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TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA
INSTITUTO DE ESTUDOS SUPERIORES DA AMAZONIA
Usinabilidade dos Materiais
Luiz Otávio Sinimbú de Lima 2011
TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA
O que é aço?
Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono, com
percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%.
Distinguem-se dos ferros fundidos, que também são ligas
de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,06%
e 6,67%.
A diferença fundamental entre ambos é que os aços, pela
sua ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja,
laminação e extrusão, enquanto que peças em ferros
fundidos são fabricadas pelo processo de fundição
TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA
Além dos componentes principais indicados, os aços
incorporam outros elementos químicos, alguns
prejudiciais, provenientes da sucata, do mineral ou do
combustível empregue no processo de fabricação, como
o enxofre e o fósforo. Outros são adicionados
intencionalmente para melhorar algumas características
do aço para aumentar a sua resistência,
ductibilidade,dureza ou outra, ou para facilitar algum
processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de
elementos de liga como o níquel, o cromo, o molibdênio e
outros.
TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA
No aço comum o teor de impurezas (elementos além do Ferro e do
Carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de
outros elementos já pode considerado aço de baixa-liga, acima de
5% é considerado de alta-liga. O Enxofre e o Fósforo são elementos
prejudicais ao aço pois acaba por intervir nas suas propriedades
físicas deixando o aço quebradiço. Dependendo das exigências
cobradas, o controle sobre as impurezas pode ser menos rigoroso
ou então podem pedir o uso de um antisulfurante como o magnésio
e outros elementos de liga benéficos.
O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel
em altas doses (ultrapassam 20%)
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O aço é atualmente a mais importante liga metálica,
sendo empregada de forma intensiva em numerosas
aplicações tais como máquinas, ferramentas, em
construção, etc . Entretanto, a sua utilização está
condicionada a determinadas aplicações devido a
vantagens técnicas que oferecem outros materiais como
o alumínio no transporte por sua maior leveza e na
construção por sua maior resistência a corrosão, o
cimento (mesmo combinado com o aço) pela sua maior
resistência ao fogo, e os materiais cerâmicos em
aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.
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Na ciência dos materiais, dureza é a propriedade
característica de um material sólido, que expressa
sua resistência a deformações permanentes e está
diretamente relacionada com a força de ligação dos
átomos.
Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da
capacidade de um material "riscar ou penetrar" o
outro,
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Ductilidade:
Propriedade que tem o material de sofrer deformação
permanente por tração, sem que ocorra a sua ruptura
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Usinabilidade
Definição:
De um modo geral, é o grau de dificuldade de se
usinar um determinado material.
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Usinabilidade - Propriedades
As propriedades do material que podem afetar sua usinabilidade são:
Dureza
Resistência a tração
Ductilidade
Condutividade térmica
Taxa de encruamento
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UsinabilidadeDureza / Resistência a tração
Dificulta a usinabilidade
Aumenta os esforços de corte
Ductilidade
Melhora a usinabilidade
Favorece a formação dos cavacos
Diminui os esforços de corte
Tendências a formação de aresta postiça
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Usinabilidade
Condutividade térmica
Melhora a usinabilidade
Diminui o calor gerado na região de corte
Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que têm
maior condutividade térmica são:
1. Os alumínios
2. Os aços não ligados
3. Os aços ligados
4. Os aços inoxidáveis
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Usinabilidade Taxa de Encruamento
Dificulta a usinagem
Dificulta a formação de cavacos
Aumenta os esforços de corte
Tendências a formação de aresta postiça
Nota:
Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento.
Aços carbono tem baixa taxa de encruamento.
Aços inox. Auteníticos tem alta taxa de encruamento.
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Usinabilidade
Mas a usinabilidade não depende somente das condições intrínsecas do material (fatores metalúrgicos) mas depende também de:
Condições de usinagem
Características da ferramenta
Condições de resfriamento
Rigidez do sistema máquina-ferramenta
Tipo de operação (corte intermitente ....)
Etc....
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Usinabilidade
É comum de se pensar no meio produtivo que a
usinabilidade é uma propriedade intrinsecamente ligada
à dureza do material da peça e à sua resistência
mecânica.
