usinagem materias de corte

1. 5. Materiais para ferramentas de corte
5.1. Introdução
A figura abaixo apresenta as conseqüências para
uma ferramenta de corte em usinagem.

2. A seleção criteriosa do material da ferramenta de
corte deve ser realizada ponderando os seguintes
fatores:
 Material a ser usinado;
 Processo de usinagem;
 Condições da máquina operatriz;
 Forma e dimensões da ferramenta;
 Custo do material da ferramenta;
 Condições de usinagem;
 Condições de operação.

3. As principais características são:
 Dureza a quente;
 Resistência a abrasão;
 Tenacidade;
 Resistência a compressão;
 Estabilidade química.

4. 5.2. Classificação dos materiais para ferramenta
Uma classificação baseada nas características
químicas dos materiais para ferramentas de corte é
apresentada abaixo:
 Aços Ferramentas;
 Aços rápidos;
 Aços rápidos com cobertura;
 Stellite;
 Coronite (particulas finas de TiN + Matriz de Aço
temperado);

5.  Metal duro;
 Metal duro com cobertura;
 Cermets;
 Material Cerâmico;
 Nitreto de Boro Cúbico (CBN);
 Diamante.

10. 5.3. Aços rápidos
Aço rápido (High Speed Steel - HSS), são aços
ferramenta de alta liga de tungstênio, molibdênio,
cromo, vanádio, cobalto e nióbio, e um apropriado
tratamento térmico.
O uso principal do aço rápido continua a ser na
fabricação de várias ferramentas de corte: brocas,
fresas, serras, bits de usinagem, discos para cortar
engrenagens, etc.

11. O aço rápido revolucionou a prática de
usinagem na época, com um grande aumento na
produtividade. As Vc puderam ser aumentadas em
uma ordem de grandeza: de 3 a 5 m/min - aço
carbono para 30 a 35 m/min - aços rápidos.
Exatamente por isso, eles levaram este nome.

12. 5.3.1. Características
 Principais elementos constituintes (W, Mo, Co,
V), elementos que conferem alta tenacidade às
ferramentas.
 Dureza de 60 a 67 HRC.
 Resistem a temperatura de até aproximadamente
520 a 600°C.
 Clássico 18 (%W) - 5 (%Cr) - 1 (%V).

13.  Aço super rápido quando é adicionado Co.
Tratamento térmico complexo.
 Preço elevado, quando comparado aos aços de
alto carbono.
 É o mais tenaz dos materiais pra ferramenta de
corte utilizado na industria.

14. A estrutura metalográfica dos aços rápidos no
estado temperado é martensita básica com
carbonetos incrustados.
Essa estrutura confere aos aços rápidos a sua
dureza a quente.
O tipo e o número de carbonetos duros que se
formam são responsáveis pela resistência a
abrasão. A tenacidade do aço rápido depende dos
elementos de liga e do grau de dissolução desses.

15. 5.3.2. Classificação dos aços rápidos
Existem duas classificações que são (AISI e
SAE):
 ao tungstênio: (grupo T);
 ao molibdênio (grupo M).
Os dois tipos possuem uma performance mais
ou menos semelhante. Os do grupo M, entretanto,
tem um custo inicial menor.

16. Tipo
de
aço
Classificação
SAE
C
(%)
Cr
(%)
V
(%)
W
(%)
Mo
(%)
Co
(%)
Tenacidade Resistência
ao desgaste
Dureza
a
quente
W T2 0,85 4 2 18 2 8 8
W-
Co
T5 0,8 4 2 18 8 1 7 9
Mo M2 0,85 4 2 6 5 3 7 8
Mo-
Co
M34 0,85 4 2 2 8 8 1 8 9

17. 5.3.3. Aços rápidos com cobertura
A forma e dimensões de ferramentas como
brocas, alguns tipos de fresas, machos,
alargadores, brochas, cortadores de dentes de
engrenagens e as condições de usinagem que as
empregam, dificultam a aplicação de materiais de
ferramentas como metal duro e cerâmicas.
O principal desenvolvimento dessas ferramentas
tem caminhado no da aplicação de uma cobertura
(revestimento) de um material mais resistentes ao
desgaste como: carboneto de titânio – TiC e nitreto
de titânio – TiN.

