materiais para ferramentas - udesc · ferramentas inteiriças - fresas e brocas. prof. dr.-ing....

Prof. Dr.-Ing. Joel Martins C. Filho

Eng. Mecânica UDESC

Materiais para ferramentasMateriais para ferramentas com

geometria definida

Aços

Metal-duro

Cerâmicas de corte

Materiais super-duros

Aço-ferramentaAço-rápido

WC - CoWC-(Ti,Ta,Nb)C - CoTiC/TiN - Co, Ni (Cermets)

Cerâmica óxidaCerâmica mistaCerâmica à base de nitreto de silício

Nitreto de boro cúbicoDiamante



Os Materiais para ferramentas de corte devem satisfazer as seguintes propriedades:

• Elevada resistência à compressão;• Elevada dureza • Resistência à flexão e tenacidade• Resistência do gume (estabilidade)• Resistência interna de ligação• Resistência a quente• Resistência a oxidação• Baixa tendência a difusão e caldeamento• Resistência à abrasão• Comportamento de desgaste reprodutível



Comparação entre os materiais de ferramentas

Diamante

Cerâmicas

Cermets

Aço-rápido

Aço-rápidorevestido

Metal-duro

Metal-durorevestido

CBNV

eloc

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e de

cor

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quen

te

Tenacidade, resistência à flexão

Materia

l

ideal



A ç o s - f e r r a m e n t a P r i m e i r o m a t e r i a l a s e r e m p r e g a d o c o m o f e r r a m e n t a d e c o r t e C a r a c t e r í s t i c a s :

- A ç o s c a r b o n o c o m t e o r e s d e 0 , 8 a 1 , 5 % d e c a r b o n o

- D i v i d i d o e m : a ç o s n ã o l i g a d o s ⇒ C , S i , M n a ç o s l i g a d o s ⇒ C , S i , M n , C r , M o , V , W

- A d u r e z a é a r e s i s t ê n c i a m e c â n i c a d e p e n d e m d a f o r m a ç ã o d e u m a e s t r u t u r a m a r t e n s í t i c a , o b t i d a p o r t r a t a m e n t o t é r m i c o

A p l i c a ç õ e s :

- F e r r a m e n t a s u s a d a s e m p e q u e n a s o f i c i n a s d e r e p a r o , u s o s d o m é s t i c o s e d e l a z e r ;

- F e r r a m e n t a s a s e r e m u t i l i z a d a s u m a s ó v e z o u p a r a p o u c a s p e ç a s ; - F e r r a m e n t a s d e f o r m a , n a u s i n a g e m d e l a t ã o e a l u m í n i o .

D e s v a n t a g e n s :

- P e r d a d a d u r e z a e m t e m p e r a t u r a s r e l a t i v a m e n t e b a i x a s , e m t o r n o d e 2 5 0 ° C . P o r i s t o , n a u s i n a g e m d e a ç o s m o l e s s ó p o d e m s e r u s a d o s e m v e l o c i d a d e s i n f e r i o r e s a 2 5 m / m i n .



Aço-rápidoCaracterística:

• Aço de alta liga contendo W, Cr, Mo e V como elementos básicos de liga

Estrutura metalográfica:• Martensita na estrutura básica com carbonetos incrustrados

Vantagens:• Em comparação ao aço ferramenta apresenta maior dureza (60 a 67 HRC) até a temperatura em torno de520 a 600 ºC• Ótima tenacidade e resistência à flexão• Boa usinabilidade na retificação

Desvantagem:• Tratamento térmico complexo

Exemplo: W Mo V Co %HS 18 – 1 – 2 – 5

possibilita a fabricação de ferramentas • com gumes afiados e • maiores ângulos de saída



Aços rápidos com cobaltoCaracterísticas:⇒ Também conhecido como aços super-rápidos. Mesmos elementos de liga do aço rápido, entretanto pela adição de cobalto melhora as característicasde dureza a quente e de desgaste, Desvantagem:⇒ menor tenacidade.

Aço rápido sinterizado Características:⇒ Obtido pelo processo de metalurgia do pó. Vantagens principais:

⇒ Aumento da tenacidade, vida mais longa e menor dispersão no tempo de vida das ferramentas.

Ligas Fundidas Características:

⇒ Contém altas porcentagens de W, Cr e Co. São fundidas e vasadas em moldes. Nomes comerciais: Stellite, Tantung, Rexalloy, Chromalloy ...

Vantagens: ⇒ Elevada resistência a quente, temperaturas em torno de 700 a 800 ºC.



