Cap.9 - Usinabilidade Dos Materiais 164v1l

USINABILIDADE DOS MATERIAIS CAPÍTULO 9

Antonio Fernando Mota

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Índice de Usinabilidade • Usinabilidade pode ser definida como uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades de usinagem, de um material em relação a outro tomado como padrão. • Em outras palavras, pode-se entender usinabilidade como o grau de dificuldade de se usinar um determinado material 2

Propriedades de usinagem de um material (aquelas que expressam seu efeito sobre grandezas mensuráveis inerentes ao processo de usinagem):

• • • • • •

Vida da ferramenta; Acabamento superficial da peça; Esforços de corte; Temperatura de corte; Produtividade; Características do cavaco. 3

Cuidado com o termo usinabilidade • Um material que tenha uma boa usinabilidade, quando se leva em conta uma propriedade de usinagem, como por exemplo a vida da ferramenta e não possuir boa usinabilidade quando se leva em conta outra propriedade, como por exemplo a rugosidade da peça usinada.

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A Usinabilidade depende: • • • • •

Estado metalúrgico da peça; Dureza; Propriedades mecânicas do material; Composição química; Operações anteriores efetuadas sobre o material (sejam a frio ou a quente) e de eventual encruamento. 5

A usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material, mas também:

• • • •

Condições de usinagem; Características da ferramenta; Condições de refrigeração; Rigidez do sistema máquina-dispositivo de fixação-peça-ferramenta; • Tipos de trabalhos executados pela ferramenta (operação empregada, corte contínuo ou intermitente, condições de entrada e saída da ferramenta). 6

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

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9.1 Ensaios de Usinabilidade: • Ensaio 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), em diversas velocidades de cortes diferentes.

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Este ensaio permite a obtenção da velocidade de corte para uma vida determinada da ferramenta (20 minutos – vc20 ou 60 minutos – vc60)

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O índice de usinabilidade (I.U.) é então dado pela relação entre a vc20 (ou vc60) do material ensaiado e aquela correspondente ao material tomado como padrão, ao qual se dá o índice 100%

•

I.U. = vc20 (mat. Ensaiado) vc20 (padrão)

• O material padrão mais utilizado quando se trata de ensaios de aços é o aço AISI B 1112

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Outros ensaios, chamados de curta duração: • Usando além do critério de vida da ferramenta, outros critérios tais como a força de usinagem, o acabamento superficial, etc.. • São chamados de curta duração, porque são utilizadas condições forçadas de usinagem e/ou materiais de ferramentas pouco resistentes ao desgaste, a fim de que a vida da ferramenta termine rapidamente e o ensaio possa ser realizado em curto espaço de tempo.

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Vantagens dos ensaios de curta duração:

• Quando o critério é a força de usinagem ou a rugosidade da peça, o ensaio é de curta duração, pois com somente algumas adas da ferramenta na peça, pode-se obter os valores desejados, não se necessitando que o desgaste cresça até o fim da vida da ferramenta.

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9.2 A Usinabilidade e as Propriedades do Material

• É comum se pensar que a usinabilidade é uma propriedade ligada à dureza do material da peça e à sua resistência mecânica. • Assim, segundo esse raciocínio, um material mole é de boa usinabilidade e um material duro de baixa usinabilidade. • Porém, esse raciocínio é falso.

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Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores importantes de influência na usinabilidade do material

• Outros fatores também são bastante importantes, como a quantidade de inclusões e de aditivos para melhorar a usinabilidade, a quantidade de partículas duras, a micro-estrutura, a tendência ao empastamento do cavaco do material na superfície de saída da ferramenta, etc..

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•Por exemplo, pode-se ter um aço inoxidável tipo AISI 303 (que possui sulfetos de manganês para melhorar sua usinabilidade) com dureza idêntica ao tipo AISI 316. Porém, a usinabilidade do primeiro é muito maior do o segundo.

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Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?

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Dureza e Resistência Mecânica • Valores baixos de dureza e resistência mecânica normalmente favorecem a usinabilidade. • Quando porém se tem materiais muito dúcteis a baixa dureza pode causar problemas, pois facilita a formação de aresta postiça de corte. • Nestes casos, é bom que a dureza seja aumentada através de trabalho a frio.

