Você já se perguntou como escolher a melhor ferramenta de corte para a sua fresadora CNC? Este artigo se aprofunda nas propriedades essenciais e nos tipos de materiais de ferramentas de corte, explicando como cada escolha afeta a produtividade, a longevidade da ferramenta e a qualidade da usinagem. Ao final, você entenderá os principais fatores que tornam um material de ferramenta de corte adequado às suas necessidades específicas, garantindo eficiência e precisão em seus projetos de usinagem.
No processo de corte de metal, a parte cortante da ferramenta é diretamente responsável pelo trabalho de corte. Portanto, o material da peça de corte da ferramenta é geralmente chamado de material da ferramenta.
A escolha razoável do material da ferramenta é uma parte importante do processo de corte, pois determina em grande parte o nível de produtividade do corte, o consumo da ferramenta e os custos de processamento, bem como o tamanho da precisão da usinagem e a qualidade da superfície.
O desenvolvimento de ferramenta de corte também é promovida e influenciada pelo desenvolvimento dos materiais da peça de trabalho.
Hoje, compartilharei com você os conceitos básicos dos materiais das ferramentas de corte, bem como os métodos para selecioná-los.
Durante o processo de corte, as ferramentas de corte são submetidas a condições extremas, incluindo altas pressões de corte, atrito severo e forças de impacto significativas. Esses fatores resultam em temperaturas de corte elevadas na interface entre a ferramenta e a peça.
Operando em um ambiente tão severo, caracterizado por altas temperaturas, altas pressões e atrito intenso, as ferramentas de corte exigem materiais cuidadosamente selecionados. O uso de materiais inadequados pode levar a um desgaste rápido, falha prematura ou quebra catastrófica da ferramenta.
Portanto, os materiais das ferramentas de corte devem possuir um conjunto específico de propriedades para garantir o desempenho e a longevidade ideais:
A dureza é uma característica fundamental que os materiais das ferramentas devem ter.
Para cortar cavacos de uma peça de trabalho, a dureza da ferramenta deve ser maior do que a do material da peça de trabalho.
A aresta de corte das ferramentas usadas para cortar materiais metálicos geralmente tem uma dureza acima de 60HRC.
Para materiais de aço carbono para ferramentas, a dureza deve estar acima de 62HRC em temperatura ambiente.
A dureza do aço rápido é de 63-70HRC, enquanto a dureza das ferramentas de metal duro é de 89-93HRC.
A resistência ao desgaste refere-se à capacidade do material da ferramenta de resistir ao desgaste.
Em geral, quanto maior for a dureza do material da ferramenta, melhor será a resistência ao desgaste.
A resistência ao desgaste depende da dureza dos pontos duros (como carbonetos, nitretos etc.) na estrutura metalográfica do material da ferramenta, do número desses pontos, do tamanho de suas partículas e da uniformidade de sua distribuição, bem como da composição química, da resistência, da microestrutura e da temperatura da zona de atrito do material da ferramenta.
Se a qualidade do material for levada em consideração e a temperatura na zona de atrito e o desgaste químico não forem considerados, o método a seguir poderá ser usado para expressar a resistência ao desgaste WR do material:
Onde:
Para que a ferramenta possa trabalhar sob pressão significativa, bem como suportar o impacto e a vibração que geralmente ocorrem durante o processo de corte sem lascar ou quebrar, o material da ferramenta deve ter resistência e tenacidade suficientes.
Em geral, quanto maior a dureza do material da ferramenta, maior a força de corte que ela pode suportar.
A resistência ao calor é o principal indicador usado para medir o desempenho de corte dos materiais da ferramenta.
Geralmente é medida pela capacidade da ferramenta de manter alta dureza, resistência ao desgaste, força e tenacidade em altas temperaturas, também conhecida como dureza térmica.
Quanto maior for a dureza do material da ferramenta em alta temperatura, melhor será sua resistência ao calor. A ferramenta terá maior resistência à deformação plástica em alta temperatura e resistência ao desgaste, bem como maior velocidade de corte permitida.
Além da dureza em alta temperatura, o material da ferramenta também deve ser capaz de resistir à oxidação em altas temperaturas e possuir bons recursos de antiaderência e antidifusão.
