MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307)
2º Semestre
2005/06
6. Materiais para Ferramentas
F. Jorge Lino Alves
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Resumo
6.
Materiais para ferramentas de corte.
Materiais cerâmicos para abrasivos.
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Materiais para Ferramentas de Corte
Características dos materiais utilizados em ferramentas de corte:
1.
Elevada resistência ao desgaste
2.
Elevada dureza a frio e a quente
3.
Elevada tenacidade
4.
Baixo coeficiente de atrito
5.
Elevada condutibilidade térmica
6.
Baixo coeficiente de dilatação térmica
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Materiais para Ferramentas de Corte
Desafios deste
tipo estão prestes
a dar resultados
na indústria
automóvel, não
para ferramentas,
mas sim chapa
de aço, mas.....
Será que estes
aços não exigem
novos tipos de
ferramentas!!!!!
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• Utilização dos carbonetos sinterizados ultrapassou os aços
rápidos
• Cerâmicos têm aplicação crescente à medida que se contorna
o problema da fragilidade
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1. Aços Rápidos (T e M)
• Elevada tenacidade (até 500°C)
•
Revestimentos de TiN, TiC, WC, Al2O3, HfN por técnicas de PVD aumentam a vida do material base
2. Ligas Fundidas (estelites)
Tf: 2800°C, cadinho de grafite e vazamento em coquilha (peças obtidas só são rectificadas)
Composição: 38-53% Co, 30-32% Cr, 10-18% W, >1.5% C, Mn, N
•
Dureza mantém-se constante até 700-800°C
•
Velocidades de corte superiores às utilizadas com os aços rápidos
•
Maior tenacidade, menor dureza a quente e resistência ao desgaste do que os carbonetos sinterizados
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3. Carbonetos Sinterizados (metal duro)
Taxa de remoção de apara superior à dos aços rápidos (velocs. corte superiores - até 100 %), maior vida da ferramenta (13
a 15x) e melhor acabamento superficial
Pulverometalurgia
Metal duro
Pós + Prensagem + Sinterização em fornos de atmosfera controlada + Corte + Rectificação
Carbonetos muito duros (WC, TiC, V4C3, NbC, TaC)
Ligante (normalmente o Co)
Boa dureza a quente e resistência ao desgaste
Tenacidade
Factores que afectam as propriedades dos carbonetos sinterizados
1. % de carbonetos - ligante
2. Tamanho de grão
3. Porosidade
4. Outros factores
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Carbonetos sinterizados revestidos
Revestimento de TiC (5-7 µm) muito resistente ao desgaste
4. Cermets
Materiais formados por agregados cerâmicos numa matriz metálica
Cerâmicos - TiC, TiN, WC, TaC, NbC
Aglomerado metálico - Co, Ni ou Mo (baixo ponto de fusão)
Utilizados em operações de acabamento ou desbaste ligeiro de aços
Comparação com os carbonetos sinterizados
1.
Menor coeficiente de atrito devido ao elevado teor de TiN
2.
Maior resistência à oxidação (elevada estabilidade química do TiC)
3.
Maior dureza a quente (TiC - 3200HV)
4.
Menor solubilidade do TiC no aço
menor tendência para a adesão
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5. Cerâmicos
• Não devem ser utilizados com baixas velocidades de corte (proíbe a utilização nas ligas de Al, Ti e Mg)
• Arestas de corte chanfradas (robustecer o gume garantindo maior tenacidade) e polidas (evitar o lascamento)
5.1. Alumina
Desvantagens
•
Baixa condutibilidade térmica
•
Elevado coeficiente de dilatação térmica
•
Baixa tenacidade
Al2O3 (85 %) - ZrO2 (tetragonal)(15 %) - utilizados no desbaste e acabamento dos f.f. e desbaste de aços de cementação
tetragonal
monoclínica (∆V = 4%)
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5.1.1. Alumina branca
•
Velocidade de corte 500 m/min.
bom acabamento
superficial o que elimina por vezes a rectificação
•
Contém aditivos - MgO, Cr2O3, TiO2
•
Aplicada no acabamento de aços e f.f.
