TM07_Materiais_Ferramentas_Corte

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TECNOLOGIA MECÂNICA
Materiais para ferramentas de corte
Prof. Msc. Ramsés Otto Cunha Lima
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Prof. Msc. Ramsés Otto Cunha Lima
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TÓPICOS DE AULA
Introdução;
Aços-carbono e aços ligados;
Aços rápidos; Ligas fundidas;
Metal duro;
Cermets;
Cerâmicas;
Diamante e nitreto cúbico de boro (cBN);
Seleção de materiais para ferramentas de usinagem.
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Materiais para ferramentas de corte
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INTRODUÇÃO
O processo de usinagem baseia-se na remoção de material, utilizando como ferramenta um material mais duro e mecanicamente mais resistente que a peça.
Princípio da dureza relativa:
Novos materiais para ferramentas.
Condições de usinagem (materiais frágeis; corte interrompido):
Suficiente tenacidade para suportar choques e impactos.
O balanço das propriedades nos materiais de ferramentas de corte se tornou um desafio para os fabricantes.
Conciliação atingida com produção de ferramentas com diferentes composições químicas, refinamento dos grãos, controle dos processos de fabricação e dos tratamentos térmicos realizados.
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INTRODUÇÃO
Comparação entre propriedades em um material para ferramenta de corte:
Ferramenta de corte ideal
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INTRODUÇÃO
Principais propriedades em um material para ferramenta de corte:
Alta dureza;
Tenacidade suficiente para evitar falha por fratura;
Alta resistência ao desgaste abrasivo;
Alta resistência à compressão e ao cisalhamento;
Boas propriedades mecânicas e térmicas em temperaturas elevadas;
Alta resistência ao choque térmico;
Alta resistência ao impacto;
Ser inerte quimicamente.
Essas propriedades não se reúnem necessariamente em um só material, mas, dependendo da aplicação, priorizam-se algumas delas.
A seguir apresentam-se os mais importantes materiais para ferramentas de corte, com algumas de suas características, propriedades, limitações e aplicações.
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Principais empregados como ferramenta de corte nos primórdios dos processos de usinagem (final do século XVIII e o início do século XIX).
As baixas e médias ligas de aço já representavam as primeiras inovações em ferramentas de corte (final do século XIX).
Com o aparecimento de materiais mais resistentes para as peças, eles foram logo substituídos, embora ainda sejam utilizados como ferramentas para usinagem em baixas VC e em ferramentas de conformação.
A maior limitação dos aços martensíticos é que eles perdem dureza quando aquecidos a temperaturas na faixa de revenido (300 ºC a 600 ºC).
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Classificação AISI (American Iron and Steel Institute) dos aços mais comuns para ferramentas de corte:
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Quanto à composição química, os principais elementos presentes nos aços empregados como ferramenta de corte são:
Carbono: 
Forma carbonetos;
Presente em concentração de 0,6% a 1,3% (em alguns casos 2%);
Teores mais elevados  dureza e resistência ao desgaste superiores;
Teores menores  ductilidade e tenacidade superiores.
Silício:
Desoxidante;
Presente em baixas concentrações (0,10% a 0,30%);
Dissolve-se na ferrita e tende a decompor carbonetos.
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Quanto à composição química, os principais elementos presentes nos aços empregados como ferramenta de corte são:
Manganês: 
Desoxidante e dessulfurante até 0,5%;
Em teores mais elevados, melhora a temperabilidade.
Cromo:
Aumenta a temperabilidade, dureza e resistência ao desgaste;
Concentrações variadas, podendo chegar a 14%, com C também elevado (> 1,5%).
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Quanto à composição química, os principais elementos presentes nos aços empregados como ferramenta de corte são:
Vanádio: 
Desoxidante e controlador do tamanho de grão;
Forma carbonetos estáveis;
Melhora a dureza a quente e aumenta a temperabilidade;
Concentrações normais de 0,25% a 0,35% (máximo 0,5%).
