Usinagem I 2015.1 Parte 3 – Aula 19 Materiais de Ferramentas de Corte Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Propriedades dos Materiais para Ferramentas de Corte •  Dureza a quente -‐ Habilidade do material reter sua dureza em altas temperaturas. •  Resistência ao desgaste por abrasão e estabilidade química •  Tenacidade -‐ capacidade de um material em absorver energia sem falhar (resistência + ducTlidade) Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ História dos Materiais para Ferramentas 1868 – Aço Carbono Ferramenta: Fe + c (W, Mo, V, Cr) 1900 – Fe + C + W (ou Mo) 1910 – Co + W + Cr solução solida (LIGAS FUNDIDAS) 1928 – WC + Co 1938 – CERAMICAS (Al2O3 e Si3O4) 1950 – CBN 1973 – (CERMETS) TiC + Ni 1990 -‐ PCD v Aço Carbono (desuso) v AÇOS RÁPIDOS v LIGAS FUNDIDAS v METAIS DUROS v CERMETS v METAIS DUROS COM RECOBRIMENTO v CERÂMICAS v DIAMANTE SINTÉTICO E NITRETO CÚBICO DE BORO Aproximadas Prof. Anna Carla -‐ MDatas ECÂNICA -‐ UFRJ (Machado, A. et al). “Manufacturing Processes 1 – Cukng” Fritz Klocke, Univ.Aachen Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Histórico e Velocidades Abaixo de 10 Abaixo de 30 Abaixo de 5 Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Abaixo de 15 Propriedades de Mat. Ferramentas Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Dureza a Quente Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Vida da Ferramenta Vc . Tn = C Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ AÇO RÁPIDO E FERRAMENTAS METÁLICAS Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Aço Rápido (HSS)
HSS (High Speed Steel): Aço ferramenta de alta liga de W, Mo, Cr, V, Co e/ou Nb Estrutura martensíTca com carbonetos encrustrados – martensita confere dureza a quente e carbonetos resistência à abrasão •  Tipo T – aço-rápido ao Tungstênio (W) ou ao W-Co
Os aços rápidos ao tungstênio contêm como principal elemento de liga o tungstênio (W). Elementos de liga adicionais são o cromo (Cr) e o vanádio (V). Mais conhecido: T1 ou aço rápido 18-‐4-‐1, que contém 18% W, 4% Cr e 1% V. •  Tipo M - aço-rápido ao Molibdênio (Mo) e ao Mo-Co
Os aços rápidos ao molibdênio contêm uma combinação de tungstênio e molibdênio (Mo), além dos mesmos elementos de liga adicionais dos aços rápidos do grupo T.
O Cobalto é adicionado algumas vezes ao aço rápido para melhorar a dureza a quente. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Aços Rápidos Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ A ytulo de Curiosidade (Soldabilidade e Carbono Equivalente) Observando o que representa o conceito de carbono equivalente, uma ferramenta de aço rapido deveria ter este valor alto ou baixo? hvp://www.infosolda.com.br/biblioteca-‐digital/livros-‐senai/metalurgia/130-‐carbono-‐
Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ equivalente.html HSS • 
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Um dos mais importantes materiais de ferramenta de corte comercialmente Indicado para aplicações que envolvam ferramentas com geometrias complexas, como brocas, machos, fresas e brochas A ferramenta pode ser tratada termicamente para que a dureza da aresta de corte seja alcançada mantendo o interior da ferramenta apresenta boa tenacidade. As ferramentas de aço rápido possuem maior tenacidade os materiais não ferrosos (metal duro e materiais cerâmicos). Mesmo para ferramentas monocortantes, o aço rápido é popular entre os operadores por causa da facilidade com que uma geometria de ferramenta desejada pode ser aﬁada. Novidades no processamento metalúrgico do aço rápido o mantém compeTTvo em muitas aplicações. Algumas ferramentas de aço rápido, brocas em parTcular, são muitas vezes recobertas com uma camada ﬁna de nitreto de Ttânio (TiN) para proporcionar aumento signiﬁcaTvo no desempenho de corte. A deposição •sica de vapor PDV é comumente usada para revesTr essas ferramentas. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Aço Rápido com cobertura •  Cobertura PVD de TiN, TiCN ou TiAlN
•  Características desta camada
- alta dureza;
- boa estabilidade química;
- baixo coeficiente de atrito;
- dificuldade de formação de APC;
- espessura de 1 a 4 µm.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Aço Rápido com cobertura Ferramenta
Comprimento usinado (min)
vc = 44 m/min
vc = 57 m/min
Não revestida
8680
5760
(TiN)1
19110
15030
Ti(C;N)
15470
17470
(TiN)2
16800
16470
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Aço Rápido com cobertura Teste Brocha Aço Rápido M2 - Média
16000
14573
13432
14000
12506
Quantidade Peças
12000
10000
7645
8000
6000
10291
9844
9804
5850
6019
S/Cob
S/Cob
Sint
4000
2000
0
TiN
TiN - reaf.
