de 700 a 800 ºC.

7 Metal duro Características: São carbonetos sinterizados Material desenvonvido pela empresa Krupp, cujo nome era conhecido comercialmente como WIDIA (Como diamante). São materiais sinterizados com linagentes metálicos. Prinicpais elementos: de carboneto de tungstênio (WC), carbonetos de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC), carboneto de nióbio (NbC) fornecem alta dureza a quente e resitência ao desgaste Ligantes: cobalto (Co) e eventualmente níquel (Ni) constitui a ligação entre os carbonetos frágeis Fonte:

8 Vantagens: Aumento da dureza e resistência ao desgaste Boa distribuição da estrutura em decorrência do processo de metalurgia do pó Dureza elevada Resistência à compressão e resistência ao desgaste a quente Possibilidade de obtenção de propriedades distintas pelas mudanças específicas dos carbonetos e das proporções dos ligantes Aplicações: São utilizados em formas de pastilhas intercambiáveis nos processos de: Torneamento, furação, fresamento, aplainamento e brochamento. Ferramentas inteiriças - fresas e brocas

9 C l a s s i f i c a ç ã o : S ã o d i v i d i d o s e m t r ê s g r u p o s d e a p l i c a ç ã o. G r u p o P U t i l i z a d o n a u s i n a g e m d e a ç o, a ç o f u n d i d o e d e f e r r o f u n d i d o m a l e á v e l, n o d u l a r o u l i g a d o d e c a v a c o c o m p r i d o. G r u p o M N a u s i n a g e m d e a ç o, a ç o f u n d i d o, a ç o a o M n, f e r r o s f u n d i d o s l i g a d o s, a ç o i n o x i d á v e i s a u s t e n í t i c o s, f e r r o f u n d i d o m a l e á v e i s e n o d u l a r e a ç o s d e c o r t e f á c e i s. G r u p o K N a u s i n a g e m d e f e r r o f u n d i d o c o m u m e c o q u i l h a d o, f e r r o s f u n d i d o s m a l e á v e i s d e c a v a c o c u r t o, a ç o s t e m p e r a d o s, n ã o f e r r o s o s, n ã o m e t á l i c o s e m a d e i r a s. E m c a d a g r u p o, o s m e t a i s d u r o s s ã o f a b r i c a d o s e m d i v e r s o s g r a u s, c o r r e s p o n d e n d o a u m a d u r e z a d e c r e s c e n t e e u m a t e n a c i d a d e c r e s c e n t e.

10 4 Nennen Sie die Zerspanungs-Hauptgruppen und deren Kennfarbe (nach DIN 4990) P blau für langspanende Werkstoffe Elemente Eigenschaften Einsatz neben WC hohe Anteile von TiC, TaC, NbC hohe Warmfestigkeit, geringer Abrieb Stahl und Stahlguß, gehärtete Stähle < 45 HRC hochlegierte Stähle M gelb Universalsorten Mischung zwischen P und K Eigenschaften Einsatz mittlere Warmfestigkeit besonders für rost-, säure- und hitzebeständige Stähle, harter Grauguß K rot für kurzspanende Werkstoffe Elemente Eigenschaften Einsatz fast nur WC in Co-Bindephase geringere Warmfestigkeit, aber hohe Abriebfestigkeit Grauguß, NE-Metalle, hochwarmfeste Werkstoffe, gehärtete Stähle > 45 HRC

11 Cermets São materiais compostos com uma ou mais fases cerâmicas e uma fase metálica, servindo como ligante. São constituidos de carboneto de titânio (TiC), nitreto de titânio (TiN), carboneto de molibidênio (Mo 2 C) ligantes metálicos de níquel (Ni), molibidênio (Mo) ou cobalto (Co). Vantagens: - Elevada dureza; - Maior tenacidade e resistência ao impacto; - Maior resistência ao desgaste da aresta do gume Desvantagens: - Baixa tenacidade Aplicação - Próprio para acabamento de aços com alta velocidade de corte e pequena seção transversal de corte. - Exemplo: Usinagem de ferro fundido de dureza Brinell superior a BH 235 e aços de dureza HRC de 34 até 66.

