Materiais e ferramentas_de_corte

SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA DA UFPA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA: USINAGEM DOS METAIS

MATERIAIS
E
FERRAMENTAS
DE CORTE
Professora: Maria Adrina Paixão de Souza da Silva, Dra.1 Eng.


CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Evolução:
50 mil anos atrás (Paleolítico – Pedra Lascada):

Emprego de ferramentas de pedra com gumes afiados por
lascamento, adaptando a geometria de corte à tarefa a ser realizada

2


CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Evolução:
•50 mil anos atrás – Pedras
•1868 – Aço Ferramenta
•1900 – Aço Rápido
•1922 – Ligas Fundidas
•1926 – Metal Duro (Widia – de wie Diamant  “como o
diamante”)
•1930 – Metal Duro mais complexos
•1938 – Cerâmicas
•1939 – Aços Super-Rápidos
•Década de 1950 – Nitreto de boro cúbico
3
•Década de 1970 – Diamante mono e policristalino

A lista refere-se à
materiais para
ferramenta de corte,
seqüenciadas de
acordo com a ordem
crescente que foram
surgindo.

A medida que se
desce na lista, a
dureza aumenta e
tenacidade diminui.

4


CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
PARA FERRAMENTAS

Segundo a ordem cronológica em que foram desenvolvidos podemos agrupar, de
modo geral, os materiais para ferramenta da seguinte maneira:

1 - Aços-carbono (aço-ferramenta), sem elementos de liga ou com baixos teores
de liga;

2 - Aços rápidos;

3 - Ligas fundidas;

4 - Metal duro;

5 - Materiais cerâmicos;

6 - Outros materiais para ferramentas. 5


PARA FERRAMENTAS

6


PARA FERRAMENTAS

Variação da
dureza de
alguns
materiais de
ferramentas de
corte com a
temperatura

7


PARA FERRAMENTAS

Agora para a escolha do melhor material para ser utilizado em uma ferramenta de
corte depende de uma série de fatores, dentre eles:

• Material a ser usinado;

• Natureza da operação de usinagem;

• Condição da máquina operatriz;

• Forma e dimensões da própria ferramenta;

• Custo do material para a ferramenta;

• Emprego de refrigeração ou lubrificantes etc.
8


Aço-Ferramenta
De acordo com a classificação AISI (American Iron and Steel Institute), os aços
ferramenta podem ser classificados (“W” de water hardening):

9


Aço-Ferramenta
O carbono é o elemento mais importante, sob o ponto de vista do controle das
propriedades do aço. Os dados apresentados a seguir indicam os valores relativos
de tenacidade e dureza para diferentes teores de carbono.

0,50% C – simplesmente tenaz;
0,60% C – muito tenaz, com características adequadas para têmpera e revenido;
resistente ao choque;
0,70% C – tenacidade excelente e apresentando ainda gume cortante; resistente ao
choque;
0,80% C – tenaz e resistente ao choque; LINK
0,90% C – gume cortante satisfatório, mas tenacidade ainda sendo um fator
importante;
1,00% C – gume cortante e tenacidade aproximadamente idênticos;
1,20% C – grande dureza aliada a certa tenacidade;
1,30% C – grande dureza no gume cortante; a tenacidade é fator secundário
10
1,40% C – o primeiro requisito é a máxima dureza no gume cortante.


Aço-Ferramenta
Outros elementos de liga presentes nos aços ferramenta atuam da seguinte
maneira:
Silício – normalmente presente como elemento desoxidante; qualquer outro efeito
aparece somente se seu teor ultrapassar 0,50%

Manganês – influência na temperabilidade mais fortemente que o silício, entretanto
essa influência é relativamente pequena, em face do teor normalmente baixo em
que o manganês está presente nesses aços;

11


Aço-Ferramenta
Enxofre e fósforo - aparecem nesses aços em teores geralmente abaixo de
0,03%, resultando em efeito insignificante sobre as propriedades do material;

Vanádio - adicionado até no máximo 0,50%, apresenta como principal efeito o de
impedir o crescimento de grão do aço, devido ao fato de formar carboneto de
vanádio muito estável, o qual não se dissolve na austenita às temperaturas normais
de tratamento térmico.

Cromo – contribui para melhorar a temperabilidade do aço, sendo portanto indicado
para aplicações em que as peças produzidas sejam de dimensões acima das
normais, e também a presença de cromo impede a formação de pontos moles em
peças de quaisquer dimensões.