AlCrN
AlCrN reaf.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP TiCN
TiCN reaf.
TiCN Sint
Recobrimentos de Ferramentas Tipos de Aplicação de Recobrimentos de Ferramentas de Corte: •  CVD (Deposição Química de Vapor) •  PVD (Deposição Fisica de Vapor) Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ PVD (Deposição Fisica de Vapor) Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ PVD (Deposição bF isica de Vapor) A deposição •sica de vapor (PVD de Physical Vapor Deposi1on) é um processo no qual um material é converTdo à sua fase vapor numa câmara de vácuo, e condensado na super•cie do substrato como uma camada muito ﬁna. (1)  síntese do vapor de revesTmento, (2)  transporte do vapor até o substrato e (3)  condensação do vapor sobre a super•cie do substrato. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ CVD (Deposição Química de Vapor ) O CVD (Chemical Vapor Deposi1on) envolve a interação entre a mistura de gases e a super•cie do substrato aquecido, causando a decomposição química de alguns consTtuintes dos gases e a formação de um ﬁlme sólido no substrato em uma câmara fechada. •  O produto da reação nucleia e cresce sobre a super•cie do substrato formando o revesTmento. Muitas reações CVD requerem calor ou outras fontes de energia (luz ultravioleta ou o plasma). •  O processo CVD inclui uma ampla faixa de pressão e temperatura, e pode ser aplicado a uma grande variedade de revesTmentos e materiais do substrato. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Ligas Fundidas •  Ferramentas de corte de ligas fundidas são consTtuídas de cobalto, cerca de 40% a 50%; cromo, de 25% a 35%, e tungstênio, geralmente de 15% a 20%, com quanTdades residuais de outros elementos. •  Fabricadas por fundição na geometria desejada em moldes de graﬁte e, em seguida, reTﬁcadas no formato ﬁnal com a aﬁação da aresta de corte. •  A dureza elevada é obTda no fundido, uma vantagem sobre o aço rápido, que exige tratamento térmico para aTngir sua dureza. •  A resistência ao desgaste das ligas fundidas de cobalto é melhor que a do aço rápido, mas não é tão boa quanto a do metal duro. •  A tenacidade das ferramentas fundidas de cobalto é melhor que a dos carbonetos, mas não é tão boa como a do aço rápido. •  A dureza a quente também se encontra entre esses dois materiais. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ METAL DURO E FERRAMENTAS CERÂMICAS Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ CERMET •  Cermets são deﬁnidos como compostos de materiais cerâmicos e metálicos. •  Tecnicamente falando, os carbonetos estariam incluídos nessa deﬁnição, porém, os “cermets” baseados em WC-‐Co, incluindo WC-‐TiC-‐TaC-‐Co, são chamados usualmente metal duro. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Metal Duro •  Produto da metalurgia do pó feito de
partículas duras sinterizadas com um
aglomerante;
•  Partículas duras – carbonetos – WC, TiC e
TaC;
•  Aglomerante – Co.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Metalurgia do Pó (Fab. Metal Duro) Metalurgia do pó
Principais etapas:
I.
especificação da formulação
II.
produção dos pós
III.
pesagem e mistura dos pós (homogeneização)
IV.
compactação da mistura em matrizes
(prensagem)
V.
Sinterização (tratamento térmico)
VI.
operações de acabamento.
Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Metal Duro Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Metal Duro com cobertura
Principais características das camadas:
TiC ou TiCN
Promove adesão das outras camadas com o
núcleo.
Al2O3
Baixa condutividade térmica, alta dureza a
quente e alta estabilidade química.
TiN
Reduz coeficiente de atrito e boa estabilidade
química.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Novidades na área de MD e coberturas
•  MD micro grão e submicrométrico; •  Cobertura de TiAlN; •  C o b e r t u r a s m u l T c a m a d a s nanométricas •  S u b s t r a t o c o m p e r i f e r i a enriquecida com Co; •  Material graduado; •  Camadas moles sobre camadas duras (MoS2 e WC/C). Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP TiN TiN/Al2O3 (mulT-‐
camada) TiCN Material Cerâmico
•  Propriedades vantajosas: Dureza a quente e excelente estabilidade química; •  Propriedades desvantajosas: Baixa conduTvidade térmica e baixa tenacidade. Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anselmo Diniz -‐ UNICAMP Material cerâmico - Classificação
•  A base de Al2O3
Cerâmicas puras - Al2O3 c/ ou s/ ZrO2
Cerâmicas mistas - Al2O3 + TiC ou TiN
Al2O3 com whiskers – cristais de SiC
•  A base de Si3N4 - Si3N4 + SiO2 + Al2O3 (Sialon)
Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Whiskers (Composito com Ceramica) hvp://cdn.intechopen.com/pdfs-‐wm/15091.pdf Prof. Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ Propriedades do
Material Cerâmico
Cerâmica
Tenacidade
Dureza a
quente
Resistência
ao choque
térmico
Estabilidade
química (Fe)
Pura
2
2
1
5
Mista
1
3
2
4
com
whiskers
4
3
3
2
Sialon
3
5
4
1
Metal duro
5
1
5
3
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Material cerâmico - aplicações
•  Cerâmica mista – torneamento de aços endurecidos de super•cies lisas; •  Cerâmica com whiskers – torneamento de a ç o s e n d u r e c i d o s c o m s u p e r • c i e s interrompidas •  Sialon – fresamento de ferros fundidos. Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Diamante Policristalino (PCD)
•  Diamantes Naturais: Ótimas características, mas alto custo;
•  PCD:
Partículas de diamante sinterizadas com Co a alta pressão
e temperatura.
Camada de 0,5 mm de espessura
sobre pastilha de MD.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP PCD - Propriedades
•  Vantajosas:
Alta condutividade térmica, altíssima
dureza, altíssima resistência ao
desgaste por abrasão, tenacidade alta
para sua dureza.
•  Desvantajosas:
Anisotropia, reage com o Fe em
temperaturas moderadas.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP PCD - Aplicações:
•  Não pode ser usado na usinagem de
ferrosos;
•  Usinagem de não ferrosos e não
metálicos;
•  Principal aplicação:
Usinagem de ligas de Al-Si.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Nitreto de Boro Cúbico (CBN, PCBN ou Borazon) •  E m a l t a s p r e s s õ e s e
temperaturas o BN se torna
cúbico (era hexagonal) - CBN;
•  CBN com ligante – 0,5 mm de
espessura sobre pastilha de
MD;
•  Mais estável quimicamente
que o PCD, tenacidade similar
ao Si3N4, dureza só superada
pelo diamante.
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Cerâmica X CBN
( em corte liso e em corte interrompido )
Tempo médio de usinagem (min)
280
240
200
160
120
80
40
0
Liso
Interrompido
4x
Interrompido
8x
Liso
Cerâmica (CC 670)
Interrompido
4x
PCBN (CB 7020)
Material da Ferramenta
Prof. AAnselmo nna Carla -‐ M-‐ ECÂNICA -‐ UFRJ Prof. Diniz UNICAMP Interrompido
8x
Cerâmica X CBN (corte liso)
CC650 – vc = 150 m/min - abrasão
CBN-‐L – vc = 150 m/min – abrasão e difusão CBN-L– vc = 270 m/min – difusão e remoção de
CC650 – vc = 270 m/min - Prof. abrasão
Anna Carla -‐ MECÂNICA -‐ UFRJ partículas macroscópicas