Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos

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Fatores metalúrgicos que afetam a usinabilidade dos ferros fundidos
Ferros fundidos são ligas de ferro-carbono, com percentual de 2% a 4% de carbono, contendo outros elementos de liga, tais como o silício, o manganês, o fosforo e o enxofre, níquel, cromo, molibdênio e o cobre (DINIZ,1999). Os ferros fundidos tem como principais propriedades: boa rigidez, resistência a compressão e baixo ponto de fusão, o que ajuda e possibilita a utilização da fundição como processo de fabricação de peças de ferro fundido.
O carbono estrutura-se de duas formas nas ligas de ferro fundido, como carboneto (cementita) e como carbono livre (grafite), e a quantidade de cada um irá depender dos outros elementos que compõem a liga (DINIZ,1999). Por exemplo, um ferro fundido que possui quantidade grande de silício, apresentará muito carbono livre e pouca cementita, pôr o silício ser altamente grafitizante; esse ferro fundido é chamado de cinzento. Logo, um baixo teor de silício, causará grande formação de carbonetos (cementita) e haverá pouco grafite na liga. Esse ferro fundido é duro e frágil e é conhecido como branco. Ao comparar a usinabilidade dos ferros fundidos de acordo com suas características (Figura . ) vemos a influência da estrutura (maior ou menor quantidade) de cementita ou grafite na formação do mesmo.
Figura . – Usinabilidade dos ferros fundidos
Fonte: (DINIZ, 1999)
Existem outras duas classificações para ferros fundidos: os nodulares e os maleáveis. Os ferros fundidos nodulares, são chamados assim pois, o grafite disponível na liga está estruturado em formado de nódulos e, com isso, propriedades como resistência mecânica, ductilidade e a tenacidade aumentam. Já o ferro fundido maleável é encontrado quando o ferro fundido branco é tratado termicamente que a cementita em grande quantidade se transforma em carbonetos esféricos, resultando um ferro fundido maleável, dúctil e resistente (DINIZ,1999).
Na usinabilidade, os fatores metalúrgicos afetam os ferros fundidos de formas distintas, devido as suas propriedades elevadas ou não em comparação uns com os outros. O ferro fundido cinzento produz cavacos de ruptura, já os ferros fundidos maleáveis e nodulares formam cavacos longos. Na usinagem de ferros fundidos cinzentos, normalmente não se utiliza fluidos de corte líquidos, pois carregariam consigo minúsculos cavacos, formando atrito entre peça-ferramenta, dificultando a obtenção de tolerâncias rígidas, pois a dilatação da peça seria causada pelo superaquecimento da mesma. Logo, a preferencia é utilizar fluídos refrigerante com ar comprimido, para usinagem do ferro fundido cinzento (DINIZ,1999).
Outros elementos também influem na usinagem dos ferros fundidos, sendo dividido em dois tipos: os formadores de carbonetos (cromo, cobalto, manganês, molibdênio, vanádio) que prejudicam a usinabilidade, por serem muito duras e abrasivas e os grafitizantes ( silício, níquel, alumínio e cobre) que auxiliam a usinabilidade (DINIZ,1999).
LIGAS DE TITÂNIO
A maioria das ligas de titânio, assim como o titânio comercialmente puro, caracteriza-se por seu alto custo de usinagem. Consideráveis quantidades de material podem ser removidas de formas brutas como placas, barras, produtos forjados e etc. Sob esse ponto de vista é necessária a eficiência nos processos de usinagem de titânio e suas ligas, de modo a minimizar os custos decorrentes das perdas de material através da geração de aparas de processo (DONACHIE, M. J, 2000).
Já foi comprovado que titânio e suas ligas são materiais de difícil usinagem. Entretanto, devido ao aumento do uso do titânio como material de engenharia, aumento o conhecimento dos fabricantes sobre as características dos processos de usinagem do titânio e suas ligas. Sendo assim, os fabricantes já sabem que, com procedimentos adequados de processo, já é possível usinar esse tipo de material (DONACHIE, M. J, 2000).
A usinagem das ligas de titânio torna necessárias forças de corte pouco superiores às necessárias para a usinagem do aço, mas essas ligas possuem características metalúrgicas que as tornam mais difíceis de serem usinadas do que aços com dureza equivalente. Entre as ligas de titânio, as de usinagem mais difícil são as ligas beta (DONACHIE, M. J, 2000). Quando as condições de usinagem são adequadamente selecionadas para uma determinada liga com certa composição química e sequência de processamento, pode se obter velocidades de produção razoáveis com níveis de custos aceitáveis.
O fato de que o titânio é algumas vezes considerado um material de difícil usinagem por métodos tradicionais pode ser explicado parcialmente por suas propriedades físicas, químicas e mecânicas, como por exemplo (DONACHIE, M. J, 2000):
· Titânio é um mau condutor de calor, ou seja, o calor gerado pelo corte não é dissipado rapidamente. Por isso, a maior parte do calor se concentra na cunha da ferramenta de corte e na superfície de corte na peça.
· O titânio apresenta uma forte tendência a reagir quimicamente com o material da ferramenta nas temperaturas de usinagem. Isso causa descamação, soldagem e adesão, assim como rápida deterioração da ferramenta de corte.
· O titânio possui um módulo de elasticidade relativamente baixo, apresentando, portanto, um efeito mola mais acentuado do que os aços. A peça de titânio apresenta a tendência de se afastar da ferramenta de corte, a não ser que se mantenha cortes pesados ou que um recosto adequado seja utilizado. Partes mais finas tendem a se dobrar sob as pressões utilizadas na ferramenta, causando vibrações, fricção com a ferramenta e problemas relacionados com tolerâncias dimensionais. 
