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Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 1 Conseqüência dos esforços sobre a Ferramenta Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 2 Requisitos desejados em uma ferramentas de corte Resistência à compressão Condutibilidade térmica, calor específico e expansão térmica Resistência à abrasão Pequena tendência à fusão e caldeamento Resistência à oxidação Resistência a quente Resistência interna de ligação Resistência do gume Resistência à flexão e tenacidade Dureza Nenhum material de ferramenta possui todas estas características Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 3 Seleção de ferramentas de corte Material da peça Dureza e tipo de cavaco formado Processos de usinagem Condição da máquina Folga requer materiais mais tenazes e baixa VC Forma e dimensões da ferramenta Perfis especiais utiliza-se aço rápido ou metal duro soldado Relação Custo/benefício da ferramenta Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 4 Evolução dos materiais de ferramenta ● Aço ferramenta (1868) ● Aço rápido (1900) ● Stellite (1910) ● Metal duro (1926) ● Cerâmicas (1938) ● Nitreto de boro cúbico (década de 50) ● Diamante mono e policristalino (década de 70) Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 5 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 6 Propriedades dos materiais de ferramentas V e l o c i d a d e d e c o r t e , r e s i s t ê n c i a a o d e s g a s t e e d u r e z a a q u e n t e Tenacidade, resistência à flexão Vc dureza resist. flexão Diamante CBN Cerâmicas CERMETS Metal duro revestido Metal duro Aço-rápido revestido Aço-rápido M a t e r i a l i d e a l Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 7 Propriedades dos materiais de ferramentas Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 8 Aços ferramenta - Aços carbono (0,8 a 1,5 % de C) - sem ou com mínimos teores de elementos de liga - Principal material utilizado até 1900 - Baixo custo - Facilidade de afiação – obtenção de gumes vivos -Tratamento térmico relativamente simples - Elevada dureza e resistência ao desgaste - Resistem a temperatura de até aproximadamente 250°C Áreas de aplicação dos aços-ferramentas - Materiais de baixa velocidade de corte - Usinagem de aços doces com Vc < 25m/min - Brocas para uso doméstico – hobby - Ferramentas para carpintaria Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 9 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 10 - Aço ferramenta com alta liga de Tungstênio, molibdênio, cromo, vanádio, cobalto e nióbio. - Dureza de 60 a 67 HRC - Resistem a temperatura de até aproximadamente 520 a 600°C - Clássico 18 (%W) - 4 (%Cr) – 1 (%V) - Tratamento térmico complexo Aços rápidos – Designação: HS + % W - Mo - V - Co (ex.: HS 10-4-3-10). Influência dos elementos de liga – Aumento no teor de elementos de liga: ● Aumento na resistência ao desgaste; ● Aumento na vida das ferramenta; ● Porém torna-se mais difícil a fabricação deste material; ● Maiores custos de produção Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 11 Aços rápidos ➔ Influência dos elementos de liga Quanto mais W e Mo maior a dureza a quente e resistência ao desgaste V e Nb aumentam a dureza e resistência ao desgaste Cr e C são responsáveis pela temperabilidade Co aumenta a dureza a quente Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 12 A tabela a seguir apresenta as categorias de aço rápido. A categoria T (predomina o W) e a categoria M (predomina o Mo). Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 13 Aços rápidos com cobertura Revestimentos que incrementam resistência ao desgaste TiC TiN - Alta dureza (~2300 HV) - Elevada ductilidade. - Redução do caldeamento a frio (aresta postiça) - Baixo coeficiente de atrito. -Quimicamente inerte. Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 14 Ligas Fundidas - Resistem a temperatura entre aproximadamente 700 a 800°C - W → Mn, Mo, V, Ti e Ta - Tratamento térmico complexo - Preço elevado Nomes comerciais: Stellite, Tantung, Rexalloy e Chromalloy Áreas de aplicação das Ligas Fundidas - Raro em ferramentas para usinagem de geometria definida - Material para abrasivos - Isoladores térmicos, isoladores elétricos - Fundição de materiais cerâmicos Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 15 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 16 Metal Duro – WIDIA Características - Material de ferramenta mais utilizado na indústria - Indústria automobilística consome cerca de 70% das ferramentas de metal duro produzidas no mundo - Resistem a temperatura de até aproximadamente 1000°C (mesma dureza que o aço rápido à temperatura ambiente) - Aumento na vida útil das ferramentas na ordem de 200 a 400% Produto da metalurgia do pó Sinterização de partículas duras Carboneto de titânio + Ferro Níquel Cobalto + Tântalo Tungstênio Nióbio Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 17 -Composição típica: 81% W, 6% C e 13% Co – (WC-Co) ● Algumas razões do sucesso deste material: – Grande variedade de tipos de metal duro (adiçãode elementos de liga); – Propriedades adequadas às solicitações em diferentes condições – Possibilidade de utilização de insertos intercambiáveis – Estrutura homogênea (processo de fabricação) – Dureza elevada; – Resistência à compressão; – Resistência ao desgaste a quente. Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 18 Classificação conforme ISO em classes P, M e K. Usinagem de materiais frágeis que fazem pouco atrito com a ferramenta (fofo, latão) Usinagem de aços que produzem cavacos contínuos Alto teor de Carbonetos de W Classe Intermediá ria Alto Teor de TiC e TaC KMP CLASSE Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 19 Estrutura do Metal Duro – Carbonetos: ● fornecem dureza a quente e resistência ao desgaste (WC, TiC, TaC, NbC, ...) – Ligante metálico: ● Atua na ligação dos carbonetos frágeis (Co ou Ni); – Obtido por sinterização (ligante + carbonetos) Estrutura do Metal Duro onde: α = carbonetos de tungstênio β = cobalto γ = carbonetos de titânio, tântalo e nióbio Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 20 Metais Duros com Cobertura – Substrato tenaz com revestimento duro (TiC, TiN, Ti(C,N), Al2O3, ...), combinando-se assim uma alta resistência a choques com alta resistência a desgaste (maior vida de ferramenta). – É freqüente a deposição de várias camadas; – Processos de revestimento ● CVD (chemical vapour deposition) ● PVD (physical vapour deposition) – Exigências aos revestimentos: ● Espessura regular da camada sobre a face e flancos ● Composição química definida ● Possibilidade de fabricação em grandes lotes Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 21 Metais Duros Revestidos ➔ Principais revestimentos: – Carboneto de Titânio (TiC) – Nitreto de titânio (TiN) – Carbonitreto de titânio (Ti(C,N)) – Nitreto de alumínio-titânio ((Ti, Al)N) – Óxido de Alumínio (Al2O3) – Camadas de diamante Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 22 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 23 Cerâmicas de Corte Generalidades - Materiais de importância crescente; - Alta resistência à compressão; - Empregada na usinagem de aços e ferros fundidos; - Altas velocidades de corte, altas potências de acionamento; - Exigem máquinas rígidas e proteção ao operador. Propriedades e características de cerâmicas - Resistentes à corrosão e às altas temperaturas - Elevada estabilidade química (boa resistência ao desgaste) - Resistência à compressão Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 24 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 25 Cerâmicas óxidas ➔ Cerâmicas à base de Al2 O3 - Apresentam alta dureza a quente - Têm pouca resistência à flexão - Extremamente sensíveis a choques térmicos (usinagem a seco) - Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 26 Cerâmicas de corte reforçadas com whiskers Dureza a Quente de Diversos Materias de Ferramentas -Whiskers – cristais unitários em forma de agulhas com baixo grau de imperfeição no retículo cristalino; -Objetivo de melhorar as propriedades de tenacidade (aumento de 60%). - Boa resistência a choques térmicos - corte com fluidos Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 27 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 28 Cerâmicas não Óxidas Definição: São cerâmicas a base de carbonetos, nitretos, boretos, silicatos, etc. ● Maior tenacidade e resistência a choques térmicos quando comparadas às cerâmicas óxidas; ● Elevada dureza a quente e resistência ao calor Campos de aplicação de cerâmicas de corte não-óxidas ● usinagem do Ferro Fundido Cinzento ● torneamento de discos de freio ● desbaste de ligas à base de níquel (grupos II e III) ● Possuem alta afinidade com ferro e oxigênio (desgastam-se rapidamente na usinagem de aço - sem aplicações); Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas Classificação dos materiais de ferramentas 29 Materiais