Assim, segundo este raciocínio, um material mole é de
boa usinabilidade e um material duro de baixa
usinabilidade.
Verdadeiro ou falso ?
Falso
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Usinabilidade
Embora a dureza e a resistência mecânica sejam fatores
importantes de influência na usinabilidade de um material,
outros fatores importantes também devem ser levados em
consideração como:
– a quantidade de inclusões e aditivos para melhorar a
usinabilidade.
– a quantidade de partículas duras.
– a micro estrutura.
– a tendência ao empastamento do cavaco na superfície de
saída da ferramenta, etc.....
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Usinabilidade
Exemplo:
Comparando os dois aços inox.
- Aço 303
- Aço 316
Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque
ele possui sulfeto de manganês que melhora a
usinabilidade.
Mesma dureza
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Usinabilidade
O índice de usinabilidade (IU):
É um valor numérico que serve de comparação.
Assim comparando dois materiais, diremos que aquele que tiver um índice de usinabilidade mais alto é o material mais fácil de se usinar.
Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras condições por exemplo.
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Usinabilidade
Com relação aos critérios de usinabilidade baseados na
rugosidade, Pode-se dizer que o alumínio tem uma
usinabilidade alta?
Em condições normais de usinagem, o cavaco formado é
longo e o acabamento superficial obtido é Insatisfatório.
Porém, bons acabamento superficiais podem ser obtidos se
a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria
da ferramenta adequada.
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Usinabilidade
Ensaio de usinabilidade:
Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de um material.
O método mais aceito é um ensaio chamado de longa duração, onde o material ensaiado e o material tomado como padrão, são usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado valor de desgaste da ferramenta (VB ou KT).
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Usinabilidade
Ensaio de usinabilidade: Existem também os ensaios de
curta duração que são utilizados para avaliar outros fatores
como:
Rugosidade
Força de usinagem
Etc.
Nestes casos normalmente as condições de usinagem são
forçadas para justamente para obter o resultado em pouco
tempo de ensaio.
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Usinabilidade das Ligas de Alumínio
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Usinabilidade das Ligas de Alumínio
O alumínio puro é muito fácil de se usinar mas quando ele é
ligado a sua usinabilidade se torna baixa.
Por exemplo a liga de alumínio-silício contém partículas de
silício altamente abrasivas e desgastam rapidamente a
ferramenta de metal duro..
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Usinabilidade
Importante saber que:
As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio puro são fatores decisivos nas características de usinagem de suas ligas.
Você sabia que EAÇO = 3EAlumínio?
Isto significa que, sob a mesma força de corte, o
alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço.
Condutibilidade do Al = 2 Aço
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Usinabilidade
Embora algumas ligas de alumínio apresentem uma
resistência equivalente à do aço com baixo carbono em
temperatura ambiente, em temperaturas elevadas a sua
resistência é bastante reduzida.
O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o que
faz com que boa parte do calor vai para a peça.
Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação
da temperatura é inerente ao processo.
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Usinabilidade
Propriedade positivo: alta condutividade térmica
Melhora a usinabilidade.
Propriedade negativa: Baixa dureza
Favorece a formação da APC (aresta postiça de corte).
Prejudica o acabamento da peça e provoca desgaste frontal da ferramenta
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Usinabilidade
Para que a liga seja um material de boa usinabilidade é
necessario ter uma dureza > 80 HB e a ferramenta deve ser
bem afiada sem raio na aresta e com ângulo bastante
positivo
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Usinabilidade
Geometria típica de pastilha para torneamento de Ligas de alumínio.
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Usinabilidade de Ligas de Aluminio
O material de ferramenta típico para a usinagem de ligas de
alumínio (com exceção das ligas de silício) é o metal duro
de classe K sem cobertura.
- Temperaturas de corte baixos.
- Não há desgaste de cratera incentivado pela difusão
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Usinabilidade de Ligas de Aluminio
A classe K é recomendada pois, as temperaturas de Corte
são mais baixas e por isso, a formação do Desgaste de
cratera via processo difusivo não é um Problema.
