Torneamento Metal Duro FoFo

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB INSTITUTO DE ENGENHARIA MECNICA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA MECNICA

DISSERTAO DE MESTRADO

Torneamento de Ferro Fundido Nodular Ferritizado com Nibio Utilizando Ferramentas

de Metal Duro

Autor: Jos Marcelo Teles Orientador: Prof. Dr. Joo Roberto Ferreira

Itajub, Dezembro de 2007





de Metal Duro


Curso: Mestrado em Engenharia Mecnica rea de Concentrao: Projeto e Fabricao

Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica.

Itajub, Dezembro de 2007 M.G. Brasil

Ficha catalogrfica elaborada pela Biblioteca Mau Bibliotecria Margareth Ribeiro- CRB_6/1700

T269t Teles, Jos Marcelo Torneamento de ferro fundido nodular ferritizado com nbio utilizando ferramentas de metal duro / Jos Marcelo Teles. -- Itajub,(MG) : [s.n.], 2007.

106 p. : il. Orientador: Prof. Dr. Joo Roberto Ferreira. Dissertao (Mestrado) Universidade Federal de Itajub. 1. Ferro fundido nodular com nibio. 2. Insertos de metal duro. 3. Fludos de corte. 4. Desgaste. I. Ferreira, Joo Roberto, orient. II. Universidade Federal de Itajub. III. Ttulo. CDU 669.13(043)





de Metal Duro


Composio da Banca Examinadora:

Prof. Dr. Wisley Falco Sales PUC-BH

Prof. Dr. Sebastio Carlos da Costa - IEPG/UNIFEI

Prof. Dr. Joo Roberto Ferreira, Presidente IEPG/UNIFEI

Itajub, 19 de Dezembro de 2007

Dedicatria

minha esposa Therezia Raffoul, pelo incentivo nas horas difceis, pacincia e abdicao de horas de lazer.

Deus que o mestre de todos os mestres e inspirador de todas as coisas.

Agradecimentos

Ao meu Orientador, Prof. Dr. Joo Roberto Ferreira pela motivao e orientao. Pela sua capacidade de me fazer superar os desafios e obstculos em conciliar a turbulncia da vida profissional com a permanncia em uma vida acadmica.

empresa Mahle Componentes de Motores do Brasil SA por permitir a realizao dos ensaios em sua planta, em fornecer o material de teste; bem como os funcionrios da fundio, pr-usinagem e engenharia pelo fornecimento de informaes tcnicas e na realizao dos ensaios.

empresa Iscar, da qual fao parte, pelo incentivo e compreenso dando-me a oportunidade de ausentar-me em alguns momentos do desenvolvimento efetivo de minha funo para a concluso deste projeto da minha vida acadmica.

Aos funcionrios do laboratrio de metalurgia da UNIFEI pela colaborao na caracterizao do material ensaiado.

A todos os colegas, professores e funcionrios do Departamento de Engenharia Mecnica da UNIFEI, que direto ou indiretamente contriburam para a realizao deste trabalho.

Aos meus pais, que sempre me incentivaram na formao e no desenvolvimento contnuo e so os principais responsveis por eu ter chegado at aqui.

Resumo

TELES, J. M. (2007), Torneamento de Ferro Fundido Nodular Ferritizado com Nibio Utilizando Ferramentas de Metal Duro, Itajub, 105 p. Dissertao (Mestrado em Projeto e Fabricao) - Instituto de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Itajub.

A indstria metal mecnica exige cada vez mais o desenvolvimento dos processos de fabricao atacando vrios focos, principalmente na modernizao das mquinas operatrizes e na evoluo constante das ferramentas de corte. A exigncia de novos materiais para matria prima buscando constantemente melhores qualidades mecnicas sempre caminha no sentido oposto da usinabilidade. O presente trabalho vem contribuir para esta afirmao avaliando a

usinabilidade do ferro fundido nodular ferritizado com nibio na operao de torneamento com pastilhas de metal duro revestidas. Para isto foi feita uma anlise microestrutural do ferro fundido a ser usinado, vida da ferramenta, mecanismos e formas de desgaste, forma do cavaco e influncia do fluido de corte no desgaste e na vida da ferramenta. Analisou-se tambm a

influncia da slica (SiO2) sempre presentes na parede da coquilha e inevitavelmente presentes numa fina camada do dimetro externo das buchas de ferro fundido a serem usinadas. Os resultados mostraram que a vida mais longa da ferramenta foi obtida empregando-se a ferramenta de metal duro com revestimento de TiCN, Al2O3, TiN. Verificou-se que as

pastilhas com aresta reforada (arredondamento e fase plana) mantiveram uma melhor integridade da aresta de corte. Conclui-se tambm que o fluido de corte contribui para o aumento da vida da ferramenta.

Palavras-chave Ferro fundido nodular com nibio, torneamento, insertos de metal duro, fluidos de corte.

Abstract

TELES, J. M. (2007), Turning of Ferritic Nodular Cast Iron with Niobium Using Cemented Carbide Tools, Itajub, 106 p. Dissertation (Master's degree in Project and Production) - Institute of Mechanical Engineering, Federal University of Itajub.

The metal mechanics industry demands a constant development of the production processes reaching several focuses mainly on the modernization of the operating machines and the constant evolution of the cutting tools. The demand of new materials for the raw material looking constantly for better mechanical qualities always go in the opposite sense of

the machinability. The present work comes to contribute to this statement evaluating the machinability of the ferritic nodular cast iron with niobium in the turning operation with coated cemented carbide. For this, it was made a microstructure analysis of the cast iron to be turned, tool life, the forms and mechanisms of tool wear, chip forms and influence of the cut fluid in the tool wear and tool life. It was also analyzed the influence of the silica (SiO2) always present in the wall of the iron mold and unavoidably present in a fine layer of the external diameter of the bushing of nodular cast iron to be turned. The results showed that the longest tool life was obtained by using the cemented carbide tool with coating of TiCN, Al2O3, TiN. It was verified that the carbides with reinforced edge (rounding and phase glides) maintained a better integrity of the cut edge. It is also concluded that the cut fluid contributes to the increase of the tool life.

Keywords Nodular cast iron with niobium, turning, carbide tools, cut fluid.

i

Sumrio

SUMRIO ________________________________________________________________ I LISTA DE FIGURAS ______________________________________________________IV

LISTA DE TABELAS _____________________________________________________ VII

SIMBOLOGIA__________________________________________________________ VIII

SIGLAS __________________________________________________________________X

CAPTULO 1 ______________________________________________________________1 INTRODUO ____________________________________________________________1 1.1 - Consideraes Iniciais-----------------------------------------------------------------------1 1.2 - Motivao do Trabalho----------------------------------------------------------------------3 1.3 - Objetivos --------------------------------------------------------------------------------------3 1.4 - Organizao do Trabalho--------------------------------------------------------------------4

CAPTULO 2 ______________________________________________________________5 USINAGEM DE FERRO FUNDIDO __________________________________________5 2.1 - Ferros Fundidos-------------------------------------------------------------------------------5 2.2 - Tipos de Ferro Fundido----------------------------------------------------------------------6 2.3 - Usinabilidade dos Ferros Fundidos--------------------------------------------------------7 2.3.1 - Influncia da microestrutura na usinabilidade dos ferros fundidos---------------9 2.3.2 - Velocidade de resfriamento-----------------------------------------------------------11

2.4 - Ferro Fundido Nodular com Nibio------------------------------------------------------12 2.5 - Usinabilidade do Ferro Fundido Nodular------------------------------------------------14 2.6 - Mecanismo de Formao do Cavaco-----------------------------------------------------18 CAPTULO 3 _____________________________________________________________21

ii

FUNDAMENTOS DA USINAGEM___________________________________________21 3.1 - Materiais para Ferramentas de Corte-----------------------------------------------------21 3.1.1 - Ao rpido ------------------------------------------------------------------------------24 3.1.2 - Metal duro-------------------------------------------------------------------------------26 3.1.2.1 - Classificao do metal duro ----------------------------------------------------27

3.1.2.2 - Processos de revestimento------------------------------------------------------28 3.1.2.3 - Metal duro revestido-------------------------------------------------------------30 3.2 - Tipos de Desgaste das Ferramentas ------------------------------------------------------34 3.3 - Mecanismos Causadores de Desgaste e Avaria em Ferramentas de Metal Duro --37

3.3.1 - Deformao Plstica--------------------------------------------------------------------37 3.3.2 - Difuso-----------------------------------------------------------------------------------37 3.3.3 - Adeso------------------------------------------------------------------------------------39 3.3.4 - Abraso-----------------------------------------------------------------------------------41

3.3.5 - Oxidao---------------------------------------------------------------------------------43 3.3.6 - Lascamento e fratura -------------------------------------------------------------------43 3.4 - Fluidos de Corte-----------------------------------------------------------------------------45 3.4.1 - Propriedades do fluido de corte-------------------------------------------------------46 3.4.2 - Classificao do fluido de corte-------------------------------------------------------47 3.4.3 - Contaminantes dos fluidos de corte--------------------------------------------------49 3.4.4 - Aplicao dos fluidos de corte--------------------------------------------------------50 3.5 - Usinagem a Seco----------------------------------------------------------------------------50 3.6 - Fora e Potncia de Usinagem------------------------------------------------------------54 3.6.1 - Anlise dos fatores que afetam a fora de usinagem-------------------------------56

CAPTULO 4_____________________________________________________________60 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL _______________________________________60 4.1 - Caracterizao do Ferro Fundido Nodular Ferritizado com Nibio -----------------61 4.2 - Ferramentas de Corte-----------------------------------------------------------------------66 4.3 - Fluidos de Corte-----------------------------------------------------------------------------68 4.4 - Equipamentos Utilizados ------------------------------------------------------------------69 4.5 - Metodogia------------------------------------------------------------------------------------71 4.6 - Formas do Cavaco--------------------------------------------------------------------------72 4.7 - Foras e Potncia de Corte ----------------------------------------------------------------72

iii

CAPTULO 5_____________________________________________________________74 RESULTADOS E DISCUSSES_____________________________________________74 5.1 - Caracterizao do Sistema Tribolgico--------------------------------------------------74 5.2 - Fora e Potncia de corte------------------------------------------------------------------75 5.3 - Vida das Ferramentas ----------------------------------------------------------------------77 5.4 - Anlise do Desgaste das Ferramentas Usinagem com Refrigerao --------------81 5.5 - Anlise do Desgaste das Ferramentas Usinagem sem Refrigerao---------------88 5.6 - Influncia do Fluido de Corte no Desgaste das Ferramentas-------------------------94 5.7 - Anlise do Cavaco--------------------------------------------------------------------------95