para Usinagem com Ferramenta de Geometria Definida Materiais Metálicos Materiais de Ligação Materiais Cerâmicos Aço-ferramenta Aço-rápido Metal-duro (WC) Cermets (TiC/TiN) Cerâmica Óxida Cerâmica Não-Óxida Cerâmica de Corte Materiais de Altíssima Dureza Diamante CBN Óxida Mista Reforço c/ Wiskers C/Si2N4 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 Al2O3 Al2O3 + ZrO2 + TiC Al2O3 + SiC- wiskers Si2N4 + demais Monocristalino Policristalino CBN CBN + TiC CBN + BN hexagonal Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 30 Caracterísiticas - Segundo material de maior dureza conhecido - Obtido sinteticamente (primeira síntese em 1957), com transformação de estrutura hexagonal para cúbica (pressão + temperatura) - Quimicamente mais estável que o diamante (até 2000 graus) - Grupos de ferramentas: ● CBN + fase ligante (PCBN com alto teor de CBN); ● CBN + carbonetos (TiC + fase ligante); ● CBN + HBN + fase ligante (maior tenacidade). Nitrero de Boro - CBN Materiais de Altíssima Dureza Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 31 Diamante ➔ Caracterísiticas ● Material de maior dureza encontrado na natureza ● Pode ser natural ou sintético ● Monocristalino (anisotrópico) ou policristalino (isotrópico) – Diamante policristalino ● Primeira síntese em 1954 (GE) ● Síntese sob 60 a 70 kbar, 1400 a 2000 graus C ● Substitui metal-duro e diamante monocristalino, em alguns casos Material elaboradopor Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 32 Diamante ➔ Campo de aplicação ● Usinagem de ferro e aço não é possível (afinidade Fe-C); ● Usinagem de metais não ferrosos, plásticos, madeira, pedra, borracha, etc. ● Usinagem de precisão e ultraprecisão ● Pequenas ap e f, tolerâncias estreitas (baixa resistência a flexão das ferramentas) ● Emprego de altas velocidades de corte; ● Tempos de vida de até 80 vezes maior que os das ferramentas de metal duro; Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 33 Revestimento de Ferramentas Conseqüências do processo sobre a ferramenta Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 34 Funções dos revestimentos - Proteção do material de base da ferramenta - Redução de atrito na interface cavaco/ferramenta - Aumento da dureza na interface cavaco/ferramenta - Condução rápida de calor para longe da região de corte - Isolamento térmico do material de base da ferrmenta Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 35 Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 36 Principais revestimento Carboneto de titânio (TiC) - Excelente resistência ao desgaste por abrasão - Promove a adesão das partículas (boa afinidade físico-química com MD) - Evita trincas na interface (devido á dilatação/contração). - Dureza ~3000HV - Baixa tendência de soldagem com material da peça - Espessura 4 a 8 microns -Pontos fracos: coeficiente de atrito mais alto que o TiN, e instabilidade química menor que o óxido de alumínio. Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 37 Principais revestimento Nitreto de titânio (TiN) - Reduz o coeficiente de atrito. - Quimicamente mais estável que o TiC, com menor tendência a difusão com aços. -Espessura de camada de 5 a 7 microns. Observações -A espessura total de camadas que recobrem o MD varia entre 2 e 12 microns. -Aumentando a espessura aumenta a resistência ao desgaste, porém diminui a tenacidade. Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 38 Principais revestimento Óxido de alumínio (Al2O3) -Boa estabilidade térmica a altas temperaturas. -Alta resistência ao desgaste por abrasão. -Alta resistência á ataques químicos e oxidação -Principal elemento responsável pela não formação do desgaste de cratera das ferramentas de MD recoberto. - Ponto fraco: Pequena resistência a choques térmicos e mecânicos. Material elaborado por Prof.MEng.Ivandro Bonetti Materiais para fabricação de ferramentas 39 Principais revestimento Nitreto de Alumínio-titânio AlTiN -Maior resistência a oxidação, permitindo temperaturas mais altas. - Quando este material oxida, forma uma camada de óxido de alumínio, inerte quimicamente, e portanto muito resistente a oxidação e difusão. -Baixa condutividade térmica, protegendo a aresta de corte e aumentando a saída de calor pelo cavaco. -Alta dureza a frio e a quente: Podendo atingir até 1,5 vezes a dureza das camadas de TiN, TiCN e TiC. - Alta estabilidade química reduzindo a formação do desgaste de cratera.
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