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Ductilidade • Baixos valores de ductilidade são geralmente benéficos a usinabilidade. • A formação de cavacos curtos é facilitada e se tem menor perda de energia com o atrito cavaco-superfície de saída da ferramenta. • Porem, em geral, consegue-se baixa ductilidade com alta dureza e vice-versa.

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Condutividade Térmica • Uma alta condutividade térmica do material da peça significa que o calor gerado pelo processo é rapidamente retirado da região de corte e, assim. a ferramenta não é excessivamente aquecida e, portanto, não se desgasta tão rapidamente. • Então, uma alta condutividade térmica favorece a usinabilidade do material.

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Condutividade térmica • Porém, esta propriedade não pode ser facilmente alterada dentro de um determinado grupo de materiais, isto é, todos os aços sem liga tem condutividade térmica similares, o mesmo acontecendo entre os aços ligados, aços inoxidáveis, alumínios, ferros fundidos, etc. 20

•Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que tem maior condutividade térmica são os alumínios, seguidos pelos aços sem liga, vindo depois os aços ligados e os aços inoxidáveis.

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Taxa de Encruamento • Os Aços inoxidáveis austeníticos são materiais que possuem alta taxa de encruamento, requer muita energia para a formação do cavaco ( baixa usinabilidade). • Com isso, o corte acarretará um aumento de dureza numa fina camada da superfície usinada. • Também devido à alta de encruamento, a formação da aresta postiça de corte fica facilitada. • Os aços carbonos são materiais que possuem baixas taxas de encruamento (alta usinabilidade).

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Como usinar com eficiência materiais com alta taxa de encruamento? • Usar ferramenta com aresta de afiada e ângulo de saída bem positivo, a fim de que a deformação causada no cavaco seja pequena. • Nestes materiais, um encruamento anterior à usinagem, através de trabalho a frio, pode ser vantajoso, pois diminui a ductilidade do material e, reduz a possibilidade de formação de aresta postiça de corte.

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9.3- fatores Metalúgicos que Afetam a Usinabilidade das Ligas de Alumínio • O alumínio em geral pode ser facilmente usinado. • A energia consumida por unidade de volume do metal é muito baixa. • Apenas o magnésio e sua ligas podem ser usinadas com a mesma taxa de energia consumida e o desgaste da ferramenta raramente é um problema.

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Exceção feita • As ligas de alumínio-silício, onde as partículas de silício presentes são altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro.

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As temperaturas de usinagem são geralmente baixas e altas velocidades de corte podem ser usadas.

• Com relação porém aos critérios de usinabilidade baseados na rugosidade da peça e na característica do cavaco, não se pode dizer que o alumínio tenha uma boa usinabilidade, pois, o cavaco formado é longo e o acabamento superficial insatisfatório.

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solução • Porém, bons acabamentos superficiais podem ser obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta for adequada.

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Usinagem do alumínio • A usinagem do alumínio pode ser afetada pelos elementos de liga, impurezas, processos de fundição e tratamentos aplicados ao metal. • As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio são fatores decisivos na usinagem de sua ligas.

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Propriedade Alumínio física Módulo de 70.000 elasticidade (MPa)

Aço 210.000

O alumínio apresenta um módulo de elasticidade de 1/3 do módulo de elasticidade do aço. Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma três vezes mais que o aço.

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Baixo módulo de elasticidade • Este fato tem conseqüências negativas na obtenção de boas superfícies usinadas e pode gerar deformações indesejadas da peça. • Devido a isto também, não se deve utilizar esforços exagerados na fixação da peça.

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Embora algumas ligas de alumínio apresentem um limite de resistência equivalente ao aço de baixo carbono, em temperatura ambiente, em temperaturas elevadas essa resistência é bastante reduzida

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•Este fato favorece a usinagem destas ligas, já que a elevação da temperatura é inerente ao processo de usinagem e, as ligas de alumínio, por possuírem alta condutividade térmica, atraem para a peça boa parte do calor gerado.