Tungstênio:
Formador de carbonetos;
Concentrações de até 4% (com C em torno de 1,3%).
Molibdênio:
Dissolve-se na ferrita e tende a formar carbonetos;
Melhora a dureza a quente, resistência, ductilidade e temperabilidade.
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AÇOS-CARBONO E AÇOS LIGADOS
Principal tratamento térmico:
Têmpera seguida de revenido.
Diagrama de equilíbrio Fe-C, mostrando:
Faixa aproximada de teores de C normalmente encontrada nos aços carbono; 
Temperaturas de tratamentos térmicos normalmente usadas.
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AÇOS RÁPIDOS
Primeiro impacto significativo causado nos materiais para ferramentas com o desenvolvimento do primeiro aço rápido (Virada do século XIX).
Revolução da usinagem, resultando em grande aumento da produtividade:
Velocidades de corte puderam ser aumentadas em cerca de 10 vezes (de 3 a 5 m/min com aço-carbono para 30 a 35m/min com aço rápido).
As principais aplicações são:
Brocas;
Fresas inteiriças;
Machos;
Cossinetes;
Brochas;
Ferramentas de barra para torneamento (diâmetro pequeno).
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AÇOS RÁPIDOS
Classificação AISI dos aços rápidos:
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AÇOS RÁPIDOS
Classificação AISI dos aços rápidos (continuação):
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AÇOS RÁPIDOS
Os principais elementos de liga dos aços rápidos são: 
Carbono:
Concentrações variam de 0,7% a 1,6% (dureza proporcional);
Maior teor de carbono também leva à maior retenção de austenita na têmpera, exigindo maiores tempos e temperaturas de revenido.
Tungstênio:
Teores de até 20%;
Responsável pela elevada resistência ao desgaste.
Molibdênio:
Substituto parcial do tungstênio;
Menor ponto de fusão que o W (aços ao Mo são temperados em temperaturas inferiores);
Durezas a quente inferiores.
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AÇOS RÁPIDOS
Os principais elementos de liga dos aços rápidos são: 
Vanádio:
Concentrações variam de 1% a 5%;
Forma o carboneto mais duro encontrado nos HSS;
Aços super rápidos (maior resistência ao desgaste).
Cromo:
Teores de aproximadamente 4%;
Responsável pela elevada temperabilidade dos aços;
Diminui oxidação do aço durante o tratamento térmico.
Cobalto:
Aumenta dureza a quente;
Baixa difusão de elementos de liga, inibindo coalescência de carbonetos.
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AÇOS RÁPIDOS
Os aços rápidos apresentam elevação de dureza quando revenidos em temperaturas na faixa de 480 ºC a 565 ºC, dependendo da composição química.
Os valores de dureza final dependem, não só da temperatura de revenido, mas também da temperatura de têmpera.
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AÇOS RÁPIDOS
Temperatura de têmpera e de revenido de vários aços rápidos.
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AÇOS RÁPIDOS
Quando da seleção de um aço rápido, deve-se considerar as principais características necessárias ao desempenho da função.
Essas características tem relação com os elementos de liga presentes.
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AÇOS RÁPIDOS
Algumas das principais propriedades mecânicas e térmicas importantes para materiais usados usados em ferramentas de corte.
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AÇO RÁPIDO REVESTIDO 
Cada vez mais se desenvolvem novos revestimentos ou novas técnicas de deposição que garantem a oferta de ferramentas mais produtivas.
Elevadas temperaturas de deposição são empecilhos críticos para para os revestimentos em estruturas martesíticas.
Revestimento por PVD (Physical Vapour Deposition).
Ferramentas de HSS são reafiadas a medida que se desgastam, necessitando ser revestida novamente.
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AÇO RÁPIDO PRODUZIDO PELA METALURGIA DO PÓ 
Também denominados “aços rápidos sinterizados”.
Processo depende da geometria desejada, pois necessita de uma matriz para a compactação do pó (negativo da ferramenta a ser produzida).
Possui carbonetos mais finos e disposição mais uniforme na matriz.