12


Aço-Ferramenta

13


Aço-Ferramenta

14


Aço-Ferramenta
Áreas de aplicação dos aços-ferramentas

-Materiais de baixa velocidade de corte (Vc)

-Usinagem de aços doces com Vc < 25m/min

-Brocas para uso doméstico

- Ferramentas para carpintaria

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Aços-Rápidos
Características
-Principais elementos constituintes (W, Mo, Co, V), elementos que conferem
alta tenacidade às ferramentas.

-Dureza de 60 a 67 HRC

-Resistem a temperatura de até aproximadamente 520 a 600°C

- Clássico 18 (%W) - 4 (%Cr) – 1 (%V)

- Aço super rápido adição de Co

- Tratamento térmico complexo

- preço elevado 16


Aços-Rápidos
Características
– Composição química usual (5 a 7% formam carbonetos):

0,6 a 1,6% C
4% Cr
7 a 10% W
85 a 89% Fe
4 a 5% Mo
0,9 a 3% V

– Designação: HS + % W - Mo - V - Co (ex.: HS 10-4-3-10).

17


Aços-Rápidos
Características
Subdivisão em 4 grupos, segundo o teor de W e Mo

18


Aços-Rápidos
Características
– Grupo 1
● alto teor de W (até 18%)
● bom revenimento
● empregado para desbaste de aço e ferro fundido

– Grupo 2
● teores de W de até 12%
● crescente teor de V
● revenimento um pouco pior que grupo 1
● empregado para acabamento de materiais ferrosos e na usinagem de
materiais não-ferrosos
● para ferramentas com forma complexa (boa maleabilidade e tenacidade)

– Grupos 3 e 4
● W + Mo (Mo substitui W)
● possui tenacidade muito boa 19
● empregado para todos tipos de ferramentas


Aços-Rápidos
Influência dos Elementos de Liga
– Aumento no teor de elementos de liga:

● Maior produtividade destes materiais;

● Aumento na resistência ao desgaste;

● Aumento na vida das ferramenta;

● Porém torna-se mais difícil a fabricação deste material;

● Maiores custos de produção

20


Aços-Rápidos
Influência dos Elementos de Liga

● Tungstênio (W) ● Molibdênio (Mo)
– formador de carbonetos – melhora temperabilidade
– melhora revenimento – melhora tenacidade
– melhora resistência ao – substitui W
Desgaste
● Cobalto (Co)
● Vanádio (V) – eleva temperatura de
– Formador de carbonetos sensibilização a quente
– melhora resistência ao – melhora dureza a quente
desgaste (resist. a – melhor solubilidade de
quente) carbonetos 21
– usado para acabamento


Aços-Rápidos
➔ Aço-rápido com revestimento (TiC, TiN):

● Menor atrito;

● Redução no desgaste;

● Maior estabilidade química;

● Proteção térmica do substrato
22


Aços-Rápidos
Propriedades dos aços-rápidos
Dureza a quente – capacidade de resistir ao amolecimento a
temperaturas elevadas;

Resistência ao desgaste – capacidade da seção da
ferramenta que está em contato com a peça sob usinagem de
suportar a abrasão a que está submetida;

Tenacidade - adequada combinação de resistência mecânica
e ductilidade do material da ferramenta

23


Aços-Rápidos

24


Aços-Rápidos

25


Aços-Rápidos
Áreas de aplicação dos aços-rápidos
-Alargadores

-Fresas de todos os tipos

-Ferramentas de plainar

-Escareadores

-Ferramentas para trabalho a frio

-Ferramentas para trabalho em madeira
26
- outras.


Ligas Fundidas para
Ferramentas
-Composição típica:
- Características -
➔ 3% Fe
➔ 17% W
➔ 33% Cr
➔ 44% Co

- Resistem a temperatura entre aproximadamente 700 a 800°C

- W → Mn, Mo, V, Ti e Ta

- Tratamento térmico complexo

- Preço elevado 27


Ligas Fundidas para
Ferramentas

28


Ligas Fundidas para
Ferramentas
- Nomes comerciais -
Stellite

Tantung

Rexalloy

Chromalloy

29


Ligas Fundidas para
Ferramentas
- 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

- outros

30


Metal Duro (Widia)
Desenvolvimento 1926 – Leipzig

Material de ferramenta mais utilizado na indústria

Indústria automobilística consome cerca de 50% 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)

Maiores Vc (velocidades de corte) com relação as ligas fundidas, aços
rápidos e aços ferramenta