18. A camada de revestimento possui características
como:
 Dureza da ordem de 2000 a 2500 HV (697 HV = 60 HRc;
940 HV = 68 HRc);
 Baixo coeficiente de atrito;
 Redução sensível do caldeamento a frio (evita a APC);
 Elevada ductilidade;
 Maior estabilidade química;
 Proteção térmica do substrato;
 Espessura da ordem de 1 a 4 m;
 Ótima aparência (dourada – TiN).

19. A camada de revestimento pode ser aplicada nas
ferramentas de metal duro por dois processos:
 O CVD (Chemical Vapour Deposition) – início da década
de 60 – a temperaturas da ordem de 1000 oC.
 O PVD (Phisical Vapour Deposition) – 1980 –
temperaturas da faixa de 450 a 500 oC.

20. Ferramenta
Tempo de corte
(min)
Comprimento usinado de vida
(mm)
Vc = 44 m/min Vc = 57 m/min Vc = 44 m/min Vc = 57 m/min
Sem
revestimento
62 32 8680 5760
TiN 136,5 83,5 19110 15030
Ti (C;N) 110,5 97 15470 17470

21. 5.3.4. Áreas de aplicação dos aços-rápidos
 Ferramentas para todas as operações de
usinagem;
 Ferramentas para desbaste e acabamento;
 Machos e cossinetes de roscas;
 Brocas helicoidais;
 Alargadores;
 Fresas de todos os tipos;
 Ferramentas de plainar;
 Escareadores;
 Ferramentas para trabalho a frio;
 Ferramentas para trabalho em madeira;
 outras.

22. 5.4. Metal Duro
É o mais importante material pra ferramenta de
corte utilizado na industria moderna.
Esse sucesso deve-se a combinação de dureza a
temperatura ambiente, dureza a quente, resistência
ao desgaste e tenacidade. Essa combinação é
possível de se obter pela variação da sua
composição.
Ele é um produto da metalurgia do pó. Produzido
a partir de partículas finas (carbonetos),
sinterizados com um ou mais metais (aglomerante).

23. 5.4.1. Características
 Desenvolvimento 1926 – Leipzig;
 Material de ferramenta mais utilizado na
indústria;
 Indústria automobilística consome cerca de 50%
das ferramentas de metal duro produzidas no
mundo;
 Resistem a temperatura de até aproximadamente
1000°C (mesma dureza que o aço rápido à
temperatura ambiente);

24.  Maiores Vc com relação as ligas fundidas, aços
rápidos e aços ferramenta;
 Aumento na vida útil na ordem de 200 a 400%;
Composição típica: 81% W, 6% C e 13% Co – (WC-
Co).

25. Algumas razões do sucesso deste material:
 Grande variedade de tipos de metal duro (adição
de elementos de liga);
 Propriedades adequadas às solicitações em
diferentes condições;
 Possibilidade de utilização de insertos
intercambiáveis;
 Estrutura homogênea (processo de fabricação);
 Dureza elevada;

26.  Resistência à compressão;
Resistência ao desgaste a quente;
 A princípio utilizado para a usinagem de
materiais fundidos;
 Anos 70 (século XX)- surgimento de metais duros
revestidos;
 Compromisso muito bom entre dureza a altas
temperaturas e tenacidade;

27.  Em ferramentas e corte são empregados na
forma de insertos intercambiáveis, que podem ser
soldados ou fixados mecanicamente.
 Coeficiente de dilatação térmica do metal duro é
a metade do aço.

28. 6.4.2. Fabricação do Metal duro

29. 5.4.3. Estrutura do Metal Duro
 Carbonetos - fornecem dureza a quente e
resistência ao desgaste (WC, TiC, TaC, NbC, etc.),
as particulas variam de 1 a 10 m e ocupam de 60 a
95 % do material;
 Ligante metálico - atua na ligação dos
carbonetos frágeis (Co ou Ni) e é responsável pela
tenacidade do metal duro;
 Obtido por sinterização (ligante + carbonetos).