CAPITULO 6_____________________________________________________________99 CONCLUSES E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS________________99 6.1 - Concluses----------------------------------------------------------------------------------99 6.2 - Sugestes para Trabalhos Futuros-------------------------------------------------------100

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS________________________________________101

iv

Lista de Figuras

Figura 2.1 Comparao da formao de cavacos entre aos e ferro fundidos (Klocke & Klpper, 2006). ---------------------------------------------------------------------------------------- 18 Figura 2.2 - Seo da raiz do cavaco do ferro fundido nodular ferrtico (Lucas et al., 2005). 19 Figura 3.1 - Materiais empregados para ferramentas de corte (Iscar Ltd., 2001). ------------- 22 Figura 3.2 - Dureza dos materiais para ferramentas de corte (Trent, 1991). ------------------- 23 Figura 3.3 - Microdureza dos revestimentos (Abele e Drr, 2002; Balzers, 2007). ----------- 32 Figura 3.4 - Principais propriedades das coberturas (Iscar Ltd., 2001). ------------------------- 34 Figura 3.5 - Alguns tipos de desgaste em ferramentas de usinagem (Norma ISO 3585, 1977). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 Figura 3.6 - Deformao plstica da aresta de corte (Iscar Ltd., 2001). ------------------------- 37 Figura 3.7 - Craterizao (Iscar Ltd., 2001). -------------------------------------------------------- 38 Figura 3.8 - Aresta postia de corte (Iscar Ltd., 2001). -------------------------------------------- 40 Figura 3.9 - Desgaste frontal provocado por abraso (Iscar Ltd., 2001). ----------------------- 42 Figura 3.10 - Fratura (Iscar Ltd., 2001). ------------------------------------------------------------- 44 Figura 3.11 - Trinca trmica (Iscar Ltd., 2001). ---------------------------------------------------- 44 Figura 4.1 - Ciclo de ferritizao do corpo de prova. ---------------------------------------------- 62 Figura 4.2 - Variao da dureza no corpo de prova de ferro fundido nodular com nibio. --- 63 Figura 4.3 - Regies onde se mediram as microdurezas. ------------------------------------------ 63 Figura 4.4 - Microestrutura do ferro fundido nodular ferritizado com Nb (ampliao 100x). 64 Figura 4.5 - Nibio diludo na matriz ferritica (ampliao 500x). ------------------------------- 65 Figura 4.6 - Corpo de prova. -------------------------------------------------------------------------- 65 Figura 4.7 - Porta ferramenta utilizado no teste. --------------------------------------------------- 68 Figura 4.8 - Dispositivo de fixao dos porta ferramentas. --------------------------------------- 70

Figura 4.9 - Dispositivo de fixao das camisas. --------------------------------------------------- 70 Figura 4.10 - Microscpio tico tridimensional. --------------------------------------------------- 71

v

Figura 5.1 - Vida das ferramentas - Usinagem com refrigerao. ------------------------------- 78 Figura 5.2 - Influncia da refrigerao no desgaste dos insertos. -------------------------------- 79 Figura 5.3 - Geometria das ferramentas de metal duro. ------------------------------------------- 80 Figura 5.4 - Superfcie de sada - Inserto de metal duro IC8048 (ISO K10). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 82 Figura 5.5 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC8048 (ISO K10). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 83 Figura 5.6 - Inserto de metal duro IC8048 (ISO K10). Usinagem com refrigerao (188x). ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------84

Figura 5.7 - Superfcie de sada - Inserto de metal duro IC428 (ISO K05). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 85 Figura 5.8 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC428 (ISO K05). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 86 Figura 5.9 - Superfcie de sada - Inserto de metal duro IC4028 (ISO K10). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 87 Figura 5.10 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC4028 (ISO K10). Usinagem com refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 88 Figura 5.11 - superfcie de sada - Inserto IC8048 (ISO K10). Usinagem sem refrigerao (41x). ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 89 Figura 5.12 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC8048 (ISO K10). Usinagem sem refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 90 Figura 5.13 - Superfcie de sada - Inserto de metal duro IC428 (ISO K05). Usinagem sem refrigerao (38x). -------------------------------------------------------------------------------------- 91 Figura 5.14 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC428 (ISO K05). Usinagem sem refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 92 Figura 5.15 - Superfcie de sada - Inserto de metal duro IC4028 (ISO K10). Usinagem sem refrigerao (38x). -------------------------------------------------------------------------------------- 93 Figura 5.16 - Superfcie de folga - Inserto de metal duro IC4028 (ISO K10). Usinagem sem refrigerao (41x). -------------------------------------------------------------------------------------- 93 Figura 5.17 - Cavaco obtido com inserto IC8048. Vc = 100m/min, f = 0,4 mm/volta, ap = 4 mm. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 96 Figura 5.18 - Cavaco obtido com inserto IC428. Vc = 150m/min, f = 0,4 mm/volta, ap = 4 mm. --------------------------------------------------------------------------------------------------------97

vi

Figura 5.19 - Cavaco obtido com inserto IC4028. Vc = 150 m/min, f = 0,4 mm/volta, ap = 4 mm. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 98

vii

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Principais elementos de liga dos aos rpidos (Chiaverini, 1986).----------------- 25 Tabela 3.2 - Caractersticas dos revestimentos CVD e PVD (Abele & Drr, 2002). ---------- 28 Tabela 3.3 - Geometria da ferramenta para constantes de Kienzle. ------------------------------ 56 Tabela 4.1 - Composio qumica do ferro fundido nodular ferritizado com nibio (Mahle Catalogue, 2007).---------------------------------------------------------------------------------------- 61 Tabela 4.2 - Microdureza do material usinado. ----------------------------------------------------- 64 Tabela 4.3 - Pastilhas utilizadas no teste. ------------------------------------------------------------ 67 Tabela 4.4 - Parmetros de corte recomendados pelo fabricante (Iscar Ltd., 2007). ---------- 67 Tabela 4.5 - Caractersticas do fludo de corte (Fuchs, 1997). ----------------------------------- 69 Tabela 4.6 - Parmetros de corte utilizados nos ensaios. ------------------------------------------ 72 Tabela 5.1 - Fora e potncia de corte. -------------------------------------------------------------- 76

viii

Simbologia

0 ngulo de folga [graus] 0 ngulo de cunha [graus] r ngulo de posio [graus] r ngulo de ponta da ferramenta [graus] 0 ngulo de sada [graus] s ngulo de inclinao [graus] r Raio de ponta da ferramenta [mm] A rea da seo de corte [mm2] Al Alumnio

AlCrN Nitreto de cromo alumnio Al2O3 xido de alumnio ap Profundidade de corte [mm] APC Aresta postia de corte C Carbono CNC Comando numrico computadorizado

Co - Cobalto Cr - Cromo Cu Cobre CBN Nitreto cbico de boro

Cr3C2 Carboneto de cromo CV Carboneto de vandio CVD Deposio qumica a vapor f avano [mm/rot] Fc Fora de corte [N] Fe Ferro

ix

Fe3C Carboneto de ferro (cementita) Fe3P Fosfeto de ferro H2 - Hidrognio HSS Ao rpido HRC Dureza Rockweel C [kgf/mm2] HV Dureza Vickers [kgf/mm2] HB Dureza Brinell [kgf/mm2] KB Largura da cratera [mm] Kc Presso especfica de corte [N/mm2] KM Largura do centro da cratera [mm] KT Profundidade da cratera [mm] L Comprimento de corte [mm] Mn Mangans

Mo Molibdnio MoS2 Dissulfeto de molibdnio MQL Mnima quantidade de lubrificante Nb Nibio

NbC Carboneto de nibio Ni Nquel

Pc Potncia de corte [kW] PCBN Nitreto cbico de boro policristalino

PCD Diamante policristalino PVD Deposio fsica a vapor

S Enxofre Si - Silcio SiC Carboneto de silcio

SiO2 xido de silcio (slica) T Vida da ferramenta de corte [min] TaC Carboneto de tntalo Ti Titnio

TiAlN Nitreto de titnio alumnio TiC Carboneto de titnio TiCl Cloreto de titnio TiCN Carbonitreto de titnio

x

TiN Nitreto de titnio

V Vandio VB Desgaste de flanco VBB Desgaste de flanco mdio [mm] VBBmx Desgaste de flanco mximo [mm] VBC Desgaste de entalhe [mm] VBN Desgaste de entalhe [mm] Vc Velocidade de corte [m/min] W Tungstnio

WC carboneto de tungstnio Y trio

Siglas

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas DIN Deutsches Institut fr Normung

IEM Instituto de Engenharia Mecnica ISO International Organization for Standardization

UNIFEI Universidade Federal de Itajub

1

Capitulo 1

INTRODUO

1.1 Consideraes Iniciais

A grande evoluo da indstria automotiva s foi possvel devido aos avanos

tecnolgicos observados na indstria siderrgica e de materiais, na evoluo das mquinas operatrizes e no desenvolvimento dos materiais para ferramentas de corte (substrato e cobertura) possibilitando alto desempenho, boa resistncia ao desgaste, mesmo na presena de altas temperaturas. Todo esse avano para suprir as exigncias impostas por um mercado

altamente competitivo, cujo objetivo a melhoria da produtividade com reduo de custo nas operaes de usinagem.

Atendendo a exigncia das indstrias, muitos materiais para aplicao na engenharia requerem, alm de outras propriedades, alta resistncia mecnica, alta tenacidade e resistncia a corroso. Estas caractersticas so antagnicas a usinabilidade dos materiais. Sendo assim, o desenvolvimento de novas ferramentas de usinagem e novas coberturas precisam superar

essas novas exigncias do mercado pois, alm de usinar materiais com pior usinabilidade, os dados de corte so mais agressivos devido a evoluo das mquinas operatrizes e a constante busca por ganhos de produtividade, da Silva (2002).

A otimizao dos parmetros de usinagem de acordo com a seleo adequada do inserto tem sido uma das principais alternativas empregadas pela tecnologia atual. Para definir o

2

melhor inserto deve-se considerar o material que est sendo usinado bem como as

caractersticas do revestimento e a geometria da ferramenta.

