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

Os materiais da ferramenta referem-se principalmente aos materiais da parte de corte da ferramenta. Seu desempenho é um fator crucial que afeta a qualidade da usinagem, a eficiência do corte e a vida útil da ferramenta. A aplicação razoável de novos materiais de ferramenta não só pode melhorar efetivamente a produtividade, a qualidade da usinagem e os benefícios econômicos, como também é, muitas vezes, o principal processo de usinagem de alguns materiais difíceis de usinar.

I. Requisitos de desempenho para materiais de ferramentas

1. Alta dureza

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

2. Alta resistência ao desgaste

Os materiais das ferramentas devem ter alta resistência ao desgaste para resistir ao desgaste da peça de trabalho e dos cavacos. Esse desempenho depende da dureza do material da ferramenta e de 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 houver no material da ferramenta, mais finos e uniformemente distribuídos serão os grãos, melhor será a resistência ao desgaste.

3. Força e resistência suficientes

Durante o corte, a ferramenta é submetida a várias tensões, impactos e vibrações. Para evitar lascas e quebras, 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 de manter sua dureza, força e resistência à temperatura ambiente em condições de alta temperatura. Ela também pode ser expressa como dureza a quente ou dureza em alta temperatura. Quanto melhor for a resistência ao calor, maior será a resistência permitida. velocidade de corte na usinagem. É um indicador importante do desempenho do material da ferramenta.

5. Boa capacidade de trabalho

Para facilitar a fabricação, os materiais das ferramentas devem ter boa trabalhabilidade, como usinabilidade, retificação, forjabilidade, soldabilidade e propriedades de tratamento térmico. Além disso, materiais de ferramentas que sejam abundantes em recursos e de baixo custo devem ser usados o máximo possível.

II. Tipos de materiais de ferramentas

Os materiais de ferramentas incluem principalmente aço para ferramentas (aço para ferramentas sem liga e aço para ferramentas com liga), aço de alta velocidade, metal duro, materiais cerâmicos e materiais de ferramentas superduros. Suas principais propriedades físicas e mecânicas são mostradas na Tabela 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-ferramenta de alta velocidade é um aço-ferramenta de alta liga com uma grande quantidade de elementos de liga, como W, Mo, Cr e V, adicionados ao aço-ferramenta de liga. Esses elementos de liga formam carbonetos de alta dureza com carbono, proporcionando ao aço para ferramentas de alta velocidade excelente resistência ao desgaste.

Os átomos de tungstênio e os átomos de carbono têm uma forte força de ligação, aumentando a dureza do aço em altas temperaturas. A função do molibdênio é basicamente a mesma do tungstênio, e ele pode refinar os grãos de carbonetos, reduzir a irregularidade dos carbonetos no aço e melhorar a resistência do aço.

O aço para ferramentas de alta velocidade é um material de ferramenta com bom desempenho geral e a mais ampla gama de aplicações. Possui alta resistência à flexão, boa tenacidade e uma dureza de 63~66HRC após o tratamento térmico. É fácil de ser retificado em uma borda de corte afiada, por isso é frequentemente chamado de "aço afiado" na produção.

Sua resistência ao calor é de 600~660°C, e a velocidade de corte pode atingir cerca de 30m/min ao cortar materiais de aço carbono. Tem boa capacidade de processamento e pode ser usado para fabricar ferramentas com formas complexas, como brocas, machos, ferramentas de conformação, brochas e ferramentas de engrenagem. Também é adequado para o processamento de vários materiais, como aço-carbono, aço-liga, metais não ferrosos e ferro fundido.

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

(1) Aço comum para ferramentas de alta velocidade

O aço comum para ferramentas de alta velocidade pode ser dividido em aço para ferramentas de alta velocidade da série tungstênio e aço para ferramentas de alta velocidade da série tungstênio-molibdênio.

O primeiro tipo comum de aço para ferramentas de alta velocidade da série de tungstênio é o W18Cr4V, que tem bom desempenho geral e capacidade de retificação. Ele pode ser usado para fabricar várias ferramentas complexas e ferramentas de acabamento. No entanto, como o tungstênio é um importante recurso estratégico e essa classe contém uma alta proporção de tungstênio, sua aplicação agora é menos comum e tem sido gradualmente eliminada em alguns países desenvolvidos.