• Assim, as forças de corte necessárias para a usinagem das ligas de alumínio são bem baixas, quando comparadas com as forças relativas aos aços.

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•A alta condutividade térmica do alumínio favorece a usinabilidade mas é necessário que a dureza da liga seja maior que 80 HB para reduzir a tendência à formação da aresta postiça de corte. O coeficiente de dilatação térmica do alumínio, por ser maior que o aço e do latão, pode gerar dificuldades de obtenção de tolerâncias apertadas. 33

•Para se evitar a aparição da aresta postiça de corte e garantir um cisalhamento perfeito do cavaco, as ferramentas para corte de alumínio possuem aresta afiada ( sem raio na aresta) com ângulos bastante positivo.

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A figura 9.1 mostra a geometria típica de uma pastilha de torneamento para usinagem de ligas de alumínio

Ferramenta com aresta afiada e ângulos positivos

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FERRAMENTAS DE METAL DURO UTILIZADAS NA USINAGEM DO ALUMÍNIO

•

O material de ferramenta típico para usinagem de ligas de alumínio (com exceção das ligas de alumínio-silício) é o metal duro classe K sem cobertura. • A classe K é recomendada pois as temperaturas de corte são baixas e, por isso, a formação do desgaste de cratera via processo difuso não é um problema.

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• Por outro lado, metais duros a base de carboneto de titânio (classe P) são inadequados para a usinagem de alumínio, devido à grande afinidade físico-química entre o alumínio e o titânio.

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10/09/2013

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Metal Duro

Seleção: Principais fatores que afetam a escolha da pastilha:

Material da peça

Operação

Condição de usinagem

• A ferramenta é sem cobertura pois não se necessita grande resistência ao desgaste e, por outro lado, requer-se uma aresta bastante afiada, o que não é fácil de ser obtido com espessas camadas de cobertura sobre a ferramenta. • Além disso, como já foi observado, coberturas com titânio não poderiam ser utilizadas.

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A tabela 9.1 mostra alguns elementos utilizados na formação de ligas de alumínio e sua respectivas influências na usinabilidade da liga

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Tabela 9.1 – Elementos de Liga e suas Influências na Usinabilidade do Alumínio Elementos de Liga

Influência na Usinabilidade

Sn, Be e Pb

Atuam como lubrificantes e como fragilizadores do cavaco.

Fe, Mn, Cr e Ni

Combinam entre si ou com o alumínio e/ou para formarem partículas duras, que favorecem a quebra do cavaco e que, em grande quantidade, tem efeito abrasivo sobre a ferramenta.

Mg

Em teores pequenos (cerca de 0,3%) aumenta a dureza do cavaco e diminui o coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta.

Si

Aumenta a abrasividade da peça – a vida da ferramenta diminui com o aumento do tamanho da fase primária do silício.

Cu

Forma o intermetálico CuAl, que fragiliza o cavaco

Zn

Não exerce influência na usinabilidade.

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Ferramenta de diamante • As ligas eutéticas e hiper-eutéticas de alumíniosilício geram altas taxas de desgaste de flanco. • Ferramentas de diamante policristalino tem sido usadas com sucesso sem um desgaste excessivo, que geralmente acontece quando elas são usinadas com ferramentas de metal duro.

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Ferramenta de diamante • A usinagem de ligas de alumínio com ferramenta de diamante é realizada com alta velocidade de corte (100 a 3000m/min), com valores limitados pela máquina-ferramenta e não pelo desgaste. • Além disso, o acabamento obtido é no torneamento é com rugosidade equivalente a retífica.

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Diamante Diamante Policristalino - Material sintético obtido em condições de extrema pressão e temperatura; - Propriedades semelhante ao encontrado no diamante natural, porém mais homogênio; - São usados na usinagem de materiais não ferrosos e sintéticos; - Ocorre grafitização para uma determinada condição de corte.

9.4 – Fatores Metalúrgicos que afetam a Usinabilidade dos Aços • Primeiro fator metalúrgico – a dureza. • Aços de baixo carbono com baixa dureza e alta ductilidade tem tendência à formação da aresta postiça de corte, com conseqüente redução da vida da ferramenta e deterioração do acabamento superficial.

