108

C A P Í T U L O 1 0

MATERIAIS PARA FERRAMENTAS DE CORTE

10.1. INTRODUÇÃO

O processo de usinagem, que utiliza como ferramenta um material mais duro que o da peça, é a operação mais comum entre os processos de fabricação existentes. Baseado no princípio da dureza relativa, o surgimento de novos materiais e ligas estruturais com excelentes propriedades de resistência mecânica e elevada dureza contribui para o aparecimento de novos materiais de ferramentas mais resistentes para as operações de usinagem.

Por outro lado, a usinagem de materiais frágeis e/ou operações de cortes interrompidos (como o caso do fresamento, por exemplo) requerem materiais de ferramentas com suficiente tenacidade para suportarem os choques e os impactos inerentes a tais processos.

Como dureza e tenacidade são duas propriedades opostas (normalmente alta dureza significa baixa tenacidade e vice-versa), o balanço destas propriedades nos materiais de ferramenta de corte se tornou um desafio para os fabricantes. Mais uma vez dedicação em estudos e investimentos na pesquisa mostram-se eficientes, pois hoje pode-se encontrar no mercado grande número de ferramentas com invejáveis características simultâneas de tenacidade e dureza. A conciliação dessas propriedades foi conseguido com a produção de ferramentas com diferentes composições químicas, tamanho de grãos finos e total controle dos processos de fabricação e tratamento térmico, o que lhes confere um grau de pureza e qualidade excepcionais.

As principais propriedades que um material de ferramenta de corte deve apresentar são listadas abaixo, não necessariamente em ordem de importância. Dependendo da aplicação, uma ou mais propriedades podem se destacar.

Ä Alta dureza;

Ä Tenacidade suficiente para evitar falha por fratura;

Ä Alta resistência ao desgaste;

Ä Alta resistência a compressão;

Ä Alta resistência ao cisalhamento;

Ä Boas propriedades mecânicas e térmicas a temperaturas elevadas;

Ä Alta resistência ao choque térmico;

Ä Alta resistência ao impacto;

109

Ä Ser inerte quimicamente.

O grande número de fabricantes de ferramentas de corte existente no mercado gera uma forte concorrência entre eles, o que, de certa forma, garante produtos de alta qualidade a preços satisfatórios.

A Figura 10.1 apresenta a lista dos materiais para ferramentas de corte existentes hoje no mercado mundial. A medida que se desce na lista, ganha-se em dureza (ou resistência ao desgaste) e perde-se em tenacidade, e vice-versa. A ordem na lista, também, obedece a ordem cronológica de aparecimento das ferramentas no mercado mundial, com poucas exceções.

1. Aço Carbono

· Comum · com elementos de liga (V, Cr)

2. Aço Semi-Rápido (Baixo W)

3. Aço Rápido (Podem ser fundidos ou fabricadas pela Metalurgia do Pó)

· sem revestimento · com revestimento

4. Aço Super-Rápido (Elevado teor de V)

5. Ligas Fundidas

6. Metal Duro (Podem ser com ou sem revestimento)

Classes: · P · M · K

7. Cermets (Podem ser com ou sem revestimento)

8. Cerâmicas · Com e sem revestimento · A base de Si3N4 · A base de Al2O3

· Pura · com adições

· ZrO2 (branca) · TiC (preta ou mista) · SiC (whiskers)

9. Ultraduros · CBN � PCBN · PCD

10. Diamante Natural

Figura 10.1. Lista dos materiais para ferramentas de corte.

Sabe-se que todos os materiais de engenharia apresentam uma queda de resistência com o aumento da temperatura. A Figura 10.2 mostra o comportamento da dureza dos principais grupos de ferramentas de corte com a

SIALON

Au

me

nto

de

du

reza

e r

esi

stê

nci

a a

o d

esg

ast

e

Au

me

nto

de

ten

aci

dade

110

temperatura de trabalho. Nota-se que até mesmo o metal duro e as cerâmicas têm suas propriedades reduzidas, mas numa taxa bem menor que aquelas apresentadas pelos aços-rápidos. Isto garante a aplicação destas ferramentas em condições de corte bem mais desfavoráveis que aquelas a que podem se submeter os aços-rápidos.

Figura 10.2. Variação da dureza de alguns materiais de ferramentas de corte com a temperatura.

A Figura 10.3 apresenta um diagrama de dureza e tenacidade dos principais grupos de ferramentas de corte. Observa-se que o aumento da dureza leva a uma redução na tenacidade e vice-versa. Portanto, se a exigência for tenacidade, no caso de usinagem em cortes interrompidos, como no fresamento, por exemplo, o técnico responsável pela seleção deverá optar pela ferramenta posicionada mais a direita do diagrama, com sacrifício na dureza e resistência ao desgaste. Se a exigência for resistência ao desgaste e dureza, como no caso de usinagem de materiais resistentes e abrasivos, a escolha deverá recair naqueles materiais posicionados mais à esquerda do diagrama, com sacrifício da tenacidade.

111

Figura 10.3. Diagrama de dureza�tenacidade dos materiais de ferramentas de corte (Pastor, 1987).

As propriedades de dureza e resistência ao desgaste estão, também, diretamente relacionadas com a capacidade de imprimir altas velocidades aos processos de corte. Esta relação é ilustrada na Figura 10.4, onde observa-se a evolução das velocidades de corte nos últimos 100 anos, relacionados com o aparecimento dos diversos grupos de ferramentas de corte. Apesar de não estarem indicados, os ultraduros, surgidos na década de 80, podem apresentar velocidades ainda superiores àquelas indicadas no diagrama, em algumas aplicações.

Figura 10.4. Aumento das velocidades de corte conseguido no último século (Pastor, 1987).

nitreto de silício + TiC

cerâmica Al2O3

metal duro revestido

aço rápido

aço carbono

112

Carbono e Baixa/Média Ligas de

Aço

Aço Rápido

Liga de Cobalto Fundido

Metal DuroMetal Duro

RevestidoCerâmica

CBN Policrista-

linoDiamante

Dureza a quente aumentoTenacidade aumentoResistência ao impacto aumentoResistência ao desgaste aumentoResistência ao lascamento aumentoVelocidade de corte aumentoProfundidade de corte alta a média alta a

profundaalta a

profundaalta a

profundaalta a

profundaalta a

profundaalta a

profundaResistência ao choque térmico aumentoCusto da ferramenta aumento

TENDÊNCIAS GERAIS DE PROPRIEDADES E PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DE VÁRIOS MATERIAIS DE FERRAMENTAS DE CORTE*

*Algumas características podem se sobrepor em alguns casos. Exceções à regra são muito comuns. Em muitas classes de materiais de ferramentas, uma ampla faixa de composições e propriedades são obtidas.

Figura 10.5. Comparação das propriedades dos principais grupos de ferramentas de corte (Komanduri and Desai, 1982).

Tabela 10.1. Dados quantitativos das principais propriedades das ferramentas de corte (Abrão, 1995)

Propriedades do material da

ferramenta

Aço rápido (M2)

Carboneto de tungstênio

(M20)

Alumina branca

Alumina mista

Alumina reforçada

com whisker

Cerâmica à base de

nitreto de silício

PCBNDiamante

naturalPCD

Composição básica*

0,85%pC 4%pCr 5%pMo 6,5%pW

2%pV

80,5%pWC 10%pCo

9,5%pOutros

90-95% Al2O3

5-10% ZrO2

Al2O3

30% TiC 5-10% ZrO2

75% Al2O3

25% SiC

77% Si3N4

13% Al2O3

10% Y2O3

98%CBN 2%AlB2/

AlN

PCD 2-8% Co

Densidade

(g/cm3)7,85 14,5 3,8-4,0 4,3 3,7 3,2 3,1 3,5 3,4

Dureza à TA (HV)

850 1600 1700 1900 2000 1600 4000 100008000-10000

Dureza à 1000ºC (HV)

n.a. »400 650 800 900 900 »1800 n.a. n.a.

Resistência à fratura

(MPa·m1/2)

17 13 1,9 2 8 6 10 3,4 7,9

Condutividade térmica

(W/m ºC)37 85 8-10 12-18 32 23 100 900 560

Módulo de Young

(kN/mm2)

250 580 380 420 390 300 680 964 841

Coeficiente de expansão

térmica (x10-

6/K)

12 5,5 8,5 8 6,4 3,2 4,9 1,5-4,8 3,8

Custo aproximado por barra**

(US$)

72,54 (barra 25x25x200

mm)0,61 0,83 1,08 4,5 2,25 72-108 225-252 54-90

*por volume a menos que indicado.**custo referente à ISO SNGN 120416

A Figura 10.5 e a Tabela 10.1 apresentam, comparativamente, as principais propriedades dos diversos grupos de ferramentas de corte. Na Figura

113

10.5 apenas dados qualitativos, enquanto na Tabela 10.1 os dados são quantitativos. Numa seleção, é de extrema importância conhecer estas propriedades, mas deve-se conhecer, também, quando e onde estas propriedades são requeridas.

Na seleção do material de ferramenta de corte para uma aplicação específica, o grande número de ferramentas existentes no mercado dificulta a decisão e torna a tarefa relativamente complexa. Todas aquelas propriedades requeridas, listadas anteriormente, devem ser consideradas, mas o técnico de usinagem deve ter conhecimento e perspicácia suficientes para destacar as mais importantes, em função da aplicação a que se requer o material, pois, infelizmente, ainda não inventaram o material de ferramenta que acumulasse, simultaneamente, todas elas.

O material de ferramenta ideal deveria ter a dureza do diamante natural, a tenacidade do aço-rápido e a inércia química da alumina. Ele deve considerar, também, que nem sempre o melhor material é aquele que garante uma maior vida à ferramenta de corte. Às vezes, confiabilidade e previsibilidade da performance são mais importantes, e isto é tanto mais relevante quanto maior for o custo do material da peça.

A figura 10.6 resume a metodologia que deve ser empregada para selecionar a ferramenta de corte, sua geometria e as condições de corte para uma dada aplicação. Observa-se que o número de fatos a considerar é grande e a decisão final deve recair na ferramenta e nas condições de corte que apresentarem a melhor performance, confirmadas pelos testes experimentais realizados em laboratórios de pesquisas ou em linhas de produção.

CONTROLE OU RESTRIÇÕES

PRÁTICA DE MANUFATURA CONDIÇÕES E CAPACIDADE DAS MÁQUINAS FERRAMENTA DISPONÍVEIS REQUISITOS DE GEOMETRIA, PRECISÃO E ACABAMENTO SUPERFICIAL OUTROS REQUISITOS (disponibilidade e entrega de planejamento de ferramentas

escala de produção) DADOS ECONÔMICOS

I N P U T S

MATERIAL DAS PEÇAS

METODOLOGIA PARA

SELEÇÃO DE

FERRAMENTAS

L A B O R A T Ó R IO O U

LI N H A D E P R O D U Ç Ã O

F E R R AM

E

C O N D

D E

C O R T E

(composição química e estado metalúrgico) O U T P U T S

Þ Þ

TIPO DE CORTE FERRAMENTAS (principais candidatos) (desbaste x acabamento corte contínuo x intermitente)

(material da ferramenta específico, classe, forma e geometria da ferram.)

GEOMETRIA E TAMANHO FAIXA DE CONDIÇÕES DE CORTE

TAMANHO DO LOTE

(grupos pequenos x produção em massa)

DADOS DE USINABILIDADE

DADOS COMERCIAIS E LITERATURA TÉCNICA

INFORMAÇÕES DO FORNECEDOR (disponibilidade dos materiais; sua composição, propriedades e aplicações; tamanhos, formas e geometrias disponíveis; planejamento, entrega, custos e dados de performance)

EXPERIÊNCIA

MECANISMOS

PROCEDIMENTO PARA SELEÇÃO DE FERRAMENTAS E OTIMIZAÇÃO DE CONDIÇÕES DE CORTE

Figura 10.6. Metodologia para seleção da ferramenta de corte, sua geometria e condições de corte para uma dada aplicação.

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A seguir apresenta-se um resumo sobre as propriedades, limitações, e aplicações dos diversos grupos de materiais de ferramentas de corte, apresentados na Figura 10.1.

