243639-Aula_5_-_fundamentos_materiais_de_ferramentas

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Fundamentos de Usinagem
Prof. Carlos Bork
bork@sapucaia.ifsul.edu.br
carlosbork@gmail.com
2015
mailto:carlosbork@gmail.com
Aço rápido
Desenvolvido por Taylor e apresentado publicamente em 1900 na Exposição Mundial de Paris
Composição 
- Elementos de Liga: tungstênio, cromo e vanádio como elementos básicos de liga e pequena 
quantidade de manganês para evitar fragilidade. 
- Em 1942, devido a escassez de tungstênio provocada pela guerra, este foi substituído pelo 
molibdênio.
Características 
- temperatura limite de 520 a 600oC mantendo dureza de 60-67 HRC;
- maior resistência à abrasão em relação ao aço-ferrameta;
- preço elevado; tratamento térmico complexo.
Aço Rápido com Cobalto
O aço rápido ao cobalto, denominado de aço super-rápido, apareceram pela primeira vez em 1921.
 Característica 
- Maior dureza a quente; maior resistência ao desgaste; menor tenacidade.
Materiais de ferramentas
aço-rápido
metal-duro
cerâmica
CBN
diamante 
cerâmiccerâmic
asas
Comprimento de corte (l) [mm]Comprimento de corte (l) [mm]
Desgaste de flanco Desgaste de flanco 
máximo VB [mm]máximo VB [mm]
Metal duroMetal duroHSHS
SS
PKDPKD
CBNCBN
Gk-AlSi12(Cu);Gk-AlSi12(Cu);
vc = 2500 m/minvc = 2500 m/min
vf = 9 m/minvf = 9 m/min
Metal duro
HPT wear.mpg
Metal duro
1. Elevada dureza; 
2. Elevada resistência à compressão; 
3. Elevada resistência ao desgaste; 
4. Possibilidade de obter propriedades 
distintas nos metais duros pela mudança 
específica dos carbonetos e das 
proporções do ligante. 
5 Controle sobre a distribuição da 
estrutura 
Metal duro - Composição
carbonetos de tungstênio (WC):dureza a qte
cobalto: ligante
TiC (Carbonetos de Titânio): pouca tendência 
à difusão; redução da resistência interna e 
dos cantos. 
TaC (Carbonetos de Tântalo) e NbC 
(Carboneto de Nióbio): pequenas 
quantidades diminuição do tamanho dos 
grãos, melhorando a tenacidade e a 
resistência dos cantos. 
PRODUÇÃO METAL DURO.MPG
Metal duro - Fabricação
Fabricação do pó Prensagem Sinterização
Metal duro - Fabricação
Retífica Tratamento dos gumes Cobertura
Gravação e 
etiquetagem
Metais duros convencionais são classificados em grupos P, M e K, conforme 
composição química, propriedades e campos de aplicação (Norma DIN 4990)
- Grupo P: alta resistência a quente; pequeno desgaste abrasivo, usinagem de 
cavacos longos
- Grupo M: média resistência a quente e a abrasão
- Grupo K: pouca resistência a quente, alta resistência ao desgaste, praticamente 
somente WC e Co
Grupos são divididos ainda com relação à resitência à tenacidade e ao desgaste.
Cavaco PMK.avi
Nos metais-duros, consegue-se significativamente aumentar tanto a dureza do 
material quanto a tensão de escoamento transversal, com a diminuição do 
tamanho de grão do carboneto de tungstênio WC
Influência da temperatura na dureza dos substratos e revestimentos 
Tamanho dos micro-grãos da classe K03 
(aumento de 10000 x – MEV) 
2m ▬▬▬ 10000 x
1 32
Resultados com Tamanho dos 
micro-grãos da classe K03 
 
Material: DIN 1.2083 
Dureza: 52 HRC 
Ferramenta: 
topo esférico 
diâmet ro: 6 mm 
comprimento: 156 mm 
Tecnologia: 
corte concordante/ periférico 
rampa 75° 
a n : 0,3 mm 
a et : 0,3 mm 
f z : 0,1 mm 
v c : 250 m/ min 0.00 
0,03 
0,05 
0,08 
0,10 
0 19 33 47 61 75 89 103 117 131 145 159 173 187 201 215 229 243 257 271 
Comprimento usinado (L) [m] 
 
