Materiais de ferramentas de corte 101: Tipos, propriedades e revestimentos

Os materiais das ferramentas referem-se principalmente aos materiais da parte cortante da ferramenta. O seu desempenho é um fator crucial que afecta a qualidade da maquinagem, a eficiência do corte e a vida útil da ferramenta. A aplicação razoável de novos materiais para ferramentas pode não só melhorar eficazmente a produtividade, a qualidade da maquinação e os benefícios económicos, como também é frequentemente o processo chave para maquinar alguns materiais difíceis de maquinar.

I. Requisitos de desempenho para materiais de ferramentas

1. Elevada dureza

As ferramentas precisam de remover a camada de metal da peça de trabalho, pelo que a dureza do material da ferramenta deve ser superior à do material da peça de trabalho. Geralmente, a dureza à temperatura ambiente dos materiais das ferramentas deve ser superior a 60HRC.

2. Alta resistência ao desgaste

Os materiais das ferramentas devem ter uma elevada resistência ao desgaste para resistir ao desgaste da peça de trabalho e das aparas. Este desempenho depende da dureza do material da ferramenta e da sua composição química e microestrutura.

Quanto maior for a dureza do material da ferramenta, melhor será a resistência ao desgaste; quanto mais carbonetos de liga resistentes ao desgaste existirem no material da ferramenta, quanto mais finos e uniformemente distribuídos forem os grãos, melhor será a resistência ao desgaste.

3. Resistência e dureza suficientes

Durante o corte, a ferramenta é sujeita a várias tensões, impactos e vibrações. Para evitar lascas e rupturas, o material da ferramenta deve ter resistência e tenacidade suficientes.

4. Alta resistência ao calor

A resistência ao calor refere-se à capacidade do material da ferramenta para manter a sua dureza, força e tenacidade à temperatura ambiente em condições de alta temperatura. Também pode ser expressa como dureza a quente ou dureza a alta temperatura. Quanto melhor for a resistência ao calor, maior será a velocidade de corte na maquinagem. É um indicador chave do desempenho do material da ferramenta.

5. Boa trabalhabilidade

Para facilitar o fabrico, os materiais das ferramentas devem ter uma boa trabalhabilidade, como as propriedades de maquinabilidade, retificação, forjabilidade, soldabilidade e tratamento térmico. Para além disso, devem ser utilizados, tanto quanto possível, materiais de ferramentas que sejam abundantes em recursos e de baixo custo.

II. Tipos de materiais de ferramentas

Os materiais para ferramentas incluem principalmente aço para ferramentas (aço para ferramentas sem liga e aço para ferramentas com liga), aço rápido, carboneto cimentado, materiais cerâmicos e materiais para ferramentas superduros. As suas principais propriedades físicas e mecânicas são apresentadas no Quadro 1.

Tabela 1 Propriedades físicas e mecânicas de vários materiais de ferramentas

1. Aço para ferramentas de alta velocidade

O nome completo do aço para ferramentas de alta velocidade é aço para ferramentas de liga de alta velocidade, também conhecido como aço branco ou aço afiado.

O aço para ferramentas de alta velocidade é um aço para ferramentas de alta liga com uma grande quantidade de elementos de liga como W, Mo, Cr e V adicionados ao aço para ferramentas de liga. Estes elementos de liga formam carbonetos de elevada dureza com o carbono, conferindo ao aço para ferramentas de alta velocidade uma excelente resistência ao desgaste.

Os átomos de tungsténio e os átomos de carbono têm uma forte força de ligação, aumentando a dureza do aço a altas temperaturas. O papel do molibdénio é basicamente o mesmo que o do tungsténio, e pode refinar os grãos de carbonetos, reduzir a irregularidade dos carbonetos no aço e melhorar a tenacidade do aço.

O aço para ferramentas de alta velocidade é um material para ferramentas com bom desempenho global e a mais vasta gama de aplicações. Tem uma elevada resistência à flexão, boa tenacidade e uma dureza de 63~66HRC após tratamento térmico. É fácil de retificar para obter uma aresta de corte afiada, pelo que é frequentemente designado por "aço afiado" na produção.

A sua resistência ao calor é de 600~660℃, e a velocidade de corte pode atingir cerca de 30m/min ao cortar materiais de aço carbono. Tem boa processabilidade e pode ser usado para fabricar ferramentas com formas complexas, como brocas, torneiras, ferramentas de formação, broches e ferramentas de engrenagem. Também é adequado para o processamento de vários materiais, como aço carbono, aço de liga, metais não ferrosos e ferro fundido.