10.2. AÇOS CARBONO E AÇOS LIGA

Na primeira parte do século XIX os aços comuns ao carbono e, mais tarde os aços de baixa e média liga (que foram introduzidas por Müshet em 1868), eram os únicos materiais de ferramentas disponíveis. Com o aparecimento de materiais mais resistentes, logo foram substituídos, embora ainda hoje sejam utilizados como ferramentas em aplicações de baixíssimas velocidade de corte, no ajuste de peças e na fabricação de matrizes. O maior problema é que eles perdem a dureza quando aquecidos a temperaturas superiores à de revenimento (300o a 600o C), como mostrou a Figura 10.2.

A Tabela 10.2 mostra a classificação da AISI (American Iron and Steel Institute) dos tipos de aço carbono mais comuns para ferramentas de corte. Os tipos mais utilizados são os 110 e 120.

Tabela 10.2. Classificação dos aços carbono para ferramentas de corte.

TipoDesignação

AISIC Mn Si Cr V

110 W1 0,60/1,40 0,25 0,25 - -

120 W2 0,60/1,40 0,25 0,25 - 0,25121 - 1,00 0,25 0,25 - 0,50122 W2 ,90 0,25 0,25 - 0,10

130 W4 1,00 0,25 0,25 0,10 -131 W4 1,00 0,25 0,25 0,25 -132 W4 1,00 0,25 0,25 0,50 -133 W4 1,00 0,70 0,25 0,25 -

140 - 1,00 0,25 0,25 0,35 0,20

Classe 140 (Ao carbono-cromo-vanádio)

Aços-carbono para ferramentas

Classe 110 (Ao carbono)

Classe 120 (Ao carbono-vanádio)

Classe 130 (Ao carbono-cromo)

Os aços da Tabela 10.2 são os que apresentam custos mais baixos e são, normalmente, tratados em água, tendo o carbono como o principal elemento de liga. O teor desse elemento vai regular as propriedades de dureza e tenacidade requeridas.

Além desses aços, existem também os seguintes (Chiaverini, 1979):

I. Aços para trabalho a frio ou indeformáveis: que podem ser tratados em água ou óleo, tendo como elementos de ligas principais o cromo, o tungstênio, o molibdênio, e às vezes, o cobalto. São indicados para matrizes de

115

estampagem, forjamento, corte, brochas, alargadores, calibres, punções, matrizes para compressão de pós metálicos, etc..

II. Aços resistentes ao choque: que são normalmente tratados em óleo, com teores de Si, relativamente elevados (até 2%), com baixos teores de Cr, Mo e W. Eles possuem excelente tenacidade e baixa resistência ao desgaste. Suas maiores aplicações são punções, ferramentas pneumáticas, talhadeiras, chaves inglesas, lâminas de tesouras, matrizes, etc..

III. Aços para trabalho a quente: Que podem ser tratados em óleo, ar ou banho de sal, com altos teores de cromo, tungstênio, molibdênio, silício e vanádio. São usados para matrizes para fundição sob pressão, matrizes para forjamento, punções, mandris para trabalho a quente, matrizes de extrusão, etc.. São os conhecidos aços da classificação AISI (e também da ABNT) da classe H, sendo os H12, H13, H20 e H21 os mais utilizados.

O aço para ser empregado como ferramenta deve se encontrar em seu estado de maior dureza e para atender as características de qualidade, dois fatores são fundamentais (Chiaverini, 1979):

§ Composição química § Tratamento térmico

Quanto a composição química, os principais elementos de liga presentes são:

Carbono � com a função de formar carbonetos. Estão presentes na concentração de 0.6 a 1.3%. Em casos especiais o teor pode atingir 2.0%. Teores mais elevados garantem maiores dureza e resistência ao desgaste, enquanto menores teores apresentam melhores características de ductilidade e tenacidade.

Silício � desoxidante. Estão presentes em baixos teores (0.10 a 0.30%). Dissolve-se na ferrita e tende a decompor carbonetos.

Manganês - desoxidante e dessulfurante até 0.5%. Em teores mais elevados melhora a temperabilidade consideravelmente.

Cromo � aumenta a temperabilidade, a dureza e a resistência ao desgaste. Os teores são os mais variados, podendo chegar a 14%, com C também elevado (>1.5%).

Vanádio � desoxidante e controlador do tamanho de grão e aumenta a temperabilidade. Forma carbonetos estáveis, melhorando a dureza a quente. Os teores são normalmente 0.25 a 0.35% (máximo 0.5%).

Tungstênio � formador de carbonetos. Podem ser encontrados em teores de até 4.0% (com C em torno de 1.3%).

Molibdênio � dissolve-se na ferrita e tende a formar carbonetos. Melhora a dureza a quente, a resistência, a ductilidade e a temperabilidade.

116

Quanto ao tratamento térmico, este se constitui de têmpera e revenido. No aquecimento devem-se tomar cuidados especiais para evitar crescimento de grão e descarbonetação superficial. O aquecimento em duas etapas pode diminuir tanto a tendência de crescimento de grão, como a descarbonetação, por diminuir o tempo exposto a temperaturas elevadas. No resfriamento, os aços - carbono, principalmente aqueles com altos teores de carbono, os tempos de transferência a esquerda do cotovelo das curvas TTT são curtos, portanto são difíceis de temperar. Nos aços ligas estes problemas desaparecem, podendo ser resfriados em salmora, água, óleo, banho de sal, ar, etc.. O revenimento é realizado logo após a têmpera para imediato alivio de tensões e normalmente à temperaturas de 120 a 350ºC.

A Figura 10.7 apresenta o diagrama de equilíbrio Fe � C, mostrando a faixa aproximada de teores de C normalmente encontrados nos aços carbonos para ferramentas, e as temperaturas de tratamentos térmicos, normalmente usadas. Observa-se que os mais usados estão na faixa de C de 0.8 a 1.1%, e os tratamentos térmicos de têmpera se realizam com aquecimento acima das linhas A3 e A1, dependendo do teor de carbono. Nota-se que não é necessário austenitizar a cementita (carboneto de ferro), pois a mesma já é um constituinte duro e resistente para compor os aços-ferramentas.

Figura 10.7. Diagrama de equilíbrio Fe � C dos aços carbono para ferramentas (Ferraresi, 1970).

10.3. AÇOS-RÁPIDOS

O primeiro grande impulso causado nos materiais de ferramentas aconteceu na virada do século XIX, quando Taylor e White desenvolveram o primeiro aço-rápido, contendo 0,67% C, 18,91% W, 5,47% Cr, 0,11% Mn, 0,29% V e apropriado tratamento térmico. Seu surgimento revolucionou a prática de usinagem naquela época, dando um grande aumento na produtividade. As velocidades de corte puderam ser aumentadas em uma ordem de grandeza (de 3

117

a 5 m/min) com as ferramentas de aço carbono para 30 a 35 m/min com os aços-rápidos. Exatamente por isso, estes aços levaram este nome. Hoje, comparando com os materiais das ferramentas da chamada terceira geração, eles poderiam ser chamados de �aços-devagar� ou �aços-molengões�. Deixando, porém, de lado as comparações, é certo que com o passar dos anos as propriedades destes materiais foram melhoradas, chegando-se à perfeita combinação dos elementos de liga e domínio do processo de tratamento térmico.

A prática vem contrariando aqueles que acham que os aços-rápidos estão ultrapassados. As qualidades deste grupo de materiais são tão grandes que mesmo hoje, já há mais de um século depois de descobertos, eles ainda sobrevivem no meio de vários outros grupos com fantásticas propriedades.

As aplicações dos aço-rápidos são principalmente em brocas, fresas, cocinetes, brochas, matrizes e até ferramentas de barras para aplicações em torneamentos de peças de diâmetros reduzidos, cuja velocidade de corte conseguida é inferior à velocidade econômica de corte dos materiais de ferramentas mais resistentes.

Encontra-se no mercado um variado grupo de aços-rápidos, com cada um tendo sua aplicação ótima específica. A AISI (American Iron and Steel Institute) classifica os aços�rápidos como apresentado na Tabela 10.3. Existem dois grandes grupos: i- ao tungstênio (W), identificados pela letra �T� e ii- ao molibdênio (Mo), identificados pela letra �M�.

Como se nota, os principais elementos de ligas dos aços-rápidos são (Chiaverini, 1979):

Carbono: Teores variando de 0.7 e 1.6 %. Teores mais baixos representam menores durezas no estado revenido. O aumento do teor de C aumenta a formação de carbonetos complexos o que representa maior dureza e resistência ao desgaste. O maior teor de carbono, também, levará a maior retenção de austenita na tempera, exigindo maiores tempos e temperaturas de revenimento.

Tungstênio: Formador de carboneto, responsável pela elevada resistência ao desgaste do aço-rápido, está presente em teores que podem chegar a 20%. Forma um carboneto complexo com o Fe do tipo M6C, que se dissolve apenas parcialmente na austenita em temperaturas superiores a 980°C. Quando dissolvidos eles são muito renitentes a se precipitarem, ocorrendo apenas no revenimento, em temperaturas em torno de 510°C a 595°C, na forma de W2C. Essa precipitação é um dos elementos responsáveis pelo endurecimento secundário dos aços-rápidos.

Molibdênio: Este elemento é um substituto parcial do tungstênio, formando também o carboneto duplo com o Fe. Como o peso atômico do molibdênio (10,20 g/cm3) é cerca da metade do peso atômico do tungstênio (19,12 g/cm3), a mesma porcentagem em peso produz o dobro de átomos para ligar-se no aço. Assim, para substituir 18% de W, necessita-se apenas de ~9% em peso de Mo. Devido ao menor ponto de fusão, os aços ao Mo são temperados em temperaturas inferiores aos do tipo ao W. Nos aços ao Mo a austenita residual é menos estável

118

que nos aços ao W, resultando em temperaturas de revenimento inferiores. Do mesmo modo, as durezas a quente são também inferiores. Tabela 10.3. Classificação dos aços � rápidos segundo a AISI.

AISI C Mn Si Cr V W Mo Co Outros

T1 0,70/0,75 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,10 1,00/1,20 18,00/18,25 0,70 (opc.) - -T2 0,80/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 2,00/2,15 18,00/18,50 0,50/0,75 (opc.) - -T2 0,95/0,98 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 2,00/2,15 18,00/18,50 0,50/0,75 (opc.) - -T7 0,70/0,75 0,10/0,40 0,10/0,40 4,50/5,00 1,50/1,80 13,50/14,50 - - -T9 1,22/1,28 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 3,75/4,25 18,00/18,50 0,71 (opc.) - -

T4 0,70/0,75 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,50 1,00/1,25 18,00/19,00 0,60/0,70 (opc.) 4,75/5,25 -T5 0,77/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,50 1,85/2,00 18,50/19,00 0,65/1,00 (opc.) 7,60/9,00 -T6 0,75/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,50 1,60/2,00 18,75/20,50 0,60/0,80 (opc.) 11,50/12,25 -T8 0,75/0,80 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 2,00/2,25 13,75/14,00 0,75 5,00/5,25 -

T15 1,50/1,60 0,10/0,40 0,10/0,40 4,50/4,75 4,75/5,00 12,50/13,50 0,50 (opc.) 4,75/5,25 -

M1 0,78/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,00 1,00/1,25 1,50/1,65 8,00/9,00 - -M7 0,97/1,03 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,00 1,90/2,10 1,50/1,75 8,50/8,75 - -

M10 0,85/0,90 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 1,90/2,10 - 8,00/8,50 - -

M30 0,80/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,10/1,40 1,50/1,80 8,25/8,50 4,75/5,25 -M33 1,05/1,10 0,10/0,40 0,10/0,40 3,50/4,00 1,05/1,25 1,30/1,70 9,25/9,75 7,75/8,25 -M34 0,87/0,93 0,10/0,40 0,10/0,40 3,50/4,00 1,85/2,25 1,30/1,60 8,45/8,95 8,00/8,50 -M42 1,05/1,10 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,10/1,40 1,30/1,60 9,25/9,75 7,75/8,25 -M43 1,15/1,25 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,60/2,00 2,50/2,75 7,75/8,20 8,00/8,50 -M46 1,20/1,25 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 3,00/3,30 1,75/2,20 8,00/8,50 8,00/8,50 -