Essa característica é conhecida como estabilidade química.
Quanto melhor for a condutividade térmica do material da ferramenta, mais facilmente o calor de corte será conduzido da área de corte. Isso reduz a temperatura da parte de corte do material da ferramenta, reduzindo assim o desgaste da ferramenta.
As ferramentas de corte são frequentemente submetidas a choques térmicos significativos quando usadas de forma intermitente ou quando o fluido de corte é aplicado. Como resultado, podem ocorrer rachaduras no interior das ferramentas e causar fraturas.
A capacidade do material da ferramenta de resistir ao choque térmico pode ser expressa pelo coeficiente de choque térmico R:
Onde:
Quanto maior a condutividade térmica do material da ferramenta, mais facilmente o calor é transferido para fora. Isso reduz o gradiente de temperatura na superfície da ferramenta.
Um pequeno coeficiente de expansão térmica pode reduzir a deformação térmica.
Um módulo de elasticidade pequeno pode reduzir a amplitude da tensão alternada causada pela expansão térmica.
Os materiais de ferramentas com boa resistência ao choque térmico podem usar fluido de corte no processo de corte.
A ferramenta de corte não deve ter apenas um bom desempenho de corte, mas também deve ser fácil de fabricar.
Esse requisito exige que os materiais de ferramentas tenham melhores propriedades de processo, como desempenho de forjamento, desempenho de tratamento térmico, desempenho de soldagem, desempenho de retificação e deformação plástica em alta temperatura.
A economia é um dos indicadores essenciais dos materiais de ferramentas.
O desenvolvimento de materiais para ferramentas deve considerar a situação dos recursos do país, que tem um significado econômico e estratégico significativo.
Embora algumas ferramentas sejam caras por peça, sua longa vida útil significa que o custo alocado a cada peça não é necessariamente alto. Portanto, o efeito econômico deve ser considerado ao selecionar uma ferramenta.
Além disso, os sistemas de processamento avançados (como sistemas de automação de processamento de corte e sistemas de fabricação flexíveis) exigem que o desempenho de corte da ferramenta seja estável, confiável, previsível e tenha alta confiabilidade.
A Tabela 1 lista as propriedades físicas e mecânicas de diferentes materiais de ferramentas. As propriedades físicas e mecânicas dos materiais são diferentes, e seus usos também são diferentes.
Tabela 1 Propriedades físicas e mecânicas de vários materiais de ferramentas
| Tipo de material Desempenho | Aço de alta velocidade | Carbeto cimentado | Substrato de carboneto à base de TC(N) | Cerâmica | PcBN | PCD | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sistema K (WC-Co) | Sistema P (WC-TIC-TaC-Co) | Al2O3 | Al2O3- TiC | Si3N4 | |||||
| Densidade (g/cm3) | 8.7-8.8 | 14-15 | 10-13 | 5.4-7 | 3.90-3.98 | 4.2-4.3 | 3.2-3.6 | 3.48 | 3.52 |
| HRA | 84-85 | 91-93 | 90-92 | 91-93 | 92.5-93.5 | 93.5-94.5 | 1350-1600HV | 4500HV | ＞9000HV |
| Resistência à flexão /MPa | 2000-4000 | 1500-2000 | 1300-1800 | 1400-1800 | 400-750 | 700-900 | 600-900 | 500-800 | 600-1100 |