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Usinabilidade do Aço
TECNÓLOGIA DE MANUTENÇÃO INDUSTRIALUSINAGEM DE MATERIAISTURMA: F3NA
Usinabilidade do Aço
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços
Dureza
Microestrutura
Presença de Inclusões
Presença de elementos de liga
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Usinabilidade do AçoFatores que afetam a usinabilidade dos Aço
Dureza
O fator que prodominantemente afeta a usinabilidade é sem dúvida a dureza.
Aços com baixo carbono Aços com elevado carbono
- baixa dureza
- alta dutilidade
- tendência a APC
Má usinabilidade (afeta vida e aço)
- dureza aumentada
- dutilidade diminuida
- não há tendência a APC
Usinabilidade melhorada
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Usinabilidade do AçoFatores que afetam a usinabilidade dos Aço
Dureza
200 HB é um bom valor referencial em termo de dureza.
No entanto
Dureza > 200HB
Aumenta os esforços de corte
Aumenta o desgaste via abrasão e difusão
Dureza < 200 HB
Aumenta a dutilidade
Tendências APC
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Usinabilidade do Aço
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço
Microestrutura
A variação da microestrutura ocasionada pelo tratamento
Térmico afeta a usinabilidade.
Cementita = Ferrita + Perlíta.
É uma fase extremamente abrasiva.
Martensita = Carboneto de ferro que se forma na têmpera
do aço. (O nome provém de Adolf Martens, engenheiro
alemão[1850-1914].)
É uma fase extremamamente dura.
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Usinabilidade do Aço
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço
Microestrutura
1. Quando o material tem uma microestrutura
predominantemente martensitica que é extremamente dura, a
vida da ferramenta é reduzida.
2. Quando o teor de cementita que é uma fase extremamente
abrasiva, pois é cheio de carbonetos que são partículas
extremamente duras, a vida da ferramenta também é reduzida.
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Usinabilidade do Aço
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço
Presença de InclusõesSão partículas duras presentes no material (óxidos de ferro, Mn, Si
etc.).
- Macro inclusões:
Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a
fabricação no forno. São indesejáveis.
- Micro inclusões:
Presentes em todos os aços.
São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e na
formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da ferramenta.
São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o desgaste
rápido da ferramenta.
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Usinabilidade do Aço
Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços
Presença de elementos de liga
- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidade Chumbo,
Fósforo, Enxofre.
- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e abrasivos)
Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto, Cromo etc
- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a melhorar
a usinabilidade.
Quando C< 0.3%: material dúctil, formação APC+dificuldade de quebra do cavaco
Quando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.
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Usinabilidade de Aço
AÇO INOX.
São ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% Cr para aumentar
a resistência à corosão.
Eles contém também outros elementos de liga como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.
Três classes:
Ferrítico (cromo principal elemento)
Austenítico (série 300) (presença da austenita a Temp. ambiente
faz que tem maior deformabilidade podendo ser conformado a frio e a
quente )
Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)
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Usinabilidade do Aço
AÇO INOX.
CaracterísticasAço Martensítico Usinabilidade
Muito duro
- Alto teor de carbono
- Formação de partículas duras e abrasivos de carbonetos de cromo
- Gera elevado esforços de corte
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Usinabilidade do Aço
AÇO INOX. Usinabilidade
Característica
Aço Austenítico Não muito duro Alta taxa de encruamento Grande zona de platicidade
Formação de cavacos longos, tendem a empastar sobre a superfície de saída Formação da APC Baixa cond. Térmica(retem calor na região de corte)Alta coeficiente de atrito (aumenta esforços de corte)
Alta coeficiente de dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)
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Usinabilidade do Aço
AÇO INOX.
Aços inox. normalmente têm uma usinabilidde baixa.
No entanto a usibilidade pode ser melhorada adicionando
elementos de liga como o Manganês e o Enxofre que
combatem o encruamento do material durante a usinagem
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Usinabilidade do Aço
AÇO INOX.
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Usinabilidade do Ferro Fundido
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Usinabilidade do Ferro Fundido
Ferros fundidos são ligas ferro-carbono com porcentagem
de carbono entre 2 e 4%, contendo ainda outros elementos
de liga como o silício, o manganês, o fósforo e o enxofre,
além do níquel, cromo, molibdênio e cobre.