Grãos mais finos conferem maior tenacidade e resistência à compressão.
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LIGAS FUNDIDAS
Surgiram na mesma época que os aços rápidos, mas tiveram grandes aplicações somente mais tarde.
Ferramentas à base de Co, contendo W e Cr em solução sólida e, às vezes, alguns carbonetos.
São mais duras que os HSS e mantém essa dureza a temperaturas mais elevadas.
As velocidades de corte podem ser em torno de 25% maiores.
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LIGAS FUNDIDAS
Comportamento da dureza com o aumento da temperatura de uma liga fundida e de dois aços rápidos.
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LIGAS FUNDIDAS
Composição e propriedades das ligas fundidas.
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LIGAS FUNDIDAS
A não ser em aplicações muito específicas, as ligas fundidas estão caindo em desuso, devido a:
Escassez de matéria-prima (e aumento do preço);
Por haver no mercado materiais que as superam a custos menores.
HSS:
Quando a principal propriedade requerida for a tenacidade.
Metal Duro:
Quando a principal propriedade requerida for a resistência ao desgaste (dureza).
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LIGAS FUNDIDAS
Comparação de desempenho em usinagem:
Vida das ferramentas no torneamento de aço liga;
Faixas de VC (rendimento máximo) no torneamento de liga de alumínio.
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METAL DURO
Segundo grande impulso na área dos materiais para ferramentas de corte pois, com ele, novamente, as VC puderam ser aumentadas em praticamente 10x (de 35 m/min para 250 a 300 m/min).
Descoberto a partir da produção de WC em pó pela primeira vez e a sua mistura com Co, também em pó.
Possui excelente combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e tenacidade.
Widia (expressão em alemão):
wie diamond = como o diamante.
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METAL DURO
Mostrou-se muito eficiente na usinagem de ferros fundidos cinzentos, mas com baixa resistência ao desgaste na superfície de saída na usinagem de aços (craterização).
Foram adicionados carbonetos (TiC, TaC e/ou NbC) ao WC + Co, verificando-se significativa redução do problema devido às seguintes razões:
Carbonetos adicionados tem maiores durezas que o WC, portanto, apresentam maior resistência ao desgaste abrasivo;
A solubilidade dos carbonetos adicionados é muito menor que o WC, o que inibe a difusão;
A estabilidade química dos carbonetos adicionados é maior que a do WC, o que implica maiores dificuldades de dissolução e difusão desses elementos.
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METAL DURO
Classificação dos metais duros segundo a norma ISO 513 (2004):
A letra de identificação é sempre acompanhada de um número que representa a tenacidade e a resistência ao desgaste da ferramenta.
Quanto maior o número (entre 1 e 50), maior a tenacidade e menor a resistência ao desgaste.
A subdivisão dentro de cada classe depende, principalmente, da composição química do material da ferramenta e do tamanho dos grão de carboneto.
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METAL DURO
Variações da porcentagem de Co e seus efeitos nas propriedades mecânicas do metal duro:
Nota-se que o aumento de Co implica:
Menor dureza;
Maior resistência à ruptura transversal;
Maior resistência ao impacto (tenacidade);
Menor módulo de elasticidade (rigidez).
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METAL DURO
Influência do tamanho de grão nas propriedades do metal duro por meio de comparação entre grão convencional (TMH e THR) e grão ultrafino (TMH-F e THR-F):
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FABRICAÇÃO DO METAL DURO
Tungstênio (W), na forma original, existe na natureza em minérios:
Scheelita (CaWO4);
Wolframita ((Fe,Mn )WO4).
Tungstênio puro é misturado com Carbono, também puro, para formar WC a elevadas temperaturas (1375 ºC a 1650 ºC);
Controle e refino dos grão são obtidos por moagem;
Mistura-se com Cobalto (Co) na forma de um pó fino;
Mistura prensada em matrizes (obtém-se o formato original);
Sinterização a vácuo;
Retificação (raio de ponta e exatidão dimensional).