| Resistência à compressão /MPa | 2800-3800 | 3500-6000 | 3000-4000 | 3500-5500 | 3000-4000 | 2500-5000 | 7000-8000 | ||
| Resistência à fratura KIC /(MPa-m1/2) | 18-30 | 10-15 | 9-14 | 7.4-7.7 | 3.0-3.5 | 3.5-4.0 | 5-7 | 6.5-8.5 | 6.89 |
| Módulo elástico /MPa | 210 | 610-640 | 480-560 | 390-440 | 400-420 | 360-390 | 280-320 | 710 | 1020 |
| Condutividade térmica (W/(m-K)) | 20-30 | 80-110 | 25-42 | 21-71 | 29 | 17 | 20-35 | 130 | 210 |
| Coeficiente de expansão térmica /(×10-6/K) | 5-10 | 4.5-5.5 | 5.5-6.5 | 6.5-7.5 | 7 | 8 | 3.0-3.3 | 4.7 | 3.1 |
| Resistência ao calor /℃ | 600-700 | 800-900 | 900-1000 | 1000-1100 | 1200 | 1200 | 1300 | 1000-1300 | 700-800 |
| Tipo de material | Densidade relativa | Dureza HRC (HV) | Resistência à flexão/GPa | Resistência ao impacto / (MJ / m2) | Condutividade térmica / (W/m-K) | Resistência ao calor / °C | Relação aproximada da velocidade de corte | |
| Aço para ferramentas | Aço carbono para ferramentas | 7.6~7.8 | 60 ~ 65(81.2~84) | 2.16 | ≈41. 87 | 200~250 | 0. 32 ~ 0. 4 | |
| Liga de aço para ferramentas | 7.7~7.9 | 60 ~ 65(81. 2~84) | 2.35 | ≈41. 87 | 300~ 400 | 0. 48 ~ 0. 6 | ||
| Aço para ferramentas de alta velocidade | 8.0~8.8 | 63 ~ 70(83 ~ 86. 6) | 1. 96 ~4. 41 | 0. 098 ~0. 588 | 16. 75 ~ 25. 1 | 600~ 700 | 1 ~ 1. 2 | |
| Carbeto cimentado | Classe Tungstênio Cobalto | 14. 3 ~ 15. 3 | (89~91.5) | 1. 08 ~ 2. 16 | 0. 019 ~ 0. 059 | 75. 4~87. 9 | 800 | 3. 2 ~ 4. 8 |
| Tungstênio Titânio Cobalto Classe | 9. 35 ~ 13. 2 | (89 ~92.5) | 0. 882 ~ 1. 37 | 0. 0029 ~ 0. 0068 | 20. 9 ~ 62. 8 | 900 | 4 ~ 4.8 | |
| Classe que contém carbeto de tântalo, nióbio | (~92) | ~ 1. 47 | 1000 ~ 1100 | 6~10 | ||||
| Classe básica de carboneto de titânio | 5. 56 ~ 6. 3 | (92 ~ 93. 3) | 0. 78 ~ 1. 08 | 1100 | 6~10 | |||
| Cerâmica | Cerâmica de alumina | 3.6~4. 7 | (91~95) | 0. 44 ~ 0. 686 | 0. 0049 ~0. 0117 | 4. 19 ~ 20. 93 | 1200 | 8~12 |
| Cerâmica mista de carbeto de alumina | 0. 71 ~ 0. 88 | 1100 | 6~10 | |||||
| Material superduro | Nitreto de boro cúbico | 3. 44~3. 49 | (8000 ~9000) | ≈0. 294 | 75.55 | 1300~1500 | ||
| Diamante sintético | 3. 47 ~3. 56 | -10000 | 0. 21 ~ 0. 48 | 146. 54 | 700~ 800 | ≈25 | ||
Os materiais de ferramentas comumente usados podem ser divididos em quatro categorias:
O aço carbono para ferramentas e o aço liga para ferramentas são adequados apenas para algumas ferramentas manuais e ferramentas com baixas velocidades de corte devido à sua baixa resistência ao calor.
A cerâmica, o diamante e o nitreto cúbico de boro são usados apenas em aplicações limitadas.
Atualmente, os materiais de ferramenta mais usados são o aço rápido e o metal duro.
O aço de alta velocidade (HSS) é um aço para ferramentas de alta liga que contém mais elementos de liga, como tungstênio (W), molibdênio (Mo), cromo (Cr) e vanádio (V).
Ele foi inventado pelo engenheiro mecânico americano Taylor e pelo engenheiro metalúrgico White em 1898.
A composição naquela época era C 0,67%, W 18,91%, Cr 5,47%, V 0,29%, Mn 0,11% e o restante era ferro.
