Usinabilidade de Materiais - 2 Parte (1)

TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA

INSTITUTO DE ESTUDOS SUPERIORES DA AMAZONIA

Usinabilidade dos Materiais

Luiz Otávio Sinimbú de Lima 2011

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Dampfturbine_Montage01.jpg


O que é aço?

Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono, com

percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%.

Distinguem-se dos ferros fundidos, que também são ligas

de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,06%

e 6,67%.

A diferença fundamental entre ambos é que os aços, pela

sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja,

laminação e extrusão, enquanto que peças em ferros

fundidos são fabricadas pelo processo de fundição



Além dos componentes principais indicados, os aços

incorporam outros elementos químicos, alguns

prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do

combustível empregue no processo de fabricação, como

o enxofre e o fósforo. Outros são adicionados

intencionalmente para melhorar algumas características

do aço para aumentar a sua resistência,

ductibilidade,dureza ou outra, ou para facilitar algum

processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de

elementos de liga como o níquel, o cromo, o molibdênio e

outros.



No aço comum o teor de impurezas (elementos além do Ferro e do

Carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de

outros elementos já pode considerado aço de baixa-liga, acima de

5% é considerado de alta-liga. O Enxofre e o Fósforo são elementos

prejudicais ao aço pois acaba por intervir nas suas propriedades

físicas deixando o aço quebradiço. Dependendo das exigências

cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso

ou então podem pedir o uso de um antisulfurante como o magnésio

e outros elementos de liga benéficos.

O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel

em altas doses (ultrapassam 20%)



O aço é atualmente a mais importante liga metálica,

sendo empregada de forma intensiva em numerosas

aplicações tais como máquinas, ferramentas, em

construção, etc . Entretanto, a sua utilização está

condicionada a determinadas aplicações devido a

vantagens técnicas que oferecem outros materiais como

o alumínio no transporte por sua maior leveza e na

construção por sua maior resistência a corrosão, o

cimento (mesmo combinado com o aço) pela sua maior

resistência ao fogo, e os materiais cerâmicos em

aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.



Na ciência dos materiais, dureza é a propriedade

característica de um material sólido, que expressa

sua resistência a deformações permanentes e está

diretamente relacionada com a força de ligação dos

átomos.

Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da

capacidade de um material "riscar ou penetrar" o

outro,



Ductilidade:

Propriedade que tem o material de sofrer deformação

permanente por tração, sem que ocorra a sua ruptura



Usinabilidade

Definição:

De um modo geral, é o grau de dificuldade de se

usinar um determinado material.



Usinabilidade - Propriedades

As propriedades do material que podem afetar sua usinabilidade são:

Dureza

Resistência a tração

Ductilidade

Condutividade térmica

Taxa de encruamento



UsinabilidadeDureza / Resistência a tração

Dificulta a usinabilidade

Aumenta os esforços de corte

Ductilidade

Melhora a usinabilidade

Favorece a formação dos cavacos

Diminui os esforços de corte

Tendências a formação de aresta postiça



Usinabilidade

Condutividade térmica

Melhora a usinabilidade

Diminui o calor gerado na região de corte

Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que têm

maior condutividade térmica são:

1. Os alumínios

2. Os aços não ligados

3. Os aços ligados

4. Os aços inoxidáveis



Usinabilidade Taxa de Encruamento

Dificulta a usinagem

Dificulta a formação de cavacos


Tendências a formação de aresta postiça

Nota:

Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento.

Aços carbono tem baixa taxa de encruamento.

Aços inox. Auteníticos tem alta taxa de encruamento.



Usinabilidade

Mas a usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material (fatores metalúrgicos) mas depende também de:

Condições de usinagem

Características da ferramenta

Condições de resfriamento

Rigidez do sistema máquina-ferramenta

Tipo de operação (corte intermitente ....)

Etc....



Usinabilidade

É comum de se pensar no meio produtivo que a

usinabilidade é uma propriedade intrinsecamente ligada

à dureza do material da peça e à sua resistência

mecânica.

Assim, segundo este raciocínio, um material mole é de

boa usinabilidade e um material duro de baixa

usinabilidade.

Verdadeiro ou falso ?

Falso



Usinabilidade

Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores

importantes de influência na usinabilidade de um material,

outros fatores importantes também devem ser levados em

consideração como:

– a quantidade de inclusões e aditivos para melhorar a

usinabilidade.

– a quantidade de partículas duras.

– a micro estrutura.

– a tendência ao empastamento do cavaco na superfície de

saída da ferramenta, etc.....



Usinabilidade

Exemplo:

Comparando os dois aços inox.

- Aço 303

- Aço 316

Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque

ele possui sulfeto de manganês que melhora a

usinabilidade.

Mesma dureza



Usinabilidade

O índice de usinabilidade (IU):

É um valor numérico que serve de comparação.

Assim comparando dois materiais, diremos que aquele que tiver um índice de usinabilidade mais alto é o material mais fácil de se usinar.

Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras condições por exemplo.



Usinabilidade

Com relação aos critérios de usinabilidade baseados na

rugosidade, Pode-se dizer que o alumínio tem uma

usinabilidade alta?