M2 0,80/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 1,70/2,10 6,00/6,50 4,75/5,25 - -M3 1,00/1,10 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 2,40/2,55 6,00/6,25 5,70/6,25 - -

(tipo 1) M3 1,10/1,20 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,25 3,00/3,30 5,60/6,25 5,00/6,25 - -

(tipo 2) M4 1,25/1,30 0,10/0,40 0,10/0,40 4,25/4,50 3,75/4,25 5,50/6,00 4,50/4,75 - -

M6 0,75/0,80 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,25/1,55 3,75/4,25 4,75/5,25 11,50/12,50 -M15 1,50/1,60 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,75 4,75/5,25 6,25/6,75 3,00/5,00 4,75/5,25 -M35 0,80/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 3,90/4,40 1,75/2,15 6,15/6,65 4,75/5,25 4,75/5,25 -M36 0,80/0,90 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,65/2,00 5,50/6,00 4,25/5,25 7,75/9,00 -M41 1,05/1,10 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,75 1,65/2,00 6,25/6,75 3,00/5,00 4,75/5,25 -M44 1,10/1,20 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,75 2,00/2,25 5,00/5,50 5,00/6,25 11,50/12,50 -M45 1,20/1,25 0,10/0,40 0,10/0,40 4,00/4,75 1,60/2,00 6,75/8,10 4,75/5,25 5,25/5,75 -

Tipos Mo - W - Co

Tipos ao Mo - Co

Tipos ao Mo - W

Tipos ao W

Tipos ao W - Co

Tipos ao Mo

Vanádio: Aparece em teores que variam de 1 a 5 %. É desoxidante, mas forte formador de carboneto. Este carboneto é o mais duro encontrado nos aços-rápidos (~84,2 HRc para o VC em aço rápido de alto C e alto V, contra 82,5 HRc do WC nos metais duros e 75,2 HRc do carboneto de Fe-W-Mo nos aços rápidos). Toda vez que se eleva o teor de vanádio nos aços-rápidos deve se elevar também o teor de carbono pois caso contrário, ele promove a ferritização do aço, diminuindo a dureza apreciavelmente. O vanádio aumenta a dureza a quente dos aços, aumentando a eficiência no corte. Os carbonetos se alojam nos contornos de grão, impedindo o crescimento dos mesmo, durante o tratamento térmico, produzindo, portanto, aços mais tenazes. Os aços-rápidos de alto teor de carbono e alto teor de vanádio são conhecidos como aços super-rápidos, possuindo maior resistência ao desgaste e portanto, maior eficiência no corte.

119

Cromo: Aparece em teores sempre em torno de 4%. Juntamente com o carbono, são responsáveis pela elevada temperabilidade dos aços-rápidos. Ele também diminui a oxidação do aço durante o tratamento térmico.

Cobalto: Aumenta significativamente a dureza a quente, aumentando a eficiência das ferramentas em operações de altas temperaturas, como é o caso de corte de desbaste e em corte a altas velocidades. O Co se dissolve grandemente na matriz, proporcionando, por conseguinte, uma dureza média mais elevada, tanto à temperatura ambiente, como a altas temperaturas. O ponto de fusão da liga é aumentado e ele proporciona, também, uma queda na taxa de difusão dos elementos de liga, inibindo, por conseguinte a coalescência de carbonetos secundários. Isto permite temperaturas de tempera mais elevadas sem o risco de problemas sérios de crescimento de grão. Maiores temperaturas de tempera permitem maior quantidade de elementos de liga entrarem em solução e, por conseguinte aumentar a dureza a quente. O cobalto aumenta ainda a condutividade térmica do aço-rápido. Os aços com Co produzem grandes quantidades de austenita retida na têmpera, resultando em maiores endurecimentos secundários no revenimento.

Outros: O enxofre em teores de 0.05% a 0.2% pode ser adicionado, para melhorar a usinabilidade dos aços-rápidos, inclusive acabamento superficial. A tenacidade, entretanto, é afetada negativamente. O titânio pode substituir parte ou completamente o vanádio. Outros elementos como o boro e o nióbio podem também, eventualmente ser encontrados nos aços-rápidos.

Diferentemente do que acontece com os aços convencionais que são temperados e revenidos, onde a dureza exibe uma queda contínua com o aumento da temperatura de revenimento, os aços-rápidos apresentam uma elevação de dureza quando revenidos em temperaturas na faixa de 480°C a 565°C, dependendo da composição do aço. A Figura 10.8 ilustra este fato. Observa-se que o comportamento da curva, e portanto o valor de dureza final, depende não só da temperatura de revenimento, mas também da temperatura de têmpera.

Figura 10.8 Efeito da temperatura de revenido na dureza do aço-rápido, temperado em diferentes temperaturas (Ferraresi, 1970).

120

O crescimento da dureza após revenimento naquela faixa de temperatura foi denominado de dureza secundária (Chiaverini, 1979), e é causado pela combinação dos processos apresentados na Figura 10.9.

Temperatura de Revenido

Dur

eza

Temperatura de Revenido ºC

Dur

eza

(R

C)

a) b)

Figura 10.9 Dureza secundária dos aços-rápidos: a) � efeitos individuais; b)- combinação de efeitos.

A curva �A� da Figura 10.9a representa o efeito do revenimento da martensita (decomposição da martensita), causando uma queda de dureza. A curva �B� representa o efeito de precipitação de carbonetos secundários, causando uma elevação na dureza, e a curva �C� representa o efeito da transformação da austenita retida, causando mais elevação na dureza. A curva �D� é o resultado obtido pela combinação de efeitos, que é ilustrado isoladamente na Figura 10.9b.

Enquanto os efeitos do revenimento da martensita e a transformação da austenita retida em martensita são fenômenos bem conhecidos, a precipitação de carbonetos naquela faixa de temperatura precisa ser melhor entendida. Como foi dito, o tungstênio e/ou o molibdênio formam carboneto complexo com o Fe do tipo M6C, que se dissolvem apenas parcialmente na austenita em temperaturas superiores a 980°C. Portanto, em se aumentando a temperatura acima destes valores, têm-se a dissolução cada vez maior dos carbonetos complexos. Fazendo-se o resfriamento do material em altas velocidades a partir destas temperaturas, os carbonetos não se precipitam, pois as condições de mobilidade atômica e de tempo não são favoráveis. A precipitação irá ocorrer no tratamento de revenimento nas faixas de temperaturas já citadas, isto é, 480°C a 565°C, dependendo da composição do aço. Os carbonetos assim formados são denominados de carbonetos secundários e, nos aços ao tungstênio se apresentam na forma de W2C com maior dureza e textura mais fina e bem distribuídos na matriz. Garantindo assim um acréscimo de dureza considerável nos aços-rápidos.

Portanto, é importante neste tratamento, a temperatura de têmpera, que neste caso, é bem mais elevada que no caso dos aços carbono e aços ligas, onde as temperaturas são ligeiramente acima das linhas A3 e A1, do diagrama de equilíbrio Fe � C. Neste caso, as temperaturas são bem mais elevadas para garantir a maior quantidade possível de dissolução de carbonetos primários

121

(complexos de Fe/W/Mo do tipo M6C), para assim se ter maior garantia de precipitação dos carbonetos secundários durante o revenimento (do tipo M2C). A tabela 10.4 apresenta os valores médios de temperaturas de tratamento de várias classes de aços-rápidos.

Tabela 10.4 Temperaturas de tempera e revenimento de vários aços-rápidos (Ferraresi, 1970).

Tipo

Temperatura de

têmpera

(ºC)

Temperatura de

revenido

(ºC)

Dureza

R.C

610 1276 565 64611 1276 565 64620 1287 565 64621 1287 565 65622 1296 565 64623 1300 538 67630 1193 552 64630 1193 552 64650 1210 554 64651 1215 554 65652 1215 554 65653 1218 554 65

Temperaturas de tratamentos térmicos para diversos aços rápidos

Quando da especificação ou seleção de um aço-rápido deve-se considerar as propriedades principais requeridas, função da aplicação, e considerar o conteúdo da Tabela 10.5.

Tabela 10.5 Influência dos elementos de ligas nas características fundamentais dos aços-rápidos (Ferraresi, 1970).

Influência de elementos de liga sobre as características fundamentais

dos aços para ferramentas

Características Elementos de liga

Dureza a quente .......................... W, Mo, Co (com W ou Mo), V, Cr, Mn

Resistência ao desgaste ............. V, W, Mo, Cr, Mn Profundidade de endurecimento . B, V, Mo, Cr, Mn, Si, Ni Empenamento mínimo ................ Mo (com Cr), Cr, Mn Aumento da tenacidade pelo

refino do grão ......................... V, W, Mo, Mn, Cr

Se o processo requerer alta dureza a elevadas temperaturas, isto é, em operações de altas velocidades de corte ou na usinagem de materiais de alta resistência, onde as temperaturas são relativamente elevadas, o principal elemento de liga do aço-rápido deve ser o tungstênio. Isto porque o carboneto de tungstênio é o mais estável, garantido a manutenção nesta forma (carboneto) a temperaturas mais elevadas que os demais. Na seqüência, o segundo mais importante neste quesito é o molibdênio, o terceiro o Co, e assim por diante. Os aços-rápidos com teores de Co que variam até um valor máximo de aproximadamente 12%, são normalmente os mais requisitados, justamente por

122

permitirem velocidades de corte da ordem de 25% a 30% maiores que seus similares sem este elemento.

Quando a resistência ao desgaste for a principal exigência do processo, a Tabela 10.5 indica que o principal elemento de liga do aço-rápido deve ser o vanádio, depois o tungstênio, o molibdênio etc.. Isto porque para a resistência ao desgaste, a principal propriedade a ser considerada é a dureza do carboneto presente. Pode-se, portanto concluir que a dureza dos carbonetos de vanádio é superior à dureza dos carbonetos de tungstênio que por sua vez é superior à dureza do carboneto de molibdênio, e assim sucessivamente, conforme a Tabela 10.5. As principais propriedades mecânicas e térmicas de vários componentes normalmente encontrados nas ferramentas de corte são apresentadas na Tabela 10.6. Observa-se que a dureza em [GNm-2] do VC é 29 HV contra 13 HV a 22 HV para o WC e 15 HV para o Mo2C. Tabela 10.6 Principais propriedades de vários componentes dos materiais de

ferramentas de corte (Gurland, 1988).

Material

Módulo de Young,

GN m-2

Coeficiente de expansão

térmica,

10-6 K-1

Densidade,

g cm-2

Temperatura de fusão,

ºC

Dureza,

GN m-3

TiC 450 7,4 4,94 3100 30 HV (50g)TaC 285 5,5 14,50 3800 18 HV (50g)Cr3C2 373 9,9 6,66 1800* 14 HV (50g)

Mo2C (hex.) 533 6,7 9,18 2500 15 HV (50g)

WC (hex.) 696 5,2 15,70 2800* 13-22 HV (50g)ZrC 348 6,7 6,56 3400 27 HV (50g)HfC 352 6,6 12,76 3900 26 HV (50g)VC 422 7,2 5,71 2700 29 HV (50g)NbC 388 6,7 7,80 3600 20 HV (50g)Diamante 1.141 1,5 - 4,8 3,52 transforma ~80 HVBN (cúbico) 680 4,8 3,48 3200* ~50 HVTiN 250 9,4 5,40 2950 25 HVBl2N2 210 3,0 3,11 1900 22 HV

Al2O3 400 8,4 3,88 204 25 HVTiH2 480 8,0 4,50 2900 34 HV

* Temperatura de dissociação

Propriedades mecânicas e térmicas de alguns elementos duros e compostos

A Tabela 10.5 apresenta ainda os principais elementos que influenciam a profundidade de endurecimento e aqueles que garantem empenamento mínimo durante o tratamento térmico. Estas são, também, características importantes, pois elas revelam a capacidade do material apresentar transformação martensítica ao longo de sua seção transversal com garantia de não sofrerem distorções devido aos choques térmicos, respectivamente.

Finalmente, a Tabela 10.5 apresenta a ordem dos elementos que garantem maior tenacidade pelo refino de grão. Novamente, o VC, lidera a lista. Estes carbonetos se alojam no contorno de grão austenítico, impedindo o crescimento

123

de grão do constituinte. Outros carbonetos também atuam neste sentido, como mostrado pela ordem da tabela.