O tipo comum de aço para ferramentas de alta velocidade da série tungstênio-molibdênio é o W6Mo5Cr4V2, que tem bom desempenho geral. Devido ao papel do molibdênio, seus carbonetos são partículas finas e uniformemente distribuídas, de modo que sua resistência à flexão e resistência ao impacto são maiores do que as do aço para ferramentas de alta velocidade da série tungstênio. Ele também tem boa termoplasticidade, o que o torna adequado para a fabricação de ferramentas laminadas a quente. Entretanto, esse material tem alta sensibilidade à descarbonetação, uma faixa estreita de temperatura de têmpera e é difícil dominar o processo de tratamento térmico.

O W9Mo3Cr4V é um aço para ferramentas de alta velocidade desenvolvido independentemente pela China. Sua dureza, resistência e termoplasticidade são ligeiramente superiores às do W6Mo5Cr4V2. Ele tem boa dureza e resistência, é fácil de laminar e forjar, tem uma ampla faixa de temperatura de tratamento térmico, baixa sensibilidade à descarbonetação e custo mais baixo.

(2) Aço rápido de alto desempenho para ferramentas

O aço-ferramenta rápido de alto desempenho é um novo tipo de aço-ferramenta rápido que é um aprimoramento do aço-ferramenta rápido comum por meio do ajuste da composição química e da adição de outros elementos de liga. Esse tipo de aço para ferramentas de alta velocidade é usado principalmente para cortar materiais difíceis de usinar, como ligas de alta temperatura, ligas de titânio, aço de alta resistência e aço inoxidável.

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

1) Aço rápido de alto carbono para ferramentas

A fração de massa 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 sua força e tenacidade diminuem ligeiramente. O grau típico é 95W18Cr4V.

2) Aço rápido de alto vanádio para ferramentas

A fração de massa de vanádio é aumentada para 3% a 5%, sendo que o grau típico é W6Mo5Cr4V3. Devido ao aumento do teor de carboneto de vanádio, a resistência ao desgaste do aço para ferramentas de alta velocidade é aprimorada, e ele é geralmente usado para cortar aço de alta resistência. No entanto, esse tipo de aço para ferramentas de alta velocidade é mais difícil de retificar do que o aço para ferramentas de alta velocidade comum.

3) Aço para ferramentas de alta velocidade com cobalto

A adição de cobalto ao aço para ferramentas de alta velocidade melhora a dureza em alta temperatura e a resistência à oxidação. A classe típica é a W2Mo9Cr4VCo8, que tem bom desempenho abrangente e é muito eficaz na usinagem de materiais difíceis de usinar, 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 comum, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste do aço rápido para ferramentas são aprimoradas, e ele tem um bom desempenho abrangente.

A classe típica é a W6Mo5Cr4V2Al, que atinge o desempenho de corte do aço-ferramenta de alta velocidade com cobalto, tem boa usinabilidade, é barata e tem preço próximo ao do aço-ferramenta de alta velocidade comum. No entanto, ele tem baixa capacidade de retificação e exige processos rigorosos de tratamento térmico.

À medida que o uso de ferramentas complexas de alta precisão aumenta, o custo de processamento é responsável por uma grande proporção do custo da ferramenta, enquanto o custo do material é responsável por uma proporção menor (15% a 30%). Portanto, é economicamente razoável usar materiais de ferramenta de alto desempenho. Para máquinas-ferramenta como centros de usinagem, em que os custos de troca de ferramentas são altos, os materiais de ferramentas de alto desempenho devem ser ainda mais usados.

Os graus e as principais propriedades mecânicas dos aços para ferramentas de alta velocidade mencionados acima são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 Classes e principais propriedades mecânicas do aço rápido

2. Liga dura

A liga dura é um produto de metalurgia do pó fabricado pela sinterização de pós de carboneto de tungstênio (WC) e carboneto de titânio (TiC) como componentes principais, e cobalto (Co), molibdênio (Mo) e níquel (Ni) como aglutinantes em um forno a vácuo ou forno de redução de hidrogênio.

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

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

O desempenho da liga dura depende principalmente do tipo, do conteúdo e do tamanho das partículas dos carbonetos metálicos, bem como do tipo e do conteúdo do aglutinante. Nas ligas duras, uma proporção maior de carbonetos resulta em maior dureza e melhor resistência ao desgaste; mais aglutinante resulta em maior resistência à flexão. Em geral, a resistência das ligas duras de granulação fina é menor do que a das ligas duras de granulação grossa com a mesma composição, enquanto a dureza é maior do que a das ligas duras de granulação grossa.

A 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 que está sendo processado. Para atender a diferentes requisitos de uso, elas são divididas em vários grupos de acordo com sua resistência ao desgaste e tenacidade, representadas por números de dois dígitos, como 01, 10, 20, 30, 40 etc.

