A retirada de material no processo de usinagem se dá pela dinâmica de se utilizar uma ferramenta com um material mais duro do que o da peça. Diversos novos materiais foram produzidos com o intuito de se conceber ferramentas que atendam as diversas condições de usinagem com os mais diferentes materiais.
Segundo Lucas Filho (2004) e Machado et al. (2011) as principais propriedades desejadas em um material de ferramenta de corte são: alta dureza, tenacidade, resistência ao desgaste, resistência à compressão, resistência ao cisalhamento, propriedades mecânicas mantidas em meio a temperaturas elevadas de trabalho, resistência ao choque térmico, resistência ao impacto e resistência à oxidação (inerte quimicamente).
As propriedades desejáveis não são encontradas todas em um único material, mas conforme a aplicação da ferramenta, são desejáveis que prevaleçam algumas propriedades em relação às outras, tendo então que optar por uma que prevaleça.
3.3.2.1 Aço Carbono
Aços Carbonos e Aços Ligados, eram os principais materiais utilizados nos primórdios da usinagem, com o desenvolvimento de materiais mais resistentes foram sendo substituídos, embora, encontre-se a sua aplicação hoje em usinagens de baixa velocidade de corte e em ferramentas de conformação, uma de suas principais limitações é que a sua dureza é reduzida
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quando são aquecidos à faixa de temperatura de 300°C a 600°C. Callister (2012) define aço carbono como uma liga ferrosa onde o carbono é o principal elemento da liga.
3.3.2.2 Aço Rápido
Os Aços Rápidos são considerados como o primeiro material com impacto significativo para a construção de ferramentas de corte, pois a sua velocidade de corte pode superar em dez vezes os Aços Carbonos e Aços Ligados, embora comparado com materiais hoje utilizados, essas velocidades são extremamente baixas, mas ainda com muitas aplicações em brocas, fresas, cossinetes, brochas e em torneamentos de peças de diâmetros reduzidos com baixa velocidade de corte. Diferentemente dos outros aços que apresentam uma queda da dureza quando são aquecidos, os Aços Rápidos apresentam uma elevação da dureza quando revenidos na faixa de temperatura de 480°C a 565°C. Para aumentar a tempo de vida da ferramenta e maiores velocidades de corte têm-se usado Aço Rápido com Revestimento conhecido como PVD (Physical Vapour Deposition).
3.3.2.3 Ligas Fundidas
As Ligas Fundidas correspondem a um grupo de materiais de ferramentas de corte mais duras que o aço rápido, além de manter esta dureza por temperaturas mais elevadas, consequentemente elevando a velocidade de corte em 25%. As ligas fundidas têm sido cada vez menos utilizadas, pois a escassez da matéria prima e seu alto valor a torna menos competitiva em relação a materiais que a superam e com menor custo.
3.3.2.4 Metal Duro
As ferramentas de metal duro são aplicadas em cerca de 50% das operações de usinagem devido ao seu custo, dureza, resistência ao desgaste e tenacidade, podendo aplicar estas ferramentas em altas velocidades de corte (SOUZA, 2011). São fabricadas a partir da metalurgia do pó e de grande aplicação nos mais diferentes materiais e processos como fresamento, rosqueamento e torneamento.
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As diversas propriedades encontradas no metal duro, só é possível devido à possibilidade de variação de sua composição, adquirindo assim propriedades específicas para cada tipo e característica da operação de usinagem desejada.
Segundo Callister (2012) o metal duro é formado por carboneto, responsável por dar dureza e resistência ao desgaste e também por um aglomerante normalmente cobalto responsável pela tenacidade do material. Segundo Souza (2011) além desses materiais de composição, outros componentes foram adicionados ao longo do tempo, como o carbeto de tântalo (TaC) e carboneto nióbio (NbC) que provêm um significativo aumento à tenacidade e carbonetos de titânio (TiC) que provem um aumento na resistência à craterização, aumentando então a resistência ao desgaste da ferramenta em cada tipo de material usinado.
É mostrado no Quadro 3 a classificação das ferramentas de metal duro quanto à norma ISO 513/2004, a qual designa uma letra quanto à classe acompanhado de um número que corresponde a tenacidade e a resistência ao desgaste da ferramenta.
Quadro 3 - Classificação das ferramentas de metal duro.
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3.3.2.5 Metal Duro com Revestimento
O revestimento de ferramentas de metal duro é bastante importante, pois pode garantir desempenho superior na usinagem, além de propiciar um custo mais acessível a esses materiais. O Metal Duro permite que as ferramentas deste material possam receber o processo PVD e também o CVD (Chemical Vapour Deposition) que utiliza temperaturas elevadas, não implicando em alterações metalúrgicas no metal duro (MACHADO, et al, 2011).
Entre os revestimentos mais utilizados nas ferramentas de Metal Duro, encontramos TiC (Carboneto de Titânio), TiN (Nitreto de Titânio), filmes de diamante e Al2O3 (Óxido de
Alumínio).
O TiB2 ou diboreto de titânio é um novo revestimento que aos poucos tem sido
introduzido no mercado, consiste em um composto cerâmico de estrutura hexagonal onde os átomos de boro formam uma rede ligada covalentemente na matriz do titânio como ilustrado na Figura 17 (CABRAL, 2012).
Figura 17 - Rede hexagonal de átomos de boro na matriz de titânio
Fonte: (CABRAL, 2012).
Entre os compostos de titânio-boro, este é um dos estáveis, como material não é encontrado na natureza, mas pode ser sintetizado a partir do tratamento térmico do TiO2 e o
B2O3. Sua estrutura permite que seja bom condutor térmico elétrico, devido à alta mobilidade
eletrônica na sua estrutura (CABRAL, 2012).
A potencialidade para aplicações tecnológicas deste material deve-se a sua alta dureza e propriedades tais como, alto ponto de fusão, coeficiente de expansão térmica relativamente baixo (4,6x10-6oC-1) e baixa resistividade elétrica (SOARES, 2003).
As propriedades de trabalho em altas temperaturas são o destaque deste material, como elevada dureza (33 GPa para um monocristal) e estabilidade química, suas propriedades estão
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expressas no Quadro 4. Devido à sua alta dureza, considerável resistência mecânica e boa resistência ao desgaste, é bastante indicado para ser usado como revestimento protetor de ferramentas de corte e disco rígido magnético (ZHAO, 2014).
Quadro 4 - Propriedades físicas e mecânicas típicas do TiB2 à temperatura ambiente.
Propriedades Valores
Densidade (g/cm3) 4,48
Parâmetro de rede (nm) 0,3028/0,3228
Ponto de Fusão (°C) 3325±25°C
Limite de Resistência (MPa) 410-448
Dureza (GPa) 33
Módulo de Elasticidade (GPa) 510-575
Condutividade térmica (W/mK) 110
Fonte: Adaptado de Cabral (2012).