- Aumento na vida útil das ferramentas na ordem de 200 a 400% 31


Metal Duro (Widia)

32


Metal Duro (Widia)
Composição típica: 81% W, 6% C e 13% Co – (WC-Co)

● Algumas razões do sucesso deste material:
– Grande variedade de tipos de metal duro (adição de 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.
33


Metal Duro (Widia)
-Boa distribuição da estrutura

-Boa resistência à compressão

-Boa resistência ao desgaste a quente

-Possibilidade de se obter propriedades específicas

-A princípio utilizado para a usinagem de materiais fundidos

-Anos 70 (seculo XX)- surgimento de metais duros revestidos

34
- Primeiros Cermets® (metais duros à base de TiC) – elevadas velocidades de
corte - 1973 - Japão


Metal Duro (Widia)
- Cermets -
Metais duro à base de TiC-TiN-Co, Ni
● Grande dureza, baixa tendência à difusão e à adesão, boa resistência a
quente

● Apropriados para o acabamento de aços (torneamento e fresamento)

35


Metal Duro (Widia)
- Cermets -
É um grupo intermediário entre os metais duros e as cerâmicas. Constituído
por TiC e TiN e geralmente tem o Ni como elemento ligante.

Devido à baixa condutividade térmica e ao alto coeficiente de dilatação, os
cermets têm um baixo coeficiente de resistência ao choque térmico, bem
inferior ao do metal duro.

Daí a explicação do cermets só ser eficiente em baixos avanços, pequenas
profundidades de corte e altas velocidades (operações de acabamento) na
usinagem dos ferrosos.
36


Metal Duro (Widia)
- Fabricação -

37


Metal Duro (Widia)
- Fabricação -

38


Metal Duro (Widia)
- Estrutura -
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)

39


Metal Duro (Widia)
- Estrutura -

40


Metal Duro (Widia)
- Propriedades dos componentes -
Carboneto de tungstênio (WC)

-Solúvel em Co → alta resistência de ligação interna e de gume

-Boa resistência ao desgaste abrasivo (melhor que TiC e TaC)

-Limitações de velocidades de corte devido à tendência à difusão em
temperaturas elevadas)

41


Metal Duro (Widia)
Carboneto de Titânio (TiC)

-Baixa tendência à difusão

-Boa resistência à quente

-Pequena resistência de ligação interna → baixa resistência de gume

- Os metais duros com alto teor de TiC são frágeis

42


Metal Duro (Widia)
Carboneto de Nióbio (NbC)

- Em pequenas quantidades → refino do grão → proporciona um aumento de
tenacidade e de resistência do gume

- A resistência interna do metal duro cai menos do que quando é utilizado TiC

43


Metal Duro (Widia)
Carboneto de Tântalo (TaC)

- Em pequenas quantidades → refino do grão → proporciona um aumento de
tenacidade e de resistência do gume

- A resistência interna do metal duro cai menos do que quando é utilizado TiC

44


Metal Duro (Widia)
Nitreto de titânio (TiN)

- Componente de maior influência nas propriedades dos Cermets

- Menor solubilidade no aço

- Maior resistência à difusão que o TiC

- Alta resistência ao desgaste

- Estrutura de grãos finos

45


Metal Duro (Widia)
Cobalto (Co)

- Melhor metal de ligação para metais duros com base em WC

- Boa solubilidade do WC

- Bom ancoramento dos cristais de WC

46


Metal Duro (Widia)
- Grandezas de influência sobre a resistência-

47


Metal Duro (Widia)
- Classificação -

Divididos em três grupos (P,K e M) e classificados de acordo com à
tenacidade e resistência ao desgaste, de acordo com uma numeração (p. ex.
P01, P10,..., K10, ...)

48


Metal Duro (Widia)
- Classificação -

49


Metal Duro (Widia)
– Grupo P - Classificação -
● Alta resistência a quente

● Pequeno desgaste abrasivo

● Empregado para usinagem de aços com cavacos longos

– Grupo M

● Média resistência a quente

● Média resistência à abrasão

● Para aços resistentes a altas temperaturas, aço inoxidável, aços

resistentes à corrosão 50


Metal Duro (Widia)
- Revestidos -
– 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 51
● Possibilidade de fabricação em grandes lotes


Metal Duro (Widia)
- 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)
52
– Camadas de diamante


Metal Duro (Widia)
- Revestidos -

53


Metal Duro (Widia)
- Áreas de aplicação -
-Ferramentas para quase todas as operações de usinagem (sob a forma de
insertos)