A Tabela 10.7 é apresentada por Ferraresi (1970), para auxiliar na seleção dos aços rápidos, em função das características desejadas. A primeira coluna apresenta a ordem dos aços-rápidos que devem ser considerados se a principal propriedade requerida for resistência ao desgaste. Neste caso, o aço da classe 630 é o mais indicado. A segunda coluna se a principal propriedade requerida for a tenacidade. Neste caso deve-se escolher o aço da classe 622. A terceira coluna se a principal propriedade for dureza a quente. A tabela indica que, novamente, o aço da classe 630 é o mais indicado.

Tabela 10.7 Indicações para seleção dos aços-rápidos em função das características requeridas (Ferraresi, 1970).

Resistência ao desgaste Tenacidade Dureza a quente

Grupo 7 Grupo 1 Grupo 8630 (M1) 622 (T6) 630 (M1)650 (M2) 623 (T15) 631 (M10)631 (M10) 621 (T5) 610 (T1)610 (T1) 650 (M2)620 (T4) Grupo 2 611 (T12)621 (T5) 624 (T8) 651 (M3-1)

652 (M3-2)Grupo 8 Grupo 3 653 (M4)622 (T6) 611 (T2) 624 (T8)611 (T2) 653 (M4)

651 (M3-1) 610 (T1) Grupo 9652 (M3-2) 652 (M3-2) 621 (T5)

651 (M3-1) 623 (T15)Grupo 9 631 (M10) 622 (T6)653 (M4) 630 (M1)623 (T15) 650 (M2)

Seleção de aços rápidos

Durante a Segunda Guerra Mundial, os americanos, com receio de faltar matéria prima para fabricação de ferramentas de corte, diminuíram para metade o teor de tungstênio e molibdênio dos aços-rápidos e os batizaram como aços-semi-rápidos. A tabela 10.8 apresenta a composição dos principais aços-semi-rápidos. Estes aços apresentam propriedades de resistência e dureza inferiores aos aços-rápidos e não são comercialmente disponíveis nos dias atuais.

Outro produto deste grupo que recebeu nome específico foram os aços super-rápidos. São aqueles que possuem elevados teores de vanádio (podendo chegar a 5%). Este elemento forma carbonetos extremamente duros como já foi discutido e comentado quando da apresentação das Tabelas 10.5 e 10.6. Os aços com altos teores de vanádio apresentam durezas médias superiores e permitem o emprego de velocidades de corte maiores que os aços-rápidos convencionais.

124

Tabela 10.8 Composição dos aços-semi-rápidos usados pelos americanos na época da Segunda Guerra Mundial (Ferraresi, 1970).

Classe AISI C Mn Si Cr V W Mo

360 - 0,75/0,85 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,00/1,20 - 4,00/4,50361 - 0,85/0,95 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 1,75/2,05 - 4,00/4,50362 - 1,15/1,25 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 3,00/3,30 - 4,00/4,50363 - 1,35/1,45 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 3,90/4,40 - 4,00/4,50364 - 0,90/1,00 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 2,15/2,45 2,60/3,00 2,25/2,75365 - 0,85/0,95 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 2,10/2,40 0,80/1,20 1,80/2,20366 - 1,15/1,25 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 2,70/3,10 1,25/1,55 1,45/1,75367 - 0,90/1,00 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 2,05/2,35 1,75/2,05 1,00/1,20368 - 1,05/1,15 0,10/0,40 0,10/0,40 3,75/4,25 3,75/4,25 2,30/2,70 2,40/2,80

Composição dos aços semi-rápidos, usuais nos Estados Unidos (Grupo 300 - Classe 360)

Dois grandes avanços na fabricação de aços-rápidos foram conseguidos nos anos 70 e merecem destaques:

I - Ferramentas de Aço-Rápido Revestidas

As ferramentas que foram revestidas primeiro foram as de metal duro, no final da década de 60. Os aços-rápidos foram receber as coberturas apenas uma década mais tarde (Komanduri and Desai, 1982). Isto porque a técnica de revestimento comumente aplicada às ferramentas de metal duro é a CVD - (Chemical Vapour Deposition ou deposição química de vapor) que requer um tratamento térmico a temperaturas da ordem de ~ 1000°C. A esta temperatura a estrutura metalúrgica do aço-rápido é significativamente alterada e portanto não aplicável a este grupo de materiais para ferramentas. Só com a introdução do método de deposição PVD (Phisical Vapour Deposition ou deposição física de vapor), que usa temperaturas de tratamento inferiores (da ordem de 500°C), que as ferramentas de aços-rápidos foram recobertas com sucesso.

O conceito do revestimento é para garantir uma ferramenta com características tenazes no núcleo e duras, resistentes ao desgaste e quimicamente inertes na superfície.

Nos aços-rápidos as camadas de revestimento comumente utilizadas são de TiN e TiCN. Hoje a aplicação de ferramentas de aço-rápido revestida com estas camadas garante maiores vidas nas ferramentas e velocidades de corte superiores que as ferramentas sem o revestimento. É comum encontrar brocas, fresas, hobies e segmentos de brochas de aço-rápido revestidas. O processo de revestimento tem sido intensamente pesquisado e o domínio do processo PVD hoje garante a popularização e aplicação do método a custos bem modestos.

As ferramentas de aço-rápido são normalmente reafiadas após o desgaste excessivo na primeira vida. Isto implica em novo recobrimento sendo necessário, uma vez que a reafiação é feita pela retificação da zona desgastada, que normalmente excede a camada revestida, entrando pelo substrato. Pode acontecer que o usuário opte pela utilização da ferramenta reafiada sem novo

125

procedimento de revestimento. Neste caso, ele passa a utilizar uma ferramenta que fica com uma das superfícies sem cobertura. No caso das brocas e fresas, as ferramentas são normalmente reafiadas pela retificação da superfície de folga, ficando a superfície de saída sempre com a camada revestida. No caso de hobies, a ferramenta é reafiada pela retificação da superfície de saída, neste caso quem fica sempre com o revestimento são as superfícies de folgas.

II - Ferramentas de Aço-Rápido Fabricadas pela Metalurgia do Pó

São ferramentas fabricadas pela metalurgia do pó, muitas vezes chamada erroneamente por sinterização (sinterização é o nome do tratamento térmico, que os produtos fabricados pela metalurgia do pó sofrem), que têm a vantagem de possibilitar partículas de carbonetos muito menores e mais dispersas na matriz, além de facultar a incorporação de um número maior de elementos de liga (carbonetos) que o processo de fabricação convencional. Hoje são encontradas no mercado fresas, brocas e outras ferramentas de aço-rápido fabricadas por este processo. Um fator que limita a utilização de ferramentas de aço-rápido fabricadas pela metalurgia do pó ou simplesmente PM (de Powder Metalurgy do inglês = metalurgia do pó) são as formas complexas que algumas ferramentas possuem. O processo necessita uma matriz de compactação do pó que deve possuir o negativo do formato da ferramenta. Formas complexas dificultam esta etapa, inibindo a aplicação.

De um modo geral, as ferramentas de aço-rápido fabricadas pela metalurgia do pó apresentam as seguintes vantagens ou características em comparação com aquelas fabricadas pelo método de fundição convencional:

Ü Nas ferramentas de HSS - PM, as partículas de carbonetos são mais finas e a dispersão mais uniforme. Os pós são obtidos de aços previamente ligados, pelo processo de atomização, o que garante partículas (da ordem de 100 mm) contendo carbonetos bem finos e distribuídos, praticamente como no estado líquido. A Figura 10.10 mostra uma partícula de aço-rápido obtida por esse processo de atomização. Os pós dessas partículas serão compactados e sinterizados para formar o produto que pode ou não, ainda sofrer um processo de retificação final. Observa-se a forma esférica perfeita da partícula. Normalmente elas são selecionadas para possuírem uma dimensão uniforme e garantir homogeneidade na microestrutura.

Ü Tamanho dos carbonetos do HSS - PM é da ordem de 1 a 3 mm, enquanto que no HSS convencional, mesmo após a conformação a quente,estes valores são da ordem de 3 a 16 mm. Portanto, em média, a granulação dos carbonetos no HSS convencional é 3 vezes maiores que aqueles dos HSS - PM. A Figura 10.11 mostra a comparação dos microconstituintes dos dois tipos de HSS.

Ü HSS - PM apresenta porosidade, o que diminui a resistência a tração, mas pode apresentar melhor resistência a compressão.

Ü HSS - PM tem melhor usinabilidade na retífica que o HSS convencional, devido a granulação mais fina.

126

Ü Pelo mesmo motivo, os HSS - PM têm maior tenacidade que os HSS convencionais.

Ü O tratamento térmico do HSS - PM é mais simples que o HSS convencional, que consiste de tempera e revenimento, sem a preocupação do endurecimento secundário dos HSS convencionais.

Figura 10.10 Partícula esférica de um aço-rápido AISI T15 obtido por atomização (Komanduri and Desai, 1982).

a) b)

Figura 10.11 Micrografias do aço-rápido AISI M42 a) produzido pelo processo convencional de fundição e b) produzido pelo processo PM (Komanduri and Desai, 1982).

10.4. LIGAS FUNDIDAS

Elas formam um outro grupo de materiais de ferramentas de corte e surgiram mais ou menos na mesma época dos aços-rápidos, mas tiveram grandes aplicações somente mais tarde, durante a Segunda Guerra Mundial. São

127

ferramentas a base de Co, contendo W e Cr em solução sólida, e às vezes alguns carbonetos. Estas ligas são mais duras do que os aços-rápidos e mantém esta dureza a temperaturas mais elevadas, e em decorrência disso as velocidades de corte empregadas são maiores (em torno de 25%). A Figura 10.12 apresenta as curvas características de dureza contra a temperatura de uma liga fundida e de dois aços-rápidos. Nota-se a queda de dureza com o aumento de temperatura sendo mais branda na liga fundida.

Figura 10.12 Comportamento da dureza com o aumento de temperatura de uma liga fundida (Stellite 100, â) e de dois aços-rápidos (Ridhough, 1970).

A Tabela 10.9 apresenta quatro tipos de ligas fundidas com suas respectivas composições e propriedades. Observa-se que o maior teor de cobalto garante uma maior tenacidade ou resistência ao choque, dado pela absorção de energia no teste Izod. Por outro lado, uma maior percentagem de tungstênio (e carbono) garante maior dureza e consequentemente, maior resistência ao desgaste.

Na realidade, a não ser em aplicações muito especiais, as ligas fundidas estão caindo em desuso, tanto pela escassez de matéria-prima (e aumento do preço) como também por haver no mercado materiais que se comparam a elas e até as superam a custos menores. Quando a principal propriedade requerida for tenacidade, os aços-rápidos a superam. Quando for resistência ao desgaste, os metais duros são bem superiores.

128

Tabela 10.9 Composição e propriedades das ligas fundidas (Ferraresi, 1970).

Co 53

Cr 31

W 10

C 1,5

Ou-tros 4

Co 52

Cr 30

W 11

C 2,5

Ou-tros 4

Co 41

Cr 32

W 17

C 2,5

Ou-tros 4

Co 38

Cr 20

W 18

C 2,0

Ou-tros 12

Densidade [g/cm3]

Faixa de fusão [ºC]

Limite de resistência à

tração [kgf/mm2]

Limite de escoamento

Alongamento [%]

Dureza Rockwell A

Dureza Rockwell C

Resistência à

compressão [kgf/mm2]

Resistência ao choque Izod [kgm]

Módulo de elasticidade

[kgf/mm2]

Composição química [%]

Ligas Fundidas para Ferramentas

0

52,5

1139-1314

8,36 8,38 8,76 8,63

0,4

259

62,5

82,582,0

61,5

238

0,60,9

224

60,5

81,580,0

58,0

210

1,6

1256-1298

77

0-1

próximo do limite de resistência à tração

0

59,5

1235-1320 1166-1332

52,5

0

27,720 23,730 25,900 27,865

A Figura 10.13 apresenta a curva de vida das ferramentas de aço-rápido, liga fundida e metal duro no torneamento de um aço liga, enquanto a Figura 10.14 apresenta as faixas de velocidades de máximo rendimento para o torneamento de uma liga de alumínio com essas ferramentas. A liga fundida supera o aço-rápido, mas é superada pelo metal duro.