Atualmente devido s necessidades impostas pelos novos motores de combusto, vrios

tipos de materiais esto sendo desenvolvidos para atender a indstria automotiva. Entre eles o ferro fundido nodular com nibio. O nibio forma carbonetos estveis melhorando a resistncia ao desgaste. Alm desta propriedade, o nibio um microconstituinte quase inerte, pois, pouco interfere na densidade do ferro fundido e no modifica a composio das

microestruturas (grafita, perlita, etc) do ferro fundido em nveis significantes. Algumas aplicaes significantes para este tipo de material se encontram na indstria automotiva na confeco de cabeote de motores, anis de pisto e panelas de freio. Encontra-se tambm na indstria siderrgica na fabricao de rolos laminadores e moinhos, Nylen (2001).

O processo de fundio pelo qual o ferro fundido nodular com nibio obtido tambm interfere na sua usinabilidade. O material testado foi obtido por fundio centrifuga onde as

coquilhas so recobertas internamente por p de slica (SiO2) a fim de assegurar que o tubo centrifugado no fique preso aps a fundio. Uma parte da slica dilui-se na camada perifrica do tubo centrifugado gerando uma camada altamente abrasiva, outra parte fica aderida a superfcie do tubo centrifugado devido a superfcie ser rugosa. Nos testes realizados

percebe-se um grande desgaste de entalhe devido a essa caracterstica do material fundido.

Tradicionalmente os fluidos de corte sempre foram utilizados na usinagem dos metais

para aumentar a vida das ferramentas, dentre outras funes. Atualmente, devido ao alto custo dos fluidos utilizados na refrigerao/lubrificao em usinagem, aliado as questes ecolgicas e tambm aos cuidados com a sade do trabalhador, necessrio avaliar a real necessidade de se trabalhar com os fluidos. At pouco tempo o descarte destes materiais eram feitos no meio ambiente sem restries. Atualmente, esta prtica dificultada no s pelo rigor das leis como

em virtude do padro de produo com a adoo do selo verde.

O presente trabalho tem como objetivo avaliar o comportamento das ferramentas de metal duro no processo de torneamento do ferro fundido nodular ferritizado com nibio. Para atingir esse objetivo trs insertos distintos foram testados. Diferentes revestimentos, geometrias de quebra cavaco e preparaes de aresta de corte foram utilizados seguindo recomendaes do catlogo do fabricante. Trabalhou-se tambm com e sem refrigerao com

o propsito de analisar a influncia do fluido de conte no desgaste das ferramentas. Os

3

resultados obtidos podero ser usados posteriormente para anlise da viabilidade de se

trabalhar sem fluido de corte.

Finalmente, conhecendo as limitaes da mquina analisou-se a potncia de corte

requerida devido utilizao simultnea de trs ferramentas para desbaste.

1.2 Motivao do Trabalho

Atualmente, a demanda pelos anis de pisto de ferro fundido nodular com nibio est aumentando. O aumento da participao desse produto no mix oferecido pela empresa Mahle Componentes de Motores SA" implicou na busca por novas tecnologias na manufatura do

produto. A otimizao do processo a fim de obter a mesma produtividade alcanada quando se produz anis de pisto com ferro fundido nodular comum fez-se necessria para que a empresa mantivesse competitiva e atendesse a demanda sem necessidade de compra de novas mquinas operatrizes.

Esse trabalho vem contribuir para que este objetivo lanado acima possa ser concretizado alterando muito pouco o custo de produo. O uso desse material esta se

tornando comum na indstria automotiva. Assim, a otimizao do processo de usinagem torna-se obrigatrio.

A Mahle uma empresa com conscincia ambiental e possui um srio programa de controle de descartes buscando atender as mais exigentes normas de preservao ambiental. Esse trabalho colabora para uma posterior anlise crtica da eliminao do uso de fluido refrigerante no processo de desbaste no torneamento do ferro fundido nodular ferritizado com

nibio j que inevitavelmente esse ser o prximo passo a ser dado dentro do processo de usinagem atual.

1.3 Objetivos

Este trabalho pretende alcanar os seguintes objetivos:

4

- Analisar o comportamento do desgaste e da vida de trs ferramentas de metal

duro no processo de torneamento do ferro fundido nodular ferritizado com nibio.

- Analisar a influncia da camada de slica (SiO2) presente na superfcie do ferro fundido nodular na vida da ferramenta;

- Verificar a influncia do fluido de corte no desgaste e na vida da ferramenta.

1.4 Organizao do Trabalho

Este trabalho divide-se em 6 captulos com os seguintes contedos;

O captulo 1, j apresentado faz uma introduo do trabalho.

O captulo 2, usinagem de ferro fundido, apresenta a primeira parte da reviso

bibliogrfica deste trabalho. Informaes levantadas junto literatura dos tipos de ferro fundidos existentes bem como sua usinabilidade. Informaes sobre o ferro fundido nodular com nibio so mostradas neste captulo.

O captulo 3, fundamentos de usinagem, apresenta a segunda parte da reviso bibliogrfica. Nele mostrado o embasamento terico necessrio para o uso correto das ferramentas, aplicao de fluidos, foras e potncia de corte.

O captulo 4, procedimento experimental, mostra toda metodologia utilizada nos testes bem como os equipamentos, ferramentas e fluidos utilizados.

O captulo 5, resultados e discusses, apresenta os resultados obtidos e as evidncias necessrias para fazer a concluso.

Finalmente no captulo 6, concluses e sugestes para trabalhos futuros, desenvolve-se o desfecho do trabalho, apresentando as contribuies e sugerindo temas para futuros

desenvolvimentos.

5

Captulo 2

USINAGEM DE FERRO FUNDIDO

Este captulo apresentar algumas generalidades sobre ferro fundido, tipos de ferro fundido e a usinabilidade do ferro fundido nodular. Ser mostrada a influncia do nibio nas

propriedades mecnicas do ferro fundido nodular e uma reviso sobre as ferramentas de corte j utilizadas por outros autores na usinagem deste material.

2.1 Ferros Fundidos

Juntamente com os aos, os ferros fundidos so os materiais mais utilizados pela indstria, sendo aplicado em diversos setores no s devido s suas caractersticas inerentes, como tambm sua imensa versatilidade. Podem apresentar diversas caractersticas mecnicas dependendo dos elementos de liga presente ou do tratamento trmico submetido.

Segundo Chiaverini (1990) ferro fundido a liga ferro-carbono-silcio, de teores de carbono geralmente acima de 2,0 %, em quantidade superior que pode ser retida em soluo

slida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita.

6

As propriedades mecnicas como resistncia, ductilidade e mdulo de elasticidade dependem fortemente da estrutura e da distribuio dos constituintes microestruturais, e as propriedades fsicas como condutividade trmica e capacidade de amortecimento tambm so

fortemente influenciadas pela microestrutura. Em qualquer ferro fundido, a caracterstica microestrutural de efeito significante nessas propriedades a presena de grafita pura.

Dentre as ligas ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importncia fundamental para a indstria, pois mediante a introduo de elementos de liga e de aplicao de tratamentos trmicos adequados, tornou-se possvel o emprego do ferro fundido nodular em aplicaes antes exclusivas dos aos (Chiaverini, 1990).

2.2 Tipos de Ferro Fundido

Tm-se vrios tipos de ferro fundido, cada um apresentando caractersticas bem distintas. Um estudo detalhado da aplicao, as propriedades mecnicas desejadas so fundamentais para a escolha correta do tipo de ferro fundido a ser empregado. Segue os

principais tipos de ferro fundido utilizados hoje pela indstria metal mecnica:

Ferro Fundido Cinzento: Apresenta como elementos de liga fundamentais o

carbono e o silcio. Uma parcela relativamente grande do carbono est no estado

livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado Fe3C (cementita).

Ferro Fundido Branco: Apresenta como elementos de liga fundamentais o

carbono e o silcio. Devido s condies de fabricao e menor teor de silcio, apresenta o carbono quase inteiramente na forma combinada (Fe3C).

Ferro Fundido Mesclado: Caracterizado igualmente por uma mescla de

propores variveis de ferro fundido branco e ferro fundido cinzento.

Ferro Fundido Malevel: Obtido a partir do ferro fundido branco mediante um tratamento trmico (maleabilizao) resultando numa transformao de praticamente todo o ferro combinado (Fe3C) em grafita na forma de ndulos.

7

Ferro Fundido Nodular: Caracterizado por apresentar, devido um tratamento

realizado ainda no estado lquido, carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que confere ao material caracterstica de boa ductilidade, donde a denominao

freqentemente para esse material de ferro fundido dctil.

Ferro Fundido Vermicular: Ferro fundido de comercializao recente. Tambm

chamado de ferro fundido de grafita compactada ou semi-ondular. um produto com uma terra rara como elemento de liga adicional. A presena de titnio reduz a formao de grafita esferoidal. Este material intermedirio entre o ferro fundido cinzento e ferro fundido nodular. Possui a fundibilidade do ferro fundido cinzento com melhor resistncia mecnica e alguma ductibilidade.

2.3 Usinabilidade dos Ferros Fundidos

A usinabilidade pode ser definida como uma grandeza comparativa e expressa num conjunto de propriedades de usinagem de um material, isto , o grau de dificuldade de usinar um determinado material (Diniz et al., 2006).

Genericamente, os ferros fundidos so tidos como materiais que apresentam uma boa usinabilidade, principalmente os cinzentos e nodulares de menor dureza e resistncia (Boehs et al., 2000). O ferro fundido um material onde a ocorrncia e a distribuio de seus constituintes define sua usinabilidade. Esta no explicada simplesmente pela composio qumica, por ensaios de dureza ou de ruptura trao, destacando-se a microestrutura como sendo um dos principais fatores a influenciar a vida da ferramenta.

Os elementos de liga interferem diretamente na usinabilidade. A determinao da influncia dos elementos de liga que compem os ferros fundidos bastante difcil, tendo em

vista trs fatores: a reao entre si desses elementos, seu efeito na microestrutura e a taxa de esfriamento.

O desempenho dos elementos qumicos mais comuns sobre a usinabilidade dos ferros fundidos pode ser assim analisado:

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- Carbono e Silcio: O carbono e o silcio so os principais elementos de liga. O

carbono determina a quantidade de grafita e o silcio um poderoso elemento grafitizante, ou seja, faz-se a decomposio do carbono combinado (Fe3C) em ferro e carbono melhorando assim sua usinabilidade.

- Mangans e enxofre: O efeito do enxofre deve ser analisado em conjunto com o teor de mangans no ferro. Quando se forma sulfeto de mangans, o enxofre promove a reduo da matriz perltica. Obtm-se um ganho expressivo na vida

da ferramenta quando faz se variar percentagem de sulfeto de mangans, com teores de enxofre entre 0,02 para 0,12 %. Supem se que esse aumento seja consequncia do efeito lubrificante adicional proporcionado pelos sulfetos de mangans, reduzindo o atrito e consequentemente a temperatura de corte.