-Ferramentas para desbaste e acabamento

-Brocas helicoidais

-Brocas para furação profunda

-Fresas de topo

-Brochas

-Alargadores
54
- outros


Cerâmicas de Corte
- Classificação -

55


Cerâmicas de Corte
- Generalidades -
-Alta resistência à compressão

-Alta estabilidade química

-Limitações na aplicação devido ao comportamento frágil e à dispersão das
propriedades de resistência mecânica

-Indispensável em áreas como fabricação de discos de freio

-Materiais de importância crescente

-Melhoria constante na qualidade
56


Cerâmicas de Corte
- Propriedades e características de cerâmicas -

-Resistentes à corrosão e às altas temperaturas

-Elevada estabilidade química (boa resistência ao desgaste)

-Resistência à compressão

-Materiais não-metálicos e inorgânicos

-Ligação química de metais com não metais

- Podem ser óxidas ou não óxidas

57


Cerâmicas de Corte
- à base de Al2O3 -
-Surgiram a partir do final dos anos 30

-Tradicional – cerâmica branca

- Percentual de Al2O3 maior que 90% (cor branca)

- Al2 O3 + óxido de zircônio finamente distribuído

- Apresentam alta dureza a quente

- Têm pouca resistência à flexão

- Extremamente sensíveis a choques térmicos (usinagem a seco)
58
- Empregadas em ferros fundidos e aços de alta resistência


Cerâmicas de Corte
- Óxidas –
- Cerâmicas mistas -
- Teor de Al2O3 menor que 90% (cor escura)

- Contém de 5 a 40% de TiC e/ou TiN

- Mais tenaz que cerâmica óxida e com maior resistência de canto e gume

- Mais dura e mais resistente à abrasão que cerâmica óxida

- Mais resiste a variações de temperatura que cerâmica óxida

- Grãos finos => melhor tenacide, resistência ao desgaste e resistência de quina

- Maior dureza que as óxidas, maior resistência a choques térmicos

- Usinagem de aços cementados e temperados
59


Cerâmicas de Corte
- Óxidas -
-Cerâmicas de corte reforçadas com whiskers -
-Whiskers – cristais unitários em forma de agulhas com baixo grau de imperfeição no
retículo cristalino

- A base de Al2O3 com aproximadamente 20 até 40% de whiskers de carboneto de silício
(SiC)

- Objetivo de melhorar as propriedades de tenacidade (aumento de 60%).

- Boa resistência a choques térmicos - corte com fluidos

60


Cerâmicas de Corte
- Não óxidas -
Definição: São cerâmicas a base de carbonetos, nitretos, boretos,
silicatos, etc.

● Principalmente a base de Si3N4

● Maior tenacidade e resistência a choques térmicos quando
comparadas às cerâmicas óxidas;

● Elevada dureza a quente e resistência ao calor

61


Cerâmicas de Corte
- Não óxidas -
-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);

– Desgaste na superfície de saída;
– Gume de corte com tendência ao arredondamento
62


Materiais de corte superduros
não-metálicos

● Nitreto de Boro Cúbico – CBN

● Diamante

● Nitreto de Boro

63


Nitreto de Boro Cúbico – CBN

64



➔ Caracterísiticas

-Forma mole - hexagonal (mesma estrutura cristalina do grafite)

-Forma dura - cúbica (mesma estrutura do diamante)

-Wurtzita - simetria hexagonal (arranjo atômico diferente do grafite)

-Fabricação de Nitreto de boro hexagonal através de reação de
halogêneos de boro com amoníaco

-Transformação em nitreto de boro cúbico através de altas pressões
(50 a 90 kbar) e temperaturas 1800 a 2200K
65



➔ 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).
66



➔ Campo de aplicações

● Aços temperados com dureza > 45 HRC:
 Torneamento, fresamento, furação;

● Aço-rápido (ferramentas de corte);
● Aços resistentes a altas temperaturas;
● Ligas duras (Ni, Co, ...);
● Emprego em operações severas (corte interrompido), tanto
quanto em operações de desbaste e acabamento.

– Usinagem com ferramentas de geometria não-definida:
● Possibilidade de usinagem de aços e ferros fundidos, que não são
67
usinados com diamante em função da afinidade química.


