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Capítulo 5 - Materiais para Ferramentas Usinagem para Engenharia A.C. Araujo a, A.L. Mougo b e F.O. Campos c. a araujo@insa-toulouse.fr, INSA-Toulouse, Institute Clément Ader, França b adriane.mougo@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil c fabio.campos@cefet-rj.br, CEFET/RJ, Rio de Janeiro, Brasil Slides propostos Setembro de 2020 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Requisitos ideais de materiais para ferramentas de usinagem [Grzesik 2016]1: Possuir elevada dureza a quente; Ter elevada resistência mecânica; Apresentar alta tenacidade à fratura; Ser quimicamente inerte; Ter alta condutividade térmica; Ser resistente à fadiga; Ser resistente ao choque mecânico e térmico; Ter alta rigidez; Apresentar baixo coeficiente de atrito. 1GRZESIK, W. - Advanced Machining Processes of Metallic Materials - Theory, Modelling and Applications. Elsevier, 2016. 1 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Seleção do material Como nenhum material tem todas estas características, cada um tem uma característica mais presente. A escolha do material da ferramenta depende muito da aplicação, do material e do custo-benefício. A maior motivação para o desenvolvimento das ferramentas foi inicialmente o alcance de velocidade de corte mais altas; Aço rápido: aço endurecido desenvolvido para ferramentas de corte; Metal duro: compósito microestrutural de base metálica e grãos abrasivos cerâmicos; Nitreto cúbico de boro (CBN), diamante policristalino (PCD); Desenvolvimento de materiais para ferramenta: recobrimento X refinamentos dos grãos. 2 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Table 1: Tipo e os materiais de ferramentas Tipo de ferramenta Materiais utilizados Monobloco - Aço Ferramenta - Aço Rápido Inteiriça - Aço Ferramenta - Aço Rápido - Metal Duro Insertos - Metal Duro (intercambiáveis ou - Cerâmicas (Base de alumina ou nitreto de silício) brasados) - Nitreto Cúbico de Boro (CBN e PCBN) - Diamante (Monocristalino e PCD) 3 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Tenacidade Deformações plásticas Resistência a flexão (Sf) Material ideal R e s i s t ê n c i a a o d e s g a s t e D u r e z a a q u e n t e Diamante, PCD 50-60HV Sf=600 MPa Aço Rápido 7-10 HV Sf=2000 MPa HSS + revestim. Metal Duro 12-18 HV Sf=1500 MPa MD + revestim. Cerâmicas CBN 20-60HV Sf=800 MPa 12-21HV Sf=750 MPa Valores médios para referência Figura 1: Relação entre tenacidade (MPa) e dureza (HV) dos materiais de ferramentas de corte 4 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Aço ferramenta Foi um dos primeiros materiais de corte empregados na indústria e é basicamente uma liga metálica de Fe-C (C<1,25%) com pequenas quantidades de Si e Mn [Diniz, Marcondes e Coppini 2013]2; Sua dureza é alcançada por tratamento térmico; Apresentam maior dureza quanto maior for o teor de carbono; Dureza a quente < 200o C. 2DINIZ, A.; MARCONDES, F.; COPPINI, N. Tecnologia da Usinagem Dos Materiais. [S.l.]: Artliber Editora LTDA, 2013. ISBN 9788587296016. 5 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas As ferramentas comerciais de aço rápido podem ser classificadas em quatro grupos: W - Aço rápido ao tungstênio: contém 18%W e entre 1-4%V. W-Co - Aço rápido ao tungstênio-cobalto: contém entre 14-20%W, 1-2%V e 5-12%Co. Mo - Aço rápido ao molibdênio-vanádio: contém entre 4.5-8%Mo, 1-4%V e até 6%W. Mo-Co - Aço rápido ao molibdênio-cobalto: contém entre 5-8%Mo, 1-2%V, 5-12%Co e 5-8%W. Table 2: Resumo sobre as características das ferramentas de aço rápido Nomenclatura: Aço rápido (HSS) Composição �ímica: Liga metálica de Fe-C + W, Mo, Cr, V, Ni Microestrutura: Martensita com carbonetos Classificação: �atro classes: ao W, ao W-Co, ao Mo e ao Mo-Co. Principais propriedades: Média resistência a quente (aprox. 600o C) Dureza entre 60 a 70 HRC 6 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Carbonetos Metal Poros + + Figura 2: Microestrutura do metal duro [Araujo, Mougo e Campos 2020] 7 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Table 3: Resumo sobre as características das ferramentas de metal duro Nomenclatura: Metal Duro Composição �ímica: (WC, TaC, TiC) + (Co) Microestrutura: Grãos de carbonetos em matriz metálica Classificação: material: P, M, K, N, S e H Solicitação mecânica de 01 (leve) a 50 (severo) Principais propriedades: Alta dureza a quente 8 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Ferramentas em cerâmica: são considerados materiais cerâmicos aqueles que são não-metálicos e inorgânicos, com ligações covalentes e iônicas Table 4: Resumo sobre as características das ferramentas de cerâmica Nomenclatura: Cerâmicas Composição �ímica: Átomos com ligações iônicas ou covalentes Microestrutura: Cristalina cerâmica Classificação: Base de óxido de alumínio ou nitreto de silício Principais propriedades: Altíssima dureza a quente tendência a propagar trincas 9 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Nitreto cúbico de boro - CBN: são usados para usinar aços temperados com dureza superior a 45 HRC, aços resistentes a altas temperaturas e aços-rápidos, ligas de níquel e cobalto e materiais com revestimento duro; Diamante Policristalino - PCD: O inserto de corte apresenta apenas uma pequena parte de PCD, na região da aresta de corte. Este material é usado em ferramentas de perfuração de petróleo em brocas PCD; Table 5: Resumo sobre as características das ferramentas de diamante policristalino Nomenclatura: PCD Composição �ímica: Diamante em matriz de metal duro Microestrutura: Estrutura cristalina cúbica / Carbono alotrópico Classificação: De acordo com tamanho do grão dos diamantes Principais propriedades: Maior dureza e capacidade de afiação 10 11 Cap. 5 - Materiais para Ferramentas Recobrimento de Ferramentas: Deposição por Vapor �ímico(CVD - Chemical Vapor Deposition) e Deposição Física de Vapor(PVD - Physical Vapor Deposition); Ferramentas de retificação: são ferramentas de geometria não definida, utilizadas para realizar os processos abrasivos. São formadas por grãos com alta dureza envolvidos por um aglomerante resiliente para manter o corpo da ferramenta em altas temperaturas. I Material abrasivo do rebolo; I Tamanho do grão; I Grau do Rebolo; I Estrutura do Rebolo; I Material Aglomerante. 11 / 11
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