Figura 10.13 Vidas das ferramentas no torneamento de um aço liga (Ridhough, 1970).

129

Figura 10.14 Faixas de velocidades de máximo rendimento no torneamento de uma liga de alumínio (Ferraresi, 1970).

10.5. METAL DURO

O segundo grande impulso na área dos materiais de ferramenta de corte aconteceu com o aparecimento do metal duro. O primeiro foi com o surgimento do aço-rápido. Com os Metais duros, novamente, as velocidades de corte puderam ser aumentadas em praticamente uma ordem de grandeza (de 35 m/min com os aços-rápidos para 250 - 300 m/min com os metais duros). O advento desta classe aconteceu no final da década de 20, na Alemanha, quando Schröter conseguiu produzir em laboratório o WC em pó pela primeira vez. A mistura deste pó principalmente com o cobalto, também em pó (admite-se ainda o níquel ou o ferro, mas com resultados inferiores), trouxe ao mercado, na década de 30, um dos mais fantásticos grupos de materiais de ferramentas de corte: o metal duro.

Na época, quando foi verificado as excelentes propriedades de dureza e resistência ao desgaste desse material, os alemães logo o batizaram de �widia� (de wie diamond do alemão = como o diamante), fazendo referência à semelhança das propriedades desse material com as do diamante, o que até certo ponto é um exagero.

A grande popularidade dos metais duros, que são fabricados pelo processo de metalurgia do pó, se deve ao fato deles possuirem a combinação de resistência ao desgaste, resistência mecânica e tenacidade em altos níveis.

A ferramenta desenvolvida na Alemanha, contendo apenas WC + Co, se mostrou prodigiosa na usinagem de ferros fundidos cinzentos, mas com baixa resistência a craterização, quando usinando aços. Para superar esta séria deficiência, pesquisas logo se iniciaram, pois os aços, que são os mais

130

importantes materiais de uso geral em engenharia, não poderiam deixar de se beneficiar desta revolução. Adicionou-se, então TiC, TaC e/ou NbC aos WC + Co e verificaram que este produto reduziu em muito o problema de craterização na usinagem dos aços. As razões para isto são:

i Os carbonetos adicionados têm maiores durezas que o WC e, portanto, apresentam maiores resistências ao desgaste.

ii A solubilidade dos carbonetos adicionados no ferro é muito menor que o WC. Isto inibe a difusão, e como se verá no próximo capítulo, difusão é um dos mecanismos de desgastes mais importante a altas temperaturas.

iii A estabilidade dos carbonetos adicionados é maior que os WC. Isto implica em maiores dificuldades de dissolução e difusão desses elementos.

A norma ISO logo padronizou a classificação dos metais duros e designou de classe K aqueles contendo WC + Co. Ela é, também, conhecida por classe dos ferros fundidos ou classe dos cavacos curtos. Num sistema de cores de especificação (não do produto), também internacional, coube a este grupo a coloração vermelha. Assim, nos catálogos dos fabricantes, essa classe é sempre designada em vermelho. Quando se adiciona TiC, TaC e/ou NbC, a ISO os designa de classe P. Essa classe ficou, também conhecida por classe dos aços, ou dos cavacos longos e tem o azul como a cor de referência nos catálogos. A classe M é uma classe intermediária, quando o WC + Co possui adições de TiC, TaC e/ou NbC, mas em menores quantidades que aqueles apresentados pela classe P. Essa classe é também conhecida como a classe dos aços inoxidáveis, tendo em vista a sua maior aplicação na usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos. A coloração padrão dessa classe é o amarelo.

A classe K é também conhecida como a classe dos não ferrosos. Elas são sempre indicadas para usinagem dos materiais não ferrosos, devido ao fato dos carbonetos adicionados na classe P e M terem maiores afinidades química com os não ferrosos que os carbonetos de tungstênio da classe K. Neste caso, a designação de classe dos cavacos curtos não se refere aos não ferrosos, pois a maioria deles formam cavacos longos (alumínio, cobre, titânio, níquel, etc.).

A letra de designação dos metais duros é sempre acompanhada de um número que representa a tenacidade e a resistência ao desgaste da ferramenta. Quanto maior o numero, que normalmente varia de 01 a 50, maior a tenacidade e menor a resistência ao desgaste. A Figura 10.15 mostra esta designação que é recomendada pela norma ISO.

A sub-classificação dentro de cada classe depende principalmente de:

Ä Composição química da ferramenta, incluindo qualidade e quantidade de carbonetos. A presença de carbonetos de titânio, por exemplo, garante maior resistência ao desgaste. A maior quantidade de cobalto por outro lado, garante maior tenacidade;

Ä Tamanho de grãos dos carbonetos. Quanto mais finos os carbonetos, maior a tenacidade da ferramenta, aliada a uma maior dureza média.

131

DESIGNAÇÃO ISO

DUREZA E RESIST. AO DESGASTE

TENACIDADE

P 01 P 10 P 20 P 25 P 30 P 40 P 50

M 10 M 20 M 30 M 40

K 01 K 05 K 10 K 20 K 30 K 40

Figura 10.15 Classificação dos metais duros segundo a norma ISO.

A variação da composição química é ilustrada pela Figura 10.16. Nos quatro gráficos desta figura, nos eixos das abscissas tem-se a variação da percentagem de Co na liga. Nota-se que o aumento do Co implica em menor dureza, maior TRS - resistência à ruptura transversal e, portanto, maior resistência ao impacto (ou tenacidade) e menor módulo de elasticidade e, portanto, menor rigidez.

A influência do refino de grão é ilustrada pela Tabela 10.10. Nesta tabela, as propriedades de duas classes de metal duro convencional, à base de WC + Co, designados por THM e THR são comparadas com as propriedades de ferramentas com as mesmas composições, mas com grãos de carbonetos ultrafinos, designados por THM - F e THR - F, respectivamente. A THR é uma classe com alto teor de Co. Nota-se que o refino de grão melhora a tenacidade em aproximadamente 50%, aumentando também a dureza média, embora piorando as propriedades térmicas.

Para selecionar uma ferramenta, portanto, o responsável técnico terá que considerar as principais características do processo. Em uma aplicação, por exemplo, no fresamento de aço com uma ferramenta P10, se estiver ocorrendo lascamentos severos devido aos choques mecânicos inerentes ao processo, aconselha-se a substituição por uma ferramenta mais tenaz, isto é, uma P20 ou P30, ou mesmo superior. Deve-se, entretanto estar ciente que ao ganhar tenacidade com esta mudança, perde-se em resistência ao desgaste. Portanto, deve-se sempre procurar aquela ferramenta que tenha tenacidade suficiente para absorver os choques mecânicos e prevenir o lascamento, mas com resistência ao desgaste máximo para garantir maior vida na ferramenta de corte.

132

Figura 10.16 Variação de algumas propriedades do metal duro com a variação do teor de Co. a)- Dureza; b)- TRS � resistência à ruptura transversal; c)- Resistência ao impacto; d)- Módulo de elasticidade (Komanduri and Desai, 1982).

Tabela 10.10 Comparação das propriedades de metal duro com tamanho de

grão convencional e com tamanho de grãos ultrafinos.

THM THM-F THR THR-F

Densidade [g/cm3] 14,9 14,8 14,6 14,4Dureza [HV30] 1600 1800 1450 1500Resistência à ruptura

transversal [N/mm2] 2000 3000 2350 3200Resistência à compressão [N/mm2] 5400 6000 5000 5300Tenacidade à fratura Kh

[Mpa K-1] 9,6 10,8 12,0 13,8Condutividade térmica

[W m-1 K-1] 80 46 70 42Coeficiente de expansão

térmica [K-1] 5,5·10-6 6,2·10-6 5,6·10-6 6,7·10-6

133

A Tabela 10.11 mostra as ferramentas mais comuns de cada grupo (P, M ou K) e suas respectivas aplicações.

Tabela 10.11 Campo de aplicação dos metais duros (Ferraresi, 1970).

Designação Campo de aplicação

Para

m

ateria

is

ferr

oso

s d

e

cava

co

long

o,

com

o

aço

s e ferr

o f

und

ido m

ale

áve

l.

P 01 Operações de acabamento fino, com avanços pequenos e altas velocidades, como torneamento e furação de precisão. Exige máquinas rígidas, isentas de vibração.

P 10 Idem � Também para aplicações em que ocorre grande aquecimento da ferramenta.

P 20 Operação de desbaste leve, com velocidades de médias a altas e avanços médios. Também em operações de aplainamento com seções pequenas de corte.

P 25 Operações de desbaste com velocidades e avanços médios.

P 30 Operações com baixas a médias velocidades de corte e seções de corte médias a grandes; torneamento, fresamento e aplainamento.

P 40

Operações de desbaste grosseiro e em condições severas de corte, como corte interrompido, mesmo em máquinas sujeitas à vibração; velocidades baixas a médias e grandes avanços e profundidade de corte; torneamento, aplainamento.

P 50 Idem � É o tipo mais tenaz, aplicações em que se usam máquinas obsoletas, onde substitui o aço rápido com grande vantagem.

Cla

sses

univ

ers

ais

: aço

s,

incl

usi

ve a

ços -

liga,

ferr

o f

und

ido,

co

mum

, fe

rro

fund

ido

n

odu

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fe

rro fu

ndid

o m

aleáv

el.

M 10

Operações de torneamento com velocidades médias a altas e seções de corte médias.

M 20 Operações de torneamento, fresamento, aplainamento, com velocidades de corte médias e seções de corte médias.

M 30 Idem � com seções de corte médias a grandes.

M 40

Torneamento, principalmente em máquinas automáticas.

Para

mat

eria

is d

e c

ava

co c

urt

o:

ferr

o

fund

ido,

aço

te

mper

ado

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eta

is

não

-ferr

oso

s,

plá

stic

os,

m

ade

iras.

K 01 Operações de acabamento fino e de precisão, como broqueamento e faceamento, com cortes leves e firmes, avanços pequenos e altas velocidades.

K 05 Operações de acabamento, como torneamento, alisamento e furação de precisão, com alta velocidade de corte.

K 10 Operações de usinagem em geral.

K 20 Idem � Com avanços e velocidades médias.

K 30 Operações de desbaste, cortes interrompidos e profundos.

K 40 Idem � Onde se tem condições muito desfavoráveis e se deve trabalhar com ângulos de saída grandes.

134

Na prática, entretanto, esta classificação ISO, que considera principalmente a composição química e as propriedades de dureza (ou resistência ao desgaste) e tenacidade, está deixando de ser adotada, sendo substituída por classificação específica dos diversos fabricantes de ferramentas de metal duro. Assim, um determinado produto, pode cobrir uma vasta faixa da classificação ISO, pois os fabricantes alegam que os seus produtos podem, perfeitamente, ser utilizados em toda aquela faixa, com resultados satisfatórios. Às vezes esta classificação pode até apresentar um mesmo produto sendo listado na classe P, M e K simultaneamente. Na realidade isto significa que os fabricantes estão enfatizando mais a aplicabilidade da ferramenta, do que propriamente o sentido da classificação original. A Figura 10.17 apresenta a relação dos produtos de um fabricante de metal duro, onde se observam os fatos descritos acima.

Figura 10.17 Classificação dos metais duros produzidos por um fabricante de ferramentas de corte (SANDVIK, Corokey, 1998).