Ele pode suportar uma temperatura de corte de 550-600°C, e uma velocidade de corte de 25-30m/min pode ser usada para cortar aço em geral. Isso aumenta sua eficiência de processamento em mais de 215 vezes em comparação com a do aço de liga para ferramentas.
O aço de alta velocidade é um material de ferramenta com melhor desempenho abrangente e a mais ampla gama de aplicações, além de ter boa estabilidade térmica. Ele ainda pode ser cortado em altas temperaturas de 500 a 600°C.
Em comparação com o aço carbono para ferramentas e o aço liga para ferramentas, a velocidade de corte aumenta de 1 a 3 vezes, e a durabilidade da ferramenta aumenta de 10 a 40 vezes, ou até mais. Como resultado, ele pode processar uma ampla gama de materiais, desde metais não ferrosos até ligas de alta temperatura.
O aço de alta velocidade tem alta resistência e tenacidade, além de um certo grau de dureza e resistência ao desgaste. Sua resistência à flexão é de 2 a 3 vezes maior que a do carboneto cimentado geral, de 5 a 6 vezes maior que a da cerâmica e tem uma dureza de 63 a 70HRC.
Portanto, ele é adequado para várias ferramentas de corte e também pode ser usado para processamento em máquinas com pouca rigidez.
Além disso, o processo de fabricação de ferramentas de aço rápido é relativamente simples. Elas são fáceis de afiar e a aresta de corte pode ser forjada. Isso é fundamental para a fabricação de ferramentas com formas complexas. Portanto, o aço rápido ocupa uma posição essencial na fabricação de ferramentas complexas, como brocas, machos, ferramentas de conformação, brochas e ferramentas de engrenagem.
O desempenho do aço rápido é mais estável do que o do metal duro e da cerâmica, o que o torna mais confiável para uso em máquinas-ferramentas automáticas.
Com base nos fatores acima, o aço rápido ainda representa uma grande proporção dos materiais de ferramentas atuais, apesar do surgimento contínuo de vários novos materiais de ferramentas.
No entanto, devido à escassez mundial de recursos para os principais elementos, como W e Co, nas ferramentas HSS, eles estão se esgotando cada vez mais, e seu conteúdo é suficiente apenas para 40 a 60 anos.
A proporção de ferramentas de HSS em materiais de ferramentas está diminuindo gradualmente, a uma taxa de 1% a 2% por ano.
Espera-se que a proporção de aço de alta velocidade continue a diminuir no futuro.
A direção do desenvolvimento das ferramentas de corte HSS inclui os seguintes aspectos:
De acordo com os diferentes usos, o aço rápido pode ser dividido em:
De acordo com diferentes métodos de processo, aço de alta velocidade podem ser divididos em:
As propriedades mecânicas de vários aços rápidos comumente usados são mostradas na Tabela 2.
Tabela 2 Propriedades físicas e mecânicas dos tipos de aço rápido comumente usados
| Tipos | Notas | Dureza (HRC) | Resistência à flexão σM/GPa | Resistência ao impacto αK/(MJ-m-2) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Grau YB12-77 | Código AISI americano | Código de fábrica da China relacionado | Temperatura ambiente | 500 oC | 600 oC | ||||
| Geral HHS | W18Cr4V (T1) | 63-66 | 56 | 48.5 | 2.94-3.33 | 0.176~0.314 | |||
| W6Mo5C4V2 (M2) | 63-66 | 55-56 | 47-48 | 3.43-3.92 | 0.294~0.392 | ||||
| W9Mo3Cr4V | 65-66.5 | __ | __ | 4-4.5 | 0.343-0.392 | ||||
| aço de alto desempenho | alto teor de vanádio | W12C4V4Mo (EV4) | 65~67 | __ | 51.7 | ≈3.136 | =0.245 | ||
| W6Mo5Cr4V3 (M3) | 65~67 | __ | 51.7 | ≈3.136 | ≈0.245 | ||||
| cobaltífero | W6Mo5Cr4V2Co5 (M36) | 66-68 | __ | 54 | ≈2.92 | ≈0.294 | |||
| W2Mo9Cr4VCo8 (M42) | 67~70 | 60 | 55 | 2.665~3.72 | 0.225-0.294 | ||||
| aluminífero | W6Mo5Cr4V2Al (M2A1)(501) | 67~69 | 60 | 55 | 2.84-3.82 | 0.225-0.294 | |||
| W10Mo4Cr4V3Al (5F6) | 67-69 | 60 | 54 | 3.04-~3.43 | 0.196~0.274 | ||||
| W6Mo5Cr4V5SiNbAl (B201) | 66~68 | 57.7 | 50.9 | 3.53~3.82 | 0.255-0.265 | ||||
1. Aço rápido geral
O HSS geral é o mais usado, representando cerca de 75% do total de HSS.
