CAA Materiais para Ferramentas SUMÁRIO / SUMMARY. Corte por Arranque de Apara (CAA) Cutting or Machining

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1 Corte por Arranque de Apara (CAA) Cutting (Machining) SUMÁRIO / SUMMARY Corte por Arranque de Apara (CAA) Cutting or Machining Materiais para Ferramentas Cutting or Machining Os materiais para ferramentas deverão possuir: Elevada resistência à deformação do gume cortante; Elevada resistência ao desgaste a frio e a quente; Elevada tenacidade para suportar as intermitências ou descontinuidades do corte; etc The tool materials should have: High resistance to deformation of the cutting edge; High wear resistance to cold and hot cutting conditions; High toughness to support breaks or cutting discontinuities; etc Não existe material para ferramenta que possua todas estas características. Pelo que se tem que selecionar aquela que possuir as propriedades mais adequadas para a aplicação em causa. No tool material has all these features. So, we have to select the one with the most suitable properties for each specifics application. 1

2 Cutting or Machining Só temos conseguido desenvolver materiais segundo a diagonal errada We have been developing tool materials along the "wrong diagonal: Cutting or Machining Os materiais para ferramentas deverão possuir: Dureza e resistência à compressão; Resistência à flexão e ao choque; Conservação do fio das arestas (grão fino); Resistência ao calor; Resistência à oxidação; Pequenas velocidades de difusão; Pequena tendência a soldar (baixo atrito); Pequeno coeficiente de dilatação térmica (baixas tensões térmicas); Boa condutibilidade térmica (pequenos gradiantes térmicos); Grande calor específico (variações de temperatura pequenas e lentas). 2

3 Cutting or Machining The tool materials should have: Hardness and compression resistance; Flexural strength and shock resistance; Ability to keep sharp edges (fine grain); Heat resistance; Oxidation resistance; Small diffusion speed; Little tendency to weld (low friction); Small coefficient of thermal expansion (lower thermal stress); Good thermal conductivity (small thermal gradients); Large specific heat (small and slow changes in temperature). Cutting or Machining Materiais para ferramentas Aços carbono (200ºC); Aços de baixa liga (Indeformáveis); Aços rápidos e Aços Rápidos Revestidos (500ºC a 600ºC e Vc dupla da dos Aços carbono); Estelites; Carbonetos (Vc o dobro da dos HSS); Cerâmicos (1200ºC, Vc 1,5 a 4 vezes as dos carbonetos); Cermets; Diamante (Vc da ordem dos 5000m/min). 3

4 Cutting or Machining Tool materials Carbon Tool Steels (200ºC);.; High speed steels (HSS) and Coated HSS (500ºC to 600ºC and Vc double that of Carbon Steel); Cast Alloys; Cemented carbides; Ceramics; Cermets; Diamond. Cutting or Machining 4

5 Cutting or Machining Cutting or Machining Aços Carbono e Aços Indeformáveis Normalmente só se usam aços carbono com teor de carbono superior a 0,6%, temperados e revenidos. São muito duros a frio mas perdem a sua dureza a temperaturas superiores a 200ºC. Por isso só se utilizam para trabalhos a baixas temperaturas (ferramentas manuais ou para o corte de madeira). Os aços indeformáveis contêm como elementos de liga mais comuns W, Cr e V, em teores relativamente baixos. Esses elementos formam carbonetos mais duros e resistentes ao desgaste que o Fe 3 C e, como resistem melhor ao revenido, conservam melhor a dureza a quente. Utilizam-se em trabalhos relativamente leves de reparações. 5

