Unidade 6-Usinabilidade

Prof. Gustavo Simão

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO II(CCE0692)

Professor Gustavo Simãogustavosimao@uol.com.br

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Unidade 6

Usinabilidade

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Unidade 6-Usinabilidade

• Conceitos

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Conceitos

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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.

Índice de Usinabilidade

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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.

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Cuidado com o termo usinabilidade

Pode-se ter 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.

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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).

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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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6.1 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.

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) .100

vc20 (padrão)

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

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Tendo como referência o aço B-1112, os metais são dispostos em 6

classes distintas:

Metais Ferrosos

Classe 1 – 70% ou mais altos

Classe 2 – 50 a 70%

Classe 3 – 40 a 50%

Classe 4 – 40% ou mais baixos

Metais não-ferrosos

Classe 5 – 100% ou mais altos

Classe 6 – abaixo de 100%

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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 passadas 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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6.2 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.

Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores importantes de

influência na usinabilidade do material, outros fatores também são

bastante importantes.

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• quantidade de inclusões e de aditivos para melhorar a usinabilidade;

• quantidade de partículas duras;

• micro-estrutura;

• tendência ao empastamento do cavaco do material na superfície de

saída da ferramenta.

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.

Outros fatores também importantes na influência na

usinabilidade:

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Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?

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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Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?

Ductilidade

Baixos valores de ductilidade são geralmente benéficos à usinabilidade.

A formação de cavacos curtos é facilitada e se tem menor perda de

energia com o atrito cavaco-superfície de saída da ferramenta.

Porém, em geral, consegue-se baixa ductilidade com alta dureza e vice-

versa.

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Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?

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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Como as propriedades dos materiais podem influenciar na usinabilidade?

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.

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 e com isso requerem muita energia para a formação do

cavaco (valor alto da pressão específica de corte – baixa usinabilidade).

Com isso, o corte acarretará um aumento de dureza numa fina camada

da superfície usinada.

Também devido à alta taxa 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 corte 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, com isso, reduz a possibilidade de formação de aresta

postiça de corte.

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6.3 Fatores metalúrgicos 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.

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.

• Porém, com relação 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.

SOLUÇÃO

• 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.

Propriedade física Alumínio Aço

Módulo de elasticidade (MPa) 70.000 210.000

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 consequências 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.

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.

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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. A figura abaixo 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.

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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• 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 abaixo mostra alguns elementos utilizados na formação de ligas de alumínio e sua respectivas influências na usinabilidade da liga.

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 composto intermetálico Cu/Al, que fragiliza o cavaco

Zn Não exerce influência na usinabilidade.

Elementos de Liga e suas Influências na Usinabilidade do Alumínio

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6.4 – 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 consequente

redução da vida da ferramenta e deterioração do acabamento

superficial.• 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 da 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 passa a ser um fator que afeta

negativamente a usinabilidade 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 abaixo mostra a comparação em termos de vida da ferramenta para um aço ABNT 1016 (baixo carbono) em diversas operações de usinagem. 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 microestruturaA próxima figura mostra como a variação da microestrutura, via mudança de fase ocasionada por tratamento térmico, afeta a usinabilidade. Pode-se ver baixo que a estrutura martensítica é muito dura e resistente e gera uma vida muito baixa da ferramenta de metal duro.

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Já a figura abaixo mostra que, quando se passa 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%

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 μm). Em geral, são muito duras e

abrasivas – associadas a aços de baixa qualidade, geradas durante a

fabricação do aço no forno – muitas vezes responsáveis pela quebra

súbita da ferramenta de usinagem

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Terceiro fator metalúrgico: a presença de inclusões

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.

• 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.

• 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 e, portanto, formam uma camada vantajosa na zona

de corte, que retarda o desgaste da ferramenta.

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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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6.4.1-Aços de Usinabilidade Melhorada (ou de Usinagem Fácil)

Diversas técnicas metalúrgicas têm sido utilizadas para melhorar a

usinabilidade:

• Adição de elementos de liga: Enxofre, Selênio, Telúrio, Chumbo

Bismuto, Nitrogênio, Fósforo, Estanho.

Cuidado: as propriedades podem ser afetadas. Por exemplo, a presença

de Enxofre diminui bastante sua ductilidade. O Chumbo limita a

utilização do aço em baixas temperaturas, devido ao seu baixo ponto de

fusão, além disso sua utilização é proibida em vários países.

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6.4.1-Aços de Usinabilidade Melhorada (ou de Usinagem Fácil)

Diversas técnicas metalúrgicas têm sido utilizadas para melhorar a

usinabilidade:

• Engenharia de Inclusões: Trata das técnicas de minimização dos

efeitos prejudiciais destas inclusões através do controle do

Oxigênio/Óxidos.

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Aços Inoxidáveis são ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% de cromo com finalidade de resistir a corrosão.Os aços inoxidáveis são divididos em 3 classes, de acordo com sua estrutura:• Austeníticos (série 300);• Ferríticos (série 400); e• Martensíticos (série 500);.

6.4.2 – Aços Inoxidáveis

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Características de usinagem que variam para cada tipo de aço

• Os aços inoxidáveis 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.

• 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:

• Baixa condutividade térmica, que dificulta a extração do calor da

região de corte, facilitando o desgaste da ferramenta;

• Alto coeficiente de atrito, que tem como consequência 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 frequentemente 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.

• 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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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. de corte baixa) Região D – alguma def. plástica da ferramenta. Região E – algum desgaste de cratera.

A figura abaixo 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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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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• Ferro Fundido Cinzento – alto teor de silício, entre 1 a 3%, grafite em

forma de lamelas.

• Ferro Fundido Branco – baixo silício, muita cementita e pouco grafite,

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.

Tipos de Ferros Fundidos:

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

Cin

zent

o

Mal

eáve

l

Nod

ular

Bra

nco

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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.

• 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

máquina-ferramenta, 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 vanádio) que prejudicam a usinabilidade.

2. Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) que auxiliam a

usinabilidade.

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O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros fundidos para

melhorar a usinabilidade

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.