- A presena de uma quantidade maior de enxofre se traduz na formao de maior nmero de sulfetos, que so responsveis pela ruptura do cavaco em pequenos

fragmentos.

- Fsforo: No apresentam uma ao muito significativa do ponto de vista de

tendncia grafitizante. O fsforo um estabilizador de carboneto de ferro. Atua na estrutura do material formando com o ferro e o carbono, carboneto de ferro e fosfeto de ferro, de aparncia branca e perfurada, chamada steadita.

A steadita um constituinte de natureza euttica, compreendendo partculas de fosfeto de ferro (Fe3P) e carboneto de ferro (Fe3C). Ocorre em reas interdendrticas, formando uma segregao, pois essas reas so as ltimas que solidificam. A steadita dura e quebradia, influenciando de maneira prejudicial usinabilidade. Entretanto, esta contribui na resistncia ao desgaste e forma uma estrutura que desejvel em algumas aplicaes, tal como rolamentos.

Outros elementos tambm podem ser encontrados tais como: Alumnio, Antimnio, Boro, Cromo, Cobre, Mangans, Molibdnio, Nquel, Telrio, Estanho, Titnio, Vandio e Nibio.

9

2.3.1- Influncia da microestrutura na usinabilidade dos ferros fundidos

A usinabilidade dos ferros fundidos diretamente afetada pela distribuio e

proporo de seus diversos constituintes. A dureza um bom indicador da microestrutura e tambm da usinabilidade, porm esta no uma condio suficiente, pois diferentes microestruturas podem ter diferentes propriedades de usinagem apresentando, contudo a mesma dureza.

A influncia dos microconstituintes mais comuns na usinabilidade dos ferros fundidos segundo Silveira (1983), pode ser resumida da seguinde forma:

a) Grafita A presena de grafita no ferro fundido de suma importncia no estudo da

usinabilidade, por ser o elemento que determina as propriedades mecnicas. Porm, a vida da ferramenta depende tambm da microestrutura que circunda a grafita. Esta formada pela decomposio do carboneto de ferro:

Fe3C 3Fe + C

Esta decomposio depende da velocidade de solidificao e da presena de determinados elementos de liga. Segundo Silveira (2003), a grafita cria descontinuidades na matriz facilitando com isto a ruptura do cavaco. Alm disso, atua como lubrificante slido e impede a soldagem do material ferramenta,

reduzindo a formao de aresta postia de corte. A forma da grafita influi menos do que a proporo da mesma, reduz as foras de corte, principalmente nos ferros fundidos com matriz ferrtica.

Segundo Fuller (1997), na solidificao do euttico estvel nos ferros fudidos, a grafita a fase de mais difcil nucleao, sendo o processo heterogneo. As partculas que atuam com centros efetivos para a nucleao da grafita nos ferros fundidos cinzentos, nodulares e com

grafita compacta, so essencialmente as mesmas, provavelmente com diferente importncia relativa no processo para cada um desses materiais. A obteno de diferentes formas de grafita se verifica na etapa de crescimento.

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Para o ferro fundido nodular, materiais com dureza semelhantes, a usinabilidade

aumenta com a maior proporo dos ndulos de grafita em aplicaes de furao. Para aplicaes de torneamento, se o tamanho for muito grande podem reduzir a usinabilidade por causarem cortes descontnuos.

b) Ferrita Trata-se do ferro no estado alotrpico alfa, contendo traos de carbono. Apresenta uma

estrutura de gros poligonais irregulares.

A matriz ferrtica pode ser obtida no estado bruto de fundio em alguns tipos de ferro. Com dureza entre 100 a 150 HB, o microconstituinte de melhor usinabilidade, excetuando-se apenas os casos em que se encontra fortemente ligado com cromo, silcio e alumnio. Com exceo da grafita, a ferrita apresenta mais baixa dureza com relao a outros constituintes do ferro fundido.

c) Perlita A perlita um microconstituinte comum nos ferros fundidos de mdia resistncia e

dureza, com propriedades mecnicas intermediria entre ferrita e a cementita. A matriz

perltica combina muito bem sua boa resistncia ruptura e abraso com uma boa usinabilidade. Sua dureza se situa entre 150 e 350 HB. A perlita fina mais resistente e menos usinvel, enquanto que a perlita grossa menos resistente, com melhor usinabilidade. Nos ferros fundidos, o carbono que combina com a perlita funo da taxa de esfriamento

(Silveira, 1983).

d) Steadita A steadita um microconstituinte de dureza relativamente alta que fica fora da rede

cristalina, e com aumento do teor de fsforo, a usinabilidade comea a cair.

e) Cementita A cementita, carbonetos livres, ou carboneto de ferro (Fe3C), se caracteriza pela sua

elevada dureza, chegando a 800 HB ou mais. Mesmo em proporo muito pequena, reduz acentuadamente a usinabilidade, acentuando o desgaste da ferramenta, principalmente para altas velocidades, por se tratar de um constiuinte altamente abrasivo.

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f) Austenita A austenita possui baixa condutibilidade trmica e maior tenacidade. Sua presena

implica no aumento da velocidade de corte, ngulos de sadas maiores e cuidados especiais com refrigerao e lubrificao (Santos et al., 2007). A austenita esta presente somente nos ferros fundidos com altos teores de Ni, Cu e Mn. A dureza deste microconstituinte de 120 a

160 HB (Silveira, 1983).

2.3.2 Velocidade de resfriamento

muito importante saber o que acontece durante o resfriamento com a estrutura metalogrfica do ferro fundido. Para peas de diferentes sees ocorrem diversas velocidades

de resfriamento. Sees espessas implicam em velocidades menores e sees finas em velocidades maiores de resfriamento.

Nas regies onde ocorrem velocidades altas de resfriamento, sees finas ou reas adjacentes s paredes do molde, no h muito tempo para decomposio da cementita. Dependendo do teor de carbono ou silcio podem ocorrer pouca ou nenhuma grafitizao. Nestas regies forma-se ferro fundido branco que se chama de sees coquilhadas.

Para sees de resfriamento lento, dependendo do teor de carbono e silcio tem-se grafitizao. A estrutura formada constituda essencialmente de perlita e grafita. Essa estrutura apresenta caractersticas de baixa dureza e excelente usinabilidade e uma boa

resistncia mecnica.

A velocidade de resfriamento influi tambm na forma de distribuio e tamanho dos

veios de grafita. Velocidades altas produzem veios finos com uma distribuio dendrtica. Velocidades menores resultam em uma distribuio de tamanhos normais, podendo at ter veios grosseiros de grafita.

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2.4 Ferro Fundido Nodular com Nibio

Segundo Chiaverini (1990) a introduo de elementos de liga no ferro fundido nodular pratica que tende a se generalizar, devido sua influencia ser aproximadamente

idntica que ocorre nos aos.

Quando necessita-se de ferro fundido nodular com uma boa resistncia mecnica normalmente utiliza-se das estratgias:

- Aumentar a dureza aumentando a proporo de cementita. Este procedimento aumenta a fragilidade do material ficando susceptvel a trincas.

- Aumentar o nmero de carbonetos, mas isto pode comprometer o equilbrio da liga

grafita/carbonetos.

O nibio um dos elementos utilizados para melhorar a resistncia das ligas ferrosas

aumentando o nmero de carbonetos. Sua aplicao como elemento de liga no ferro fundido relativamente novo quando comparado com o uso em aos. O uso de nibio em aos tem longa tradio, mas restrita a microconstituinte (

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Segundo Nyln (2001), algumas aplicaes significantes para este tipo de material se encontram na indstria automotiva como na confeco de cabeote de motores, anis de pisto e panelas de freio e tambm na indstria siderrgica na fabricao de rolos laminadores e moinhos.

O nibio forma carbonetos (NbC) estveis e so muito importantes para aplicaes onde requer melhorar a resistncia ao desgaste. Assim, como nos aos a adio de pequenas quantidades de nibio influencia na estabilidade da austenita, refinamento de gros e nas

propriedades mecnicas. Carbonetos de nibio apresentam alta dureza, inclusive a quente. Formam partculas discretas que so precipitadas no ferro lquido e no incorporam no euttico solidificado. Nibio apresenta baixa solubilidade na autenita e no influencia em nveis significantes a distribuio de carbonetos/grafitas no ferro fundido. Outros elementos

de liga como cromo, titnio, zircnio e tntalo geram carbonetos que apresentam propriedades bem diferentes do nibio como densidade, influncia na distribuio dos carbonetos/grafita e solubilidade na austenita, sendo ento restritos suas aplicaes.

Nyln (2001) citando Shao-nan (1999) mostra que as propriedades mecnicas do ferro fundido melhoram com a adio de nibio. Esta caracterstica pode ser explicada pelo fato que o nibio reage com o carbono formando carbonetos reduzindo a quantidade de carbono

livre para formao de grafita. Esta explicao obviamente correta, mas o mecanismo ainda no foi bem explicado. As partculas de NbC possuem vrias propriedades que so importantes para o uso final dessa ligas:

- Densidade muito prxima da densidade do ferro fundido;

- Alta dureza mesmo trabalhando a quente; - Possui uma baixa solubilidade na austenita; - Nibio no influencia ou modifica a composio do ferro fundido em nveis

significantes.

As caractersticas apresentadas acima mostram que o nibio um elemento quase inerte no ferro fundido diferente de outros elementos de liga como cromo, titnio, zircnio e tntalo. Os carbonetos formados com esses elementos apresentam propriedades diferentes das

propriedades dos carbonetos de nibio tais como, influncia na distribuio carbono/grafita e solubilidade na austenita.

No processo de fundio centrfuga muito importante a escolha correta do elemento de liga devido a influncia da alta fora centrfuga no processo. Dependendo da densidade do

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elemento ocorrer uma precipitao na poro externa ou interna do fundido centrifugado.

Este processo conhecido por macro segregao ou sedimentao e est relacionado a densidades diferentes. Devido a densidade do nibio ser muito prxima do ferro fundido ele se aplica muito bem nestas condies.