Metal duro Características: São carbonetos sinterizados Material desenvonvido pela empresa Krupp, cujo nome era conhecido comercialmente como WIDIA (Como diamante). São materiais sinterizados com linagentes metálicos. Prinicpais elementos: de carboneto de tungstênio (WC), carbonetos de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC), carboneto de nióbio (NbC) ⇒ fornecem alta dureza a quente e resitência ao desgaste Ligantes: cobalto (Co) e eventualmente níquel (Ni) ⇒ constitui a ligação entre os carbonetos frágeis

Fonte: http://www.mitsubishicarbide.com/mmbr/pt/company/jigyousho.htm



Vantagens: • Aumento da dureza e resistência ao desgaste• Boa distribuição da estrutura em decorrência do processo de metalurgia do pó• Dureza elevada• Resistência à compressão e resistência ao desgaste a quente• Possibilidade de obtenção de propriedades distintas pelas mudanças específicas dos carbonetos e das proporções dos ligantes Aplicações: São utilizados em formas de pastilhas intercambiáveis nos processos de:Torneamento, furação, fresamento, aplainamento e brochamento. Ferramentas inteiriças - fresas e brocas



C l a s s i f i c a ç ã o : S ã o d i v i d i d o s e m t r ê s g r u p o s d e a p l i c a ç ã o . G r u p o P U t i l i z a d o n a u s i n a g e m d e a ç o , a ç o f u n d i d o e d e f e r r o f u n d i d o m a l e á v e l , n o d u l a r o u l i g a d o d e c a v a c o c o m p r i d o . G r u p o M N a u s i n a g e m d e a ç o , a ç o f u n d i d o , a ç o a o M n , f e r r o s f u n d i d o s l i g a d o s , a ç o i n o x i d á v e i s a u s t e n í t i c o s , f e r r o f u n d i d o m a l e á v e i s e n o d u l a r e a ç o s d e c o r t e f á c e i s . G r u p o K N a u s i n a g e m d e f e r r o f u n d i d o c o m u m e c o q u i l h a d o , f e r r o s f u n d i d o s m a l e á v e i s d e c a v a c o c u r t o , a ç o s t e m p e r a d o s , n ã o f e r r o s o s , n ã o m e t á l i c o s e m a d e i r a s . E m c a d a g r u p o , o s m e t a i s d u r o s s ã o f a b r i c a d o s e m d i v e r s o s g r a u s , c o r r e s p o n d e n d o a u m a d u r e z a d e c r e s c e n t e e u m a t e n a c i d a d e c r e s c e n t e .



44 Nennen Sie die Zerspanungs-Hauptgruppen und deren Kennfarbe (nach DIN 4990)

− P blau für langspanende Werkstoffe

• Elemente neben WC hohe Anteile von TiC, TaC, NbC

• Eigenschaften hohe Warmfestigkeit, geringer Abrieb

• Einsatz Stahl und Stahlguß, gehärtete Stähle < 45 HRC

hochlegierte Stähle −

M gelb Universalsorten Mischung zwischen P und K•

Eigenschaften mittlere Warmfestigkeit•

Einsatz besonders für rost-, säure- und hitzebeständige Stähle, harter Grauguß−

K rot für kurzspanende Werkstoffe•

Elemente fast nur WC in Co-Bindephase•

Eigenschaften geringere Warmfestigkeit, aber hohe Abriebfestigkeit•

Einsatz Grauguß, NE-Metalle, hochwarmfeste Werkstoffe, gehärtete

Stähle > 45 HRC



Cermets São materiais compostos com uma ou mais fases cerâmicas e uma fase metálica, servindo como ligante.

São constituidos de carboneto de titânio (TiC), nitreto de titânio (TiN), carboneto de molibidênio (Mo2C)

ligantes metálicos de níquel (Ni), molibidênio (Mo) ou cobalto (Co). Vantagens:- Elevada dureza;- Maior tenacidade e resistência ao impacto;- Maior resistência ao desgaste da aresta do gume Desvantagens:- Baixa tenacidade

Aplicação- Próprio para acabamento de aços com alta velocidade de corte e pequena seção transversal de corte. - Exemplo: Usinagem de ferro fundido de dureza Brinell superior a BH 235 e aços de dureza HRC de 34 até 66.



