UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

Usinabilidade do Ferro Fundido Nodular (Dúctil) e

seleção de ferramenta e pastilha

Acadêmico: Antônio Fernando Pinheiro Goulart

Disciplina: Usinagem dos materiais

Semestre: 1º

Período: 7º

Professor: Dr. Durval Uchôas Braga

São João del-Rei, Junho de 2011

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO.....................................................................................................................4

DESENVOLVIMENTO.........................................................................................................6

Ferro Fundido...................................................................................................................6

Usinabilidade....................................................................................................................6

Seleção da ferramenta e pastilha....................................................................................7

CONCLUSÃO.....................................................................................................................10

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................11

INTRODUÇÃO

Os ferros fundidos possuem microestrutura composta por uma matriz metálica, constituída por quantidades variáveis de ferrita, perlita, martensita, bainita e carbonetos, cujas presenças dependem da composição química e das condições de resfriamento, tanto no estado bruto de fundição como da realização de tratamentos térmicos. A quantidade e distribuição destes constituintes influem diretamente na usinabilidade do material.

A maioria dos ferros fundidos comerciais apresentam teores de carbono até 4%. Portanto, no diagrama Fe-C da Figura 1, estão na faixa indicada, de (I) até (II).

Figura 1 – Região de formação dos ferros fundidos

A adição de uma pequena quantidade de magnésio e/ou césio ao aço cinzento antes da fundição produz uma microestrutura e um conjunto de propriedades mecânicas muito diferentes. A grafita ainda se forma, porém como nódulos ou partículas com formato de esfera e não de flocos. A liga resultante é conhecida por ferro nodular ou ferro dúctil. A fase matriz que circunda essas partículas consiste ou em perlita ou em ferrita, dependendo do tratamento térmico; ela é normalmente perlita (Figura 2) para uma peça no estado bruto de fusão. Contudo, um tratamento térmico por várias horas e aproximadamente 700°C irá produzir uma matriz de ferrita (Figura 3). As peças fundidas são mais resistentes e muito mais dúcteis do que o ferro cinzento. O ferro fundido dúctil possui características mecânicas aproximadas do aço. Os ferros dúcteis ferríticos possuem limites de resistência a tração que variam entre 380 e 480 MPa, e ductilidade que varia entre 10 e 20% (na forma de alongamento percentual).

Figura 2 – Matriz Perlítica Figura 3 – Matriz Ferrítica

O ferro fundido dúctil é amplamente empregado por apresentar um bom compromisso entre custos e propriedades mecânicas, algumas delas próximas dos aços. A ductilidade é claramente vista pelos valores de alongamento, que podem chegar a 18% ou mais (25% por exemplo). Limites de resistência à tração podem ser tão altos quanto 800 MPa. Outra característica importante é a baixa contração na solidificação, o que facilita a produção e reduz o custo de peças fundidas.

Tabela 1 – Propriedades do Ferro Fundido Nodular

TipoResistência ao Escoamento

(MPa)

Resistência Mecânica

(MPa)Alongamento (%) Aplicações

Ferrítico 413 275 18 Tubulações

Perlítico 550 380 6Árvore de manivela

Revenido martensítico

825 620 2Partes

especiais de máquinas

Tratamentos térmicos podem ser aplicados (alívio de tensões, recozimento, normalização, têmpera e revenido, têmpera superficial, austêmpera). Elementos de liga como níquel, molibdênio ou cromo podem ser usados para aumentar dureza e outras propriedades. Faixas típicas de composições são: 3,2-4% C, 1,8-3% Si, 0,1-1% Mn, 0,005-0,02% S, 0,01-0,1% P.

Algumas aplicações: válvulas para vapor e produtos químicos, cilindros para papel, virabrequins, engrenagens, corpos de bombas, rolamentos, pinhões, cilindros e outros componentes de máquinas e automóveis.