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FABRICAÇÃO DO METAL DURO
Processo de metalurgia do pó para obtenção dos metais duros:
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METAL DURO REVESTIDO
De todo o metal duro utilizado na indústria, os revestidos representam, atualmente, mais de 95%, com tendência ao crescimento contínuo.
Garante desempenho bem superior à ferramenta sem revestimento na usinagem de materiais ferrosos;
Crescente domínio das técnicas de revestimento;
Custo cada vez mais acessível.
Os revestimentos podem ser aplicados ao substrato de qualquer classe de metal duro.
Processos convencionais para deposição de revestimento:
PVD (Physical Vapour Deposition);
CVD (Chemical Vapour Deposition).
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METAL DURO REVESTIDO
Comparação entre ferramentas revestidas pelos processos CVD e PVD:
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METAL DURO REVESTIDO
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 ferramenta.
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METAL DURO REVESTIDO
Influência da temperatura na condutividade térmica dos principais revestimentos utilizados nas ferramentas de corte:
Al2O3 promove:
Redução da condutividade térmica com o aumento da temperatura (barreira térmica);
Inércia química;
Dureza (resistência ao desgaste).
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METAL DURO REVESTIDO
O TiN se apresenta, normalmente, como a camada externa, pois proporciona baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco;
O TiC/TiCN é normalmente mais requisitado como a 1ª camada por garantir maior aderência ao substrato e de novos revestimentos sobre ele;
O TiNAl ou TiAlN é normalmente utilizado para operações de usinagem a seco (excelente para usinagem de ferros fundidos).
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CERMETS
Trata-se de um grupo considerado intermediário entre os metais duros e as cerâmicas.
Dois fatores contribuíram para o aparecimento das ferramentas de cermet:
A adição de TiC aumentava muito o desgaste, principalmente na superfície de saída do metais duros, na usinagem do aço;
Escassez de tungstênio, durante a Segunda Guerra Mundial, que levou à pesquisa de um material similar com as características do metal duro.
Essas ferramentas são aplicadas principalmente no acabamento dos aços, com altas velocidades e baixos avanços.
Suas principais características são alta dureza a elevadas temperaturas e a grande estabilidade química, com pouca tendência à difusão.
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CERMETS
Comparação das propriedades físicas do cermet à base de TiC com o metal duro, à base de WC:
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CERMETS
Aumento do campo de aplicação dos cermets a partir do refino de grãos dos seus constituintes:
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CERÂMICAS
São materiais compostos de elementos metálicos e não metálicos, geralmente, na forma de óxidos ou carbonetos ou nitretos. 
A maioria tem estrutura cristalina, mas em contraste com os metais, as ligações entre os elementos são iônicas ou covalentes.
Em geral, possuem as seguintes propriedades:
Materiais refratários, capazes de suportar altas temperaturas sem perder resistência mecânica;
Possuem alta resistência ao desgaste em operações de usinagem;
São materiais frágeis;
Têm baixa condutividade térmica;
Apresentam boa estabilidade química e térmica;
Possuem boa resistência à fluência;
Apresentam alta resistência à compressão e baixa resistência à tração.
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CERÂMICAS
No passado, o que limitava a aplicação das cerâmicas era a fragilidade que elas apresentavam.
Com a introdução no mercado das cerâmicas mistas, das cerâmicas reforçadas com SiC (whiskers) e das cerâmicas à base de SiN, elas podem ter aplicações até em cortes interrompidos de altíssimas velocidades, com altos valores de avanço devido ao alto grau de tenacidade obtido.
Whiskers:
Monocristais muito finos com razão comprimento/diâmetro extremamente grande.
Elevado grau de perfeição cristalina e virtualmente isentos de defeitos (resistência excepcionalmente elevadas).
São os materiais mais resistentes que se conhece e são extremamente caros.
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CERÂMICAS
As cerâmicas, de modo geral, possuem algumas propriedades melhores e outras piores do que os cermets e os metais duros.