6 Cutting or Machining Carbon Steels and Low Alloy Steels: Normally only carbon steels with carbon content higher then 0.6%, quenched and tempered, are used. They are very hard at cold temperature but lose their hardness at temperatures higher than 200 C. So, they are only used to work at low temperatures (hand tools or tools for cutting wood) The non-deformable, or low alloy steels, contain as common steel alloying elements W, Cr and V, at relatively low levels. These elements form carbides harder and higher wear resistant than the Fe 3 C and as showing stronger resistance to tempering, they retain hardness at hot cutting conditions. They are used in relatively light maintenance and repair works Cutting or Machining Aços Rápidos e Aços Rápidos Revestidos Tiveram a sua origem nos trabalhos sistemáticos de Taylor e praticamente eliminaram a utilização de ferramentas de aço carbono, pois conservam a dureza até temperaturas da ordem dos 500ºC a 600ºC e permitem, por isso, velocidades duplas destes. Os principais elementos de liga são W, Cr, V, Mo e o Co. De acordo com a DIN são designados pela letra S seguida dos teores em W, Mo, V e Cr, por esta ordem. Por exemplo: S ou S São forjáveis e podem ser revestidos (TiN é o revestimento mais usual) ou tratados superficialmente como por exemplo serem cromados ou nitrogenados. As ferramentas de aço rápido revestidas permitem um aumento considerável da Vc e são um forte concorrente às de carbonetos. O seu ponto forte é o compromisso entre a sua resistência ao desgaste e a tenacidade (bom exemplo disso é o serem usados na maquinagem de Ti que dá apara semicontínua). 6

7 Cutting or Machining Aços Rápidos e Aços Rápidos Revestidos (continuação) De acordo com as normas AISI, podem ser classificados em 2 categorias fundamentais: Aços rápidos com tungsténio (Grupo T) Aços rápidos com molibdénio (Grupo M) Apareceram os aços rápidos obtidos por via pulverometalúrgica, permitiram o aumento da dureza superficial, a diminuição do coeficiente de atrito e o aumento da resistência ao desgaste. Nunca conseguirão atingir a dureza a quente dos carbonetos. Contudo, são mais fáceis de fabricar em geometrias complexas (navalhões, fresas, brochas e brocas) e têm maior tenacidade (corte com formação de outros tipos de apara que não a ACR, maquinagens descontínuas devido a heterogeneidades geométricas ou intrínsecas ao material e máquinas ferramentas não robustas e com folgas). Cutting or Machining Estelites ou Ligas Fundidas São ligas fundidas de Co e de elementos geradores de carbonetos (W, Cr e Mo). Não são forjáveis, pelo que a forma da ferramenta tem que ser obtida por afiamento diretamente a partir da forma fundida. Conservam a dureza até temperaturas mais elevadas que os aços rápidos mas, em contrapartida, são mais frágeis. Consequentemente, têm um campo de aplicação muito limitado entre os HSS (que são preferidos para as Vc relativamente baixas) e os carbonetos (que são preferidos para as Vc altas). 7

8 Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro São constituídas por pós de carbonetos vários e de cobalto, elemento aglomerante, que são misturados nas proporções adequadas, compactados em prensas apropriadas e de seguida sinterizados em fornos de atmosfera controlada (fabrico por via pulverometalúrgica). Este processo permite obter uma estrutura melhor que a das estelites (fundidas) e uma liberdade total para a escolha e dosagem dos vários constituintes. Os carbonetos vulgarmente utilizados são os de tungsténio, titânio, tântalo e nióbio. Apresentam-se sob a forma de pastilhas de formatos vários, soldadas por brasagem ou, atualmente, fixadas mecanicamente a um cabo de ferramenta ou suporte, não sendo previsto, geralmente, o seu afiamento. Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro (continuação) De acordo com a norma ISO, classificam-se segundo o seu campo de aplicação. Distinguem 3 grupos (P, M e K) por ordem crescente de resiliência e decrescente de resistência ao desgaste. Dentro de cada grupo, distinguem-se classes designadas por 2 dígitos (ex: P01, P20, M10, etc) de resiliência crescente, dentro de cada classe, e resistência ao desgaste decrescente, com o número. 8