DESENVOLVIMENTO

A produção de ferros fundidos tem crescido muito nos últimos anos e representa boa parte do mercado dos materiais utilizados na indústria metal-mecânica e, por isso, a busca contínua pelas melhorias de propriedades tem levado várias indústrias e centros universitários ao desenvolvimento de várias pesquisas a fim de se manterem competitivas no mercado. A adição de elementos tais como o silício, magnésio, cromo, molibdênio e o cobre, e também a aplicação de tratamentos térmicos adequados tem contribuído muito para a melhoria das propriedades mecânicas destes materiais, como, por exemplo, a rigidez e a ductilidade, tornando o emprego destes materiais viável em certas aplicações que eram até então exclusivas dos aços médio teor de carbono. Alguns resultados obtidos abrangem as classes de ferros fundidos com dureza na faixa de 150 e 300 HB (aproximadamente 176 e 318 HV). Entretanto, a presença destes elementos influencia na usinabilidade dos ferros fundidos. Dentro deste contexto a usinabilidade é um fator que merece atenção especial e deve ser analisada juntamente com a melhoria das propriedades mecânicas desejadas.

Ferro Fundido

Os ferros fundidos são ligas ferro-carbono com teor de carbono entre 1,8 e 4,5% e que possuem ponto de fusão relativamente baixo (1200ºC), requerendo, assim, menos combustível e possibilitando fácil moldação, uma vez que o metal fundido preencherá os vazios dos moldes com certa facilidade. Além disso, os ferros fundidos apresentam menor custo e permitem que posterior operação de usinagem seja a mínima possível, quando comparado aos aços. Os ferros fundidos apresentam ainda propriedades que tornam seu emprego viável em algumas aplicações antes exclusivas dos aços com médio teor de carbono. Os ferros fundidos são classificados em seis classes:

1) ferro fundido cinzento; 2) ferro fundido branco; 3) ferro fundido mesclado; 4) ferro fundido maleável; 5) ferro fundido de grafita compactada; 6) ferro fundido nodular.

Sempre que uma operação de usinagem é realizada, o objetivo principal é produzir componentes com o máximo de funcionabilidade e intercambialidade a baixo custo e alta produção. Em outras palavras, isso significa que cada peça ou conjunto de um produto final seja feito de acordo com as especificações definidas quanto às dimensões, forma e acabamento da superfície. Na maioria das vezes esse objetivo não é tão fácil de ser alcançado e vários problemas ocorrem porque muitas variáveis do processo produtivo são ainda desconhecidas ou pouco exploradas. Dentre elas se destacam as características e usinabilidade do material da peça, seleção correta do material da ferramenta e os parâmetros de corte.

Usinabilidade

Existem vários conceitos para o termo “usinabilidade”, mas o mais aceito em Usinagem é aquele que o define como sendo uma grandeza que indica a facilidade ou dificuldade de se usinar um material. Além de quantificar a facilidade ou dificuldade de se usinar um certo material, a usinabilidade é também usada para quantificar o desempenho das ferramentas de corte e geometria das ferramentas, principalmente em termos de vida de ferramenta, como também a performance de fluidos de corte durante as operações de usinagem. Outras variáveis tais como as forças de usinagem, energia requerida na

usinagem, acabamento superficial, taxa de desgaste da ferramenta, temperatura de corte, controle do cavaco são também geralmente consideradas como medida de usinabilidade.

A usinabilidade desses materiais depende da composição química e da microestrutura. As principais relações são: a redução do teor de carbono causa o aparecimento de carbono livre, fragilizando a matriz e consequentemente prejudicando a usinabilidade; o aumento no teor de silício causa a diminuição de APC e assim melhora usinabilidade do material; o aumento do teor de perlita torna a região branca mais dura e reduz a usinabilidade do material (Da Silva, 2001). A usinagem do ferro fundido pode variar desde muito fácil, como no caso do ferro fundido cinzento ferrítico, até muito difícil, como no caso do ferro fundido branco. A dureza do ferro fundido cinzento, e, portanto, o desgaste da ferramenta, aumenta com o aumento da porcentagem de perlita e cementita.

Os flocos de grafita no ferro fundido cinzento diminuem a ductilidade do material, o que facilita a quebra dos cavacos, produzindo um comprimento de contato cavaco-ferramenta pequeno, relativamente baixas forças de usinagem e potência consumida, baixas taxas de desgaste e altas taxas de remoção de material. O ferro fundido nodular permite maiores vidas nas ferramentas de metal duro do que os ferros fundidos cinzentos (Mills e Redford, 1983).