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Cont. – Fatores Metalúrgicos que afetam a Usinabilidade dos Aços • Uma maior percentagem de carbono melhora a usinabilidade devido ao aumento da dureza e diminuição da ductilidade. • Em termos da influência da dureza do aço na usinabilidade, pode-se dizer que 200 HB é o valor médio. • A medida que se diminui a dureza abaixo esse valor, a tendência à formação d aresta postiça de corte aumenta.

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Cont. – Fatores Metalúrgicos que afetam a Usinabilidade dos Aços • Quando se aumenta a dureza acima deste valor, o desgaste da ferramenta via abrasão e difusão a a ser um fator que afeta negativamente a usibilidade do material. • Uma boa medida para promover o aumento da dureza e diminuição da ductilidade de aços de baixo carbono (dureza menor que 200 HB) é promover seu encruamento via trabalho a frio.

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A figura 9.2 mostra a comparação em termos de vida da ferramenta para um aço ABNT 1016 (baixo carbono) em diversas operações de usinagem

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A vida da ferramenta aumentou em todos os casos após a trefilação a frio das barras deste aço, operação que causou o acréscimo de dureza das peças de cerca de 125 HB para 180 HB

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Um segundo fator metalúrgico que afeta a usinabilidade dos aços é a microestrutura

• A figura 9.3 mostra alguns exemplos de como a variação da microestrutura, via mudança de fase ocasionada por tratamento térmico, afeta a usinabilidade.

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Pode-se ver na figura 9.3 A que a estrutura martensítica é muito dura e resistente e gera uma vida muito baixa da ferramenta de metal duro.

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• Como foi visto no capítulo 5, aços com estruturas abrasivas somente podem ser usinadas com eficiência via processos abrasivos ou utilizando-se de materiais para ferramentas ultra-resistentes, como o cerâmico e o nitreto cúbico de boro.

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Nitreto de Boro Cúbico Cristalino (CBN) Material relativamente jovem, introduzido nos anos 50 e mais largamente nos anos 80, devido a exigência de alta estabilidade e potência da máquina-ferramenta. Característica: - São mais estáveis que o diamante, especialmente contra a oxidação; - Dureza maior que a do diamante; - Alta resistência à quente; - Excelente resistência ao desgaste; - Relativamente quebradiço; - Alto custo; - Excelente qualidade superficial da peça usinada; - Envolve elevada força de corte devido a necessidade de geometria de corte negativa, alta fricção durante a usinagem e resistência oferecida pelo material da peça.

Nitreto de Boro Cúbico Cristalino (CBN) Aplicação: - Usinagem de aços duros; - Usinagem de desbaste e de acabamento; - Cortes severos e interrompidos; - Peças fundidas e forjadas; - Peças de ferro fundido coquilhado; - Usinagem de aços forjados - Componentes com superfície endurecida; - Ligas de alta resistência a quente(heat resistant alloys); - Materiais duros (98HRC). Se o componente for macio (soft), maior será o desgaste da ferramenta.

Nitreto de Boro Cúbico Cristalino (CBN) Fabricação - Os cristais de boro cúbico são ligados por cerâmica ou ligante metálico, através de altas pressões e temperatura. - As partículas orientadas a esmo, conferem uma densa estrutura policristalina similar a do diamante sintético. - As propriedades do CBN podem ser alteradas através do tamanho do grão, teor e tipo de ligante. Ligante - CBN fabricados com ligantes de cerâmica possui melhor estabilidade química e resistência ao desgaste; - CBN sobre substrato de metal duro, oferecem melhor resistência ao choque.

Nitreto de Boro Cúbico Cristalino (CBN)

• Recomendações - Alta velocidade de corte e baixa taxa de avanço (low feed rates); - Usinagem a seco para evitar choque térmico. Nomes comerciais - Amborite; - Sumiboron; - Borazon.

Já a figura 9.3.B mostra que, quando se a de uma liga com 10% de ferrita e 90% de perlita para uma liga com 35% de ferrita e 65% de perlita, a vida da ferramenta cresce substancialmente, apesar da dureza da peça ter decrescido somente de 6%

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• Isto acontece devido ao fato de que, quando se diminui o teor de perlita, diminui-se também o teor de cementita.