 
Ferramenta 1 Ferramenta 2 Ferramenta 3 
Desgaste de flanco máximo 
(VBmax) [mm] 
Adesão
Descascamento
Abrasão
Oxidação
Difusão
Efeitos superfíciais
Efeitos volumétricos
Tensões
Formação de trincas
Micro-fraturas
Fraturas
Fenômenos de desgaste em ferramenta revestida 
Metal duro com revestimento simples: 
TiC: baixo coeficiente de atrito, menor difusão, menos adesão e soldas a frio, 
menores forças de avanço e passiva; alta dureza, baixo coeficiente de dilatação 
térmica;
TiN: alta força de ligação interna, estável quimicamente, pouca difusão, pouco 
desgaste de cratera;
Al2O3: alta dureza (frágil), alta resistência a quente, alta resistência química, baixa 
resistência a oscilações de temperaturas;
Revestimentos múltiplos: deposição de 10 camadas com combinação das 
propriedades
Physical Vapour Deposition. 
Deposição em vácuo onde, primeiramente, um material é 
transformado em vapor, então é transportado nessa fase e 
por último é depositado na superfície de um substrato.
Deposição de ligas, multi-camadas, nanocamadas e 
camadas com gradiente de composição.
A técnica consiste basicamente na aplicação de uma 
voltagem negativa (bias) nos substratos. A forma através da 
qual o material é transformado para a fase vapor é o 
principal ponto de distinção dos processos.
Vaporização a vácuo; Sputtering
Ionplating
PVD
-temperatura de processo de 200 até 600 C com 
solicitação relativamente pequena de temperatura do 
material do substrato
- A resistência à flexão do substrato continua não afetada 
em razão da baixa temperatura de revestimento.
- Em camadas PVD surgem tensões de compressão, que 
limitam a espessura da camada real de 3 a 5 m. O perigo 
de formação de fissuras nesse tipo de solicitação é 
reduzido através dos tensões de compressão.
- O processo PVD em ferramentas revestidas necessita 
um pré-trabalho superficial e um desenvolvimento do 
processo muito cuidadoso a fim de se obter uma excelente 
aderência da camada. Os efeitos da vaporização e da 
difusão provocam uma melhor aderência da camada em 
processos CVD.
- Em razão dos efeitos de sombreamento no processo 
CVD obtém-se espessuras de camadas relativamente 
iguais direcionadas num só sentido para a rotação das 
partes revestidas.
- Há grande quantidade de sistemas de camadas e 
materiais de substratos.
Bomba de vácuo
Abastecimento de energia
Gás inerte
Gás de reação
Vaporizador de átomos metálicos
Suporte do substrato
Substrato
Recipiente
Câmara de revestimento
Material de revestimento
PVD
Processos de 
revestimento: CVD
Chemical Vapour 
Deposition
CH4
2H
Entrada de gás
2H + T1C14
H
2
Líquido T1C14
Vaporizador
Saída de gás
camada de TiC= o tetracloreto de 
titânio (TiCl4) vaporizado é levado 
juntamente com metano (CH4) 
No processo CVD de alta temperatura 
clássico (processo HT-CVD) que ocorre 
a uma temperatura de 900 a 1100C e, 
a uma pressão abaixo da pressão 
atmosférica, ocorre uma reação 
química, na qual é formado carboneto 
de titânio 
2
150101000
244 4 nHHclTiCnHCHTiCL
mbarC   

Fresamento a seco
Aço para melhoramento
Fresamento 
 molhado
D
e
s
g
a
st
e
175
min
125
100
75
50
25
0
sem CVD MT-CVD
V
id
a
 ú
ti
l 
 T
c
Tipo de revestimento
41 Cr 4 St 52-3 X2CrNi1812 Liga de Titânio
s
e
m
 
 
s
e
m
 
 
C
V
D
 (
T
iC
 -
 T
iN
)
s
e
m
 
 
Tipo de revestimento
M
T
-C
V
D
5
4
3
2
1
C
o
m
p
ri
m
e
n
to
 ú
til
-r
e
la
çã
o
250 32 160 80
18
80
0,1
3 - 5
3 12 7
125 25 35
0,33 0,28 0,085
2,5 3 2
32 131 60
(Rm = 950 N / mm²)
D = 100 mm
v = 113 m/min
f = 0,1 mm
a = 6 mm
D (mm)
Z
v (m/min)
f (mm)
a (mm)
a (mm)
c
z
p
c
z
p
e
M
ic
ro
tr
in
ca
s
D
e
s
g
a
st
e
100
80
70
60
40
30
20
10
0
%
CVD-Revestimento
 Al O / Tic
Espessura da camada
2 3
1/9 4 / 6 6 / 4
F
re
q
ü
ê
n
ci
a
 d
e
 a
va
ri
as
 (
fa
lh
a 
do
 g
um
e)
3m
Espessura da camada isolada Al O /TiC2 3
R
es
is
tê
nc
ia
 