2.5- Usinabilidade do Ferro Fundido Nodular

A aplicao do ferro fundido nodular est crescendo mundialmente devido s boas propriedades e versatilidade que este material apresenta. A presena de grafita em sua matriz confere a este material uma boa resistncia ao desgaste devido caracterstica lubrificante, consequentemente o atrito reduzido. Ainda, o ferro fundido nodular apresenta uma boa

resistncia ao impacto. Este fato se deve forma esferoidal da grafita que evita a propagao de trincas. Em comparao ao ao (0,3% de C), o ferro fundido nodular apresenta maior fundibilidade. O ponto de fuso menor e, portanto, necessria menos energia para fundir o material, o que conduz a um menor custo do produto. Outra vantagem que o ferro fundido

nodular apresenta maior fluidez no estado lquido e uma menor concentrao na solidificao, possibilitando a fabricao de peas mais complexas ou simplesmente uma otimizao do sobremetal. O ferro fundido nodular apresenta uma melhor relao resitncia/peso. Isto significa que uma pea que fabricada em ferro fundido nodular pode substituir uma pea que

fabricada em ao, suportando a mesma carga, mas reduzindo seu peso. O ferro fundido nodular tambm apresenta boa ductilidade e resistncia fadiga, portanto, ele pode ser utilizado quando a pea est sob solicitao dinmica. So exemplos de peas fabricadas com ferro fundido nodular os virabrequins, anis de pistes, engrenagens, pinhes, comando de

vlvulas, cubos de roda, peas que compe o sistema de suspenso, etc, segundo Taborga et al. (2003), Lucas et al. (2005) e Nyln (2001).

Para os ferros fundidos convencionais, as propriedades de usinagem so influenciadas de modo acentuado pela quantidade e a conformao da grafita que, por um lado, reduz a frico entre a ferramenta e a pea e, por outro, interrompe a continuidade da matriz da microestrutura metlica bsica. Geralmente essa interrupo resulta na facilidade de usinagem

em comparao com o ao, que no possui grafita na sua composio e, gera cavacos na

forma de espirais contnuas, com conseqente necessidade de maiores foras de usinagem.

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A usinabilidade pode ser definida como uma grandeza comparativa e expressa um conjuto de propriedades de usinagem de um material, isto , o grau de dificuldade de usinar um determinado material. A usinabilidade depende de uma srie de condies intrnsecas ao

material tais como o estado metalrgico da pea, da dureza, das propriedades mecnicas do material, de sua composio qumica, das operaes anteriores efetuadas sobre o material. Mas tambm de condies de usinagem, das caractersticas da ferramenta, das condies de refrigerao, da rigidez do sistema mquina-ferramenta, operao empregada, corte contnuo

ou intermitente, condio de entrada e sada da ferramenta, etc (Diniz et al., 2006).

O ferro fundido nodular ou dctil caracteriza-se pela sua ductilidade, tenacidade e

resistncia mecnica. Seu limite de escoamento mais elevado, comparado com o ferro fundido cinzento, e apesar de mais alta presso especfica de corte e resistncia, apresenta boa usinabilidade (Chiaverini, 1990). Segundo Boehs et al. (2000) a grafita presente na micro-estrutura dos ferros fundidos contribui para a boa usinabilidade, tanto pelo fator lubrificao

da ferramenta quanto pela descontinuidade que produz na micro-estrutura e, com isto, a ruptura do cavaco em pequenos segmentos, independentemente do processo de usinagem.

A usinabilidade destes materiais, assim como a dos aos, tambm est fortemente atrelada aos microconstituintes como ferrita, perlita, martensita, austenita, carbetos e densidade de grafita. A composio qumica tambm exerce uma grande influncia como j citado anteriormente (Boehs et al., 2000).

A estrutura resultante, aps o esfriamento da soluo, apresenta o carboneto de ferro e grafita em forma esferoidal, devido presena de pequena quantidade de magnsio ou crio. Essa forma da grafita no interrompe a continuidade da matriz tanto quanto a grafita em

lamelas, resultando assim, melhor ductilidade segundo da Silva e Abro (2006).

Alguns elementos de liga melhoram a usinabilidade (Si, Ni, Al, Cu, S) porque so grafitizantes, outros (Cr, Co, Mn, Mo e W) so prejudiciais, pois, so formadores de carbonetos que so partculas muito duras e abrasivas.

Alguns tratamentos trmicos podem ser realizados a fim de melhorar a usinabilidade do ferro fundido nodular. O recozimento promove a grafitizao do material transformando a cementita (Fe3C) em grafita e austenita. Os elementos resultantes apresentam uma boa usinabilidade (da Silva, 2002).

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Geralmente, os fabricantes de ferramentas e as pesquisas com ferros fundidos recomendam utilizar ferramentas de metal duro pertencentes classe K para usinagem desses materiais. Ferramentas de cermicas, base de xido de alumnio ou de nitreto de silcio,

tambm vm sendo utilizadas em escala significativamente crescente, principalmente quando a usinagem realizada em mquinas que possibilitam trabalhar com velocidades de corte maiores do que as utilizadas com ferramentas de metal duro (Boehs et al., 2000). A classe K e as cermicas so recomendadas para materiais com cavaco descontnuo. Para o ferro fundido

nodular devido ao cavaco contnuo pode-se tambm utilizar ferramentas da classe P (Santos et al, 2007).

Boehs et al. (2000) usinou ferro fundido nodular de fundio contnua FE50007 com as seguintes pastilhas de metal duro:

- GC3015 (P15/K15) (SNMA 120408) com revestimento de nitreto de titnio; - GC4015 (K15) (SCMT 120408 UR) com camada interna de xido de alumnio e

camada externa de revestimento de nitreto de titnio; - GC4025 (P25/K25) (SCMT 120408 UM) com camada interna de carbonitreto

de titnio, xido de alumnio e camada externa de nitreto de titnio. O ferro fundido nodular FE50007 considerado um material com dureza e resistncia mecnica prximas s dos aos ABNT 1040/1045. Constatou-se que entre os trs tipos de metal duro utilizados, o primeiro apresentou ntida superioridade.

No que se refere ao desgaste das ferramentas verificou-se que a partir de um desgaste de flanco VB de 0,20 mm o desgaste da ferramenta aumenta bruscamente de intensidade. Este fato est associado perda do revestimento e, portanto, maior solicitao trmica e atrito nas partes da ferramenta onde isto ocorrer (Boehs, et al., 2000).

Da Silva et al. (2002) utilizou insertos de metal duro e cermica mista para usinar ferro fundido nodular GGG40. Em seus testes trabalhou com insertos de metal duro na classe ISO K com cobertura aplicada pelo processo CVD. O primeiro inserto com duas camadas de

revestimento, uma interna de carbonitreto de titnio (TiCN) e outra externa de xido de alumnio (inserto QM). O segundo inserto testado apresentava tripla camada, uma interna de TiCN (mais espessa), uma intermediria de Al2O3 e a camada externa fina de nitreto de titnio (TiN) (inserto KM). O inserto cermico utilizado apresentava uma composio mista de 70% Al2O3 mais 30% de TiC. Verificou-se nos seus experimentos que a taxa de desgaste de flanco aumenta com a elevao da velocidade de corte. Inicialmente trabalhou com inserto QM de

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metal duro com as seguintes velocidades de corte: 200, 250 e 300 m/min e avano de 0,1, 0,25 e 0,40 mm/rot. Segundo Diniz et al. (2006), a velocidade de corte seguida pelo avano e por ltimo, a profundidade de corte so os parmetros que mais influenciam na vida da ferramenta. Essa afirmao pode ser comprovada pelos resultados apresentados no trabalho de Da Silva et al. (2002). Variando o avano e mantendo-se constantes a velocidade de corte em 250 m/min e a profundidade de corte em 0,5 mm, verifica-se que usando um avano a 0,25 mm/rot o inserto de metal duro QM apresenta um desempenho superior ao metal duro KM. Essa situao se reverte quando o avano excede 0,25 mm/rot, provavelmente devido ao fato de o revestimento de nitreto de titnio apresentar um menor coeficiente de atrito e tambm a

diferena da geometria de quebra cavaco. Para velocidades de corte superior a 250 m/min o inserto de metal duro KM apresenta um desempenho superior ao inserto QM independente do avano utilizado. O inserto de cermica em nenhuma condio apresentou resultado melhor que os insertos de metal duro.

Verificou que os principais mecanismos de desgaste de ferramenta na usinagem de ferro fundido nodular GGG40 foram difuso na superfcie de sada e abraso na superfcie de

folga. Verificou-se que a ferramenta de cermica apresenta maior integridade da aresta cortante, o que implicou num melhor acabamento da superfcie usinada.

Ghani et al. (2002) usinou ferro fundido nodular com pastilha de cermica mista (Al2O3 + TiC) usando a geometria DNGA 150408 T01020 sem refrigerao. As velocidades de corte utilizadas esto na faixa de 364 685m/min. Aps pequenos intervalos de tempo interrompia-se o teste. Quando o desgaste da pastilha era maior que 0,3 mm descartava-se a aresta de corte e reaplicava o teste. Em todas as condies testadas percebeu-se que a vida da ferramenta foi muito curta. A melhor condio de corte foi para velocidade de corte de 364 m/min. A vida da ferramenta foi de 1,5 min. Para avano de 0,22 mm/volta e velocidade de corte de 500 m/min a vida da ferramenta foi menor que 1 min. Concluiu-se ento que a pastilha de cermica mista (Al2O3 + TiC) no apresenta uma boa performance para usinagem em altas velocidades de corte devido ao fim de vida precoce da ferramenta.

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2.6 Mecanismos de Formao do Cavaco

Sobre o processo de formao de cavaco na usinagem de ferro fundido nodular tm-se algumas particularidades. Em contrapartida a usinagem do ao, ocorrem menores solicitaes mecnicas e, respectivamente, menores solicitaes trmicas. Porm, estas solicitaes so

distribudas em uma pequena zona e oscila com a freqncia da segmentao dos cavacos Klocke & Klpper (2006). A Figura 2.1 apresenta algumas caractersticas tpicas da formao de cavaco na usinagem do ao e ferro fundido.

O maior consumo de energia na usinagem ocorre nas regies de deformao. Por isso, os problemas prticos e econmicos relativos ao processo, como taxa de remoo, formao de aresta postia, desgaste da ferramenta de corte, acabamento superficial, quebra do cavaco,

vibraes, comportamento da fora de usinagem e temperaturas so diretamente relacionadas com a formao do cavaco. A busca de solues para esses problemas requer a compreenso do comportamento de fratura do material quando sujeito a elevada quantidade de deformao plstica, da forma como este volume deformado transforma-se em cavaco e, por sua vez,

movimenta-se sobre a face da ferramenta de corte, (1991).