31. 5.4.4. Classe e seleção de metais duros
A norma ISO (International Organization for
Standardization) classifica os diversos tipos de
metais duros em 6 grandes grupos designados
pelas letras P; M; K; N; S e H. Existe ainda uma
subdivisão dentro de cada um desses grupos
usando números.
i. Grupo P – simbolizado pela cor azul
 Constituído de metais duros com elevado teor de
TiC + TaC;

32.  Possui elevada dureza a quente e resistência ao
desgaste;
Indicado para usinagem de aços.
ii. Grupo K – simbolizado pela cor vermelha, foi o
primeiro tipo de metal duro a ser desenvolvido
 é composto por carbonetos de tungstênio (WC)
aglomerado pelo cobalto (Co);
 Não resiste ao mecanismo que gera o desgaste
de cratera (difusão);
 Indicado para usinagem de materiais frágeis que
geram cavacos curtos como os ferros fundidos.

33. iii. Grupo M – simbolizado pela cor amarela
 é um grupo com propriedades intermediárias,
sendo destinado a ferramentas com aplicação
múltiplas;
 O principal material usinado por essa classe é o
aço inoxidável;
 Teores médios de WC e TiC + TaC.

34. iv. Classe N – simbolizado pela cor verde claro
 Derivada da classe K
 Material de referência: Ligas de alumínio
v. Classe S – simbolizado pela cor marrom claro
 Derivada da classe M
 Material de referência: Ligas resistentes ao calor

35. vi. Classe H – simbolizado pela cor azul aço claro
 Derivada da classe P
 Material de referência: Aços endurecidos

36. Características das classes de Metal Duro
P
M
K
T
E
N
A
C
I
D
A
D
E
Resistência
ao
desgaste

37. Características das classes de Metal Duro

38. Designação
ISO
WC
(%)
TiC + TaC
(%)
Co
(%)
Dureza
(HV)
Resistência a ruptura
transversal (kgf/mm2)
P01 30 64 6 1800 75
P50 70 14 16 1300 200
M10 84 10 6 1650 140
M40 78 7 15 1300 200
K10 92 2 6 1650 150
K40 89 2 9 1450 190

39. 6.4.5. Metais duro revestidos
A operação de tornear uma barra de aço ( = 100
mm x l = 500 mm), durava em média 100 min no
início do século - material de ferramenta aço-
carbono endurecido. Quando o aço rápido foi
introduzido o tempo foi reduzido para algo em
torno de 26 min e com as primeiras ferramentas de
metal duro a mesma operação levou só 6 min.
Usando as modernas pastilhas com cobertura, a
tarefa levou menos de 1 minuto.

40. Características:
i. Substrato tenaz com revestimento duro (TiC, TiN,
Ti(C,N), Al2O3, etc.) - combinando-se assim uma alta
resistência a choques com alta resistência a desgaste
(maior vida de ferramenta e menores esforços de corte);
ii. É freqüente a deposição de várias camadas;
iii. Processos de revestimento - CVD (chemical vapour
deposition) e PVD (physical vapour deposition);
iv. Exigências aos revestimentos
 Espessura regular da camada sobre a face e flancos;
 Composição química definida;
 Possibilidade de fabricação em grandes lotes.

41. Principais tipos de revestimentos:
 Carboneto de Titânio (TiC);
 Nitreto de titânio (TiN)
 Carbonitreto de titânio (TiCN);
 Óxido de Alumínio (Al2O3).
Esses revestimentos podem ser aplicados em 1, 2
e até 3 camadas. Geralmente a primeira camada,
logo acima do núcleo, é de TiC ou TaC, que
algumas vezes é a única camada.

42. As principais características de cada uma dessas
camadas são:
i. Carboneto de titânio (TiC) e Carbonitreto de
titânio (TiCN)
 Excelente resistência ao desgaste por abrasão;
 Promove a adesão das camadas de cobertura
com o metal duro;
 Dureza da ordem de 3000 HV;
 Baixa adesão com o material da peça;
 Espessura da camada é de 4 a 8 m.