O aço para ferramentas de alta velocidade pode ser dividido em aço para ferramentas de alta velocidade normal e aço para ferramentas de alta velocidade de elevado desempenho com base no desempenho de corte.

(1) Aço normal de alta velocidade para ferramentas

O aço normal para ferramentas de alta velocidade pode ser dividido em aço para ferramentas de alta velocidade da série tungsténio e aço para ferramentas de alta velocidade da série tungsténio-molibdénio.

O primeiro tipo comum de aço para ferramentas de alta velocidade da série de tungsténio é o W18Cr4V, que tem um bom desempenho geral e capacidade de trituração. Pode ser utilizado para fabricar várias ferramentas complexas e ferramentas de acabamento. No entanto, uma vez que o tungsténio é um importante recurso estratégico e esta classe contém uma elevada proporção de tungsténio, a sua aplicação é agora menos comum e tem sido gradualmente eliminada em alguns países desenvolvidos.

O tipo comum de aço para ferramentas de alta velocidade da série tungsténio-molibdénio é o W6Mo5Cr4V2, que tem um bom desempenho global. Devido ao papel do molibdénio, os seus carbonetos são partículas finas e distribuídas uniformemente, pelo que a sua resistência à flexão e tenacidade ao impacto são superiores às do aço rápido para ferramentas da série tungsténio. Também possui boa termoplasticidade, tornando-o adequado para o fabrico de ferramentas laminadas a quente. No entanto, este material tem uma elevada sensibilidade à descarbonetação, uma gama estreita de temperaturas de têmpera e é difícil de dominar o processo de tratamento térmico.

O W9Mo3Cr4V é um aço para ferramentas de alta velocidade desenvolvido de forma independente pela China. A sua dureza, resistência e termoplasticidade são ligeiramente superiores às do W6Mo5Cr4V2. Tem boa dureza e tenacidade, e é fácil de laminar, forjar, tem uma ampla gama de temperaturas de tratamento térmico, baixa sensibilidade à descarbonetação e menor custo.

(2) Aço rápido de alto desempenho para ferramentas

O aço-ferramenta rápido de alto desempenho é um novo tipo de aço-ferramenta rápido que melhora o aço-ferramenta rápido normal, ajustando a composição química e adicionando outros elementos de liga. Este tipo de aço rápido para ferramentas é utilizado principalmente para cortar materiais difíceis de maquinar, tais como ligas de alta temperatura, ligas de titânio, aço de alta resistência e aço inoxidável.

Existem vários tipos de aço rápido de alto desempenho para ferramentas:

1) Aço rápido de alto teor de carbono para ferramentas

A fração mássica de carbono é aumentada para 0,9% a 1,05%, fazendo com que todos os elementos de liga do aço formem carbonetos, melhorando assim a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor do aço, mas a sua resistência e tenacidade diminuem ligeiramente. O grau típico é 95W18Cr4V.

2) Aço rápido de alto vanádio para ferramentas

A fração mássica de vanádio é aumentada para 3% a 5%, sendo o grau típico o W6Mo5Cr4V3. Devido ao aumento do teor de carboneto de vanádio, a resistência ao desgaste do aço para ferramentas de alta velocidade é melhorada, e é geralmente utilizado para cortar aço de alta resistência. No entanto, este tipo de aço para ferramentas de alta velocidade é mais difícil de retificar do que o aço para ferramentas de alta velocidade normal.

3) Aço rápido cobalto para ferramentas

A adição de cobalto ao aço para ferramentas de alta velocidade melhora a sua dureza a altas temperaturas e a sua resistência à oxidação. O tipo típico é o W2Mo9Cr4VCo8, que tem um bom desempenho global e é muito eficaz para maquinar materiais difíceis de maquinar, como ligas de alta temperatura e aço inoxidável.

4) Alumínio de aço rápido para ferramentas

O aço rápido para ferramentas de alumínio é um novo tipo de aço rápido para ferramentas desenvolvido exclusivamente na China. Ao adicionar uma pequena quantidade de alumínio ao aço rápido normal, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste do aço rápido para ferramentas são melhoradas, e este tem um bom desempenho global.

O grau típico é o W6Mo5Cr4V2Al, que atinge o desempenho de corte do aço-ferramenta de alta velocidade ao cobalto, tem boa maquinabilidade, é barato e tem um preço próximo do aço-ferramenta de alta velocidade comum. No entanto, tem uma fraca capacidade de retificação e requer processos de tratamento térmico rigorosos.