Diamante
➔ Características
● Material de maior dureza encontrado na natureza
● Pode ser natural ou sintético
● Monocristalino (anisotrópico) ou policristalino (isotrópico)

– Diamante policristalino
● Primeira síntese em 1954
● Síntese sob 60 a 70 kbar, 1400 a 2000 graus C
● Cobalto é usado como ligante
● Substitui metal-duro e diamante monocristalino, em alguns
casos

68


Diamante
- Formas de utilização -
- policristalino PKD - aglomerado de diamantes

- monocristalino

- revestimento

69


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 ultra-precisão

● Emprego de altas velocidades de corte;

● Tempos de vida de até 80 vezes maior que os das ferramentas de
metal duro.
70


Considerações gerais sobre
Ferramentas de corte
- Cuidados com ferramentas de corte -
➔ Manuseio e manutenção de ferramentas de corte

➔ Evitar o contato entre ferramentas

➔ Cuidados no armazenamento

➔ Danificações no manuseio (quebras)

71



72


Manutenção e gerenciamento das ferramentas de corte
● Limpeza
● Prevenção contra oxidação

Aplicação de tecnologia de grupo e manutenção de ferramentas de
corte
● Ferramentas adequadas aos processos
● Cuidados no preparo e instalação
● Condições de corte adequadas

73


Considerações
Finais
Considerando os principais grupos de materiais para
ferramentas, a tabela que se segue apresenta alguns dados
comparativos de custo e eficiência de corte, baseados em bits
quadrados de 3/8” de seção, empregados na usinagem de aço
SAE 4140 encruado. Foi considerado um custo total de mão-de-
obra e despesas indiretas de US$ 6,00 por hora

74


Considerações
Finais

75


Considerações
Finais
A figura a seguir representa a variação da dureza de 4 tipos de
materiais para ferramentas em função da temperatura.

76


Considerações
Finais

77


Considerações
Finais
A seleção de um material para ferramenta depende, contudo, de
muitos outros fatores, além do seu custo inicial e das suas
características físicas.

Para esses fatores, incluem: o metal sob usinagem, a natureza da
operação de usinagem, as condições das máquinas operatrizes,
tipo e dimensões da ferramenta, utilização ou não da refrigeração.
Enfim, a seleção não é simples e deve também ser baseada em
dados práticos disponíveis, assim como em experiências prévias.

78


Bibliografias
• ABREU FILHO, Carlos. Tornearia Mecânica – Notas de
Aula, Belém, 2007.

• AGOSTINHO, Oswaldo Luis. VILELLa, Ronaldo Castro
(In Memoriam), BUTTON, Sérgio Tonini. Processos de
Fabricação e Planejamento de Processos. Universidade
Estadual de Campinas - Faculdade de Engenharia
Mecânica - Departamento de Engenharia de Fabricação -
Departamento de Engenharia de Materiais. Campinas, SP.
2004

• BRAGA, Paulo Sérgio Teles, CPM - Programa de
Certificação de Pessoal de Manutenção – Mecânica -
Processos de Fabricação, SENAI/CST, Vitória, ES. 1999.

• COSTA, Éder Silva & SANTOS, Denis Júnio. Processos
79
de Usinagem. CEFET-MG. Divinópolis, MG. março de 2006


Bibliografias
• DINIZ, A. E., Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 3 ed.
São Paulo: Artliber Editora, 2003.

• FERRARESI, Dino. Fundamentos da Usinagem dos
Metais. Editora Edgard Blücher LTDA. São Paulo, SP,
1977

• INMETRO. SISTEMA Internacional de Unidades – SI
(tradução da 7ª edição do original francês “Le Système
International d’Unités”, elaborada pelo Bureau International
des Poids et Mesures - BIPM). 8ª edição Rio de Janeiro,
2003. 116 p.

• INMETRO. Vocabulário Internacional de Termos
Fundamentais e Gerais de Metrologia – VIM – Portaria
Inmetro 029 de 1995. 3ª edição, Rio de Janeiro, 2003. 75p.
80
• reimpressão.


Bibliografias
• PALMA, Flávio. Máquinas e Ferramentas. Apostila,
SENAI-SC, Blumenau, 2005.

• SECCO, Adriano Ruiz; VIEIRA, Edmur & GORDO, Nívia.
Módulos Instrumentais – Metrologia. Telecurso 2000. São
Paulo, SP, 2007

• VAN VLACK, L. H., Princípios da Ciência e Tecnologia dos
Materiais. Tradução Edson Carneiro. Rio de Janeiro:
Elsevier, 1970 – 4ª reimpressão.

81

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