Existem diversos testes para avaliar a usinabilidade de materiais. A maioria dos resultados da avaliação de usinabilidade publicada na literatura são obtidos por meio de testes de torneamento, e apesar de algumas características poderem ser comuns a mais de um processo, é aconselhável não fazer extrapolações para diferentes processos. Operações de furação e fresamento são também realizadas neste sentido a fim de se produzir um banco de dados de usinagem. Estes dados são catalogados, analisados e finalmente fornecem informações práticas para o chão de fábrica, principalmente.

Comparando-se a usinabilidade entre os tipos de ferros fundidos pode-se verificar que ela varia muito entre as ligas, pois o ferro fundido branco (que possui uma grande quantidade de carbonetos duros e abrasivos) tem uma usinabilidade muito inferior ao cinzento.

Figura 4 – Usinabilidade dos ferros fundidos

O ferro fundido nodular apresenta uma boa usinabilidade. As principais variáveis que contribuem são os seus microconstituintes (ferrita, perlita, grafita). Alguns elementos de liga presentes podem melhorar a usinabilidade como silício, níquel, enxofre, alumínio e cobre, pois são grafitizantes. Já elementos como manganês, nióbio, cromo, cobalto, molibdênio e tungstênio são formadores de carbonetos; portanto, pioram a usinabilidade do material. Isso se justifica pelo maior endurecimento do ferro (devido a presença porcentual de carbonetos), e, consequentemente, maior resistência a tração e módulo de elasticidade. O tratamento térmico também influencia na usinabilidade pois altera a dureza do material através da formação da estrutura martensítica. Geralmente há formação de cavaco longos.

Os ferramentas para usinagem do ferro fundido nodular são fabricadas de metal duro. Possuem uma camada de óxido de alumínio que confere maior estabilidade, além de um tratamento de superfície para evitar adesão e aumentar a vida útil. Geralmente é adicionado um substrato especial para usinagem de ferro fundido.

Seleção da ferramenta e pastilha

O processo de usinagem utiliza como ferramenta um material mais duro que o da peça. É o processo mais comum entre os processos de fabricação existentes. O surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribuiu para o aparecimento de materiais de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem permitindo trabalhar com velocidades de corte sempre maiores. Como dureza e tenacidade são duas propriedades antagônicas, pode-se encontrar hoje no mercado alguns materiais para ferramentas como diamante, CBN, cerâmica, cermet, metal duro e aço rápido conforme mostrado na Figura 5, com invejáveis características de tenacidade e dureza. Isto foi conseguido graças à produção de ferramentas com diferentes composições químicas, tamanho de grãos finos e total controle do processo de fabricação e tratamento térmico, o que lhes confere um grau de dureza e qualidade excepcional.

Figura 5 – Materiais empregados para ferramenta de corte

Os metais duros, com ou sem revestimento, são materiais de ferramentas utilizados na usinagem fabricados em várias classes, que foram desenvolvidas para cobrir a ampla faixa de necessidade operacional existente e são 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, também designado por um código de cores (respectivamente, azul, amarelo, vermelho, verde, laranja e cinza). A classificação dentro de um grupo ou outro é feita de acordo com a aplicação do metal duro, uma vez que a variedade de composições químicas e processos de fabricação torna difícil a padronização baseada em outras características. Dentro de cada grupo, ainda há uma classificação usando números. A exigência de usinagem para qualquer uma das classes inicia-se no grupo 1 e representa acabamento para torneamento e furação com alta velocidade de corte, baixo avanço e pequena profundidade de corte. À medida que cresce, chegando até 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 exigências para resistência ao desgaste e a tenacidade variam de acordo com o tipo de operação e são

grandezas inversas, ou seja, crescem e decrescem, respectivamente, à medida que se muda de grupo.

A escolha correta do tipo de material para a ferramenta implica numa análise criteriosa de vários fatores que interagem entre si, resultando num mecanismo complexo e difícil de ser quantificado. Essa interação entre variáveis promove o surgimento de agentes indesejáveis que aceleram o mecanismo de desgaste, promovendo uma redução da vida útil, diminuindo a qualidade superficial e provocando variações dimensionais na peça.