Em condições normais de usinagem, o cavaco formado é

longo e o acabamento superficial obtido é Insatisfatório.

Porém, bons acabamento superficiais podem ser obtidos se

a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria

da ferramenta adequada.



Usinabilidade

Ensaio de usinabilidade:

Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de um material.

O método mais aceito é um ensaio chamado de longa duração, onde o material ensaiado e o material tomado como padrão, são usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado valor de desgaste da ferramenta (VB ou KT).



Usinabilidade

Ensaio de usinabilidade: Existem também os ensaios de

curta duração que são utilizados para avaliar outros fatores

como:

Rugosidade

Força de usinagem

Etc.

Nestes casos normalmente as condições de usinagem são

forçadas para justamente para obter o resultado em pouco

tempo de ensaio.



Usinabilidade das Ligas de Alumínio



Usinabilidade das Ligas de Alumínio

O alumínio puro é muito fácil de se usinar mas quando ele é

ligado a sua usinabilidade se torna baixa.

Por exemplo a liga de alumínio-silício contém partículas de

silício altamente abrasivas e desgastam rapidamente a

ferramenta de metal duro..



Usinabilidade

Importante saber que:

As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio puro são fatores decisivos nas características de usinagem de suas ligas.

Você sabia que EAÇO = 3EAlumínio?

Isto significa que, sob a mesma força de corte, o

alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço.

Condutibilidade do Al = 2 Aço



Usinabilidade

Embora algumas ligas de alumínio apresentem uma

resistência equivalente à do aço com baixo carbono em

temperatura ambiente, em temperaturas elevadas a sua

resistência é bastante reduzida.

O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o que

faz com que boa parte do calor vai para a peça.

Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação

da temperatura é inerente ao processo.



Usinabilidade

Propriedade positivo: alta condutividade térmica

Melhora a usinabilidade.

Propriedade negativa: Baixa dureza

Favorece a formação da APC (aresta postiça de corte).

Prejudica o acabamento da peça e provoca desgaste frontal da ferramenta



Usinabilidade

Para que a liga seja um material de boa usinabilidade é

necessario ter uma dureza > 80 HB e a ferramenta deve ser

bem afiada sem raio na aresta e com ângulo bastante

positivo



Usinabilidade

Geometria típica de pastilha para torneamento de Ligas de alumínio.



Usinabilidade de Ligas de Aluminio

O material de ferramenta típico para a usinagem de ligas de

alumínio (com exceção das ligas de silício) é o metal duro

de classe K sem cobertura.

- Temperaturas de corte baixos.

- Não há desgaste de cratera incentivado pela difusão



Usinabilidade de Ligas de Aluminio

A classe K é recomendada pois, as temperaturas de Corte

são mais baixas e por isso, a formação do Desgaste de

cratera via processo difusivo não é um Problema.



Usinabilidade do Aço




Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços

Dureza

Microestrutura

Presença de Inclusões

Presença de elementos de liga



Usinabilidade do AçoFatores que afetam a usinabilidade dos Aço

Dureza

O fator que prodominantemente afeta a usinabilidade é sem dúvida a dureza.

Aços com baixo carbono Aços com elevado carbono

- baixa dureza

- alta dutilidade

- tendência a APC

Má usinabilidade (afeta vida e aço)

- dureza aumentada

- dutilidade diminuida

- não há tendência a APC

Usinabilidade melhorada



Usinabilidade do AçoFatores que afetam a usinabilidade dos Aço

Dureza

200 HB é um bom valor referencial em termo de dureza.

No entanto

Dureza > 200HB


Aumenta o desgaste via abrasão e difusão

Dureza < 200 HB

Aumenta a dutilidade

Tendências APC




Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço

Microestrutura

A variação da microestrutura ocasionada pelo tratamento

Térmico afeta a usinabilidade.

Cementita = Ferrita + Perlíta.

É uma fase extremamente abrasiva.

Martensita = Carboneto de ferro que se forma na têmpera

do aço. (O nome provém de Adolf Martens, engenheiro

alemão[1850-1914].)

É uma fase extremamamente dura.





Microestrutura

1. Quando o material tem uma microestrutura

predominantemente martensitica que é extremamente dura, a

vida da ferramenta é reduzida.

2. Quando o teor de cementita que é uma fase extremamente

abrasiva, pois é cheio de carbonetos que são partículas

extremamente duras, a vida da ferramenta também é reduzida.





Presença de InclusõesSão partículas duras presentes no material (óxidos de ferro, Mn, Si

etc.).

- Macro inclusões:

Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a

fabricação no forno. São indesejáveis.

- Micro inclusões:

Presentes em todos os aços.

São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e na

formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da ferramenta.

São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o desgaste

rápido da ferramenta.




Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços

Presença de elementos de liga

- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidade Chumbo,

Fósforo, Enxofre.

- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e abrasivos)

Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto, Cromo etc

- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a melhorar

a usinabilidade.

Quando C< 0.3%: material dúctil, formação APC+dificuldade de quebra do cavaco

Quando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.