Cerâmicas Óxidas :

• Óxidas:Al2O3

Al2O3 + ZrO3 (3-15%)• Mistas

Al2O3+TiC ou TiNAl2O3+ZrO3+TiC

• WhiskersAl2O3+SiC whiskers

Não Óxidas:• à base de nitreto de silício

Si3N4 + elementos de sinterização (Y2O3 ou MgO)Si3N4 + Sialon + elementos de sinterização (também conhecido como sialon)Si3N4 + TiN, ZrO2, SiC whiskers (materiais duros ) + elementos de sinterização

Obs: whiskers: bastões de SiC de alta resistência que tem como objetivo aumentar a tenacidade, geralmente com diâmetro de 0,1-1 µ m e comprimento de 20 - 30 µ m. Os Whiskers também aumentam a condutividade térmica ⇒ melhor resistência a variação de temperatura e choques térmicos

Sialon: Si3N4 + fase cristalina contendo Al2O3 ⇒ aumento da dureza, melhor resistência química e à oxidação



Vantagens:

-

Aumento da velocidade de corte em 4 a 5 vezes maiores do que as empregadas com metal duro.-

Alta dureza a quente, até 1600 ºC;-

Elevada estabilidade química, não ocorre fenômenos de oxidação ou difusão;-

Baixo coeficiente de atrito; D

esvantagens: -

Grande fragilidade (problemas na usinagem interrompida, máquinas com pouca rígidas);-

Condutividade térmica baixa (sensível à variações bruscas de temperatura) ⇒ ∆T ~ 200 °C,por isso não deve ser empregado fluido de corte.

A

plicação:

Usinagem de desbaste e acabamento de ferro fundido com dureza Brinell superior a 180 Kg/mm2;

Torneamento de precisão de aço temperado com uma dureza de até 60 HRC



D i a m a n t e s : C a r a c t e r í s t i c a s : É o m a t e r i a l m a i s d u r o c o n h e c i d o e ó t i m o c o n d u t o r d e c a l o r . P o d e s e r n a t u r a l o u s i n t é t i c o e n a s f o r m a s m o n o c r i s t a l i n o e p o l i c r i s t a l i n o . N o s d i a m a n t e s m o n o c r i s t a l i n o s , a s p r o p r i e d a d e s m e c â n i c a s ( d u r e z a , r e i s t ê n c i a , m ó d u l o d e e l a s t i c i d a d e ) v a r i a m c o m a d i r e ç ã o , j á n o s p o l i c r i s t a l i n o s n ã o e x i s t e e s s a a n i s o t r o p i a , j á q u e o s g r ã o s t e m u m a d i s t r i b u i ç ã o a l e a t ó r i a d o s c r i s t a i s . E n t r e t a n t o , a d u r e z a d o s d i a m a n t e s p o l i c r i s t a l i n o s n u n c a c h e g a à d u r e z a m á x i m a d o s m o n o c r i s t a l i n o s . A p l i c a ç ã o d o s m o n o c r i s t a l i n o s : U s i n a g e m f i n a , o n d e s ã o e x i g i d a s g r a n d e s p r e c i s õ e s d e m e d i d a s e q u a l i d a d e s u p e r f i c i a l . O s p r i n c i p a i s m a t e r i a i s u s i n á v e i s s ã o : m e t a i s l e v e s , b r o n z e , c o b r e , l i g a s d e e s t a n h o , b o r r a c h a , v i d r o , p l á s t i c o s e p e d r a s . E n t r e t a n t o a u s i n a g e m d e f e r r o s e a ç o s n ã o é p o s s í v e l .



Diamantes naturais

Diamante natural na forma monocristalina⇒ importância para a usinagem com ferramenta de geometria definida em sua formamonocristalina.⇒ tamanho de 1 a 5 mm.

Diamante natural na forma policristalina⇒ Ballas, Carbonato⇒ tem pouca aplicação na usinagem porque o diamante sintético policristalino é maisvantajoso do ponto de vista tecnológico e econômico.

Diamantes sintéticosFabricação: ⇒ solução catalítica, extrema pressão e extrema temperatura

partículas de diamantes monocristalinos são produzidas



Ferramentas de diamantes monocristalinas

Ferramentas de diamantes policristalinas

⇒ uma camada de diamante policristalino é produzida pela sinterização das partículas de diamante com cobalto num processo de alta pressão (6000 a 7000 MPa) e altatemperatura (1400 a 2000 ºC). ⇒ a camada de aproximadamente 0,5 µm de espessura pode ser aplicada diretamente sobre uma pastilha de metal duro présinterizado ou soldada.

Fonte: http://www.meycotools.ch

Fonte:http://www.riegger-diamant.de



C a r a c t e r í s t i c a s d o d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o U m a c a m a d a d e d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o é p r o d u z i d a p e l a s i n t e r i z a ç ã o d a s p a r t í c u l a s d e d i a m a n t e c o m c o b a l t o n u m p r o c e s s o d e a l t a p r e s s ã o ( 6 0 0 0 a 7 0 0 0 M P a ) e a l t a t e m p e r a t u r a ( 1 4 0 0 a 2 0 0 0 º C ) . A c a m a d a d e a p r o x i m a d a m e n t e 0 , 5 µ m d e e s p e s s u r a é a p l i c a d a d i r e t a m e n t e s o b r e u m a p a s t i l h a d e m e t a l d u r o p r é s i n t e r i z a d o . A p l i c a ç ã o d o d i a m a n t e p o l i c r i s t a l i n o U s i n a g e m d e m e t a i s l e v e s , c o b r e , l a t ã o , b r o n z e , e s t a n h o , d i v e r s o s p l á s t i c o s , f i b r a s r e f o r ç a d a s d e v i d r o , c a r v ã o , g r a f i t e , m e t a l d u r o p r é - s i n t e r i z a d o .