Comparação entre as principais propriedades de cerâmicas, cermets e metais duros:
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CERÂMICAS
A aplicação de ferramentas cerâmicas exige alguns cuidados especiais:
Usar chanfros e evitar corte interrompido antes de iniciar a operação;
O uso do fluido de corte seria evitado; se requerido, entretanto, deve-se usar fluido em abundância na aresta de corte;
Não usar aresta cortante afiada sem chanfro ou arredondamento;
Usar arestas com raio de ponta;
Preferir os maiores valores de Vc e d f possíveis;
Usar um rígido sistema de fixação do inserto e um bom assentamento da pastilha no suporte;
Usar em máquinas-ferramentas rígidas, livre de vibrações.
A resistência mecânica de um inserto de usinagem depende fortemente do ângulo de pontae o seu aumento segue a ordem a seguir:
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
Normalmente, materiais com dureza superior a 3000 HV são denominados ultraduros.
Como ferramentas de corte, os materiais ultraduros são:
Diamantes naturais mono e policristalino;
Diamante sintético monocristalino;
Diamante sintético policristalino (PCD);
Nitreto cúbico de boro (cBN) monocristalino;
Nitreto cúbico de boro policristalino (PcBN).
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
O diamante natural foi usado como ferramenta de corte por centenas de anos, pois:
Material de maior dureza e resistência ao desgaste da natureza.
Usados principalmente quando se requer superacabamento nos componentes usinados (Ra = 25 nm).
Possui excelente condutividade térmica.
São frágeis e possuem risco de falha sob impacto.
Alto custo, limitando aplicação como ferramenta de corte.
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
Os diamantes sintéticos (PCD e PcBN) podem ser encontrados como uma camada de 0,5 mm a 1,0 mm de espessura, sinterizada em uma placa de metal duro, que são cortadas e brasadas em insertos de metal duro.
O diamante sintético é obtido sujeitando o carbono, na forma de grafite, a temperaturas e pressões extremamente altas (~ 2000 ºC e 7 GPa).
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
O desenvolvimento do processo de obtenção do diamante e do cBN permite a produção de monocristais com consistência no tamanho, na forma e no desempenho, consistência não encontrada nos diamantes naturais.
As ferramentas policristalinas (PCD e PcBN) são obtidas pelo processo de metalurgia do pó, usando monocristais de diamante e cBN, respectivamente.
A tenacidade desses policristalinos é bem superior à dos monocristais, portanto, o campo de aplicação é maior, apesar da maior dureza e resistência ao desgaste dos monocristais.
Essa propriedade pode ser aumentada ao elevar-se o tamanho dos grãos dos ploicristais, pois inversamente ao que acontece com o metalduro, a resistência ao desgaste cresce com o tamanho do grão.
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
Propriedades dos materiais ultraduros:
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DIAMANTE E NITRETO CÚBICO DE BORO (CBN)
Propriedades dos materiais ultraduros:
Alternativas para a redução de custos de ferramentas de materiais ultraduros:
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SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE USINAGEM
A dureza é a primeira propriedade importante para uma ferramenta de corte.
A dureza dos materiais
varia em função da temperatura:
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SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE USINAGEM
As propriedades de dureza e resistência ao desgaste estão, também, diretamente relacionadas com a capacidade de imprimir altas velocidades aos processos, uma vez que esse parâmetro é o principal responsável pelo aumento da temperatura.
Evolução das velocidades de corte ao longo dos anos em relação ao aparecimento dos diversos grupos de ferramentas de corte:
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SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE USINAGEM
Principais propriedades das ferramentas de corte:
O engenheiro deve ter conhecimento para destacar as propriedades mais importantes, em função da aplicação a que se destina o material.
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SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE USINAGEM
Metodologia para seleção da ferramenta de corte, sua geometria e condições de corte para uma dada aplicação:
Conhecer os processos e entender os mecanismos de desgaste das ferramentas é fundamental para que se chegue a uma ótima escolha, melhorando a economia e a produtividade da usinagem.