O teor de carbono do aço rápido geral é de 0,7% a 0,9%.
De acordo com os diferentes teores de tungstênio no aço, ele pode ser dividido em:
A velocidade de corte das ferramentas gerais de aço rápido normalmente não é muito alta. Normalmente, não é superior a 40-60 m/min ao cortar materiais de aço comuns.
O tipo de aço típico do aço de tungstênio é o aço W18.
A vantagem do aço W18 é sua baixa tendência ao superaquecimento durante a têmpera. Como o teor de vanádio é pequeno, a capacidade de trabalho de retificação é boa. Devido ao maior teor de carboneto, a resistência à deformação plástica é maior.
A desvantagem desse aço é que a distribuição de carboneto costuma ser irregular, e sua resistência e tenacidade não são suficientemente fortes. A termoplasticidade é ruim, por isso não é adequado para ser transformado em ferramentas de seção grande.
Devido às deficiências mencionadas acima e a outros motivos, o aço W18 está sendo gradualmente usado com menos frequência em ambientes domésticos e raramente é usado no exterior.
(2) Aço de tungstênio-molibdênio
O aço de tungstênio-molibdênio é fabricado substituindo-se uma parte do tungstênio por molibdênio.
Se o molibdênio nos aços de tungstênio-molibdênio não for superior a 5%, o tungstênio não for inferior a 6% e atender a [wW + (1,4~1,5)wMo] = 12%~13%, o molibdênio poderá melhorar a resistência e a tenacidade do aço sem comprometer sua estabilidade térmica.
O aço típico para o aço de tungstênio-molibdênio é o W6Mo5Cr4V2 (conhecido como M2).
A vantagem desse aço é que ele reduz a irregularidade do número e da distribuição de carbonetos.
Em comparação com o aço W18, a resistência à flexão do M2 aumentou em 10%-15%, e a tenacidade aumentou em mais de 40%.
Além disso, as ferramentas de seção transversal grande também têm a mesma resistência e tenacidade e podem ser fabricadas em tamanhos maiores com forças de impacto maiores.
A termoplasticidade do aço de tungstênio-molibdênio é particularmente boa, e a capacidade de trabalho de retificação também é excelente, o que o torna um aço rápido de uso geral usado em muitos países.
Os aços de tungstênio-molibdênio têm estabilidade térmica um pouco menor do que os aços W18. Ao cortar em velocidades mais altas, seu desempenho de corte é ligeiramente inferior ao do aço W18, mas não há diferença significativa entre os dois ao cortar em velocidades baixas.
A desvantagem do aço de tungstênio-molibdênio é a tendência do tratamento térmico descarburaçãoA oxidação é mais fácil, a faixa de temperatura de resfriamento é mais estreita e o desempenho de corte em alta temperatura é ligeiramente pior do que o do W18.
Outro aço da série tungstênio-molibdênio produzido na China é o W9Mo3Cr4V1 (abreviado como W9).
Sua resistência à flexão, resistência ao impacto e estabilidade térmica são superiores às do M2. Sua termoplasticidade, durabilidade da ferramenta, capacidade de trabalho de retificação e tendência de descarbonetação durante o tratamento térmico também são superiores ao M2.
2. Aço rápido de alto desempenho
O aço rápido de alto desempenho é um novo tipo de aço Formado pela adição de teor de carbono e vanádio e liga com cobalto, alumínio e outros elementos ao aço rápido comum. Os tipos incluem aço rápido com alto teor de carbono, aço rápido com alto teor de vanádio, aço rápido com cobalto, aço rápido superduro etc.