43. ii. Óxido de alumínio (Al2O3)
 Excelente estabilidade térmica (material
refratário);
 Excelente estabilidade química;
 Principal responsável pela baixa tendência ao
desgaste de cratera;
 Espessura da camada superior a 5 m;
 Apresenta baixa resistência ao choque térmico e
mecânico.

44. iii. Nitreto de titânio (TiN)
 Reduz o coeficiente de atrito entre a pastilha e o
cavaco;
 É quimicamente mais estável que o TiC, ou seja
tem menor tendência à difusão com aços;
 Espessura da camada: 5 a 7µm.
Espessuras totais das camadas: 2 a 12µm.
↑ espessura - ↑ resistência ao desgaste -
↓tenacidade (lascamento das arestas de corte)

45. iv. Coberturas de diamante sintético policristalino
 Altíssima dureza;
 Baixa coeficiente de atrito;
 Alta condutibilidade térmica;
 Alta estabilidade química;
 Usinagem de não ferrosos e não metálicos.

46. Recentes desenvolvimento na cobertura de
metais duros.
i. Coberturas de nitreto de titânio-alumínio (TiAlN)
ou nitreto de alumínio-titânio (AlTiN)
 Maior resistência a oxidação;
 Baixa condutividade térmica;
 Alta dureza a frio e a quente;
 Alta estabilidade química.

47. 5.4.6. Áreas de aplicação dos Metais Duros
 Ferramentas para quase todas as operações de
usinagem (sob a forma de insertos);
 Brocas helicoidais;
 Brocas para furação profunda;
 Fresas de topo;
 Brochas;
 Alargadores;

48. 5.5. Cermets
São materiais para ferramentas de corte que
contêm uma fase cerâmica e uma fase metálica.
Possuem uma estrutura semelhante ao metal
duro, pois são feitos de partículas duras (TiN; TiCN
+ Ta, W e algumas vezes Mo) ligadas por um
aglomerante (Co; Ni).
Possuem estabilidade química, tenacidade e
resistência ao desgaste intermediária entre o metal
duro e os materiais cerâmicos. Mas conseguem
manter uma tenacidade comparável aos metais
duros.

49. Outras propriedades dos cermets são:
 Resistência à oxidação;
 Resistência à formação da APC;
 Alta resistência a deformação plástica.
Suas principais aplicação são:
 Torneamento e fresamento leve, principalmente
sem refrigeração de aços não temperados e de
aços inoxidáveis;
 Fresamento em acabamento e semi-acabamento
de aços para moldes e matrizes com dureza de até
50 HRc.

50. 5.6. Materiais cerâmicos

51. Principais propriedades das ferramentas de corte
cerâmicas.
 Alta dureza a quente e a frio;
 Alta estabilidade química (altas temperaturas);
 Alta resistência ao desgaste;
 Capacidade de usinagem em altíssimas
velocidades de corte (2000 m/min);
 Baixa condutividade térmica;
 Baixa tenacidade;
 Alto custo;
 Limitações na aplicação devido ao
comportamento frágil;
 Indispensável em áreas como fabricação de
discos de freio.

52. 5.6.1. Classificação das ferramentas cerâmicas
Existem dois tipos de cerâmicas utilizadas em
usinagem.
i. A base de óxido de alumínio (Al2O3)
 Puras - cerâmicas constituídas somente de
óxidos. Podem ser a alumina pura, constituída de
finos grãos de Al2O3, MgO, óxidos de cromo, titânio
e níquel ou óxido de zircônia.

53.  Misturadas ou mistas - Cerâmicas que contém
adição de cerca de 20 a 40% de nitreto de titânio
(TiN) e carboneto de titânio (TiC);
 Reforçadas - Cerâmicas que contém inclusões
de fibras monocristalinas de SiC (chamadas de
“whiskers”) em uma matriz cerâmica (Al2O3).
ii. A base de nitreto de silício (Si3N4).
São cristais de Si3N4 com uma fase intergranular
de SiO2, que são sinterizados na presença de
alumina (SIALON) e/ou óxido de ítrio (Y2O3) e óxido
magnésio (MgO).