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Usinabilidade do Ferro Fundido
Principais propriedades:
Boa rigidez
Resistência à compressão
Baixo ponto de fusão
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Usinabilidade do Ferro Fundido
Usinabilidade dos Diversos Tipos de Ferro Fundido
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Usinabilidade do Ferro Fundido
Usinabilidade dos Diversos Tipos de Ferro Fundido
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Usinabilidade do FoFo
O Silício influencia significativamente a usinabilidade.
FoFo com 12% de Silício ou mais são praticamente
impossíveis de serem usinados.
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Usinabilidade do FoFo
Além da influência do silício na usinabilidade, outros
elementos de liga também influem na usinabilidade dos ferros
fundidos
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Usinabilidade do FoFo
A influência dos elementos pode ser dividida em 2 tipos:
Os formadores de carboneto (cromo, cobalto, manganês,
molibdênio e vanádio) que prejudicam a usinabilidade
devido ao fato de que os carbonetos são partículas muito
duras e abrasivas.
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Usinabilidade do FoFo
Os grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) auxiliam na
usinabilidade
O sulfeto de manganês também é utilizado nos ferros
fundidos para melhorar a usinabilidade
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Usinabilidade do FoFo
Conclusão
Em termos gerais podemos dizer que quanto maior a dureza
e a resistência de um tipo de ferro fundido pior é a sua
usinabilidade.
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Usinabilidade do FoFo - Cinzento
O FoFo Cinzento pode conter até 3% de Si.
No ferro fundido cinzento com alto teor de silício apresentará
muito carbono livre e quase nenhuma cementita (O silício é
um poderoso grafitizante)
É de boa usinabilidade
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Usinabilidade do FoFo - Cinzento
O FoFo cinzento forma cavacos
de ruptura, enquanto que os maleáveis
e nodulares formam cavacos longos.
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Usinabilidade do FoFo - Branco
O FoFo Branco contém de 2.5 a 3.5% C
apresenta baixa teor de Silício, alto teor de
carbeto de ferro e pouco grafite livre.
O resultado é uma estrutura muito
dura, resistente, quebradiço e sua
usinabilidade é dificílima.
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Usinabilidade do FoFo - Branco
Quando a sua dureza é da ordem de
300 HB, a usinagem é praticamente impossível.
Ele é utilizado para a moldagem de
peças que não devem ser usinadas como:
Tubos para abastecimento de água ou gas.
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Usinabilidade do FoFo - Maleável
O FoFo Maleável é um FoFo recozido.
Esse tratamento reduz a quantidade de
grafite lamelar e transforma uma quantidade
considerável de carbeto de ferro em ferro
dútil, mole e grafite esferoidal.
O resultado é uma estrutura com uma
certa ductilidade e tenacidade, porém é
de boa usinabilidade.
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Usinabilidade do FoFo - Nodular
O FoFo Nodular também chamado as
vezes de FoFo ductil é obtido pelo adição
de pequena quantidade de magnésio ou
de cério no FoFo de alto carbono em
estado líquido.
A estrutura resultante após resfriamento
da solução é apresenta o carbeto de ferro
e grafite em forma esferoidal (nodular).
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Usinabilidade do FoFo - Nodular
A normalização e o revenimento do
FoFo nodular aumenta sua resistência
mas o torna mais quebradiço.
Apesar de ser mais resistente, ele é
tão usinável quanto o FoFo Cinzento.
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Ligas Resistentes ao Calor
Muitas aplicações industriais atuais,
assim como as construções aeronaúticas,
requerem materiais mais tenazes com
maior resitência às altas temperatura.
A esta demanda respondem os aços inox.
E uma grande variedade de ligas
resistentes ao calor, compostas de Ni, Mo,
Co, W, Titânio, ferro e outros elementos
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Ligas Resistentes ao Calor
Algumas dessas ligas eram tidas como
impossíveis de usinar-se.
Todavia as conquistas no domínio da
teoria da usinagem e dos fluídos de corte
permitem hoje o uso extenso dessas ligas
nas variadas construções.
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Ligas Resistentes ao Calor
Por exemplo, na usinagem do titânio, o seguinte quadro é
encontrado:
grau de dificuldade da usinagem é muito grande
vida da ferramenta curta
calor desenvolvido muito alto
FLUIDO DE CORTE