A Tabela 3 lista a classificação, o agrupamento e as condições de trabalho recomendadas para as três primeiras categorias. A categoria H (H01~H30) é usada principalmente para processar materiais de corte duro; a categoria S (S01~S30) é usada principalmente para processar materiais resistentes ao calor e ligas de alta qualidade; a categoria N (N01~N30) é usada 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, apresentamos várias ligas duras comumente usadas 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 usada principalmente para processar materiais de cavacos curtos, como ferro fundido, ferro fundido resfriado, ferro fundido maleável de cavacos curtos, ferro fundido cinzento etc. As classes comuns incluem K01, K10, K20, K30, K40, etc.

À medida que o número da classe aumenta de 10, 20, 30 para 40, o teor de cobalto aumenta, resultando em maior resistência, mas menor dureza, resistência ao calor e resistência ao desgaste, tornando-o adequado para usinagem de desbaste. Por outro lado, quanto mais carboneto de tungstênio ele contiver, maior será a dureza, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste, mas menor será a força, tornando-o adequado para usinagem fina.

(2) Liga dura tipo P

É uma liga à base de TiC e WC com Co (Ni+Mo, Ni+Co) como aglutinante. Devido à presença do TiC, ele melhora a temperatura de ligação com o aço e a capacidade de evitar a difusão. É usado principalmente para o processamento de materiais de cavacos longos, como aço, aço fundido, ferro fundido maleável de cavacos longos, etc.

As classes comuns incluem P01, P10, P20, P30, P40, etc. O teor de cobalto aumenta sequencialmente, resultando em maior resistência, mas menor dureza, resistência ao calor e resistência ao desgaste, o que o torna adequado para usinagem de desbaste. Por outro lado, quanto mais TiC ele contiver, maior será a dureza, a resistência ao calor e a resistência ao desgaste, mas menor será a resistência, tornando-o adequado para usinagem fina.

(3) Liga dura do tipo M

É uma liga baseada em 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), ele melhora a resistência à flexão, a resistência à fadiga e a resistência ao impacto, bem como a dureza em alta temperatura, a força, a resistência à oxidação e a resistência ao desgaste.

As classes comuns incluem M01, M10, M20, M30, M40, etc. As ligas duras do tipo M são ligas de uso geral e podem ser usadas para processar aço inoxidável, aço fundido, aço manganês, ferro fundido maleável, aço-liga, ferro fundido-liga etc.

3. Outros materiais de ferramentas

(1) Cerâmica

Os materiais de ferramentas de cerâmica são feitos de compostos artificiais, formados sob alta pressão e sinterizados em 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 de 3 a 5 vezes.

Entretanto, sua maior desvantagem é a baixa resistência à flexão e a baixa resistência ao impacto. Eles são usados principalmente para semiacabamento e acabamento de aço, ferro fundido e materiais de alta dureza (como aço temperado) durante o corte contínuo.

(2) Diamante

O diamante é dividido em tipos naturais e sintéticos, sendo que ambos são alótropos de carbono. O diamante natural é raramente usado devido ao seu alto custo. O diamante sintético é feito 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 resistência ao desgaste. Entretanto, elas têm baixa estabilidade química com o ferro e não são adequadas para o processamento de materiais ferrosos. Sua estabilidade térmica também é ruim e, quando a temperatura atinge 800°C, as ferramentas de diamante sofrem carbonização no ar, o que leva a um desgaste rápido.

(3) Nitreto cúbico de boro

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 semiacabamento e acabamento de ligas de alta temperatura, aço endurecido e materiais de ferro fundido resfriado.

III. Revestimento de superfície de materiais de ferramentas

A resistência e a dureza dos materiais de ferramentas geralmente não podem ser equilibradas, portanto, a vida útil da maioria dos materiais de ferramentas é afetada principalmente pelo desgaste. Nos últimos anos, foram adotados métodos de tratamento de revestimento de superfície para resolver adequadamente esse 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. Por meio de métodos como deposição de vapor químico e pulverização a vácuo, uma camada muito fina (5~12μm) de carbeto de titânio (TiC) ou nitreto de titânio (TiN), composto de metal refratário, de alta dureza e alta resistência ao desgaste, é depositada na superfície da ferramenta, formando um revestimento de superfície amarelo-dourado.

Devido à alta dureza e ao baixo coeficiente de atrito do revestimento, a resistência ao desgaste da ferramenta é aprimorada. O revestimento também tem propriedades antioxidantes e antiaderentes, retardando o desgaste da ferramenta. Portanto, a velocidade de corte pode ser aumentada de 30% para 50%, e a vida útil da ferramenta pode ser estendida várias vezes.