O aço rápido de alto desempenho também é conhecido como aço rápido de alta estabilidade térmica devido à sua excelente resistência ao calor. Em uma alta temperatura de 630-650°C, ele pode manter uma alta dureza de 60HRC, o que o torna adequado para o processamento de materiais difíceis de usinar, como aço inoxidável austenítico e ligas de alta temperatura, titânio ligas e aços de ultra-alta resistência. A durabilidade de suas ferramentas é de 1,5 a 3 vezes maior do que a do aço rápido comum.
A desvantagem desse tipo de aço é que sua resistência e tenacidade são menores do que as do aço rápido comum, e o aço rápido de alto vanádio tem baixa capacidade de trabalho de retificação. As diferentes classes desse tipo de aço só podem alcançar um bom desempenho de corte quando usadas sob as condições de corte prescritas. As características de vários aços rápidos de alto desempenho limitam seu uso somente dentro de uma determinada faixa.
Os tipos de aço típicos incluem o aço rápido de alto carbono 9W6Mo5Cr4V2, o aço rápido de alto vanádio W6Mo5Cr4V3, o aço rápido de cobalto W6Mo5Cr4V2Co5 e o aço rápido superduro W2Mo9Cr4VCo8, W6Mo5Cr4V2Al, etc.
Nos últimos anos, os tipos de aço rápido se desenvolveram rapidamente, especialmente o aço rápido de alto desempenho, desenvolvido para melhorar a eficiência do corte.
A proporção de aço rápido de alto desempenho usado no exterior ultrapassou 20% para 30%.
O tradicional aço rápido W18Cr4V foi basicamente eliminado e substituído por aço rápido contendo cobalto e aço com alto teor de vanádio.
O uso de aço rápido de alto desempenho na China representa apenas 3% a 5% do uso total de aço rápido.
(1) W2Mo9Cr4VCo8 (M42 para abreviar)
Esse é um dos aços rápidos superduros contendo cobalto mais usados, com boas propriedades abrangentes e uma dureza de 67 a 70HRC.
A dureza em alta temperatura a 600 ℃ é de 55HRC, o que permite velocidades de corte mais altas.
Esse aço tem certa tenacidade e um baixo teor de vanádio, o que resulta em uma boa capacidade de trabalho de retificação.
A presença de cobalto aumenta a dureza de têmpera e a condutividade térmica do aço e reduz o coeficiente de atrito.
As ferramentas feitas com esse aço têm durabilidade significativamente maior em comparação com as feitas com aço W18 e M2 ao processar ligas resistentes ao calor e aço inoxidável. Quanto maior for a dureza do material processado, mais significativo será o efeito.
Esse aço é mais caro devido ao seu maior teor de cobalto.
(2) W6Mo5Cr4V2Al (abreviado como 501)
Trata-se de um aço rápido superduro contendo alumínio, que é um aço rápido de alto desempenho desenvolvido pela China com base nas condições nacionais.
O alumínio pode aumentar a solubilidade do tungstênio, do molibdênio e de outros elementos no aço e pode impedir o crescimento dos grãos.
Portanto, o aço rápido de alumínio tem maior dureza em alta temperatura, termoplasticidade e resistência.
O alumínio pode formar uma película de óxido de alumínio na superfície da ferramenta sob a influência da temperatura de corte, reduzindo o atrito e a ligação com os cavacos.
O aço rápido de alumínio tem excelente desempenho de corte.
Os requisitos do processo de tratamento térmico desse tipo de aço são mais rigorosos.
3. Aço rápido para metalurgia do pó
O aço rápido de metalurgia do pó é um aço rápido fundido que é atomizado por argônio de alta pressão ou nitrogênio puro para obter diretamente um pó fino de aço rápido.
O pó é então transformado em um tarugo de aço denso sob alta temperatura e alta pressão e, por fim, o tarugo de aço é forjado e laminado em aço de alta velocidade ou em uma ferramenta.
O aço rápido com metalurgia do pó foi desenvolvido com sucesso pela primeira vez pela Suécia na década de 1960, e o aço rápido com metalurgia do pó doméstico foi testado pela primeira vez na década de 1970.