À medida que a utilização de ferramentas complexas de alta precisão aumenta, o custo de processamento representa uma grande parte do custo da ferramenta, enquanto o custo do material representa uma proporção menor (15% a 30%). Por conseguinte, é economicamente razoável utilizar materiais de ferramentas de elevado desempenho. Para máquinas-ferramentas como centros de maquinagem, onde os custos de troca de ferramentas são elevados, os materiais de ferramentas de alto desempenho devem ser ainda mais utilizados.

Os graus e as principais propriedades mecânicas dos aços rápidos para ferramentas acima referidos são apresentados no Quadro 2.

Quadro 2 Classes e principais propriedades mecânicas do aço rápido

2. Liga dura

A liga dura é um produto da metalurgia do pó fabricado por sinterização de carboneto de tungsténio (WC) e carboneto de titânio (TiC) em pó como componentes principais, e cobalto (Co), molibdénio (Mo) e níquel (Ni) como aglutinantes num forno de vácuo ou num forno de redução de hidrogénio.

A dureza da liga dura atinge 89 ~ 94HRA, equivalente a 71 ~ 76HRC, com muito boa resistência ao desgaste. A resistência ao calor pode chegar a 800 ~ 1000 ℃, e a velocidade de corte pode chegar a mais de 100m / min ao cortar aço carbono médio. No entanto, sua resistência à flexão e tenacidade são menores do que o aço de alta velocidade, e sua processabilidade é um pouco pior do que o aço de alta velocidade.

Atualmente, a liga dura tornou-se o principal material de ferramenta no processamento de corte, amplamente utilizado em várias ferramentas com velocidades de corte mais elevadas, e mesmo em ferramentas complexas, tais como fresas de face de liga dura, fresas de topo, ferramentas de perfuração, brocas, alargadores, etc.

O desempenho de uma liga dura depende principalmente do tipo, do teor e da dimensão das partículas dos carbonetos metálicos, bem como do tipo e do teor do ligante. Nas ligas duras, uma maior proporção de carbonetos resulta numa maior dureza e melhor resistência ao desgaste; mais ligante resulta numa maior resistência à flexão. Geralmente, a resistência das ligas duras de granulação fina é inferior à das ligas duras de granulação grossa com a mesma composição, enquanto a dureza é superior à das ligas duras de granulação grossa.

A norma GB/T 18376.1-2008 classifica as ligas duras para ferramentas de corte em seis categorias: K, P, M, H, S e N, com base no material a ser processado. Para satisfazer diferentes requisitos de utilização, estão divididas em vários grupos de acordo com a sua resistência ao desgaste e tenacidade, representados por números de dois dígitos, tais como 01, 10, 20, 30, 40, etc.

A Tabela 3 apresenta a classificação, o agrupamento e as condições de trabalho recomendadas para as três primeiras categorias. A categoria H (H01~H30) é utilizada principalmente para processar materiais de corte duros; a categoria S (S01~S30) é utilizada principalmente para processar materiais resistentes ao calor e ligas de alta qualidade; a categoria N (N01~N30) é utilizada principalmente para processar metais não ferrosos e materiais não metálicos.

Tabela 3 Classificação, agrupamento e condições de trabalho recomendadas para ligas duras para processamento de corte

A seguir, apresentam-se várias ligas duras normalmente utilizadas para corte:

(1) Liga dura do tipo K

É uma liga à base de WC com Co como aglutinante, ou com uma pequena quantidade de TaC e NbC adicionados. É utilizada principalmente para o processamento de materiais de aparas curtas, tais como ferro fundido, ferro fundido refrigerado, ferro fundido maleável de aparas curtas, ferro fundido cinzento, etc. Os tipos comuns incluem K01, K10, K20, K30, K40, etc.

À medida que o número do grau aumenta de 10, 20, 30, para 40, o teor de cobalto aumenta, resultando numa maior resistência, mas menor dureza, resistência ao calor e resistência ao desgaste, tornando-o adequado para maquinagem em bruto. Pelo contrário, quanto mais carboneto de tungsténio contiver, maior será a dureza, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste, mas menor será a força, tornando-o adequado para maquinagem fina.