9 Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro (continuação) Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro (continuação) Os carbonetos revestidos, consistem num substrato tenaz à base de WC + Co e por vezes WC + TiC + Co e de um revestimento muito resistente ao desgaste de carboneto de titânio (TiC) com uma espessura da ordem dos 5µm. Com o revestimento pretende-se: ter substrato tenaz e a superfície revestida ter elevada dureza, baixo coeficiente de atrito, elevada estabilidade química, baixa reatividade, ter características de material refratário (para que a temperatura não se eleve), garantir ligação eficaz ao substrato, impedir a existência de grandes gradientes térmicos, etc. Posteriormente foram introduzidas novas técnicas de revestimento que permitiram a realização de revestimentos múltiplos, multicamada, que permitiram uma maior aderência do revestimento ao substrato e um melhor desempenho do mesmo. Como exemplos desses revestimentos temos TiN, TiCN e Al 2 O 3, entre outros. 9

10 Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro (continuação) Cutting or Machining Carbonetos ou Metal Duro (continuação) Os carbonetos de grão muito fino apresentam uma elevada resistência ao choque, e estabilidade da aresta de corte a qual pode ser bem afiada o que os torna muito adequados para operações de acabamento. A utilização de ferramentas de carbonetos convencionais ou revestidos permite uma MRR muito superior à obtida com HSS, Vc superiores, por vezes o dobro, que promovem melhor acabamento superficial, menores tempos de produção da peça e uma maior vida da ferramenta (entre 3 a 15 vezes) com menores custos de substituição ou afiamento da ferramenta. 10

11 Cutting or Machining Cerâmicas Os materiais cerâmicos para ferramentas mais vulgarmente utilizados são o óxido de alumínio Al 2 O 3, cerâmica branca, prensada a frio e uma mistura de Al 2 O 3 com TiC, cerâmica negra, prensada a quente. Esta última não sendo exatamente uma cerâmica é designada por CERMET. Possuem elevada dureza e resistência ao desgaste mas têm uma muito pequena resistência ao choque, pelo que permitem cortar a muito altas velocidades mas só de geometrias sem descontinuidades importantes. As cerâmicas brancas são utilizadas essencialmente em cortes de acabamento de aços e ferros fundidos enquanto a cerâmica negra, Cermet, permite o corte interrompido. Cutting or Machining Cerâmicas (continuação) Conservam a dureza até temperaturas da ordem dos 1200ºC, apresentam grande estabilidade pois resistem bem a fenómenos de oxidação e de difusão, possuem baixo coeficiente de atrito e não permitem a formação de apara aderente (exceto no caso do corte de ligas de Al, Mg e Ti, com as quais se verificam reações químicas e consequentemente não são recomendadas para o corte dessas ligas), resultando daqui a redução da espessura mínima que se pode cortar, consegue-se eliminar excentricidades da ordem de 0,01mm. Permitem utilizar Vc 1,5 a 4 vezes superiores às usadas com as ferramentas de carbonetos. 11

12 Cutting or Machining Cerâmicas (continuação) As maiores limitações dos cerâmicos, que tal como os carbonetos, são fabricados em pastilhas, que são fixadas por aperto mecânico, resultam da sua pequena resistência à flexão e da grande sensibilidade ao choque. Destas limitações resulta a necessidade de cortar aparas com pequenas espessuras (avanços da ordem dos décimos de milímetro), em cortes não interrompidos e com início e fim de contacto o mais afastado do bico da ferramenta (ângulo aparente de corte principal, χ, e direção de aproximação e afastamento adequados), e de utilizar máquinas muito robustas sem folgas nem vibrações. Posteriormente surgiram outras cerâmicas como por exemplo Si 3 N 4, por vezes adicionado com Al2O3 e com óxido de ítrio numa matriz de TiC. Uma outra variedade é o Sialon. Todas estas novas variedades apresentam tenacidades não tão distantes da dos carbonetos o que os torna indicados por exemplo para desbaste e semi-acabamento de ligas de níquel, quer em torneamento quer em fresagem. Cutting or Machining Cerâmicas (continuação) Têm um campo de aplicação ainda limitado pois exigem MF de elevada potência e rigidez. Contudo, permitem muito altas velocidades de corte (500 m/min) o que permite obter muito bons acabamentos dispensando operações de retificação. Não devem ser usadas a baixas velocidades de corte pois dão origem a desgastes maiores (julga-se que por diminuição da tenacidade com a diminuição da temperatura) do que os carbonetos e são totalmente inadequadas para o corte de ligas de Al, Ti e Mg. 12