54. Material da
Ferramenta
Tenacidade
Dureza a
quente
Resistência
ao choque
térmico
Estabilidade
química (Fe)
Estabilidade
química (Ni)
Cerâmica
Pura
2 2 1 5 5
Cerâmica
Mista
1 3 2 4 4
Cerâmica
com
Whiskers
4 3 3 2 3
Sialon 3 5 4 1 2
Metal duro 5 1 5 3 1

55. 5.6.2. Aplicações das ferramentas de corte
cerâmica
i. Usinagem de ferro fundido;
ii. Usinagem de aço endurecido;
iii. Usinagem de ligas de titânio e níquel resistente
ao calor.

56. 5.7. Nitreto de Boro Cúbico (CBN)

57. Trata-se de um material sintético, obtido através
de um processo com pressões de 5000 a 9000 MPa
e temperatura de 1500°C a 1900°C, na presença de
um catalizador, em geral o lítio.
Plaquetas de CBN são produzidas de forma
análoga ao PCD, ou seja uma camada de 0,5 mm de
espessura de CBN é sinterizada com uma fase
ligante e, posteriormente, é fixada sobre um
substrato de metal duro.
O CBN é mais estável que o diamante, podendo,
portanto, usinar ligas ferrosas sem o problema do
desgaste por difusão.

58. 5.7.1. Principais propriedades do CBN
Suas vantagens:
 Estabilidade química (maior que o diamante).
 Alta dureza (2 vezes mais dura do que a alumina,
menor que o PCD).
 Alta resistência a abrasão.
 Boa tenacidade (2 vezes maior do que a da
alumina).

59. Suas desvantagens:
 Estabilidade química e térmica (menor que a
cerâmica).
 Alto custo (superior ao material cerâmico,
inferior ao diamante).
 Principal Aplicação do Nitreto de Boro Cúbico
(CBN).
 Usinagens de aços endurecidos (cavaco curto),
aços rápidos e aços ferramentas.

60. 5.7.2. Cuidados na aplicação do CBN
 Não devem ser usados em materiais fáceis de
serem usinados por outros materiais;
 O sistema máquina-peça-ferramenta-dispositivo
de fixação deve ser o mais rígido possível;
 A geometria da ferramenta deve ser negativa ( =
-5o) para garantir a resistência ao choque,  = 5-9º e
o maior ângulo de posição possível, no mínimo 15º;
 A aresta de corte deve ser chanfrada (0,1 mm x
20 a 45o);
 Fluido de corte não deve ser usado.

61. 5.7.3. Aplicações do CBN na industria
i. Usinagem de bloco de motor diesel -
mandrilhamento
 Material – fofo cinzento (200HB);
 Vc = 730 m/min; f = 0,2 mm/volta ; ap = 0,25mm;
 Resultado: CBN = 1475 peças por aresta
Cerâmica = 25 peças por aresta.

62. ii. Pinhão tratado termicamente – retificação em
acabamento
 Material – aço 5120 temperado e cementado (> 60
HRc);
 Vc = 110 - 150 m/min; f = 0,07 - 0,1 mm/volta ; ap
= 0,25mm;
 Resultado: 5 tornos foram suficientes para
substituir a produção de 10 retificadoras.

63. 5.8. Diamante

64. Diamante natural (monocristalino).
Diamante artificial (policristalino) - PCD.
O diamante sintético policristalino é constituído
de partículas muito finas deste material, de
granulação definida para se obter o máximo de
homogeneidade e densidade .
A camada de PCD é produzida pela sinterização
das partículas de diamante com cobalto num
processo de alta pressão (6000 a 7000MPa) e
temperatura (1400°C a 2000°C).

65. A camada de, aproximadamente, 0,5 mm de
espessura é aplicada diretamente sobre uma
pastilha de metal duro ou é ligada ao metal duro
através de brasagem (plaquetas).
6.8.1. Principais propriedades do (PCD).
Suas vantagens:
 Alto valor de condutividade térmica (1 a 5 vezes a
do metal duro).
 Altíssimas dureza (3 vezes a da alumina e 4
vezes a do metal duro) e resistência a abrasão.
Tenacidade relativamente alta.