FORMAO DE CAVACO CONTNUOS

Tpico para materiais dcteis (ao)

- Processo de cisalhamento contnuo - Solicitao trmica e mecnica uniforme - Transmisso de fora atravs da zona de

cisalhamento e distribuio sobre toda a zona de contato do cavaco

FORMAO DE CAVACOS NO-CONTINUOS

Tpico para ferros fundidos com grafita nodular

- Compresses descontnuas e processo de formao de trincas (grafita: defeito interno).

- Reduzido, mas com solicitao mecnica oscilante

- Pouca transmisso de fora atravs da zona de cisalhamento e, portanto, zona de contato do cavaco pequena

Figura 2.1: Comparao da formao de cavacos entre aos e ferro fundidos

(Klocke & Klpper, 2006).

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A visualizao do processo de formao do cavaco pode ser feita com o auxlio do

recurso da filmagem em cmera lenta. Este processo tem um custo relativamente elevado e s permite a visualizao das condies de deformao na regio externa do cavaco, Trent (1991). Lucas et al. (2005) analisou a formao do cavaco a partir de observaes e anlises de fotografias das razes de cavaco obtidas pela interrupo sbita do processo de

torneamento do ferro fundido nodular ferrtico, Figura 2.2.

Segundo Lucas et al. (2005), em condies normais de trabalho, a formao do cavaco um fenmeno peridico onde cada poro de material removido, tem-se alternadamente uma etapa de recalque e uma etapa de deslizamento.

Figura 2.2: Seo da raiz do cavaco do ferro fundido nodular ferrtico (Lucas et al., 2005).

O material utilizado para teste por Lucas et al. (2005) foi o ferro fundido nodular ferrtico, classificado pela norma DIN 1663 como GGG42. Para velocidades de corte menores que 40 m/min percebeu-se que o mecanismo de deformao plstica dominante na interface resulta do movimento de discordncias e subseqente encruamento. A primeira camada de

material que se adere face da ferramenta encruada e sua tenso de escoamento elevada. Como a tenso de cisalhamento no suficiente para romper a ligao com a ferramenta de corte, a deformao prossegue no metal localizado prximo aresta de corte da ferramenta, at se tornar extremamente encruado. Atravs do processo cclico de deposio de camadas

20

encruadas de material sobre a face da ferramenta, forma-se a aresta postia de corte conforme

Figura 2.2.

Para velocidades de corte de 80 m/min no se percebe mais aresta postia de corte na

interface cavaco-ferramenta, dando lugar formao de uma zona de fluxo. A zona de fluxo uma instabilidade termoplstica e o comportamento do material dentro desta zona uma das principais caractersticas da deformao do material a elevadas velocidades de corte.

A Figura 2.2, evidencia a ocorrncia de uma grande quantidade de deformao plstica. As grafitas apresentam fortemente alongadas, com orientao paralela regio primria de deformao.

21

Captulo 3

FUNDAMENTOS DA USINAGEM

3.1- Materiais para Ferramentas de Corte

O processo de usinagem utiliza como ferramenta um material mais duro que o da pea.

o processo mais comum entre os processos de fabricao existentes. O surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistncia mecnica e elevada dureza contribuiu para o aparecimento de materiais de ferramentas mais resistentes para as operaes de usinagem permitindo trabalhar com velocidades de corte sempre maiores. Como

dureza e tenacidade so duas propriedades antagnicas, pode-se encontrar hoje no mercado alguns materiais para ferramentas como diamante, CBN, cermica, cermet, metal duro e ao rpido conforme mostrado na Figura 3.1, com invejveis caractersticas de tenacidade e dureza. Isto foi conseguido graas produo de ferramentas com diferentes composies

qumicas, tamanho de gros finos e total controle do processo de fabricao e tratamento trmico, o que lhes confere um grau de dureza e qualidade excepcional.

O constante surgimento de novas ligas, com propriedades mecnicas e dureza cada vez maior, cria uma demanda contnua por novos materiais de ferramenta, com propriedades altura dessas ligas.

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Figura 3.1 Materiais empregados para ferramentas de corte (Iscar Ltd., 2001).

A escolha correta do tipo de material para a ferramenta implica numa anlise criteriosa de vrios fatores que interagem entre si, resultando num mecanismo complexo e difcil de ser

quantificado. Essa interao entre variveis promove o surgimento de agentes indesejveis que aceleram o mecanismo de desgaste, promovendo uma reduo da vida til, diminuindo a qualidade superficial e provocando variaes dimensionais na pea.

Para resistir ao dos agentes causadores de desgaste, necessrio obter certas qualidades para a ferramenta de corte, dentre as quais se destacam a resistncia s tenses compressivas sob elevada temperatura, tenacidade, estabilidade qumica e trmica. Atualmente, a busca por ferramentas com maior dureza e maior resistncia ao desgaste est

ligada necessidade de velocidades de corte cada vez maiores para atender o aumento de produtividade, Abele & Drr (2002).

A Figura 3.2 mostra a dureza mdia dos principais materiais utilizados hoje para ferramentas de usinagem. O diamante o material mais duro utilizado, mas no se aplica aos materiais ferrosos. Sua composio a base de carbono reage com o ferro. Atualmente o metal duro o material mais utilizado pelas ferramentas de corte conforme apresentado na Figura

3.1 e sua participao esta aumentando cada vez mais devido aos novos desenvolvimentos em nanotecnologia e os vrios tipos de cobertura presentes no mercado. O ao rpido j foi o

Metal Duro 45%

HSS 35%

Cermet 8%

Ceramica 5%

PCD, CBN 4% Outros 3%

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material mais utilizado para ferramentas, mas muito limitado pela baixa velocidade de corte.

Atualmente o ao rpido vem sendo substitudo pelo metal duro com sucesso e seu uso tende a cair ainda mais.

7.500

5.000

1.800 1.700 1.5001.000

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

Dure

za (H

V)

DIAMANTE CBN CERAMICA CERMET METALDURO

HSS

Materiais para Ferramentas de Corte

Dureza Ferramentas de Corte (HV)

Figura 3.2 Dureza dos materiais para ferramentas de corte (Trent, 1991).

Para a escolha correta da ferramenta de corte deve-se analisar o material a ser usinado, o processo de usinagem, as condies da mquina operatriz, custo do material da ferramenta, as condies de usinagem (parmetros de corte) e as condies da operao.

Segundo Diniz et al. (2006) e Stemmer (1989), as principais propriedades que um material de ferramenta deve apresentar so:

- Dureza;

- Tenacidade; - Resistncia ao desgaste; - Resistncia a compresso;

- Resistncia ao cisalhamento;

- Boas propriedades mecnicas e trmicas a altas temperaturas; - Resistncia ao choque trmico;

- Inrcia qumica.

Estas propriedades no esto listadas em ordem de importncia, at porque as qualidades necessrias ferramenta podem variar bastante com a operao de usinagem, com

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o material a ser usinado e com os parmetros de corte. Porm, de um modo geral, pode-se

dizer que as mais importantes so a dureza e a tenacidade.

O processo de seleo da ferramenta deve-se considerar os seguintes fatores:

a) Substrato: o principal componente estrutural da ferramenta. b) Cobertura: Pode ser aplicada uma nica camada ou multicamadas. Apresentam as seguintes caractersticas: fornecem resistncia ao desgaste, lubricidade, isolamento trmico e resistncia ao ataque qumico pelo material usinado em temperaturas

elevadas. c) Geometria da ferramenta: forma da pastilha (quadrada, triangular, etc), ngulos (folga, sada, posio, etc). d) Condio da aresta de corte: aresta de corte viva, chanfrada ou arredondada (honning).

Atualmente tem-se disponvel no mercado uma grande quantidade de materiais para

ferramentas de corte: Com base nas caractersticas qumicas, os principais materiais podem ser agrupados da seguinte maneira: ao rpido, ao rpido com cobertura, metal duro, metal duro com cobertura, cermica, nitreto cbico de boro (CBN) e diamante (PCD), Diniz et al. (2006).

3.1.1 Ao rpido

Desenvolvido por Taylor, no final do sculo XIX, o ao rpido foi o responsvel pelo primeiro grande salto tecnolgico na histria da usinagem. Os aos rpidos (HSS) levaram esse nome devido ao fato de proporcionarem elevao das velocidades de corte nas operaes de usinagem, que antes eram executadas por ferramentas em ao carbono e ao liga. Atualmente os aos rpidos so utilizados principalmente em brocas, fresas de topo, cossinetes para roscas, brochas, etc., j que o aparecimento de novos materiais para ferramentas permitiu a utilizao de velocidades de cortes no suportadas pelos aos rpidos.

O ao rpido um ao de alta liga com microestrutura martenstica com incluses de

carbonetos. Os principais elementos de liga dos aos rpidos e os efeitos resultantes de suas aplicaes so mostrados na Tabela 3.1.

25

Tabela 3.1 Principais elementos de liga dos aos rpidos (Chiaverini, 1990).

ELEMENTO COMP. MEDIA (%) EFEITO Carbono 0,7 1,6 Aumenta a dureza

Tungstnio 18 20

Aumenta a resistncia ao desgaste; formador de carbonetos.

Molibdnio 3 9,5

Aumenta a resistncia ao desgaste; formador de carbonetos.

Vandio 1 5 Aumenta a dureza a quente; formador de carbonetos

Nibio 1 5 Aumenta a dureza a quente: formador de carbonetos

Cromo 4 4,5 Diminui a oxidao; garante temperabilidade

Cobalto 4 12 Aumenta a dureza a quente; evita crescimento de gro.

importante ressaltar que o molibdnio confere aos aos rpidos as mesmas propriedades conseguidas com o tungstnio, porm, por possuir menor peso atmico, assegura maior tenacidade, a um custo inferior.

Os aos rpidos revestidos surgiram nos anos 80, com a introduo do processo de deposio fsica de vapor (PVD) citado mais adiante. O processo de cobertura originalmente desenvolvido para a aplicao de revestimento de ferramentas de corte, o CVD (Chemical vapour deposition), desenvolvido na dcada de 60, realizado a temperaturas na ordem de 1000 C, acima da temperatura de revenimento dos aos no podendo ser aplicado para as ferramentas de ao rpido. O processo PVD realizado com temperaturas prximas a 500 C viabilizando a aplicao de coberturas em ferramentas de ao rpido. Estes revestimentos proporcionaram ferramenta boa tenacidade no ncleo e alta resistncia ao desgaste na

superfcie. Segundo Diniz (2005), para revestimento utiliza-se o nitreto de titnio (TiN) e o carbonitreto de titnio (TiCN). A desvantagem do revestimento do ao rpido que aps a ocorrncia do desgaste o operador, ao reafiar a aresta de corte, efetua a remoo da camada de revestimento, o que resulta numa nova aresta de corte com propriedades diferentes da

ferramenta nova.