O aço de alta velocidade fabricado por metalurgia do pó tem as seguintes vantagens:
Não há segregação de carboneto, o que melhora a resistência, a tenacidade e a dureza do açoe o valor da dureza chega a 69-70HRC.
Ele garante a isotropia do material e reduz estresse interno e deformação durante o tratamento térmico.
A capacidade de processamento da moagem é boa, e a eficiência da moagem é de 2 a 3 vezes maior do que a da fusão de aço rápido.
Boa resistência à abrasão, que pode ser aumentada em 20-30%.
Esse tipo de aço é adequado para a fabricação de ferramentas para corte de materiais difíceis de usinar, ferramentas de grande porte (como placas e modeladores de engrenagens), ferramentas de precisão e ferramentas complexas com grande quantidade de retificação.
Com o avanço da produção industrial, a alta velocidade corte de aço não atendem mais aos requisitos de usinagem eficiente, usinagem de alta qualidade e vários materiais difíceis de usinar.
Portanto, o metal duro de tungstênio-cobalto-titânio foi inventado entre as décadas de 1920 e 1930. Sua dureza à temperatura ambiente chega a 89-93 HRA, pode suportar temperaturas de corte acima de 800-900°C, a velocidade de corte pode chegar a 100m/min e a eficiência de corte é 5-10 vezes maior que a do aço rápido. A produção de metal duro cresceu muito rapidamente em todo o mundo e ele se tornou um dos principais materiais de ferramenta.
As ferramentas de corte de metal duro são os principais produtos da Ferramentas de usinagem CNC. Em alguns países, mais de 90% de ferramentas de torneamento e mais de 55% de fresas são feitas de metal duro, e essa tendência está aumentando.
1. Características de desempenho do carbeto cimentado
O metal duro é feito de carbonetos metálicos refratários (como TiC, WC, TaC, NbC, etc.) e ligantes metálicos (como Co, Ni, etc.) por meio de metalurgia do pó.
As características de desempenho das ferramentas de metal duro são as seguintes:
(1) Alta dureza
O carbeto cimentado tem alto teor de carbeto, alto ponto de fusão e, portanto, alta dureza em temperatura ambiente.
O metal duro comumente usado tem uma dureza de 89-93 HRA, que é muito maior do que a do aço rápido. A 540 ℃, a dureza ainda pode chegar a 82-87 HRA, equivalente à dureza do aço rápido em temperatura ambiente (83-86 HRA).
A dureza do metal duro depende do tipo e da quantidade de metal duro, da espessura das partículas de pó e do conteúdo do aglutinante. Quanto maior a dureza e o ponto de fusão do metal duro, melhor será a dureza térmica do metal duro.
Quando o teor de aglutinante é maior, a dureza é menor. Quanto mais fino for o pó de carboneto e o teor de aglutinante for constante, maior será a dureza.
(2) Resistência à flexão e tenacidade
O carboneto cimentado comumente usado tem uma resistência à flexão de 0,9 a 1,5 GPa, que é muito menor do que a resistência do aço rápido. Sua resistência à flexão é de apenas 1/3-1/2 do aço rápido, e a resistência ao impacto também é baixa, apenas 1/30-1/8 do aço rápido.
Como resultado, as ferramentas de metal duro não são tão capazes de suportar grandes vibrações de corte e cargas de choque quanto o aço rápido. Quando o teor de ligante é maior, a resistência à flexão é maior, mas a dureza é menor.
(3) Condutividade térmica
A condutividade térmica do TiC é menor do que a do WC. Portanto, a condutividade térmica da liga WC-TiC-Co é menor do que a da liga WC-Co e diminui com o aumento do teor de TiC.
(4) Coeficiente de expansão térmica
O coeficiente de expansão térmica do carbeto cimentado é muito menor do que o do aço rápido. O coeficiente de expansão linear da liga WC-TiC-Co é maior do que o da liga WC-Co e aumenta com o aumento do teor de TiC.
(5) Soldagem a frio Resistência
O frio temperatura de soldagem do metal duro e do aço é maior do que a do aço rápido. Além disso, a temperatura de soldagem a frio da liga de WC-TiC-Co e do aço é maior do que a da liga de WC-Co.