Usinabilidade de Aço

AÇO INOX.

São ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% Cr para aumentar

a resistência à corosão.

Eles contém também outros elementos de liga como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.

Três classes:

Ferrítico (cromo principal elemento)

Austenítico (série 300) (presença da austenita a Temp. ambiente

faz que tem maior deformabilidade podendo ser conformado a frio e a

quente )

Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)




AÇO INOX.

CaracterísticasAço Martensítico Usinabilidade

Muito duro

- Alto teor de carbono

- Formação de partículas duras e abrasivos de carbonetos de cromo

- Gera elevado esforços de corte




AÇO INOX. Usinabilidade

Característica

Aço Austenítico Não muito duro Alta taxa de encruamento Grande zona de platicidade

Formação de cavacos longos, tendem a empastar sobre a superfície de saída Formação da APC Baixa cond. Térmica(retem calor na região de corte)Alta coeficiente de atrito (aumenta esforços de corte)

Alta coeficiente de dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)




AÇO INOX.

Aços inox. normalmente têm uma usinabilidde baixa.

No entanto a usibilidade pode ser melhorada adicionando

elementos de liga como o Manganês e o Enxofre que

combatem o encruamento do material durante a usinagem




AÇO INOX.



Usinabilidade do Ferro Fundido




Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem

de carbono entre 2 e 4%, contendo ainda outros elementos

de liga como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre,

além do níquel, cromo, molibdênio e cobre.




Principais propriedades:

Boa rigidez

Resistência à compressão

Baixo ponto de fusão




Usinabilidade dos Diversos Tipos de Ferro Fundido



Usinabilidade do FoFo

O Silício influencia significativamente a usinabilidade.

FoFo com 12% de Silício ou mais são praticamente

impossíveis de serem usinados.




Além da influência do silício na usinabilidade, outros

elementos de liga também influem na usinabilidade dos ferros

fundidos




A influência dos elementos pode ser dividida em 2 tipos:

Os formadores de carboneto (cromo, cobalto, manganês,

molibdênio e vanádio) que prejudicam a usinabilidade

devido ao fato de que os carbonetos são partículas muito

duras e abrasivas.




Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) auxiliam na

usinabilidade

O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros

fundidos para melhorar a usinabilidade




Conclusão

Em termos gerais podemos dizer que quanto maior a dureza

e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é a sua

usinabilidade.



Usinabilidade do FoFo - Cinzento

O FoFo Cinzento pode conter até 3% de Si.

No ferro fundido cinzento com alto teor de silício apresentará

muito carbono livre e quase nenhuma cementita (O silício é

um poderoso grafitizante)

É de boa usinabilidade



Usinabilidade do FoFo - Cinzento

O FoFo cinzento forma cavacos

de ruptura, enquanto que os maleáveis

e nodulares formam cavacos longos.



Usinabilidade do FoFo - Branco

O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C

apresenta baixa teor de Silício, alto teor de

carbeto de ferro e pouco grafite livre.

O resultado é uma estrutura muito

dura, resistente, quebradiço e sua

usinabilidade é dificílima.



Usinabilidade do FoFo - Branco

Quando a sua dureza é da ordem de

300 HB, a usinagem é praticamente impossível.

Ele é utilizado para a moldagem de

peças que não devem ser usinadas como:

Tubos para abastecimento de água ou gas.



Usinabilidade do FoFo - Maleável

O FoFo Maleável é um FoFo recozido.

Esse tratamento reduz a quantidade de

grafite lamelar e transforma uma quantidade

considerável de carbeto de ferro em ferro

dútil, mole e grafite esferoidal.

O resultado é uma estrutura com uma

certa ductilidade e tenacidade, porém é

de boa usinabilidade.



Usinabilidade do FoFo - Nodular

O FoFo Nodular também chamado as

vezes de FoFo ductil é obtido pelo adição

de pequena quantidade de magnésio ou

de cério no FoFo de alto carbono em

estado líquido.

A estrutura resultante após resfriamento

da solução é apresenta o carbeto de ferro

e grafite em forma esferoidal (nodular).



Usinabilidade do FoFo - Nodular

A normalização e o revenimento do

FoFo nodular aumenta sua resistência

mas o torna mais quebradiço.

Apesar de ser mais resistente, ele é

tão usinável quanto o FoFo Cinzento.



Ligas Resistentes ao Calor

Muitas aplicações industriais atuais,

assim como as construções aeronaúticas,

requerem materiais mais tenazes com

maior resitência às altas temperatura.

A esta demanda respondem os aços inox.

E uma grande variedade de ligas

resistentes ao calor, compostas de Ni, Mo,

Co, W, Titânio, ferro e outros elementos




Algumas dessas ligas eram tidas como

impossíveis de usinar-se.

Todavia as conquistas no domínio da

teoria da usinagem e dos fluídos de corte

permitem hoje o uso extenso dessas ligas

nas variadas construções.




Por exemplo, na usinagem do titânio, o seguinte quadro é

encontrado:

grau de dificuldade da usinagem é muito grande

vida da ferramenta curta

calor desenvolvido muito alto

FLUIDO DE CORTE


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