66. Suas desvantagens:
 Anisotropia.
 Reage com o ferro em temperaturas moderadas.
 Alto custo (20 a 30x. a do metal duro - ferramenta
simples).
 Principal Aplicação do Diamante Policristalino
(PCD).
- Usinagens de liga alumínio-silício.

67. 5.8.2 Principal Aplicação do Diamante Policristalino
(PCD)
 Usinagens de liga alumínio-silício.
 Metais não ferrosos – ligas de cobre.
 Materiais não metálicos – plásticos abrasivos;
resinas reforçadas com fibra de carbono e de
vidro; cerãmicas, metais duros; madeira abrasiva;
pedras naturais e concreto.

68. 5.8.3. Cuidados na aplicação do PCD
 O sistema máquina-ferramenta-peça-ferramenta-
dispositivo de fixação deve ser o mais rígido
possível;
 A geometria da ferramenta deve ser positiva;
 A aresta de corte deve ser chanfrada;
 Fluido de corte pode ser usado.
 Condições de corte em acabamento devem ser
usados.
 Evitar cortes interrompidos e choques.

69. 5.9. Considerações gerais sobre ferramentas de
corte

70. 5.9.1. Ferramentas inteiriças
São produzidas por fundição, forjamento, barras
laminadas ou por processos de metalurgia do pó.
Seus materiais incluem aços carbono e baixas
ligas, aços rápidos, ligas de cobalto fundidas e
metais duros.
Ferramentas de ponta arredondada permitem a
aplicação de grandes avanços, em peças de grande
diâmetro.

71. 5.9.2. Ferramentas com insertos soldados
 Ferramentas de aresta única;
 Corpo de material de baixo custo;
 Parte cortante com material de corte de melhor
qualidade soldado ou montado sobre a base;
 Materiais cortantes usados: aços rápidos, metal
duro, cerâmica, diamante mono e policristalino e
nitreto de boro cúbico.

72. 5.9.3. Ferramentas com insertos intercambiáveis
 Ferramentas mais largamente utilizadas em
operações de torneamento;
 Insertos de metal-duro predominam, mas
insertos de aços rápidos, cerâmicas, diamante e
CBN são também usados para muitas aplicações;
Sistema de identificação normalizado, com base
nas características mecânicas e geométricas dos
insertos.

75. 5.9.4. Geometria dos insertos
i. Insertos com ângulo de saída negativo
 dobro de superfície de corte e maior resistência;
 avanço e profundidade de corte maiores;
 gera um aumento nas forças de corte;
 exigem maior potência e rigidez da máquina
ferramenta.

76. ii. Insertos com ângulo de saída positivo
 bons para trabalho em material mais dúctil,
quando baixas forças de corte são requeridas;
 usinagem de peças com paredes finas, de eixos
finos e compridos;
 torneamento interno em acabamento.

77. iii. Insertos positivo-negativos
 combinam a ação de corte dos positivos com a
resistência dos negativos;
 possuem gumes realçados;
 em insertos revestidos, são capazes de remover
material a altas velocidades e avanços, com
aumento do volume de cavacos;
 há diversos modelos, de diferentes fabricantes,
com diferentes formas de sulco.

78. 5.9.5. Raio de ponta dos insertos
Determinado pela configuração da peça e pelos
requisitos de qualidade superficial.
i. Raios de ponta muito pequenos
 quinas fracas;
 quebra ou lascamento;
 melhor controle dos cavacos e menos ruídos

79. ii. Raios de ponta muito grandes
 ruídos ou vibrações (pequena espessura dos
cavacos e aumento Fp);
 O sistema máquina-peça-ferramenta-dispositivo
de fixação deve ter rigidez suficiente;
 Raio de ponta apropriado é um dos mais
importantes fatores relacionados ao acabamento
superficial;
De modo geral raios de ponta maiores produzem
melhores superfícies usinadas.