12 Cerâmicas Óxidas : Óxidas: Al 2 O 3 Al 2 O 3 + ZrO 3 (3-15%) Mistas Al 2 O 3 +TiC ou TiN Al 2 O 3 +ZrO 3 +TiC Whiskers Al 2 O 3 +SiC whiskers Não Óxidas: à base de nitreto de silício Si 3 N 4 + elementos de sinterização (Y 2 O 3 ou MgO) Si 3 N 4 + Sialon + elementos de sinterização (também conhecido como sialon) Si 3 N 4 + TiN, ZrO 2, SiC whiskers (materiais duros ) + elementos de sinterização Obs: whiskers: bastões de SiC de alta resistência que tem como objetivo aumentar a tenacidade, geralmente com diâmetro de 0,1-1 µ m e comprimento de µ m. Os Whiskers também aumentam a condutividade térmica melhor resistência a variação de temperatura e choques térmicos Sialon: Si 3 N 4 + fase cristalina contendo Al 2 O 3 aumento da dureza, melhor resistência química e à oxidação

13 antagens: Aumento da velocidade de corte em 4 a 5 vezes maiores do que as empregadas com metal duro. Alta dureza a quente, até 1600 ºC; Elevada estabilidade química, não ocorre fenômenos de oxidação ou difusão; Baixo coeficiente de atrito; esvantagens: Grande fragilidade (problemas na usinagem interrompida, máquinas com pouca rígidas); Condutividade térmica baixa (sensível à variações bruscas de temperatura) T ~ 200 C, por isso não deve ser empregado fluido de corte. plicação: sinagem de desbaste e acabamento de ferro fundido com dureza Brinell superior a 180 Kg/mm 2 ; orneamento de precisão de aço temperado com uma dureza de até 60 HRC

14 D i a m a n t e s : C a r a c t e r í s t i c a s : É o m a t e r i a l m a i s d u r o c o n h e c i d o e ó t i m o c o n d u t o r d e c a l o r. P o d e s e r n a t u r a l o u s i n t é t i c o e n a s f o r m a s m o n o c r i s t a l i n o e p o l i c r i s t a l i n o. N o s d i a m a n t e s m o n o c r i s t a l i n o s, a s p r o p r i e d a d e s m e c â n i c a s ( d u r e z a, r e i s t ê n c i a, m ó d u l o d e e l a s t i c i d a d e ) v a r i a m c o m a d i r e ç ã o, j á n o s p o l i c r i s t a l i n o s n ã o e x i s t e e s s a a n i s o t r o p i a, j á q u e o s g r ã o s t e m u m a d i s t r i b u i ç ã o a l e a t ó r i a d o s c r i s t a i s. E n t r e t a n t o, a d u r e z a d o s d i a m a n t e s p o l i c r i s t a l i n o s n u n c a c h e g a à d u r e z a m á x i m a d o s m o n o c r i s t a l i n o s. A p l i c a ç ã o d o s m o n o c r i s t a l i n o s : U s i n a g e m f i n a, o n d e s ã o e x i g i d a s g r a n d e s p r e c i s õ e s d e m e d i d a s e q u a l i d a d e s u p e r f i c i a l. O s p r i n c i p a i s m a t e r i a i s u s i n á v e i s s ã o : m e t a i s l e v e s, b r o n z e, c o b r e, l i g a s d e e s t a n h o, b o r r a c h a, v i d r o, p l á s t i c o s e p e d r a s. E n t r e t a n t o a u s i n a g e m d e f e r r o s e a ç o s n ã o é p o s s í v e l.

15 Diamantes naturais Diamante natural na forma monocristalina importância para a usinagem com ferramenta de geometria definida em sua forma monocristalina. tamanho de 1 a 5 mm. Diamante natural na forma policristalina Ballas, Carbonato tem pouca aplicação na usinagem porque o diamante sintético policristalino é mais vantajoso do ponto de vista tecnológico e econômico. Diamantes sintéticos Fabricação: solução catalítica, extrema pressão e extrema temperatura partículas de diamantes monocristalinos são produzidas

16 Ferramentas de diamantes monocristalinas Fonte: Ferramentas de diamantes policristalinas Fonte: uma camada de diamante policristalino é produzida pela sinterização das partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (6000 a 7000 MPa) e alta temperatura (1400 a 2000 ºC). a camada de aproximadamente 0,5 µm de espessura pode ser aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro présinterizado ou soldada.