13 Cutting or Machining Cermets Já havíamos visto que os materiais cerâmicos para ferramentas mais vulgarmente utilizados são o óxido de alumínio Al 2 O 3, cerâmica branca, prensada a frio e uma mistura de Al 2 O 3 com TiC, cerâmica negra, prensada a quente. Esta última não sendo exatamente uma cerâmica é designada por CERMET. Ou seja, são constituídas no essencial, por misturas de cerâmicos com compostos metálicos, geralmente TiC e TiN, aglomerados com Ni e Co. Deverão ser usados numa gama de Vc inferior à aconselhada para as cerâmicas, mas superior à dos carbonetos, sendo especialmente indicadas para operações de acabamento ou desbaste ligeiro, quer em torneamento, quer em fresagem. Não sendo um material revestido a pastilha pode ser retificada no fim do processo de sinterização, ficando com a aresta bem afiada e originando excelentes acabamentos, por exemplo R max = 2 µm. Cutting or Machining Cermets (continuação) São adequados ao desbaste ligeiro de acabamento de aços ao carbono e ligados, aços inoxidáveis e, nalguns casos, ao corte de ligas de Al, Ni e materiais não metálicos. São no entanto inadequados para desbastes pesados e para o corte de ligas não ferrosas (Al, Cu, Ni, etc) com a exceção referida. 13

14 Cutting or Machining Nitreto de Boro Cúbico (CBN) Começou por ser um material usado nas mós de retificação antes de começar a ser aplicado em pastilhas para torneamento e para fresagem. A partir de grãos muito finos de nitreto de boro de estrutura hexagonal, que são sujeitos a uma elevada pressão e temperatura na presença de um metal (que forma uma fase de aglomerante) é obtida uma massa sinterizada, policristalina, de CBN. Pode ser fornecido na forma de insertos sólidos de CBN ou sob a forma de uma camada de revestimento sobre uma pastilha de carbonetos. Possuem maior dureza a frio e a quente do que os cerâmicos e uma tenacidade superior à generalidade dos carbonetos. Têm elevada condutividade térmica, grande estabilidade química, elevada resistência à oxidação e pouca afinidade com os aços a elevadas temperaturas, pelo que são recomendados para a maquinagem de aços endurecidos. Cutting or Machining Nitreto de Boro Cúbico (CBN) (continuação) Pastilha de carboneto revestida por CBN e insertos maciços de CBN 14

15 Cutting or Machining Nitreto de Boro Cúbico (CBN) (continuação) Para além da maquinagem dos aços endurecidos são também recomendados para a maquinagem de ligas de cobalto e níquel, ferro fundido branco muito duro com adições de crómio e níquel, de elevada abrasividade. No entanto na maquinagem de aços macios ou de pequena liga e de algumas ligas de níquel dão resultados inferiores aos obtidos com carbonetos. São geralmente utilizados a seco, sem refrigeração, e permitem avanços e descontinuidades superiores aos admitidos pelos cerâmicos. Cutting or Machining Diamante O diamante pode ser utilizado puro (mono cristal) ou sinterizado com ligas de Fe-Ni ou de Co. É o material de maior dureza e também o de maior fragilidade. Do mesmo modo que para os cerâmicos, também para o diamante as secções de corte têm que ser pequenas (larguras de 0,1 a 0,5mm e espessuras de 0,03 a 0,05mm) para que as forças de corte sejam pequenas. Podem-se atingir Vc de 5000m/min. É muito adequado para o corte de ligas de Al, borracha, porcelana, pedra, cerâmicos e vidro. É inadequado para cortes interrompidos ou com vibrações. 15

16 Cutting or Machining Materiais para ferramentas e vida da ferramenta (Lei de Taylor) Cutting or Machining Materiais para ferramentas e Vc e avanços em torneamento 16

17 Materiais para Ferramentas Auto-estudo Kalpakjian S., Manufacturing Processes for Engineering Materials, ed. Addison-Wesley, 2003 Google & Youtube. 17