Usinagem Titanio Mestrado Upf

USINAGEM DE

TITÂNIO Diego Canal

Dirceu Jesus Lima da Silva

Glademir Karpinski Júnior

Luiz Eduardo da Silva

Tópicos Especiais em Processos de Fabricação

Prof. Dr. Rodrigo P. Zeilmann

Mestrado Profissional em Projeto e Processos de Fabricação

Introdução

• O titânio (Ti) é o nono elemento mais abundante da terra.

• Metal de brilho prateado, mais leve do que o ferro, quase

tão forte quanto o aço, e quase tão resistente à corrosão

quanto a platina.

• No campo industrial o titânio é usado principalmente sob

forma de óxido, cloreto e ligas metálicas.

• Tem uma forte afinidade por oxigênio - maior parte do

titânio na litosfera esteja na forma de óxido.

• A crosta terrestre contêm em torno de 8.100 ppm e 5.300

ppm de titânio, respectivamente.

Usinagem de titânio

Reservas

• Os principais depósitos de minério de titânio (rutilo,

ilmenita e anatásio) estão localizados na Noruegua,

Canadá, Estados Unidos, Índia e China (ilmenita);

• Austrália, Itália e África do Sul (rutilo);

• Brasil (anatásio).


Características metalúrgicas

• Estrutura granular

• Alotrópico

• Fase α (baixas

temperaturas): hc

• Fase β (altas

temperaturas): ccc

• Ligas

• α • Titânio Comercial Puro (CP)

• Near-α

• α+β

• β (metaestável) • Near-β


CP α

α+β β DONACHIE, 2000.

Ligas


DONACHIE, 2000.

Ligas


DONACHIE, 2000.

Características mecânicas/físicas/químicas

• Baixa densidade (60% da densidade do aço)

• Boa resistência mecânica (170-1170 MPa)

• Alta reatividade (O2)

• Boa resistência à corrosão • Alto custo

• Alto ponto de fusão

• Alta temperatura de operação (até ≈ 600°C)

• Temperável

• Pode ser usinado por processos convencionais

Coeficiente de expansão

linear

(10-6/K)

Condutibilidade térmica

(W/mK)

Calor

específico

(J/kg K)

Resistência elétrica

(μΩ m)

Titânio α 8.4 20 523 0.42

Ti-6Al-4V 9.0 7 530 1.67

Ti-15-3 8.5 8 500 1.4

Fe 11.8 80 450 0.09

Ni 13.4 90 440 0.07

Al 23.1 237 900 0.03


LÜTJERING; WILLIAMS, 2007.

Aplicações

• Principais Ligas

• Bifásicas alfa+beta -Ti-6Al-4V, Ti-6Al-

2Sn-4Zr-6Mo e Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-

4Mo(Ti-17).

• Indústria Química

• Resistência à corrosão (O2) por camada

passiva

• Eletrônica

• Supercondutores (Nb-47Ti) a 9,2K

• LHC (Large Hadron Collider)

• Armazenamento de H2

• Células de combustível (TiFe/TiMn/Ti-V-

Ce)

• Componentes com memória de

forma

• Interior de veias, armações de óculos,

acoplamento de tubos, atuadores

reversíveis, dispositivos superelásticos.


LÜTJERING; WILLIAMS, 2007.

Aplicações

Aeroespacial

• Componentes estruturais e em

turbinas (ligas especiais resistentes à

altas temperaturas).

Esportes

• Tacos de golfe, automóveis, motos

bicicletas de corrida.

(Alta resistência e baixo peso)

Militar

• Blindagem

• Suportes ópticos para mísseis

• (expansão térmica próxima do

sistema de orientação.


FANNING, 2005.

DONACHIE, 2000.

Aplicações

• Indústria Naval e de Petróleo • Resistência à corrosão

• Estruturas

• Aplicações marinhas,

revestimentos em estruturas civis.

• Medicina

• Área biomédica-próteses

resistência a corrosão,

biocompatibilidade, bioadesão,

módulo de elasticidade (próximo ao

osso, cerca de 10-30 GPa),

resistência a fadiga e relativa

facilidade de ser processado.


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Processos convencionais de usinagem


• - Torneamento

• - Fresamento

• - Furação

• - Mandrilamento

• - Rosqueamento

• - Retificação

• - Serramento, etc...

Problemas principais na usinagem do titânio


•- Baixa condutividade térmica

•- Afinidade química

•- Oscilação da força de corte

•- Resiliência

Dados


• - Calor gerado 80% ferramenta e 20% peça

Fonte : Ezugwu e Wang, 1997

Necessidades no desenvolvimento de ferramentas


• - Alta condutividade térmica

• - Diferença química

• - Resistência a alta temperatura

• - Resistência a fadiga

• - Resistência a tensões de comp. e cis.

Tipo de Cavaco


• - Serrilhado (Ti-6Al-4V)

• - Contínuo

• - Instabilidade termoplástica

• - Cisalhamento puro (Astakhov, 2003)

• - Baixa rigidez para f x ap baixo

Mecanismo da formação do cavaco


Fonte : International Jourtnal of Machine tools & Manufacture, 2013


Corte

Fonte : Springer Verlag London, 2013


Simulação de corte




Fonte : International Jourtnal of Machine tools & Manufacture


Fonte : Springer Verlag London, 2013

Principais tipos de ferramentas


• - PCD desbaste

• - cBN (elevada tenacidade à fratura, e dureza em alta temperatura) ac.