17 C a r a c t e r í s t i c a s d o d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o U m a c a m a d a d e d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o é p r o d u z i d a p e l a s i n t e r i z a ç ã o d a s p a r t í c u l a s d e d i a m a n t e c o m c o b a l t o n u m p r o c e s s o d e a l t a p r e s s ã o ( a M P a ) e a l t a t e m p e r a t u r a ( a º C ). A c a m a d a d e a p r o x i m a d a m e n t e 0, 5 µ m d e e s p e s s u r a é a p l i c a d a d i r e t a m e n t e s o b r e u m a p a s t i l h a d e m e t a l d u r o p r é s i n t e r i z a d o. A p l i c a ç ã o d o d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o U s i n a g e m d e m e t a i s l e v e s, c o b r e, l a t ã o, b r o n z e, e s t a n h o, d i v e r s o s p l á s t i c o s, f i b r a s r e f o r ç a d a s d e v i d r o, c a r v ã o, g r a f i t e, m e t a l d u r o p r é - s i n t e r i z a d o. Fonte:

18 Nitreto de boro cúbico CBN Características: É um material sintético Depois do diamante é o material mais duro conhecido. Vantagens: Quimicamente mais estável do que o diamante, especialmente contra a oxidação. Fonte: Alta resistência ao impacto podem ser aplicadas em cortes severos, cortes interrompidos, remoção de cascas tenazes, abrasivas e irregulares de peças fundidas e forjadas. Fabricação: Grãos de CBN são sinterizados num processo de alta T e P, na presença de um ligante Aplicação: Cortes interrompidos bem como para usinagem de desbaste, de acabamento e usinagem fina usinagem de aços endurecidos (45 a 65 HRC) aços rápido, ligas resistentes a altas T à base de níquel e cobalto usinagem de revestimentos duros c/ alta % de WC e Cr-Ni Fonte:

19 Revestimentos para ferramentas Definição: Deposição de finas camadas de material duros Tipos: mono-camadas, poli-camadas, nano-camadas e gradiente de propriedades Processos de revestimento: CVD - Chemical Vapour Deposition (processo químico) PVD - Physical Vapour Deposition (processo físicos)

20 Objetivos: - Diminuição do coeficiente de atrito entre ferramenta e peça; - Diminuição da temperatura na cunha da ferramenta (barreira); - Diminuição do desgaste da ferramenta por adesão, abrasivo, Abrasão, difusão e oxidação. Principais: Material Dureza (HV) Cor Ti(C,N) - carbonitreto de tit ânio 4000 prata TiAlN - nitreto de titânio alumínio 2600 violeta TiN - nitreto de titânio 2900 ouro CrN - nitreto de cromo 2500 prata ZrN - nitreto de zircônia 2800 ouro DLC amorfo preto

21 CVD reação química alta T ~ 900 a 1100 C e pressão abaixo da atmosférica, ou seja, formação de camadas através da separação de elementos duros de uma fase gasosa. Temperatura do processo: 800 a 1000 C Próprio para metal duro Tipos de revestimentos: TiC, TiN, Al2O3, ZrC, HfC, HfN, NbC, NbN, Diamante (p. e. do metano) e principalmente TiCN Vantagem: possibilidade de fabricação de várias camadas de diferentes materiais

22 PVD Princípio de formação de camadas pela efeito físico de separação de átomos de uma fase gasosa. Os átomos do material metálico evaporado e ionizado são acelerados na direção do substrato submetido a um potencial negativo. Temperatura do processo: 400 a 500 C Próprio para revestir HSS e ferramentas de MD que são brasadas Ao contrário do processo CVD, o PVD produz tensões de compressão na superfície melhor tenacidade Principais revestimentos: TiN, TiCN, TiAlN Principais vantagens do PVD: Devido à baixa temperatura, a difusão, a mudança de fase, bem como a reação entre o material de base e o revestimento são evitados Possível a fabricação de camadas c/ tamanho de grão de 0,1 µm gumes afiados

23 Velocidade de corte para diferentes materiais e materiais de ferramentas Fonte: Livro - Trouble shooting for cutting - Mitsubishi Materials

24 Recomendações para a escolha de materiais de ferramentas Materiais duties (Al, Cu) Aços baixo carbono Aços endurecidos Ferros fundidos Ligas à base de níquel Ligas à base de titânio HSS MD Cermet Cerâmica CBN PKD - bom - ok em algumas condições - possível, mas não recomendado - deve ser evitado Fonte: Livro do Childs: Metal Machining Theory and Applications

25 Emprego de materias para ferramentas em uma montadora de automóveis (Mercedes-Benz 1995). Não considerando HSS. Metal-duro revestido 45% PVD 13% CBN e PKD 2 % Cerâmica 14% Cermet 4% CVD 87% Metal-duro não revestido 35% Fonte: Koenig: Fertigungsverfahren