Os metais duros são fabricados pelo processo de metalurgia do pó, que resumidamente se processa da seguinte forma. O tungstênio, na forma original, se encontra na natureza nos minérios denominados scheelita e wolframita, que podem ser encontrados no nordeste brasileiro. Após uma série de reações em meio ácido (ácido clorídrico) ele é transformado em trióxido de tungstênio, (WO3). Por meio de reações de desoxidação em atmosfera rica em hidrogênio é obtido o tungstênio puro, que é misturado com o carbono, também puro, e levado a um forno para formar o WC a temperaturas elevadas (1375°C a 1650°C) (Marcondes, 1990). O tamanho de grão do carboneto de tungstênio assim obtido é da ordem de 0,4 a 7 mm (Jack, 1987). O controle e o refino maior dos grãos de carboneto é obtido na etapa de moagem seguinte. Os carbonetos são moídos em meio líquido

135

e depois secados com spray. Esta moagem pode ser feita após a mistura com o cobalto, na proporção ideal de cada classe. Opcionalmente, a mistura com o cobalto (na forma de pós finos) pode ser feita após a moagem individual dos constituintes. A mistura é comprimida a frio em matrizes, geralmente usando uma adição de cera lubrificante para facilitar esta etapa. Esta cera será extraída do produto durante o tratamento de sinterização. Após a prensagem o produto já ganha o formato final desejado, apresentando uma porosidade da ordem de 50% em volume, e pode ser manipulado. A sinterização segue imediatamente esta etapa, e é realizada a vácuo, em temperaturas da ordem de 1500°C, com a porosidade sendo reduzida para menos de 0,01% (Jack, 1987). Esta baixa porosidade é possível de ser obtida devido à fase líquida do metal ligante presente. Após a sinterização o produto sofre uma redução de tamanho, que pode chegar da ordem de 18%. Antes de ser comercializado, normalmente, o produto é retificado, para formatar as arestas. A Figura 10.18 ilustra este processo. Nota-se que quando se tratar de produtos da classe P ou M, há também a adição de TiC, TaC e/ou NbC.

Figura 10.18. Esquema ilustrativo do processo de metalurgia do pó para obtenção dos metais duros.

O processo de metalurgia do pó, muitas vezes é denominado de sinterização erroneamente, pois sinterização é apenas o tratamento térmico do processo. É durante este tratamento que os pós adjacentes do constituinte são unidos. Essa união pode ser realizada por meio de dois mecanismos distintos a saber: transporte de material na fase sólida ou transporte de material na fase líquida. No primeiro, a união é garantida pela difusão na fase sólida dos

136

constituintes, enquanto que no segundo a união é garantida pela fusão do elemento ligante. A Figura 10.19 ilustra esses dois métodos.

Figura 10.19. Esquema ilustrativo dos dois mecanismos de união dos pós durante o processo de sinterização; a)- transporte de material no estado sólido; b)- transporte de material no estado líquido (Kalpakajian, 1984).

Ferramentas de Metal Duro Revestidas

O revestimento de ferramentas de metal duro ganhou importância muito grande, pois o mesmo pode garantir uma performance bem superior à ferramenta sem revestimento na usinagem de materiais ferrosos, que são os materiais mais utilizados na industria mecânica. Hoje, dentre todo o metal duro utilizado na indústria, a percentagem de metal duro revestido é muito grande (próximo de 90%). Outro fator que contribuiu muito para o crescimento da aplicação de ferramentas de metal duro revestidas foi o maior domínio das técnicas de revestimento e, consequentemente, o custo mais acessível do produto. Outro parâmetro comparativo é o número de produtos oferecidos pelos fabricantes. Um grande fabricante de ferramentas, possui hoje no seu catálogo (de 1998) 17 diferentes classes de metal duro revestido contra apenas 7 classes de metal duro sem revestimento. Esses revestimentos são aplicados em substratos de quaisquer classe de metal duro (P, M ou K).

Ao contrário das ferramentas de aço-rápido revestidas, que usam apenas o processo PVD, os metais duros podem receber tanto o processo PVD como o CVD. Neste caso a utilização de temperaturas elevadas do processo CVD (~1000°C) não implica em problemas para as ferramentas de metal duro, pois as mesmas não sofrem alterações metalúrgicas nestas temperaturas como as ferramentas de aço-rápido. Portanto, os fabricantes de ferramentas possuem hoje na suas linhas de produtos ferramentas revestidas pelos dois processos. A Tabela 10.12 apresenta a comparação das ferramentas de metal duro revestidas pelos dois processos (possuindo o mesmo substrato). Nota-se que o processo PVD garante a mesma tenacidade do substrato, enquanto que o processo CVD diminui

137

esta propriedade. Isto implica em problemas da aplicação de ferramentas revestidas pelo processo CVD em cortes interrompidos. A causa desta redução de tenacidade está na tensão residual de tração deixada pelo método CVD, enquanto que no método PVD a tensão residual é de compressão, igual a conseguida no substrato, após a retificação (Quinto et alli, 1988). Portanto, é a tensão residual de tração que reduz a resistência ao lascamento da aresta de corte.

Outra variável na escolha é o número de camadas revestidas apresentadas pelas ferramentas. O revestimento pode ser uma única camada de TiC, ou, mais comum, triplo revestimento de TiC, TiCN e TiN e TiC, Al2O3 e TiN, mas existe registro (Lindstrom e Johannesson, 1976 e Reiter e Kolaska, 1986, citado por Quinto et alli, 1988) de ferramentas com até 12 camadas de diferentes revestimentos. Os fabricantes explicam que cada camada tem a sua função específica e a associação de camadas permite oferecer um produto com todas as vantagens possíveis de se obter com a técnica.

Tabela 10.12 Comparação de ferramentas revestidas pelos processos CVD e PVD.

CVD - DEPOSIÇÃO QUÍMICA DE VAPOR

PVD - DEPOSIÇÃO FÍSICA DE VAPOR

TEMPERATURA DE REVESTIMENTO

APROX. 1000ºC APROX. 500ºC

TENACIDADE REDUZIDA NÃO É AFETADA

ARESTA DE CORTE ARREDONDAMENTO REQUERIDO

PODE SER QUINA VIVA

ESPESSURA DO REVESTIMENTO

ATÉ 12 mm ATÉ 4 mm

CAMADAS MULTICAMADAS TiC-TiN,

TiN-TiCN-TiN, TiC-Al2O3

TiN, TiCN,TiNAl

PRINCIPAIS APLICAÇÕES

TORNEAMENTO E MANDRILAMENTO

FRESAMENTO, ROSCAMENTO E

FURAÇÃO

VANTAGENS MAIOR RESISTÊNCIA AO DESGASTE

MAIOR RESISTÊNCIA À CRATERIZAÇÃO

GRANDE VIDA DA FERRAMENTA

REDUZ APC

MAIOR VIDA NA FERRAMENTA

SUBSTITUI FERRAMENTAS SEM

REVESTIMENTO: COM MESMA TENACIDADE,

MESMA CONFIGURAÇÃO DE ARESTA E MESMA

PRECISÃO

Normalmente, o TiC é um revestimento que é muito utilizado como a primeira camada, pois este garante uma coesão muito boa com o substrato . Além disso, o TiC é um dos mais duros revestimentos utilizados (ver Tabela 10.6), o que garante alta resistência ao desgaste. O Al2O3 tem várias vantagens. As principais são a inércia química, a dureza e, portanto, resistência ao desgaste, e um fato interessante, é a redução de sua condutividade térmica com o aumento

138

da temperatura. Isto garante uma barreira térmica interessante para a superfície da ferramenta. Salienta-se que no revestimento, ao contrário do substrato, quanto menor a condutividade térmica melhor, pois menor a quantidade de calor que irá chegar ao substrato. Para o substrato quanto maior a condutividade térmica melhor, pois o calor que chega será mais rapidamente dissipado.

A condutividade térmica do TiC e do TiN apresentam comportamentos inversos do Al2O3, como mostra a Figura 10.20. O TiN se apresenta, normalmente como a camada externa, por proporcionar baixos coeficientes de atrito entre a ferramenta e o cavaco. Este material garante menores comprimentos de contato cavaco-ferramenta devido a menor tendência de adesão dos ferrosos neste material.

Figura 10.20 Influência da temperatura na condutividade térmica dos principais revestimentos utilizados nas ferramentas de corte (Wertheim et alli, 1982).

Um outro revestimento que vem sendo usado ultimamente é o TINAL ou (TiAl)N que é um nitreto à base de Ti e Al. Este revestimento tem se mostrado excelente para a usinagem de ferros fundidos, tanto em insertos intercambiáveis como em brocas de metal duro integral. Elas podem ser aplicadas, também, na usinagem das superligas de níquel. Ensaios de furação realizados no LEPU - UFU (Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem da Universidade Federal de Uberlândia) mostraram que as ferramentas de metal duro revestidas com TINAL podem produzir até 3 vezes o número de furos que as brocas sem revestimento podem produzir.

A espessura total das camadas revestidas pode variar de 4 a 12mm. Camadas muito espessas podem fragilizar a aresta. Talvez daí a explicação de um número excessivo de camadas apresentado por algumas ferramentas. Quando se utilizam várias camadas finas, intercaladas entre si, a resistência da aresta é consideravelmente maior que se utilizar camadas singulares espessas,

139

totalizando a mesma espessura (Wertheim et alli, 1982). A explicação para este fato é que uma possível trinca que se forma na superfície, por fadiga, por exemplo, irá se propagar apenas até a interface da primeira camada, se propagando paralela a esta, posteriormente. Assim, quanto mais fina a camada, menor o caminho percorrido pela trinca perpendicularmente à superfície.

Existem hoje no mercado ferramentas de metal duro revestidas com diamante policristalino (PCD) obtidas pelo processo CVD - Deposição Química de Vapor (Clark and Sem, 1998). Neste caso com camada única, com espessuras maiores que as normais, mas inferiores a 30mm, que são aplicadas em ferramentas positivas para desbaste de materiais não ferrosos, como o alumínio, plásticos e compósitos. Com o aparecimento das ferramentas revestidas de PCD pelo processo CVD, aumentam-se as expectativas para os revestimentos de CBN para aplicações nos ferrosos. Mas isto ainda continua no campo da teoria, pois na prática, o revestimento de CBN ainda não foi produzido eficazmente como ferramenta, pois possui dois elementos (o nitrogênio e o boro), diferentemente do PCD que possui apenas um elemento (o carbono), fazendo com que o processo de crescimento da camada se torne mais complicado, por vários motivos, incluindo problemas estequiométricos.

A Figura 10.21 apresenta a linha de metal duro revestido de um fabricante de ferramentas, onde aparece a denominação da classe específica do fabricante, a identificação das camadas de revestimento, a área de aplicação dentro da classe ISO e o grupo de materiais a usinar que estas ferramentas devem ser aplicadas.

Designação ISO dos Suportes e Insertos

Devido a grande quantidade de geometrias requeridas nas ferramentas de corte foi necessária uma padronização das designações dos suportes e dos insertos. A Norma ISO 1832 de 1991 trata da matéria. Esta designação é universal e as Figuras 10.22 a 10.24 auxiliam na identificação desta codificação para as ferramentas de tornear. Primeiramente, o suporte deve ser escolhido, de acordo com sua aplicação, conforme o corte seja interno ou externo, ver Figura 10.22.

Os suportes de tornear são designados por 5 letras, seguidos de 2 números e na seqüência, mais uma letra e um número, ver Figura 10.23. A primeira letra está relacionada com o sistema de fixação do inserto no porta ferramenta. A segunda letra depende do formato do inserto (quadrado, triangular, redondo, etc.). A terceira letra depende do angulo de posição do suporte. A quarta letra é função do angulo de folga do inserto e a quinta indica se o suporte é para corte à direita, à esquerda ou neutro. Os dois números que seguem indicam a seção transversal do suporte (altura e largura). A próxima letra está relacionada com o comprimento do suporte e finalmente o último número indica o comprimento da aresta de corte do inserto. Opcionalmente outro caractere pode aparecer na seqüência, para expressar detalhes que o fabricante queira incorporar.

140

Figura 10.21 Classes de metal duro revestido da Kennametal Hertel (Kennametal Hertel, 1998).

No caso de barras de mandrilar e fresas a designação ISO apresenta alguma variação com relação aos suportes de tornear, por exigência do próprio processo, mas segue mais ou menos a mesma linha citada acima, onde se

141

procura identificar geometricamente os suportes e os insertos que neles serão montados.