5.1.2. Alumina preta
•
Contém TiC (30%) + TiN (necessita HIP)
•
Aplicada no acabamento médio e fino de aços, desbaste de f.f.
cinzentos e superligas de Ni
•
Possibilita o corte interrompido
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5.2. Nitreto de Silício
Vantagens
•
Estabilidade térmica até 1900°C
•
Boa resistência à oxidação
•
Baixo coeficiente de dilatação térmica (resistência ao choque térmico)
•
Melhor dureza a temperaturas elevadas do que a alumina e tem tenacidade superior à dos cerâmicos tradicionais
Propriedades obtidas por prensagem a quente ou sinterização sem pressão com adição de óxidos (Li2O, MgO, CaO, Y2O3)
Si3N4 + Al2O3+ Y2O3 numa matriz de TiC
Si3N4 + revestimento de Al2O3
Aplicações: torneamento e fresagem de f.f., aços e superligas de Ni
5.3. SIALON
Nos SIALONS a fase intergranular é parcialmente cristalina
resistência a altas temps.
Vantagens relativamente ao Nitreto de Silício
•
Mais baixo coeficiente de dilatação térmica
Aplicações: maquinagem de f.f., aços e superligas. Corte de f.f.
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5.4. Cerâmicos Reforçados com Fibras
Óxidos e nitretos reforçados com fibras
Alumina reforçada com whiskers de SiC (10-20 % de monocristais)
Relativamente aos cerâmicos correntes
maior tenacidade (em direcção aos valores dos carbonetos sinterizados)
Aumento da tenacidade por propagação das fissuras ao longo das fibras
Desvantagens
Inalação de fibras (problemas de saúde)
Aplicações: maquinagem de aços e f.f.
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5.5. Cerâmicos Ultra Duros
•
Ligações com carácter fortemente covalente
•
Simetria da rede cristalina
5.5.1. Nitreto de Boro Cúbico (CBN)
• Grãos muito finos de nitreto de boro (hexagonal) misturados com o metal (ligante) sinterizados com pressão - Nitreto de
boro cúbico policristalino
• Utilizado na rectificação e mais recentemente em pastilhas para torneamento e fresagem
• Também pode ser utilizado como revestimento de substratos de carbonetos sinterizados
Vantagens
• Dureza a frio e a quente superior à dos outros cerâmicos
• Tenacidade superior à generalidade dos carbonetos
• Elevada condutibilidade térmica
• Boa estabilidade química (resistência à oxidação)
Aplicações:
• Corte de aços tratados e f.f. branco
• Torneamento de f.f.c. (velocs. corte 800m/min)
• Utilizado a seco com avanços e descontinuidades superiores aos admitidos pelos outros cerâmicos
• Ângulos de ataque negativos
elevadas velocs. corte, elevada geração de calor no plano de corte (amaciamento do
material a cortar)
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5.5.2. Diamante Sintético Policristalino (PCD)
• Material mais duro
$ (30 a 50x o custo das pastilhas de carbonetos sinterizados)
• Duas redes cristalinas (CFC) interpenetradas, cada átomo de C tem 4 ligações covalentes com os outros átomos de C
• Anisotrópicos
5.000 a 10.000 HV (1800 HV nos carbonetos ou alumina)
• Diamante sintético com ligante (metal ou polímero) é utilizado nas mós para rectificação
• Sinterizado a 1500°C e elevadas pressões - filmes de 0.5 a 1 mm (substratos de carbonetos)
Vantagens
• Muito baixa taxa de desgaste
Aplicações:
Maquinagem de ligas de Al e corte de materiais extremamente abrasivos:
• Compósitos de matriz metálica (CMM)
• Plásticos reforçados com fibra de vidro (PRFV)
• Carbonetos de tungsténio
• Materiais cerâmicos
Não utilizado na maquinagem (a altas velocs.) dos aços, superligas, metais de elevado Tf
e ligas em cuja maquinagem se desenvolvem elevadas temperaturas
Diamante
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Grafite
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Materiais Cerâmicos para Abrasivos
Elevada dureza
Corte
Polimento
Desbaste
1. Alumina (mais tenaz e menos dura que o SiC)
2. Zircónia + Alumina (75 % alumina + 25 % zircónia, 60 % alumina + 40 % zircónia)
Maior dureza, resistência e arestas mais vivas
3. SiC
4. Nitreto de boro cúbico (Borazon)
Quase tão duro como o diamante, possuindo melhor estabilidade com o calor
Discos Abrasivos
Porosidade origina canais para a refrigeração (ar, líquidos)
Constituídos por:
•
Partículas cerâmicas
•
Resinas orgânicas
•
Borrachas
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