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Terceiro fator metalúrgico: a presença de inclusões • Macro-inclusões (diâmetro > 150 mm). • Muito duras e abrasivas – aços de baixa qualidade – muitas vezes responsáveis pela quebra súbita da ferramenta de usinagem

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As micro-inclusões estão sempre presentes nos aços. O efeito delas na usinabilidade dos aços pode ser dividido em: • Inclusões indesejáveis – são partículas duras e abrasivas como carbonetos e óxidos de alumínio.

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• Inclusões que não causam muito dano à usinabilidade – são os óxidos de manganês e de ferro. • A deformabilidade deles é maior que a do grupo anterior e elas conseguem fazer parte do fluxo do cavaco.

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• Inclusões desejáveis em velocidades de corte altas – são os silicatos (Si). • A razão para isso é que os silicatos em altas temperaturas perdem muito a sua dureza.

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Último fator metalúrgico : a presença de elementos de liga • Alguns elementos de liga tem efeito positivo na usinabilidade, como o chumbo, o enxofre e o fósforo, que geralmente estão presentes em aços de usinabilidade melhorada. • Por outro lado, elementos formadores de carbonetos, como o vanádio, o molibdênio, o nióbio e o tungstênio, tem efeito negativo na usinabilidade.

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Efeito do carbono • O carbono em teores de 0,3 a 0,6% tende a melhorar a usinabilidade. • Com teores menores que estes, o material fica muito dúctil e com dureza muito baixa, causando à formação da aresta postiça de corte e a dificuldade da quebra do cavaco. • Com teores maiores que 0,6% de carbono, o material se torna muito duro e abrasivo, desgastando muito rapidamente a ferramenta.

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Aços de Usinabilidade Melhorada ( ou de Usinagem Fácil) • A) Tipos com inclusões não Metálicas. • Essas inclusões são de sulfeto de manganês e de ferro (principalmente o primeiro), os quais são insolúveis no aço (aço ressulfurado). • As inclusões de MnS atuam como lubrificante, impedindo que o cavaco adira à ferramenta e destrua a sua aresta cortante, além de melhorar a qualidade superficial da peça. • A velocidade de corte pode ser até duplicada em relação à utilizada em aços não ressulfurados.

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A tabela 9.2 mostra a composição química de alguns aços Ressulfurados.

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B) Tipos com Introdução de Chumbo • A maioria dos aços da série 10XX e 11XX pode ser encontrada com adição de chumbo, em teores de 0,15 a 0,35%. • Com a introdução de chumbo, a produção de peças de responsabilidade como bombas (aço SAE 41L50), pistões (aço SAE 11L26), aparelho domésticos (aço SAE 86L20), aumentou em até 100%. • O “L” no meio dos números significa que o aço contém chumbo ou “lead” em inglês.

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9.4.2 – Aços Inoxidáveis • Aços Inoxidáveis são ligas ferrosas que possuem um mínimo de de 12% de cromo com finalidade de resistir a corrosão. • Os aços inoxidáveis são divididos em 3 classes, de acordo com sua estrutura: • Ferríticos, martensíticos (série 400) e • Austeníticos (série 300).

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Características de usinagem que variam para cada tipo de aço • Os aços austeníticos formam cavacos longos que tem tendência a empastar sobre a superfície de saída da ferramenta (tem alta taxa de encruamento e grande zona plástica), podendo resultar na formação da aresta postiça de corte.

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Características de usinagem que variam para cada tipo de aço • Os aço inoxidáveis martensíticos com altos teores de carbono são difíceis de usinar devido à alta dureza, que exige um maior esforço de corte devido à presença de partículas duras e abrasivas de carboneto de cromo.

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• Pode-se considerar os aços austeníticos como aqueles que apresentam a maior dificuldade para serem usinados, devido aos fatores citados acima. • Outras características que dificultam a usinagem destes aços são:

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• Baixa condutividade térmica que dificulta a extração do calor da região de corte, o que facilita o desgaste da ferramenta; • Alto coeficiente de atrito, que tem como conseqüência, o aumento do esforço e do calor gerado; • Alto coeficiente de dilatação térmica, o que torna difícil a manutenção de tolerâncias apertadas.