· As propriedades de fadiga do titânio são fortemente influenciadas por uma tendência ao dano nas superfícies, se determinadas técnicas de usinagem forem utilizadas.
· As características de encruamento do titânio são tais que as ligas de titânio não apresentam acúmulo de material nas bordas. Por causa da falta der uma massa de material estacionária (acúmulo de material nas bordas) adiante da ferramenta de corte, forma-se um elevado ângulo de cisalhamento, o que leva à formação de uma apara fina em contato com uma pequena área na face da ferramenta de corte e resulta em altas cargas de suporte por área unitária. 
A tecnologia de usinagem do titânio e suas ligas basicamente é muito semelhante à de outros tipos de ligas metálicas. Para que a usinagem seja eficiente é necessário conhecer os parâmetros relativos à ferramenta de corte usada numa determinada operação. Entre estes parâmetros importantes estão: 1 – Vida útil da ferramenta; 2 – Forças atuantes; 3 – Requisitos de potência; 4 – Ferramentas e fluidos de corte (DONACHIE, M. J, 2000).
SUPERLIGAS DE NÍQUEL
Superligas são ligas que apresentam uma ou mais propriedades muito acima das ligas convencionais (aços carbono, aços ferramenta, aços inoxidáveis, etc.). O desenvolvimento das chamadas superligas, de níquel, de cobalto e de ferro começou nos Estados Unidos, porém ao longo dos anos as superligas de níquel tornaram-se as mais utilizadas. Além das turbinas de jatos, as superligas de níquel encontram aplicações variadas em altas temperaturas, como em motores de foguetes e veículos espaciais em geral, reatores nucleares, submarinos, usinas termoelétricas, equipamento petroquímico, por exemplo. Entretanto, a principal aplicação dessas ligas continua sendo seu uso em turbinas de jatos de aviação (DONACHIE, M. J, 2002).
A razão primordial para a existência das superligas de níquel com diferentes composições químicas é a sua excelente resistência mecânica num amplo intervalo de temperaturas. A estrutura cristalina compacta cúbica de face centrada (CFC) da matriz austenítica das superligas de níquel, apresenta grande capacidade de manter resistência à tração, à ruptura e boas propriedades de fluência em temperaturas homólogas muito mais altas do que as ligas de matriz cúbica de corpo centrado (CCC) por causa de vários fatores, incluindo o excelente módulo de elasticidade e a alta difusividade que os elementos secundários possuem nessetipo de matriz (DONACHIE, M. J, 2002). O endurecimento também pode ser aumentado pela formação de carbetos e também pela dissolução de alguns elementos na matriz (endurecimento por solução sólida). Entretanto, não apenas a resistência mecânica/dureza é importante nesse tipo de aplicações. A ductilidade nas condições de serviço também é importante, e a maioria das superligas apresenta boa ductilidade. As superligas em geral apresentam também boa resistência ao impacto, à fadiga de alto e de baixo ciclo e à fadiga térmica.
A condutividade térmica das superligas é muito inferior em relação ao metal puro, da ordem de 10 % desses valores, devido à adição de muitos elementos de liga em elevados teores. O ideal seria obter superligas com maior condutividade térmica, já que isso seria importante para dissipar calor e assim minimizar os gradientes de temperatura, reduzindo então as tensões térmicas e assim a tendência de ocorrer falha por fadiga térmica.
A expansão térmica nas superligas de níquel é menor do que nas ligas ferrosas austeníticas e isso são importantes do ponto de vista da aplicação em turbinas de jatos, já que esses componentes são projetados com estreitas tolerâncias dimensionais para operar bem em serviço, além de um baixo coeficiente de expansão térmica contribuir para minimizar as tensões térmicas, minimizando assim a ocorrência de empenamento e fadiga térmica (DONACHIE, M. J, 2002).
· Superligas de Níquel Mais Utilizadas e suas Aplicações
O Monel (liga níquel-cobre) é extremamente resistente a corrosão, em especial em ambientes marinhos com água parada, porém com baixa resistência mecânica em relação as demais superligas de Ni. Alta resistividade em comparação com aços especiais. É aplicado principalmente nas industrias navais e petroquímicas, como o Monel 400 e o Monel k500.
O Inconel (liga níquel-cromo-ferro) é resistente a altas temperaturas com excelentes propriedades mecânicas. Elevada resistência à oxidação e resistência razoável a corrosão. Aplicação principal nas indústrias aeroespacial, nuclear e petroquímica, válvulas automotivas, turbinas (avião e a gás). Principais ligas: Inconel 718, Inc. 600, Inc. 751.
O Nimonic (liga níquel-cromo) tem boa resistência à corrosão a alta temperatura, em especial por sulfatos, excelente resistência à fluência e à fadiga à quente. Aplicação principal na indústria automotiva na fabricação de válvulas para motores de combustão interna e indústria petroquímica e aeroespacial. Principais ligas Nimonic 80A e Nimonic 90.
Com trabalhos nas ligas citadas acima, encontramos as superligas de Níquel, cujas quais são divididas em monocristalinas, Waspaloy e os Inconel’s forjados. Suas propriedades são altamente impulsionadas, como a altíssima resistência mecânica (tração, compressão e fluência), além da elevadíssima resistência térmica.
1. DINIZ., Anselmo E. Tecnologia da usinagem dos materiais. São Paulo: Editora mm, 1999.
2. DONACHIE, M. J. Titanium: A Tecnical Guide. ASM International. Materials Park, Ohio, United States of America, 2000.
3. DONACHIE, J. Matthew, DONACHIE, J Stephen. Superalloys: a Technical Guide. 2. ed.. Cleveland, Ohio: ASM International, 2002.