Segundo Machado (1988) os aos rpidos sinterizados so fabricados pelo processo de metalurgia do p, que tem a vantagem de possibilitar partculas de carbonetos muito menores e mais dispersas na matriz, alm de facultar a incorporao de um nmero maior de elementos de liga (carbonetos) que o processo de fabricao convencional.

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3.1.2 Metal duro

O metal duro material para ferramenta feito pela tcnica da metalurgia do p onde so aglomerados partculas duras de carbonetos de materiais refratrios em p como tungstnio, titnio, tntalo e nibio. Embora os vrios gros de carbetos sejam solveis um no outro e possam formar um carbeto por eles mesmos, as ferramentas de corte precisam de um metal ligante para fortalecer o material que segura os gros juntos no corte e evitam a fratura. Tradicionalmente esse elemento o cobalto. Koelsch (2000) cita o nquel como um outro elemento que pode ser utilizado como ligante conferindo ao metal duro melhores

propriedades para cortes a temperaturas mais elevadas principalmente na usinagem sem fludo de corte.

O metal duro atualmente o principal material para ferramenta de corte, Figura 3.1.

Segundo Koelsch (2000), a ascendncia do metal duro predominou nos ltimos dez anos devido a evoluo das classes que podem suportar o calor e a abraso do corte a altas temperaturas e a usinagem de materiais difceis de usinar. As ferramentas de corte tornaram-se mais robustas e precisas. Isto foi conseguido principalmente atravs de quatro avanos tecnolgicos: diminuio do tamanho de gro, melhores ligantes, gradientes de concentrao

de cobalto e a grande evoluo dos tipos de revestimento. Estes avanos melhoraram a resistncia ao desgaste, a tenacidade e a dureza a quente.

A combinao das propriedades (tamanho de gro, proporo da liga) dos carbonetos estabelece as condies finais da pastilha de metal duro, definindo sua caracterstica e aplicabilidade. Essas propriedades so trabalhadas durante o processo de produo da pastilha e devem ser variadas para que se possa obter o balano desejado entre dureza e tenacidade.

Segundo Koelsch (2000), historicamente o tamanho das partculas tem variado entre 1 e 10 m, mas os fabricantes esto encolhendo ainda mais esta dimenso at abaixo do metal

duro em microgro onde as partculas possuem tamanho na ordem de 1 m. A reduo do tamanho do gro torna o metal duro mais denso melhorando a tenacidade fratura. Sendo assim, estes materiais apresentam maior resistncia da aresta de corte. As pastilhas feitas destes materiais podem ter uma geometria altamente positiva sem que ocorra o lascamento da

ferramenta. A Iscar Ltd. em seu Instituto de Tecnologia Technion (Haifa, Israel) est concludo experincias com carbeto de cromo (Cr3C2) e carbeto de Vandio (VC) para inibir o

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crescimento dos gros de tamanho de nanmetros e criar uma nova famlia de ferramentas

com nanogros.

Para melhorar a tenacidade superficial sem sacrificar a resistncia deformao em

outras reas, os fabricantes de ferramentas de metal duro criaram gradientes de concentrao de cobalto. Ajustando a concentrao de cobalto na superfcie pode-se criar pastilhas tenazes no ncleo e duras na superfcie ou duras no ncleo e tenazes na superfcie.

3.1.2.1 - Classificao do metal duro

Os metais duros, com ou sem revestimento, so materiais de ferramentas utilizados na usinagem fabricados em vrias classes, que foram desenvolvidas para cobrir a ampla faixa de necessidade operacional existente e so regulamentadas pela norma ISO. A norma ISO 513 /2004 classifica os metais duros em 6 grupos, designados pelas letras P, M, K, N, S e H, tambm designado por um cdigo de cores (respectivamente, azul, amarelo, vermelho, verde, laranja e cinza). A classificao dentro de um grupo ou outro feita de acordo com a aplicao do metal duro, uma vez que a variedade de composies qumicas e processos de fabricao torna difcil a padronizao baseada em outras caractersticas. Dentro de cada grupo, ainda h uma classificao usando nmeros. A exigncia de usinagem para qualquer

uma das classes inicia-se no grupo 1 e representa acabamento para torneamento e furao com alta velocidade de corte, baixo avano e pequena profundidade de corte. medida que cresce, chegando at os valores de 50 ou 40, representa o grupo de desbaste, sem acabamento, com baixas velocidades de corte, grandes profundidades de corte e altas cargas de cavacos. As

exigncias para resistncia ao desgaste e a tenacidade variam de acordo com o tipo de operao e so grandezas inversas, ou seja, crescem e decrescem, respectivamente, medida que se muda de grupo. Segue as classes de metal duro com suas principais aplicaes:

P: P1 P50 - Representa a usinagem de materiais ferrosos que produzem cavacos longos, tais como aos fundidos, aos e ferros maleveis. Possui, em sua composio, elementos como, WC, Co, TiC, TaC e NbC. M: M01 M40 - Representa a usinagem de materiais de maiores exigncias, tais como aos inoxidveis austenticos, materiais resistentes ao calor, ao mangans, ferro

fundido ligado, etc. Sua composio semelhante classe P. K: K01 K40 - Representa a usinagem de materiais ferrosos que produzem cabaos curtos, tais como ferro fundido e ao endurecido. Sua composio definida somente por WC + Co.

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N: N01 N30 - Representa a usinagem de materiais no ferrosos, tais como

alumnio, bronze e lato. S: S01- S30 - Representa a usinagem de superligas ou ligas resistentes ao calor tais como titnio, inconel, etc.

H: H01 H30 - Representa a usinagem de materiais endurecidos tais como ao

temperado e ferro fundido coquilhado.

3.1.2.2- Processos de revestimento

O objetivo do emprego de revestimentos nas ferramentas de corte , em primeiro lugar, aumentar a dureza comparativamente dureza do substrato e, portanto possibilitar uma

reduo do desgaste abrasivo. Os objetivos adicionais com referncia ao substrato so a reduo da tendncia de aderncia, o que resulta em reduo do desgaste por aderncia e do coeficiente de atrito e, consequentemente, em foras e temperaturas de corte mais baixas.

Os revestimentos para ferramentas de corte de metais podem ser realizados pelo processo de Deposio Qumica a Vapor (CVD, Chemical Vapour Deposition) e pelo processo de Deposio Fsica a Vapor (PVD, Phyfical Vapour Deposition). A Tabela 3.2 mostra as caractersticas de cada processo.

Tabela 3.2 Caractersticas dos revestimentos CVD e PVD (Abele & Drr, 2002).

PROCESSO CVD Deposio qumica

de vapor PVD Deposio fsica de

vapor

TEMPERATURA 800 - 1100 C 200 - 500 C

COBERTURA Carbonetos, Nitretos e xidos TiN, TiCN e TiAlN

ESPESSURA TOTAL 2 20 m 2 7 m

CARACTERSTICAS Cobertura total Cobertura orientada

PROPRIEDADES

Maior nmero de combinaes possveis.

Boa aderncia da cobertura

Aresta de corte viva Menos tenses entre

substrato e cobertura

No processo CVD, ocorre a deposio devido reao qumica entre gases, que podem variar conforme o revestimento a aplicar. Para o TiC, usa-se H2, TiCl e metano. As pastilha so aquecidas a uma temperatura prxima de 1000 C. Para revestimento com xido

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de alumnio usa-se o cloreto de alumnio e nitrognio. O processo CVD bem adaptado e est

bem desenvolvido, principalmente para permitir a execuo de vrios tipos de revestimento usando o mesmo equipamento. O revestimento feito de forma uniforme e homognea e a adeso entre o revestimento e o substrato excelente devido forte difuso entre o revestimento e o substrato. Entretanto, as desvantagens so a escolha restrita dos materiais de

revestimento, produtos de reao ecologicamente suspeitos e a alta temperatura do processo de revestimento de at 1100 C. Esta altas temperaturas exclui as ferramentas de ao rpido de serem revestidas e pode causar fragilidade mesmo nos casos de substrato de metal duro. Adicionalmente, so geradas tenses internas nominais termicamente induzidas, que podem

causar trincas. Isto superado pelos processos CVD de baixa temperatura apoiados por plasma, os quais podem usar temperaturas de revestimento entre 400 e 600 C, mas que, por outro lado, no produzem a aderncia e qualidade equivalentes do revestimento, Abele e Drr (2002).

Caractersticas do processo CVD:

Temperatura do processo em torno de 1000 C;

Alta adeso ao substrato;

Alta resistncia ao desgaste;

Induz tenses residuais de trao e trincas (efeitos indesejveis).

No processo PVD, que utilizado para revestimento de aos rpidos e metal duro, a temperatura obtida em torno de 500 C. O material para revestimento movido para o substrato do metal a revestir, atravs de vaporizao. Como exemplo, o Ti ionizado com uma barra eltrica ajustada como uma fonte de energia para formar um plasma de vapor juntamente com o nitrognio.

Ferramentas cobertas pelo processo PVD permitem ter uma aresta de corte mais afiada. Tanto revestimento com camada nica quanto de multicamadas so utilizados atualmente, com espessuras que variam de 3 a 7 m. Como os revestimentos de PVD so

utilizados em temperaturas mais baixas (200 a 500C), o substrato mais bem protegido contra difuses trmicas ou mecnicas. Entretanto, as desvantagens do processo so uma formao ruim do revestimento nas cavidades e rebaixos, como tambm o custo elevado do equipamento, Abele e Drr (2002)

Caractersticas do processo PVD:

Temperatura do processo em torno de 500 C;

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Incapaz de revestir geometrias complexas;

Induz tenses residuais de compresso.

Segundo Schulz et al. (2000), os revestimentos tambm podem ser usados com lubrificante slido reduzindo o atrito, possibilitando usinagem a seco ou, pelo menos, a usinagem com mnima quantidade de lubrificante (MQL). As camadas lubrificantes possuem como base uma camada de material duro, sobre a qual depositada uma camada de material

macio (por exemplo, dissulfeto de molibdnio, MoS2) ou uma segunda camada de material duro com propriedades lubrificantes (TiN).