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Procedimentos para combater o encruamento do material no processo de usinagem: • Adicionar elementos de liga que formam inclusões frágeis, reduzindo a ductilidade e promovendo a quebra do cavaco. O sulfeto de manganês (MnS) é freqüentemente utilizada para melhorar a usinabilidade destes aços. • O aço ABNT 303, por exemplo, é um aço com usinabilidade melhorada por conter alto teor de sulfeto de manganês.

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Cont. Procedimentos para combater o encruamento do material no processo de usinagem: • Um outro procedimento é empregar o aço austenítico levemente encruado por trefilação ou por algum outro processo de deformação a frio anterior à usinagem.

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A figura 9.4 mostra um diagrama com indicações gerais sobre as velocidades de corte e os avanços para o torneamento de aços inoxidáveis com inserto de metal duro

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Região A – alta taxa de desgaste de cratera, devido ao processo difusivo causado pela alta temperatura gerada (alta velocidade de corte). Região B – deformação plástica da ferramenta (alto avanço) Região C – empastamento do cavaco ( Vel. devcorte baixa) Região D – alguma def. plástica da ferramenta. Região E – algum desgaste de cratera. 77

9.5 – Fatores Metalúrgicos que Afetam a Usinabilidade dos Ferros Fundidos • Ferros Fundidos são ligas de ferro-carbono com percentagem 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. • Suas principais propriedades são a boa rigidez, resistência à compressão e baixo ponto de fusão, o que possibilita a utilização da fundição como processo de fabricação.

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• O carbono está presente nestas ligas como carboneto (cementita) e como carbono livre (grafite). • O teor de cada uma destas formas depende parcialmente da quantidade de outros elementos de liga. • Um ferro fundido com alto teor de silício apresentará muito carbono livre e quase nenhuma cementita ( o silício é um poderoso grafitizante)

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Tipos de Ferros Fundidos: • Ferro Fundido Cinzento -alto silício, entre 1 a 3%, grafita em forma de lamelas. • Ferro Fundido Branco – baixo silício, muita cementita e pouca grafita, é duro e frágil. • Ferro Fundido Maleável – tratamento térmico transforma o ferro fundido branco em maléavel, dúctil e resistente. Grafite em forma de nódulos. • Ferro Fundido Nodular – inoculação. Grafite esferoidal. A resistência mecânica, a tenacidade e a ductilidade aumentam consideravelmente.

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Branco

Nodular

Maleável

Cinzento

A figura 9.5 mostra uma comparação entre estes tipos de ferros fundidos com respeito à usinabilidade

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• O ferro fundido branco (cheio de carbonetos duros e abrasivos) tem uma usinabilidade da ordem de 10 vezes menor que o cinzento. • O ferro fundido cinzento forma cavacos de ruptura, enquanto os maleáveis e nodulares formam cavacos longos.

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• Na usinagem de ferros fundidos cinzentos não se utiliza fluído de corte líquidos, pois este poderia carregar os minúsculos cavacos formados consigo e fazê-los penetrar nas partes de atrito da máquinaferramenta, danificando-a.

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• Com isso, se torna difícil a obtenção de tolerâncias apertadas, devido ao fato de que a peça se aquece bastante e, com isso, se dilata muito. A opção para operações de usinagem em acabamento de ferros fundidos cinzentos é a utilização de ar comprimido como fluido refrigerante.

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• Além da influência do silício na usinabilidade via formação de ferro fundido cinzento, outros elementos de liga também influem na usinabilidade dos ferros fundidos. A influência destes pode ser dividida em 2 tipos: 1. Os formadores de carbonetos (cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanàdio) que prejudicam a usinabilidade.

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Continuação: 2. Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) que auxiliam a usinabilidade. • O enxofre de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para melhorar a usinabilidade

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• Para concluir, em termos gerais pode ser dito que quanto maior a dureza e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é sua usinabilidade.

•

THE END 87