Os insertos são designados por 4 letras, seguidos de 3 números, 2 letras e outro caractere, ver Figura 10.24. A primeira letra está relacionada com o formato do inserto (quadrado, triangular, redondo, etc.). A segunda letra depende do angulo de folga do inserto. A terceira letra está relacionada com as tolerâncias dimensionais da geometria do inserto e a quarta letra depende do formato da superfície de saída (se ferramenta com furo central ou não, se apresenta quebra-cavacos ou não, se positiva ou negativa). Os três números que seguem indicam respectivamente, o comprimento da aresta de corte, o a espessura do inserto e o raio de ponta do inserto. A próxima letra indica o formato da aresta (se quina viva, arredondada ou chanfrada). Na seqüência, a próxima letra indica se o corte é a direita, a esquerda ou neutro. E finalmente, a próxima letra, que é opcional, fica para uso do fabricante, para expressar detalhes pertinentes.

Figura 10.22 Identificação da operação de torneamento (Smith, 1989).

142

Figura 10.23 Designação ISO dos suportes de ferramentas de barras (Kennametal Hertel, 1998).

143

Figura 10.23 Designação ISO dos suportes de ferramentas de barras (Kennametal Hertel, 1998) (continuação).

144

Figura 10.24 Designação ISO dos insertos intercambiáveis (Kennametal Hertel, 1998).

145

Figura 10.24 Designação ISO dos insertos intercambiáveis (Kennametal Hertel, 1998) (continuação).

É importante salientar que esta designação dos insertos não se restringe apenas às ferramentas de tornear ou apenas às ferramentas de metal duro. Todos insertos intercambiáveis, independente do processo de usinagem em que ele será utilizado, devem ser codificados dentro deste padrão, não importando o material de que ele é feito (metal duro, cermet, cerâmica ou ultraduro).

10.6. CERMETS

Dois fatores contribuíram para o aparecimento das ferramentas de cermet. O primeiro foi a constatação de que a adição de TiC aumenta muito a resistência ao desgaste, principalmente de cratera, dos metais duros, quando usinando aços. O segundo foi a escassez de tungstênio durante a segunda guerra mundial, que levou várias equipes de pesquisas a concentrarem esforços no desenvolvimento de um material similar com as características dos metais duros. Assim, apesar de se ter registro de patente de cermet datada em 1931 (Kolaska e Dreyer, 1990), foi

146

a partir da década de 70 que o cermet entrou realmente no mercado, para hoje ser uma ferramenta competitiva.

Este grupo é constituído por TiC, TiN e geralmente tem o Ni como elemento de ligação. Pode ocorrer também a presença de outros elementos, tais como Al, Co, Mo ou compostos de Mo2C, TaC, NbC, WC, AlN, TaN e outros. Trata-se de um grupo considerado intermediário entre os metais duros e as cerâmicas, e as ferramentas são aplicadas principalmente no acabamento dos aços, com altas velocidades e baixos avanços, embora também possam ser usadas nas operações de desbaste. Suas principais características são a alta dureza a elevadas temperaturas e a grande estabilidade química, com pouca tendência à difusão. Hoje são ferramentas com grandes aplicações nas indústrias. A tabela 10.13 mostra as principais propriedades físicas dos cermets (a base de TiC) e dos metais duros (a base de WC).

Nota-se a maior dureza apresentada pelo cermet, garantida pela maior dureza dos TiC em relação aos WC (ver tabela 10.6), o que garante uma maior resistência ao desgaste ou maiores velocidades de corte para os cermets. A diferença de energia livre de formação entre os dois materiais garante maior estabilidade dos TiC, e portanto, maior resistência à dissolução. Outro fator importante dos TiC é a baixíssima solubilidade no ferro à elevada temperatura (0,5% para o TiC contra 7% para o WC), isto inibe a dissolução do TiC, e portanto, reduz a difusão. O cermet apresenta ainda maior temperatura de oxidação que o metal duro. A oxidação pode ser um forte acelerador de desgaste, principalmente se o desgaste de entalhe for predominante. Os pontos fracos dos cermets são as propriedades térmicas. Devido à baixa condutividade térmica e ao alto coeficiente de dilatação, o cermet tem um baixo coeficiente de resistência ao choque térmico, bem inferior ao metal duro. Daí a explicação do cermet só ser eficiente em baixos avanços, pequenas profundidades de corte e altas velocidades (operações de acabamento) na usinagem dos ferrosos. Devido à grande afinidade química do titânio com a maioria dos não-ferrosos, a aplicação dos cermets, basicamente se restringe à usinagem dos ferrosos.

A tabela 10.14 apresenta uma lista de fabricantes de cermets, com a composição química sendo apresentada para cada grau disponível. Acompanham em outra tabela as propriedades de dureza e tenacidade dos principais produtos desta classe de material para ferramenta de corte.

Tabela 10.13 Comparação das Propriedades Físicas do Cermet (TiC) com o Metal Duro (WC).

PROPRIEDADES FÍSICAS CERMET METAL DURO

DUREZA (HV) 3200 2100

ENERGIA LIVRE DE FORMAÇÃO (kcal/g - atm 1000ºC)

-35 -10

SOLUBILIDADE NO FERRO (wt% a 1250ºC)

0,5 7

147

PROPRIEDADES FÍSICAS CERMET METAL DURO

TEMPERATURA DE OXIDAÇÃO (ºC)

1100 700

CONDUTIVIDADE TÉRMICA (cal/cm·s·ºC)

0,052 0,42

COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA (10-6/ºC)

7,2 5,2

COEFICIENTE DE CHOQUE TÉRMICO*

1,9 27,1

* Coeficiente de choque térmico = condutividade térmica x resistência à tração

coeficiente de dilatação x módulo de elasticidade

Tabela 10.14 Composição e propriedades dos Cermets (Brookes, 1986).

Composição dos CERMETS

Composição química

Fabricante País

Agência ou

subsidiária na Inglaterra e número RS

Classe Mo2O

TaC NbC

TiC

WC

AlN

TaN

TiN

TiM

o

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tal

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Fa

se

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o

Al Co Mo Ni

Outr

os

Adamas Carbide Corp

USA - T70 l l l ?

Carmet C ompany USA Pinner T ools Ltd 501

83,5 3,5 13

Duracarb by Países Ba ixos Duracarb Ltd 502

T70 l l l ?

EC Tools GmbH Alemanha - MAX1 l l l ? Feldmuhle AG Alemanha Feldmuhle

Technical Produc ts Ltd 503

Ceratip TC30

l l l ?

Kennametal Inc USA Kennametal Ltd 504

KT150 l l l ?

Kobe Steel Ltd Japão - KZ160 KZ180 KZ200

l

l

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l

l

l

Krupp Widi a GmbH Alemanha Krupp Widi a (UK) Ltd 505

TTI l l l l

Kyocera Japão - TC30 TC40N TC60

TC60M

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Mitsubishi Metal Corporation

Japão Kingston C utting Tools Ltd 506

NX22 NX33 NX55 NX99

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NGK Spark Plug Co Ltd

Japão NGK Sparg Plug (UK) Ltd 507

N20 N40 T3N T4N T5N T35

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Nippon Tungsten Co Ltd

Japão - DUX30 DUX40

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AB Sandvik Hard Materials

Suécia Sandvik Coromant Ltd 508

CT515 l l l

Sumitomo Electric Industries Ltd

Japão Sumitomo Electric Hardmetals Ltd 509

T05A T12A T23A T25A

l

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? ? ? ?

Teledyne Firth Sterling

USA Teledyne Ltd 510

SD3 l l l l

Toshiba Tungal oy Co Ltd

Japão - N302 N308 N350

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Valenite Di vision of GTE Val eron Corporation

USA Valenite-Modco (UK) Ltd 511

VC67 l l l ?

148

10.7. CERÂMICAS

Não existe na literatura uma definição clássica para os materiais cerâmicos, que possa identificar prontamente este grupo de materiais. Normalmente, quando se fala em cerâmicas as pessoas tendem a ligar o nome com os pisos, ou então com as porcelanas utilizadas nos recipientes de alimentos (pratos, travessas, potes, panelas, etc.). Quanto aos pisos cerâmicos, a propriedade requerida mais importante é a resistência ao desgaste, enquanto os recipientes de alimentos é a capacidade de resistir e armazenar calor. Portanto, as cerâmicas, as vezes, são muito mais conhecidas pelas suas propriedades, do que propriamente por uma definição clássica. A definição que segue abaixo, trata-se da união de pontos que identificam as cerâmicas oferecidos por diversos autores, ou livros (Kalpakjlan, 1984; De Garmo et alli, 1988; ASM Handbook, 1990).

�As cerâmicas são compostas de elementos metálicos e não-metálicos, geralmente na forma de óxidos, carbonetos e nitretos, e existem em uma grande variedade de composição e forma. A maioria tem estrutura cristalina, mas em contraste com os metais as ligações entre os elementos são iônicas ou covalentes. A ausência de elétrons livres faz com que as cerâmicas sejam pobres condutoras de eletricidade, e que, em seções finas, sejam transparentes. Devido às fortes ligações primárias, a maioria das cerâmicas tem alto ponto de fusão�.

Em geral, as cerâmicas possuem as seguintes propriedades que ajudam a identificá-las.

ü Capacidade de suportar altas temperaturas (materiais refratários); ü Alta resistência ao desgaste; ü Altas durezas; ü São frágeis; ü Baixa condutividade térmica; ü Boa estabilidade química e térmica; ü Boa resistência à fluência; ü Alta resistência à compressão e baixa resistência à tração.

Apesar da literatura citar o emprego das cerâmicas como ferramentas de corte desde o princípio do século, somente nos fins dos anos 50 as pastilhas à base de alumina (AI2O3) entraram no mercado, sendo atualmente um grupo bastante competitivo, principalmente na usinagem de materiais endurecidos e superligas.

Normalmente, as cerâmicas são usadas onde se requer alta dureza e resistência ao desgaste. As cerâmicas a base de alumina, apresentam excelente inércia química contra os materiais ferrosos. Entretanto, por não apresentarem tenacidades suficientes, os quebra-cavacos integrais ficam proibitivos, o que prejudicam sua aplicação nos aços comum ao carbono e baixa liga. Por outro lado, quando se tratar de aços de alta dureza, acima de 40 Rc, as cerâmicas são sempre consideradas, principalmente no corte contínuo. No corte interrompido ainda existem grandes limitações, exceto no fresamento de ferro fundido cinzento, onde as cerâmicas a base de nitreto de silício têm se mostrado eficientes.

149

No passado o que limitava a aplicação das cerâmicas era a fragilidade que elas apresentavam. Hoje, com a introdução no mercado das cerâmicas mistas, reforçadas com SiC (Whiskers) e a base de nitreto de silício, elas podem ter aplicações até nos cortes interrompidos, como por exemplo, no fresamento dos ferros fundidos cinzentos à altíssimas velocidades de corte e avanços. Isto é possível porque o grau de tenacidade conseguido nestas pastilhas é algo relativamente excepcional.

É com o aparecimento de tais materiais, juntamente com os metais duros revestidos e os materiais de ferramentas ultraduros (PCD e CBN), que os anos 80 podem ser considerados a época do terceiro grande impulso das ferramentas de corte (após os aços-rápidos com o primeiro, e os metais duros com o segundo).

As cerâmicas de um modo geral, possuem algumas propriedades melhores e outras piores que os cermets e os metais duros. A Figura 10.25 apresenta esquematicamente a comparação das principais propriedades dessas ferramentas de corte. Observa-se que as cerâmicas possuem a maior dureza a quente, a maior resistência à oxidação e menor afinidade química com o material da peça, enquanto o metal duro possui maior tenacidade e maior resistência ao choque térmico entre eles. O cermet sempre ocupa uma posição intermediária, entre o metal duro e a cerâmica, considerando qualquer uma dessas propriedades.

Figura 10.25 Esquema comparativo das propriedades da cerâmica, cermet e metal duro (Smith, 1989).

A Tabela 10.15 apresenta as propriedades mais importantes das principais ferramentas cerâmicas. Estas propriedades são comumente encontradas na literatura (North and Baker, 1984; Ezugwu and Wallbank, 1987; Momper, 1987; Tönshoff and Bartsch, 1988; Drozda, 1985). É importante analisar estas propriedades e interpretar corretamente os requisitos dos materiais para

150

ferramentas de corte para cada aplicação individual, para então poder selecionar a ferramenta corretamente.