a
o 
de
sb
a
st
e
R
es
is
tê
nc
ia
 
 à
 f
le
xã
o
PVD
CVD
PVD
CVD
P-CVD
TiN - 
AlON - 
TiN - 
TiN - 
TiN - 
AlON - 
AlON - 
AlON - 
Camada de 
transição - 
Substrato - 
3 Grades Stress less coating.mpg
Metal duro à base de titânio 
Característica 
- baixa tendência a formação de gume postiço; 
- boa resistência a corrosão; 
- boa resistência ao desgaste; 
- resistência a temperatura elevada e
- alta estabilidade química. 
Cermets (CERâmica/METal) 
Os Cermets atuais são complexos sistemasde múltiplos materiais que podem conter outros 
elementos como tungstênio, tântalo, nióbio, molibdênio ou carbonetos complexos dos quais se 
formam fases intermetálicas durante a sinterização. 
Cerâmicas
Cerâmicas
Cerâmicas óxidas Cerâmicas não óxidas
Cerâmica
 óxida
Cerâmica
 mista
Cerâmica
reforçada
c/ whisker
Cerâmica
de nitreto
de silício
Al O2 3
32Al O +ZrO
43 Si N + aditivos sinterizados
2 
Al O +TiC2 3
Al O +ZrO 
+TiC
32 2 
Al O 
+ SIC - Whisker
32 
Si N + Sialon + aditivos sinterizados
Si N + material duro + 
 aditivos sinterizados
43 
3 4
Cerâmica a base de óxido (Puro)
Característica: baixa resistência; baixa condutividade térmica; fratura do gume, caso 
a condição de corte não seja boa; baixa dureza.
Cerâmica a base de óxido (mista) 
Característica: Devido à adição de novos elementos como carbonetos de titânio e 
tungstênio, os insertos: melhor resistência ao choque térmico; melhor condutividade 
térmica.
Cerâmica a base de nitreto de silício
Característica: melhor resistência ao choque; considerável dureza a quente; é 
excelente para usinar ferro fundido cinzento a seco; Os insertos são obtidos através 
de prensagem de alta pressão a frio seguida de sinterização, ou mais 
alternativamente, através de pressão a quente. 
Cerâmicas
Cerâmicas
Cerâm ica óx ida C erâm ica m ista Cerâm ica de nitreto de silício
C erâm ica reforçada com W hisker A m pliação Cerâm ica de nitreto de s ilíc io revestida
( A l O + Z rO ) ( A l O + T iC ) ( S i N + M gO )
A l O + S iC - W hisker ) ( A l O + S iC - W hisker ) ( S i N + A l O )
2 3 2 3 3 4
3 42 3 2 3
Material da
ferramenta
Material da peça : GG26Cr
Velocidade de corte: vc=600-360 m/min
Avanço: f=0,46 mm
Profundidade de corte: ap=3 mm
Al 0 /Cerâmica Si N /Cerâmica
0
2 3 3 4
150
300
450
600
750
1350
Peças
1500
Peça bruta Chanfrado Não chanfrado
Material da peça : GG25
Velocidade de corte: vc=1000 m/min
Avanço: f=0,5 mm
Profundidade de corte: ap=3 mm
Peças
600
450
300
150
0
Q
ua
n
tid
ad
e 
 N
ChanfradoNão chanfrado
Aplicação de cerâmica de corte Si3N4 na 
usinagem de discos de freio (de acordo 
com Daimler – Benz, Feldmühle) 
Característica: mais estáveis que o diamante, especialmente contra a oxidação; 
dureza elevada; alta resistência à quente; resistência ao desgaste; quebradiço; alto 
custo; excelente qualidade superficial da peça usinada; envolve elevada força de 
corte devido à geometria de corte negativa, alta fricção durante a usinagem.
 
Usinagem de aços duros; de desbaste e de acabamento; cortes severos e 
interrompidos; 
Os cristais de boro cúbico são ligados por cerâmica ou ligante metálico, através de 
altas pressões e temperatura. 
As partículas orientadas a esmo, conferem uma densa estrutura policristalina similar a 
do diamante sintético. 
CBN
CBN
100
m
80
60
40
20
0
PCBN1
PCBN2
PCBN3
PCBN4
Profundidade da
 cratera KT
Desgaste do 
 flanco VB
PCBN1 PCBN2
PCBN4PCBN3
Processo: Torneamento 
externo a seco
Material da peça: 100Cr6 (60 HRC) 
Parâmetros: v = 80 m/min
 de corte f = 0,1 mm
 a = 1 mm
c
p
Tempo de corte tc: 10min
Identificação de Materiais e Geometrias de Ferramentas 
Material da ferramenta Tipo de revestimento
Metal-duro classe P25 (micro-grão) TiAlCN
Metal-duro classe K03 (micro-grão) TiAlCN
Cermet WSP1 TiCN
CBN 25% pureza TiAlCN
CBN 99% pureza TiAlCN
Matriz de testes de ferramentas para escolha do material de ferramentas 
 