O objetivo do emprego de revestimentos nas ferramentas de corte é, em primeiro lugar, aumentar a dureza comparativamente à dureza do substrato e, portanto possibilitar uma redução do desgaste abrasivo. Os objetivos adicionais com referência ao substrato são a redução da tendência de aderência, o que resulta em redução do desgaste por aderência e do coeficiente de atrito e, consequentemente, em forças e temperaturas de corte mais baixas.

Para a usinagem de matérias ferrosos, como é o caso do ferro fundido nodular, a empresa Sandvick do Brasil S/A fornece as pastilhas da classe K:

K01 – K40 - Representa a usinagem de materiais ferrosos que produzem cavacos curtos, tais como ferro fundido e aço endurecido.

Uma das pastilhas recomendadas é a ISSO TNMA 160412 (categoria ISSO K30). Suas características são as seguintes:

Figura 6 – Representação esquemática das dimensões da pastilha. (Re = 1,2 mm; M = 16 mm; S = 4 mm)

As pastilhas apresentam revestimento de multicamadas de Al2O3 por cima de uma camada de TiCN, e uma camada externa de TiN. A geometria é triangular e possui um furo para a fixação no porta-ferramenta. Segundo informações do fabricante, o substrato da ferramenta suporta altas temperaturas sem se deformar, fazendo com que a classe proporcione bons resultados a altas velocidades, do acabamento ao desbaste de ferros fundidos. Para essa pastilha, adota-se um porta-ferramenta convencional para torneamento externo com ângulo de posição da aresta de corte de 91°, com fixação da pastilha por alavanca e de seção transversal de 25 mm x 25 mm; trata-se de um modelo Coroturn RC para torneamento longitudinal com código ISSO PTGNR 2525M16 – Kr91°.

CONCLUSÃO

Os ferros fundidos são materiais que apresentam altos índices de carbono em sua estrutura, logo possuem grandes resistências. Dentre eles o ferro fundido nodular, ou dúctil, a grafita está presente na forma de nódulos, aumentando consideravelmente sua resistência mecânica, tenacidade e ductilidade se comparado aos ferros fundidos cinzento e maleável. O ferro fundido nodular é maleável, dúctil e resistente.

O usinabilidade de um material pode ser definida por uma grandeza obtida de forma experimental comparando-se com outros materiais. Assim é gerado um índice de usinabilidade. Em resumo, é o grau de dificuldade para se usinar um determinado material. A usinabilidade do ferro fundido nodular é considerada boa. Ele apresenta uma boa quantidade de elementos grafitizantes que ajudam no processo de usinagem.

O ferro fundido nodular tem sido empregado na fabricação de diversos componentes industriais, principalmente da área automotiva e de bombas.

Para a escolha correta da ferramenta de corte deve-se analisar o material a ser usinado, o processo de usinagem, as condições da máquina operatriz, custo do material da ferramenta, as condições de usinagem (parâmetros de corte) e as condições da operação. A seleção da pastilha e da ferramenta que serão utilizadas para realizar a usinagem do material deve ser feita seguindo as normas vigentes e as do fabricante. As escolhas da ferramenta correta e da pastilha correta influenciam de forma direta na qualidade do processo de usinagem.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

VAN VLACK, Lauwrence H. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 4ª Edição. Rio de Janeiro: Elsevier, 2003.

CALLISTER, William D. Jr. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2000.

DINIZ, Anselmo E. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 6ª Edição. São Paulo: Artliber, 2008.

SOARES, Marco. MSPC – Informações Técnicas. Última atualização em setembro de 2009. Disponível em: http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco230.shtml. Acesso em: 15 mai. 2011.

ROSARIO, John F. A. Avaliação da integridade da superfície no torneamento de um ferro fundido nodular com carboneto. São Paulo: USP. 2006.

TELES, José M. Torneamento de Ferro Fundido Nodular Ferritizado com Nióbio Utilizando Ferramentas de Metal Duro. Itajubá: UNIFEI. 2007.