Tabela 10.15 Propriedades das principais ferramentas cerâmicas

Material Módulo de elasticidade

(GPa)

Dureza

(GPa)

Tenacidade K1C

(MPa·m1/2)

Coeficiente de dilatação

térmica (10-6·K-1)

Condutividade térmica

(Wm-1·K-1)

Al2O3 400 17,2 4,3 8,0 10,5

Al2O3+TiC 420 20,6 4,5 8,5 13,0

Al2O3+ZrO2 390 16,5 6,5 8,5 8,0

Si3N4 / SIALON 300 15,6 6,5 3,1 9,7

SiC / WHISKER 390 18,5 8,0 6,4 32,0

O módulo de elasticidade deve ser considerado na definição da rigidez elástica da ferramenta. Quanto maior esta propriedade menor a variação elástica durante o carregamento da ferramenta. A dureza está ligada à resistência ao desgaste, enquanto a tenacidade significa a capacidade do material absorver energia antes de se romper, o que significa resistência ao choque. O coeficiente de dilatação térmica e a condutividade térmica indicam a resistência ao choque térmico. Quanto menor o coeficiente de dilatação e maior a condutividade térmica, maior a resistência ao choque térmico.

As cerâmicas podem ser divididas em dois grandes grupos: cerâmica a base de Al2O3 e cerâmica a base de Si3N4.

Cerâmica a Base de Al2O3

Podem ser puras ou com adições. As cerâmicas puras são ferramentas constituídas basicamente de finos grãos de Al2O3 sinterizados. É comum adicionar MgO para inibir o crescimento de grão. Outros constituintes, tais como óxido de cromo, titânio e níquel são às vezes adicionadas para aumentar a resistência mecânica. Estas ferramentas possuem um alto grau de dureza, resistência ao desgaste e excelente estabilidade química, mas deixam a desejar na tenacidade. Por isso é praticamente eliminada a aplicação deste grupo de material como ferramenta de corte. Quando usada, é geralmente no desbaste e principalmente no acabamento de materiais fundidos, aços tratados superficialmente ou totalmente temperados. Exigem geralmente máquinas com alto grau de rigidez, isentas de vibrações.

As primeiras ferramentas com adições apareceram nos anos 70, com altos percentuais (podendo chegar a 30%) de ZrO2 e/ou TiC principalmente, podendo ainda conter TiN, TiO2 e WC. Estas adições conferem à matriz de AI2O3 um maior grau de tenacidade para suportar maiores impactos e choques térmicos, inerentes a certos processos de corte. Uma ferramenta de AI2O3 pura tem o coeficiente de tenacidade à fratura Kic de 180 N/mm3/2, a adição de zircônia (ZrO2) pode elevar este valor a 300 N/mm3/2 com 15% de ZrO2, como mostra a Figura 10.26.

151

Observa-se que a tenacidade é melhorada para valores até 15% de ZrO2. Para valores superiores, a tenacidade começa a diminuir.

A adição de TiC (cerâmica mista ou preta), além de melhorar ligeiramente a tenacidade e a condutividade térmica, aumenta consideravelmente a dureza e a resistência ao desgaste da ferramenta (ver Tabela 10.15).

Figura 10.26 Tenacidade da cerâmica a base de AI2O3 em função do teor de ZrO2 (Abel, citado por Gruss, 1987).

Com estas pastilhas, tem-se conseguido excelentes resultados no desbaste e acabamento de aços laminados (velocidade de 3 a 6 vezes maiores que o metal duro), ótimos resultados em acabamento e superacabamento na operação de fresamento de materiais fundidos e no torneamento de aços duros.

Outra introdução no mercado nos anos 80, que teve grande receptividade, é a ferramenta cerâmica, também a base de Al2O3, reforçada com SiC (Whiskers). Estes carbonetos são adicionados em até 20% na alumina, na forma de longos cilindros, de 0,5 a 6mm de diâmetro e 10 a 80mm de comprimento (Komanduri, 1989). A mecânica do processo de aumento da tenacidade com a adição dos "whiskers" pode ser entendido como segue (Komanduri, 1989). Durante a propagação de uma trinca, apesar dos SiC permanecerem íntegros, sem se quebrarem, há a separação deles da matriz de AI2O3, e este processo absorve grande quantidade de energia de fratura e inibe a propagação da trinca. Devido a grande resistência dos "whiskers", a trinca não atravessa sua estrutura, tendo portanto que desviar-se, o que também consome energia. Tudo isto aumenta a tenacidade do material. Estas ferramentas possuem, também, maior resistência ao choque térmico, devido a maior condutividade térmica do SiC em relação à alumina (ver Tabela 10.15). As propriedades desse grupo de material são consideradas excepcionais, com aplicação na usinagem dos aços duros, aços inoxidáveis e principalmente nas superligas de níquel (Smith, 1986). A Figura 10.27 apresenta o melhor comportamento de tenacidade de uma ferramenta de AI2O3 contendo ZrO2 com a adição de SiC contra a mesma ferramenta sem SiC.

152

Esta adição também aumenta a dureza e a resistência ao desgaste, como mostra a Figura 10.28.

Figura 10.27 Tempo de usinagem e aumento do avanço para iniciar uma trinca em duas ferramentas cerâmicas, uma com outra sem adição de "Whisker", no corte contínuo de aço C 60 N, Vc = 150 m/min e ap = 2 mm. (Krupp Widia - Tech. lnf. HVT 78.521).

Figura 10.28 Desgaste nas ferramentas a base de alumina com e sem adição de "Whisker", no corte contínuo de lnconel 718, Vc = 150 m/min, f = 0,25 mm/volta, ap = 1 mm e tempo de corte = 2 min. (Krupp Widia - Tech. Inf. HVT 78.521).

153

Cerâmica a Base de Si3N4

Este grupo apareceu no mercado nos anos 80. Tratam-se de cristais de Si3N4 com uma fase intergranular de SiO2 (cristais de vidro) que são sinterizados na presença de Al2O3, Y2O3, MgO e outros. Com esses materiais tem-se conseguido excelentes resultados na usinagem das ligas de níquel e ferros fundidos. Entretanto, devido a grande interação química com o ferro a elevadas temperaturas, este grupo de material não tem tido sucesso na usinagem de aços (Bulijan e Sarin, 1985).

Um dos produtos deste grupo, que é comercializado com a marca registrada de Sialon (nome que tem origem no símbolo dos elementos que ele contém, que são Si, AI, O e N), tem mostrado bons resultados na usinagem de aços e excelentes aplicações nas superligas de níquel. A adição de AI e O nas ferramentas desse grupo diminui as interações com o ferro e permite aplicações em aços (Bulijan e Sarin, 1985). O baixo coeficiente de dilatação (ver Tabela10.15) diminui a possibilidade de trinca térmica durante a usinagem.

As cerâmicas a base de nitreto de silício possuem boa resistência ao desgaste, com tenacidade superior às das cerâmicas a base de AI2O3. Isto faz com que a aplicação destes materiais chegue ao fresamento, o que pouco tempo atrás era inadmissível para as cerâmicas.

Para compensar a deficiência de menor dureza, estas cerâmicas podem ser revestidas tanto com AI2O3 como TiC, o que garante maior resistência ao desgaste a estas ferramentas. A Figura 10.29 mostra a redução de desgaste conseguida com o revestimento de Al2O3 de uma cerâmica a base de Si3N4.

Figura 10.29 Influência do revestimento de Al2O3 numa ferramenta a base de Si3N4 no torneamento do ferro fundido cinzento, Vc = 600 m/min, f = 0,5 mm/volta, ap = 2 mm, tc = 5 min. (Krupp Widia - Tech. lnf. HVT 78.521).

154

A Figura 10.30 apresenta um diagrama que resume o campo de aplicação das cerâmicas. Nota-se que no fresamento de ferro fundido cinzento já existe aplicação de cerâmicas. No torneamento desse material, cerâmicas mistas e sialon podem ser usadas com aplicação de fluidos de corte. Na usinagem dos aços, a grande parte das aplicações fica por conta das cerâmicas mistas e óxidas (normalmente com adição de ZrO2), com pouca aplicação das sialons. A usinagem de superligas e de aços endurecidos é dividida entre a cerâmica mista, o sialon e o CBN, mas apenas no torneamento.

CERÂMICAS ÓXIDAS

TORNEAMENTO

Sem fluido de corte Com

FRESAMENTO

FERROSFUNDIDOS

DU

RE

ZA

CR

ES

CE

NT

E

DE

MA

ND

A D

E T

EN

AC

IDA

DE

DE

CR

ES

CE

NT

E

CERÂMICAS MISTASAÇOS

SUPERLIGASCORTE DE DESBASTE

LIGAS FUNDIDAS DURASAÇOS ENDURECIDOS

CBNÓXIDA

SIALONSÓXIDAS

CERÂMICAS ÓXIDAS: Al2O3+0,8%ZrO2

CERÂMICAS MISTAS: Al2O3+20-30%TiC, Al2O3+TiC+TiN+ZrO2, etc.

SIALONS: 80-90%Si3N4+Al2O3+Y2O3

Figura 10.30 Campo de aplicação das cerâmicas (Pastor, 1987).

As Tabelas 10.16 e 10.17 apresentam os principais produtos, composições químicas e propriedades das cerâmicas a base de óxido e a base de nitretos, respectivamente.

155

Tabela 10.16 Composição e propriedades das cerâmicas a base de óxidos (Brookes, 1986).

Composição das cerâmicas à base de óxidos

Composição química

Fabricante País

Agência ousubsidiária naInglaterra e número

RS

GrauAl2O3 MgO TiO2 ZrO2 TiC WC TiB2 TiN W SiC

WhiskersOutros

Carboloy Systems USA Carboloy Ltd512

CerMax 440CerMax 460CerMax 490

l

l l

l

??

Cermet Company USA Pinner Tools Ltd513

CA-BCA-W

l

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l

Feldmuhle AG Alemanha Feldmuhle TechnicalProducts Ltd514

SH20SN60SN80

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GreenleafCorporation

USA - GEM1GEM2GEM3GEM9WS300

l

70l

99,9l

30l

l

Karl Hertel GmbHVerkaufs KG

Alemanha Karl Hertel Ltd515

AC5MC2

l

70 30Kennametal Inc USA Kennametal Ltd

516K060K090

Kyon 2500

l

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l

Kobe Steel Ltd Japão - KB90KW80

l

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Krupp WidiaGmbH

Alemanha Krupp Widia (UK)Ltd517

Widalox GWidalox HWidalox NWidalox R

Widalox ZRN.anunciado

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?Mitsubishi MetalCorporation

Japão Kingston CuttingTools Ltd518

XD3 l l

NGK Spark PlugCo Ltd

Japão NGK Spark Plug(UK) Ltd519

CX3HC1HC2HC6

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Nippon TungstenCo Ltd

Japão - NPC A2NPC H1

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Rogers Tool Works USA - RTW 138RTW 1322

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AB Sandvik HardMaterials

Suécia Sandvik CoromantUK520

CC 620CC 650

N.anunciado

l

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Seco Tools AB Suécia Seco Tools (UK) Ltd521

SecoramicRVX

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40 50 10Sumitomo ElectricIndustries Ltd

Japão Sumitomo ElectricHardmetals Ltd522

N890W80

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Toshiba TungaloyCo Ltd

Japão - LX21LXAM

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Valenite Division ofGTE ValeronCorporation

USA Valenite-Modco (UK)Ltd523

V32V33V34V44

70l

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30

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VR WessonDivision ofFansteel

USA L&TiBrock&Co Ltd524

VR97VR100

99l l

Propriedades das cerâmicas à base de óxidos

Propriedades

Nome comercial GrauDensidade

g/cm2

DurezaHRA ou HV

Resistência à rupturatransversal

N/m2

Coeficiente deexpansão

10-4/K

Feldmuhle SH1SH20SN50SN80

4,304,154,004,12

2250215020002000

380400450600

7,07,07,37,4

Kennametal K060K090

700910

8,28,3

Kobelco KW80KB90

3,974,24

93,694,0

750850

7,07,8

Krupp Widia Widalox GWidalox R

4,024,12

17301730

700650

NGK NTK CX3HC1HC2HC6

4,004,004,304,70

93,593,594,594,0

750800800800

8,48,0

Sandvik CC680 1500Sumitomo B90

W804,263,98

94,594,0

880790