Segundo Mason (2003), revestimentos mais espessos proporcionam resistncia ao desgaste, mas h um limite prtico para a espessura, devido tenso, o que faz com que eles percam aderncia e descasquem. As mximas espessuras ideais so de cerca de 15 m para CVD e 6 m para PVD. Nas aplicaes de fresamento e torneamento com corte interrompido o revestimento pelo processo PVD mais indicado devido a excelente resistncia da aresta de

corte e melhor tenacidade a fratura. J para aplicaes de torneamento favorecem os revestimentos feitos pelo processo CVD.

3.1.2.3- Metal duro revestido

O metal duro revestido surgiu no final dos anos 60. Foi aplicada numa pastilha de metal duro uma fina camada de carboneto de titnio. Essa fina camada proporcionou uma melhoria considervel no desempenho da pastilha, pois se percebeu maior aceitao de altas velocidades de corte, maior vida til, maior tolerncia s altas temperaturas e, consequentemente, maiores avanos.

A aplicao de coberturas nas ferramentas de usinagem implicam em ferramentas mais eficientes que se traduz em maior volume de cavaco por tempo, aumento da vida til com

aumento da velocidade de corte. A aplicao dessa tecnologia produz aumento significativo da produtividade, com a conseqente reduo dos custos de produo.

A tecnologia de usinagem a seco dispensa totalmente a necessidade de refrigerao ou, pelo menos, usa-a em quantidade mnima. Contudo, deixam de ser executadas, dessa forma, as funes principais da refrigerao e lubrificao aplicadas no processo de usinagem: lubrificao, dissipao de calor e transporte de cavaco.

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Segundo Schulz et al. (2000), as funes que deixam de ser executadas em decorrncia da supresso de refrigerao e lubrificao durante a usinagem podem ser ao menos parcialmente substitudas, pela introduo de camadas sobre o substrato das ferramentas. A camada permite que ocorra a separao entre a ferramenta e o cavaco. O coeficiente de atrito que surge na interface recm-criada entre esse par de matrias muito pequeno e atua no

sentido de reduzir as foras decorrentes da frico. Dessa forma, tambm se reduz a gerao de calor na zona de contato.

Alm disso, a camada de revestimento atua isolando termicamente o material de corte. O calor, que agora no mais eliminado pelo fludo refrigerante, no pode penetrar indiscriminadamente no substrato. Dessa forma, conveniente que a camada apresente dureza a quente mais alta. Uma melhor resistncia ao desgaste a quente um fator importante na

usinagem a seco. Este requisito satisfeito hoje por uma srie de camadas de materiais de grande dureza. A escolha da camada tima depende muito do material a ser usinado e do processo de usinagem.

Segundo Boehs et al., 2000, na usinagem de ferro fundido o desgaste das ferramentas aumenta abruptamente para desgastes de flanco acima de 0,20 mm. Este fato esta associado perda do revestimento na aresta de corte dessas ferramentas, que traz como conseqncia uma

maior solicitao trmica e maior abraso sobre o substrato.

Segundo Abele & Drr (2002) e Gey (2006) os seguintes revestimentos so aplicados aos insertos de metal duro:

Carboneto de titnio (TiC); Nitreto de titnio (TiN); xido de alumnio (Al2O3); Carbonitreto de titnio (TiCN); Nitreto de titnio alumnio (TiAlN); Nitreto de cromo alumnio (AlCrN).

A Figura 3.3 apresenta a microdureza Vickers para as principais coberturas. Essa microdureza pode variar dependendo do processo da cobertura, Peyre & Winterholler (1994).

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0500

100015002000250030003500

MIC

RODU

REZA

(H

V 0,

05)

TiC TiAlN AlCrN TiCN Al2O3 TiN MD

Microdureza dos Revestimentos

Figura 3.3 Microdureza dos revestimentos. (Abele e Drr, 2002; Balzers, 2007).

O TiC e Al2O3 possuem alta dureza, favorecem a resistncia ao desgaste e so quimicamente inertes, formando uma proteo qumica contra os agentes ativados termicamente entre a ferramenta e o cavaco. Segundo Schulz et al. (2000), os revestimentos cermicos a base de alumnio geralmente so usados apenas em combinao com outros tipos

de camadas.

O TiN no um material to duro, Figura 3.3, mas favorece a formao de um baixo

coeficiente de atrito na face da pastilha, o que resulta em melhoria da resistncia ao desgaste por crateras na usinagem de materiais ferrosos, alm de possuir uma cor dourada, que propicia alto brilho e acabamento pastilha permitindo fcil deteco do desgaste da pastilha.

O TiC possui timas propriedades de resistncia ao ligamento e deposio, alm de boa resistncia ao desgaste, podendo portanto ser aplicado prximo face da pastilha e, em conjunto com uma outra camada de um segundo revestimento, prxima ao topo da superfcie, favorece uma resistncia adicional ao desgaste. Uma fina camada desse revestimento, embora favorea o ligamento e a deposio, contm carbono e necessita, portanto, de um outro revestimento para que possa ser utilizada e suportar altas temperaturas, da a necessidade de combin-lo com o Al2O3.

A utilizao de um revestimento TiAlN vantajoso em usinagem a seco, pois, essa cobertura oferece uma boa resistncia a temperaturas elevadas, Schulz et al. (2000). Segundo Gey (2006), a introduo do alumnio na estrutura TiN de superfcie cbico centradas melhorou a resistncia a oxidao.

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Gey (2006) afirma que outras melhorias na rea da resistncia oxidao e propriedades de altas temperaturas podem ser atingidas com o acrscimo de pequenas quantidades de elementos qumicos formadores de xidos como o cromo (Cr), o trio (Y) e o silcio (Si) ou pelo aumento do teor de alumnio (Al) nas camadas. Esses revestimentos so aplicados principalmente para altas velocidades de corte e para a usinagem de materiais

temperados.

A busca por melhoria nas ferramentas e o total domnio das coberturas TiAlN onde

melhorias s acontecem pontualmente levou ao desenvolvimento de novas geraes de revestimentos baseados no elementos Al-Cr-N. A grande vantagem desses sistemas e a otimizao da resistncia ao desgaste abrasivo, da dureza a altas temperaturas e da resistncia a oxidao, em comparao com os revestimentos tradicionais de TiAlN. As realizaes de

testes abragentes demonstram que, tanta a altas velocidades de corte quanto em condies convencionais, h uma melhoria efetiva da eficincia. A excelente propriedade de dureza a temperaturas elevadas, assim como a alta resistncia oxidao do AlCrN,comprovam o aumento da eficincia em comparao com os

revestimentos tradicionais. Mesmo a baixas velocidades de corte, no provoca fissuras no substrato da ferramenta. Essas fissuras podem causar rpidas quebras de arestas, como ocorre com revestimentos de TiAlN com elevados teores de Al. Para altas velocidades de corte a cobertura AlCrN apresenta excelentes propriedades termofsicas, alm do bom

comportamento ao desgaste abrasivo segundo Gey (2006).

Para que um revestimento realmente seja eficaz, necessrio a escolha certa do substrato para uma determinada aplicao. Materiais cermicos como carboneto de titnio (TiC), xido de alumnio (Al2O3) e nitreto de titnio (TiN), proporcionam uma barreira ao desgaste e ao danos por transferncia trmica. Cada um dele tem um desempenho melhor em uma funo especfica. A figura 3.4 mostra as propriedades dos principais coberturas utilizadas atualmente e suas principais caractersticas. Quanto mais espessos elas forem, mais eficaz ser a barreira. Mas, h um limite prtico para a espessura, devido tenso, o que faz com que eles percam aderncia e descasquem. As mximas espessuras ideais so de cerca de 20 m para cobertura CVD e 6 m para cobertura PVD, (Mason, 2003).

A Figura 3.4 apresenta graficamente as principais caractersticas para cada as coberturas mais utilizadas atualmente.

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Figura 3.4 Principais propriedades das coberturas (Iscar Ltd., 2001).

A anlise da espessura do revestimento (que em geral varia de 2 a 12 m no total) permite concluir que para espessuras superiores a essas, produzem um efeito negativo na pastilha. J camadas muito finas, apesar do substancial aumento da dureza e tenacidade, favorecem a fragilidade e o lascamento. Deve-se, portanto, executar o revestimento para que

se obtenham um balano adequado entre dureza e tenacidade nas propriedades da ferramenta de corte.

3.2 Tipos de Desgaste das Ferramentas

O estudo dos principais mecanismos de desgaste das ferramentas de corte torna-se necessrio para se adequar os parmetros do processo e reduzir os problemas de parada de

mquina para troca da ferramenta. A otimizao dos parmetros de corte melhora a produtividade e previsibilidade do sistema adequando o processo para uso de modelos automatizados.

Estabilidade Qumica

Resistncia ao desgaste Coeficiente de atrito

Al2O3 TiC TiCN TiAlN TiN

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Segundo Trent (1991), o entendimento da interao entre a ferramenta e o cavaco explica todos os tipos de desgastes normalmente encontrados nas ferramentas de corte. Comete-se um erro ao se considerar que a interao entre o cavaco e a ferramenta de corte

durante um processo de usinagem uma situao totalmente de atrito clssico de Coulomb, no qual foras de frico tendem a impedir o movimento do cavaco pela superfcie de sada da ferramenta. Neste caso, a fora normal que age sobre a superfcie de sada da ferramenta dividida pela rea de contato muito baixa, comparada coma tenso de escoamento dos

materiais em contato. Essa abordagem no pode ser aplicada no caso de usinagem dos metais. Na interface cavaco ferramenta so gerados tenses compressivas elevadas, na ordem de 775 MPa, o que produz uma situao em que duas superfcies esto intimamente ligadas e a rea de contato torna-se independente da fora normal, (Melo et al., 2005).

Os principais tipos de desgaste e avarias nas ferramentas de corte so: - Desgaste de cratera;

- Desgaste de flanco; - Desgaste de entalhe; - Deformao plstica da aresta de corte; - Lascamento;

- Trincas origem trmica ou mecnica

- Quebra.

A norma ISO 3685 de 1993 quantifica os desgastes das ferramentas de corte. A Figura 3.5 mostra os desgastes que devem ser medidos numa ferramenta. Na superfcie de sada medem-se os desgastes: profundidade de cratera (KT), largura da cratera (KB) e distncia do centro da cratera aresta de corte (KM). Na superfcie de folga mede-se a largura do desgaste de flanco (VB) que um valor mdio do desgaste na superfcie de folga e a largura mxima do desgaste de flanco (VBmax). Mede-se ainda o valor dos desgastes gerados na superfcie de folga pelos entalhes (VBN e VBC).

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Figu

Torneamento Metal Duro FoFo

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