Material: DIN 1.2083 
Dureza: 52 HRC 
Ferramenta: 
topo toroidal 
diâmetro: 15 mm 
raio da pastilha: 3,5 mm 
Tecnologia: 
corte concordante/periférico 
rampa 75° 
a n : 0,3 mm 
a et : 0,3 mm 
f z : 0,05 mm 0,000 
0,025 
0,050 
0,075 
0,100 
0 13 24 37 51 66 80 94 108 122 136 150 164 178 192 
Comprimento usinado (L) [mm] 
 
 
 
CBN 99,8% (vc= 450 m/min) CBN 99,8% (vc= 950 m/min) CBN 25% (vc= 450 m/min) 
Desgaste de flanco máximo (VBmax) [mm] 
4 direções principais de clivagem 
Classificação dos diamantes 
- Diamantes negros: são “amorfos”, quando aquecidos perdem a sua dureza. ferramentas 
para retificar rebolos, pontas de brocas para minas. 
- Bolos: são diamantes claros, de crescimento irregular, são redondos, não encontram 
aplicação como ferramentas utilizadas na usinagem.
 
- Bort:(usado na usinagem de ultra precisão), especialmente o africano, monocristalino. 
Anisotropia, suas propriedades variam com a direção. 
Diamante
Diamante
Diamante policristalino: diamante sintético. A camada de diamante policristalino é produzida 
pela sinterização das partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (600 à 
700MPa) e alta temperatura (1400 à 2000°C). A camada de aproximadamente 0,5mm de 
espessura, ou é aplicada diretamente sobre uma pastilha de MD pré sinterizada, ou então é 
ligada ao metal duro através de uma fina camada intermediária de um metal de baixo ponto de 
fusão. 
Diamante Monocristalino 
Diamante é carbono cristalizado na estrutura CCC enquanto grafita na HC
São os materiais que apresentam maior dureza. 
Empregados: usinagem de ligas de metais, latão, bronze, borracha, vidro, plástico, etc. Usinagen fina, pois 
é o único material para ferramenta de corte que permite graus de afiação do gume até quase o nível de um 
raio atômico (50 nm) de carbono e furação de poços de petróleo 
- Velocidade de corte permitida: 100 a 3000m/min; 
- Avanço: 0,002 a 0,06 mm; 
- Profundidade de corte: 0,01 a 1,0 mm; 
Limitação: materiais ferrosos devido à afinidade do C com o ferro; processos com temperaturas acima de 
900°C devido à grafitização do diamante. 
. 
Diamante
Diamante
PKD ( ap = 0,5 mm; f = 0,15 mm; z = 8 )
PKD com ajuste otimizado dos gumes
 ( ap = 0,5 mm; f = 0,1mm; z = 8 )
z
z
z
- redução do tempo de troca da ferramenta
- melhora da qualidade superficial
- redução do retrabalho (pouca rebarba)
- avaliação onerosa dos gumes
- reafiação difícil
- ferramentas especiais (possibilidade de regulagem;
 fixação por forma)
- manuseio complexo
100%
2500 m/min
100%
1600
360
380%
16%
880
1130
100%
50% 60%
Tempo de usinagem
 para percurso de
 usinagem de 1m
Velocidade 
 de corte
Custo de ferramentas
 por peça
Quantidade 
 (peças)
 Custo de material 
de cada ferramenta
1600% 1600% 3600 MD ( ap = 0,5 mm; f = 0,023 mm; z = 24 )
Usinagem de 
micro-precisão
Características principais do fresamento de grafita 
Industrial 
Aumento da vc relacionado com aumento da vida da ferramenta 
Aumento do avanço até um certo valor
corte discordante
S t a n d w e g e n d e k r i t e r i u m :
V B = 1 0 0 µ mm a x
W e r k z e u g :
S c h a f t f r ä s e r
D = 1 2 m m
z = 2
W e r k s t o f f :
G r a p h i t E K 8 5
S c h n i t t -
b e d i n g u n g e n :
f = 0 , 0 5 m m
a = 3 m m
a = 1 2 m m
p
e
z
2 5
m
2 0
1 5
1 0
5
0 2100m/min15001200900600300
HM K10
HM P2 5
HM K10 (TiN)
Cermet
Schnit tgeschwindigkeit v c
S
ta
nd
w
eg
 p
ro
 Z
ah
n 
L
fz
2 50
m
2 00
150
100
 50
0 2100m/min15001200900600300
K10, diamantbeschichtet
PKD
Schnit tgeschwindigkeit v c
S
ta
nd
w
eg
 p
ro
 Z
ah
n 
L
fz
Velocidade de corte vc Velocidade de corte vc 
L
Critério de fim de vida: VBmax= 100 m
material: grafite EK 85
Ferramenta: topo reto; D= 12 mm, z= 
2
parâmetros de corte: fz= 0,05 mm/rot
ap= 3 mm; ae= 12 mm
Quadro Comparativo de 
Propriedades 
Evolução das Velocidades de Corte 
CBN e diamante
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