(2) Liga dura de tipo P

Trata-se de uma liga à base de TiC e WC com Co (Ni+Mo, Ni+Co) como ligante. Devido à presença de TiC, melhora a temperatura de ligação com o aço e a capacidade de impedir a difusão. É utilizado principalmente para o processamento de materiais de aparas longas, tais como aço, aço fundido, ferro fundido maleável de aparas longas, etc.

As classes mais comuns incluem P01, P10, P20, P30, P40, etc. O teor de cobalto aumenta sequencialmente, resultando numa maior resistência, mas menor dureza, resistência ao calor e resistência ao desgaste, tornando-o adequado para maquinagem em bruto. Pelo contrário, quanto mais TiC contiver, maior será a dureza, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste, mas menor será a resistência, tornando-o adequado para maquinagem fina.

(3) Liga dura de tipo M

É uma liga à base de WC com Co como aglutinante, com uma pequena quantidade de TiC (TaC, NbC) adicionada. Devido à adição de uma certa quantidade de metais raros TaC (NbC), melhora a resistência à flexão, a resistência à fadiga e a resistência ao impacto, bem como a dureza a alta temperatura, a resistência, a resistência à oxidação e a resistência ao desgaste.

Os tipos mais comuns incluem M01, M10, M20, M30, M40, etc. As ligas duras do tipo M são ligas de utilização geral e podem ser utilizadas para processar aço inoxidável, aço fundido, aço manganês, ferro fundido maleável, ligas de aço, ligas de ferro fundido, etc.

3. Outros materiais para ferramentas

(1) Cerâmica

Os materiais cerâmicos para ferramentas são feitos de compostos artificiais, formados sob alta pressão e sinterizados a altas temperaturas. Eles têm uma dureza de 91 ~ 95HRA, resistência ao calor de até 1200 ℃, boa estabilidade química e baixa afinidade com metais. Em comparação com as ligas duras, eles podem aumentar a velocidade de corte em 3 a 5 vezes.

No entanto, a sua maior desvantagem é a baixa resistência à flexão e a fraca resistência ao impacto. São principalmente utilizados para semi-acabamento e acabamento de aço, ferro fundido e materiais de elevada dureza (como o aço temperado) durante o corte contínuo.

(2) Diamante

O diamante divide-se em natural e sintético, sendo ambos alótropos do carbono. O diamante natural é raramente utilizado devido ao seu elevado custo. O diamante sintético é fabricado a partir de grafite sob alta temperatura e alta pressão, com uma dureza de 10000HV.

As ferramentas de diamante podem cortar com precisão metais não ferrosos e ligas, cerâmicas e outros materiais de alta dureza e alta resistência ao desgaste. No entanto, eles têm baixa estabilidade química com ferro e não são adequados para o processamento de materiais ferrosos. Sua estabilidade térmica também é baixa e, quando a temperatura atinge 800 ℃, as ferramentas de diamante sofrem carbonização no ar, levando a um desgaste rápido.

(3) Nitreto de boro cúbico

O nitreto de boro cúbico é sintetizado usando métodos artificiais sob alta temperatura e alta pressão com a adição de um catalisador. Tem uma dureza de 8000 ~ 9000HV e resistência ao calor de 1400 ℃. É usado principalmente para semi-acabamento e acabamento de ligas de alta temperatura, aço endurecido e materiais de ferro fundido resfriado.

III. Revestimento de superfícies de materiais de ferramentas

A tenacidade e a dureza dos materiais das ferramentas geralmente não podem ser equilibradas, pelo que a vida útil da maioria dos materiais das ferramentas é principalmente afetada pelo desgaste. Nos últimos anos, foram adoptados métodos de tratamento de revestimento de superfícies para resolver adequadamente este problema.

O revestimento de superfície de materiais de ferramentas é aplicado a ferramentas feitas de aço de alta velocidade e materiais de carboneto cimentado resistentes. Através de métodos como a deposição de vapor químico e a pulverização catódica a vácuo, é depositada na superfície da ferramenta uma camada muito fina (5~12μm) de carboneto de titânio (TiC) ou nitreto de titânio (TiN), composto de metal refratário e de elevada dureza e resistência ao desgaste, formando um revestimento de superfície amarelo dourado.

Devido à elevada dureza e ao baixo coeficiente de atrito do revestimento, a resistência ao desgaste da ferramenta é melhorada. O revestimento também tem propriedades anti-oxidação e anti-aderência, retardando o desgaste da ferramenta. Por conseguinte, a velocidade de corte pode ser aumentada de 30% para 50%, e a vida útil da ferramenta pode ser alargada várias vezes.