Fonte: http://www.cvd-diamantschicht.de/



Fonte: http://www.secotools.com

Fonte: http://www.mmsonline.com/articles/019902.html

Nitreto de boro cúbico – CBN

Características: ⇒ É um material sintético⇒ Depois do diamante é o material mais duro conhecido. Vantagens: ⇒ Quimicamente mais estável do que o diamante, especialmente contra a oxidação. ⇒ Alta resistência ao impacto

podem ser aplicadas em cortes severos, cortes interrompidos, remoção de cascas tenazes, abrasivas e irregulares de peças fundidas e forjadas.

Fabricação:⇒ Grãos de CBN são sinterizados num processo de alta T e P, na presença de um ligante

Aplicação:⇒ Cortes interrompidos bem como para usinagem de desbaste, de acabamento e usinagem fina⇒ usinagem de aços endurecidos (45 a 65 HRC)⇒ aços rápido, ligas resistentes a altas T à base de níquel e cobalto⇒ usinagem de revestimentos duros c/ alta % de WC e Cr-Ni



Revestimentos para ferramentas

Processos de revestimento:CVD - Chemical Vapour Deposition (processo químico)

PVD - Physical Vapour Deposition (processo físicos)

Definição:Deposição de finas camadas de material duros

Tipos: mono-camadas, poli-camadas, nano-camadas e gradiente de propriedades



Objetivos:- Diminuição do coeficiente de atrito entre ferramenta e peça;- Diminuição da temperatura na cunha da ferramenta (barreira);- Diminuição do desgaste da ferramenta por adesão, abrasivo,Abrasão, difusão e oxidação.

Principais:

Material Dureza (HV) Cor Ti(C,N) - carbonitreto de tit ânio 4000 prata

TiAlN - nitreto de tit ânio alumínio 2600 violeta TiN - nitreto de tit ânio 2900 ouro CrN - nitreto de cromo 2500 prata ZrN - nitreto de zircônia 2800 ouro DLC amorfo 1000 - 5000 preto



CVD

reação química ⇒ alta T ~ 900 a 1100 °C e pressão abaixo da atmosférica, ou seja, formação de camadas através da separação de elementosduros de uma fase gasosa.Temperatura do processo: 800 a 1000 °CPróprio para metal duroTipos de revestimentos: TiC, TiN, Al2O3, ZrC, HfC, HfN, NbC, NbN,Diamante (p. e. do metano) e principalmente TiCN

Vantagem: possibilidade de fabricação de várias camadas de diferentes materiais



PVD

Princípio de formação de camadas pela efeito físico de separação de átomos de uma fase gasosa. Os átomos do material metálico evaporado e ionizado são acelerados na direção do substrato submetido a um potencial negativo.

• Temperatura do processo: 400 a 500 °C• Próprio para revestir HSS e ferramentas de MD que são brasadas• Ao contrário do processo CVD, o PVD produz tensões de compressão na superfície ⇒ melhor tenacidade• Principais revestimentos: TiN, TiCN, TiAlN

Principais vantagens do PVD:• Devido à baixa temperatura, a difusão, a mudança de fase, bem como a reaçãoentre o material de base e o revestimento são evitados• Possível a fabricação de camadas c/ tamanho de grão de 0,1 µm ⇒ gumes afiados



Velocidade de corte para diferentes materiais e materiais de ferramentas

Fonte: Livro - Trouble shooting for cutting - Mitsubishi Materials



Recomendações para a escolha de materiais de ferramentas

Fonte: Livro do Childs: Metal Machining –Theory and Applications

Materiais duties

(Al, Cu)

Aços baixo carbono

Aços endurecidos

Ferros fundidos

Ligas à base de níquel

Ligas à base de titânio

HSS MD Cermet Cerâmica CBN PKD

- bom - ok em algumas condições - possível, mas não recomendado - deve ser evitado



Metal-duro não revestido 35%

Metal-duro revestido 45%

CVD 87%

PVD 13%

CBN e PKD2 % Cerâmica 14%

Cermet 4%

Fonte: Koenig: Fertigungsverfahren

Emprego de materias para ferramentas em uma montadora de automóveis (Mercedes-Benz 1995). Não considerando HSS.

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