• - Inserto de W c/ subst. de TiB2 v<61m/min

• - Inserto de W-Co c/ subst. de TiAlN e TiN

• - Aço rápido ( M7, M33, M42)

• - Metal duro

• - C2

Principais tipos de revestimento para ferramentas


• - Boro

• - TiALN

• - TiN

• - TiC

• - Inserto de W c/ subst. de TiB2

• - inserto de W-Co c/ subst. de TiAlN e TiN

Comparação entre ferramentas



Considerações


Considerações


• - exige cuidados no acabamento

• - frequente usinagem de desbaste

Refrigeração


Refrigeração


Refrigeração


Usinagem não convencional


Eletroquímica

Usinagem não

convencional Química

Térmica

Eletrodo-

ferramenta

(ECM)

Reagente

(CHM)

Bombardeio de

elétrons – (EBM)

Tocha feixe a laser

(TFL)

Luz intensa –

(LBM)

Materiais

condutores de

difícil usinagem

Usinagem de

peças

delicadas

Ultrassom

Micro -

Usinagem

Corte

Processos não convencionais de usinagem


Usinagem Eletroquímica (ECM):

É um processo de dissolução do metal que utiliza uma corrente elétrica,

que é aplicada entre a ferramenta e a peça, enquanto flui o eletrólito dissolvendo

o material indesejado.

Fresagem química (FQ):

Processo que usa ácidos para dissolver o material, com o objetivo de

rebaixar sua superfície. Remoção pode chegar a 12 mm.

Tocha feixe a laser (TFL):

O material é removido por um feixe de laser focalizado, utilizando um

fluxo de gás inerte.

Resumo dos processos:



Usinagem eletroquímica:

* Cuba cheia de eletrólito (solução aquosa de cloreto de sódio) com dois eletrodos de ferro,

mergulhados na solução:

Vantagens:

• Qualquer material condutor pode ser usinado

• Sem danos a estrutura do material

• Formas complexas

• Não há desgaste da ferramenta

• Controle de material removido

Desvantagens:

• Problemas devido a corrosão

• Pode ocorrer formação de produtos tóxicos

• Dificuldade para ajustagem da ferramenta.



Usinagem química

Processo de usinagem não convencional que utiliza solução agressiva (ácidos) para dissolução do metal. Etapas do Processo: • Preparação da superfície do metal • Confecção da máscara e revestimento da peça • Usinagem química • Limpeza Vantagens:

• Peças sem rebarba, sem deformação e estruturalmente integras

• O tempo de produção de uma peça frágil e de forma complexa é muito menor por

usinagem química que por meio mecânico.

• Formas complexas

Desvantagens:

• Formas não são rigorosamente perpendiculares a

superfície.

• A execução da mascara , nas dimensões ideias não

é uma tarefa fácil.



Tocha feixe a laser ( TFL) :

No processo TFL o material é removido por feixe de elétrons de laser focalizado e um

fluxo de gás na peça. A elevada energia do laser causa fusão localizada, e o fluxo de gás

(oxigênio) promove uma reação exotérmica que remove o metal liquido do corte. O titânio é

cortado em altas velocidades através de uma onda de laser CO2 continua, usando o oxigênio

como gás removedor


Conclusão

• Extensas aplicações particulares e versatilidade de suas ligas

• Propriedades particulares permitem empregos e dispositivos

especiais.

• Alto custo de fabricação do material, difícil usinagem convencional,

causados pelas mesmas propriedades particulares, e processos

não convencionais específicos limitam sua aplicação a áreas

essenciais.

Bibliografia

Lütjering, Gerd; Williams, James C. Titanium. 2nd ed. New York: Springer-Verlag, 2007.

Donachie Jr, Matthew J. Titanium: a technical guide. 2nd ed. Gauega: ASM International,

2000.

FANNING, J.C. Military Applications for β Titanium Alloys, [artigo científico]. Disponível em

<http://link.springer.com/article/10.1361%2F105994905X75457>. Acesso em: 5 dez. 2013.

KIKUCHI, M.The use of cutting temperature to evaluate the machinability of titanum alloys,

ScienceDirect/Elsevier, Japan, 2009

FARIAS, A. et. al. Avanços na Usinagem das Ligas de Titânio.6ºCongresso Brasileiro de

Engenharia de Fabricação. Caxias do Sul. 2011. Disponível em

<http://alvarestech.com/temp/cobef2011/grima.ufsc.br/cobef2011/media/trabalhos/COF11-

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INFOMET, Usinagem de Titânio e suas ligas, disponível em <http://www.infomet.com.br/acos-

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SUTTER.G; LIST.G, Very highspped cutting of Ti-6Al-4V titanium alloy- change in morphology

and mechanism of chip formation. International Journal of Machine Tools & Manufacture.

France. 2013

EZUGWU,E.O;WANG,Z.M. Titanium alloys and their machinability- a review. Journal of

Materials Processing technology. London. 1997

GALDINO R.S. et. Al. Análise dos cavacos de Ti-6Al-4V na usinagem sob diferentes métodos

de refrigeração. Guaratingueta


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