2. Regras de classificação e designação de carbeto cimentado para ferramentas de corte
As classes de metal duro para ferramentas de corte são divididas em seis categorias: P, M, K, N, S e H, de acordo com os diferentes campos de uso, conforme listado na Tabela 3.
Cada categoria é dividida em vários grupos para atender a diferentes requisitos de uso e com base nas diferentes resistências ao desgaste e tenacidade dos materiais de metal duro para ferramentas de corte. Esses grupos são representados por números de dois dígitos, como 01, 10 e 20.
Quando necessário, um número de grupo suplementar pode ser inserido entre os dois números de grupo, representados por 05, 15 e 25, etc.
Tabela 3 Tipos de metal duro para ferramentas de corte
| Tipos | Campo de uso |
| P | Processamento de materiais de corte longo, como aço, aço fundido, ferro fundido maleável de corte longo, etc. |
| M | Liga geral para processamento de aço inoxidável, aço fundido, aço manganês e ferro fundido maleável, liga de açoferro fundido, liga de ferro fundido, etc. |
| K | Usinagem de materiais de corte curto, como ferro fundido, ferro fundido resfriado, ferro maleável de corte curto, ferro fundido cinzentoetc. |
| N | Processamento de metais não ferrosos e materiais não metálicoscomo alumínio, magnésio, plásticos, madeira, etc. |
| S | Processamento de ligas resistentes ao calor e de alta qualidade, como aço resistente ao calor, ligas contendo níquel, cobalto, titânio etc. |
| H | Usinagem de materiais de corte duro, como aço temperado, ferro fundido resfriado, etc. |
3. A composição básica e os requisitos de desempenho mecânico de cada classe de metal duro
A Tabela 4 lista a composição básica e os requisitos de desempenho mecânico de cada grupo de metal duro para ferramentas de corte (extraído de GB/T 18376.1-2008).
Tabela 4 Requisitos básicos de desempenho mecânico do metal duro
| Grupos | Principais componentes | Propriedades mecânicas | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Tipos | Número do grupo | Dureza Rockwell HRA, ≥ | Dureza Vickers HV, ≥ | Resistência à flexão /MPa Ru, ≥ | |
| P | 01 | Ligas/ligas de revestimento baseadas em TNC e WC com Co (N+Mo, Ni+Co) como aglutinante | 92.3 | 1750 | 700 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1200 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1400 | ||
| 30 | 90.2 | 1500 | 1550 | ||
| 40 | 89.5 | 1400 | 1750 | ||
| M | 01 | Tome WC como base, Co como aglutinante e adicione uma pequena quantidade de liga de TiC (TaC, NbC) / liga de revestimento. | 92.3 | 1730 | 1200 |
| 10 | 91 | 1600 | 1350 | ||
| 20 | 90.2 | 1500 | 1500 | ||
| 30 | 89.9 | 1450 | 1650 | ||
| 40 | 88.9 | 1300 | 1800 | ||
| K | 01 | Use WC como base, Co como aglutinante ou adicione uma pequena quantidade de TaC, liga de NbC/liga de revestimento. | 92.3 | 1750 | 1350 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1460 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1550 | ||
| 30 | 89.5 | 1400 | 1650 | ||
| 40 | 88.5 | 1250 | 1800 | ||
| N | 01 | Use WC como base, Co como agente de ligação ou adicione uma pequena quantidade de liga/revestimento de TaC, NbC ou CrC. | 92.3 | 1750 | 1450 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1580 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90 | 1450 | 1700 | ||
| S | 01 | Use WC como base, Co como aglutinante ou adicione uma pequena quantidade de liga de TaC, NbC ou TiC/liga de revestimento. | 92.3 | 1730 | 1500 |
| 10 | 91.5 | 1650 | 1580 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90.5 | 1550 | 1750 | ||
| H | 01 | Use WC como base, Co como aglutinante ou adicione uma pequena quantidade de liga de TaC, NbC ou TiC/liga de revestimento. | 92.3 | 1730 | 1000 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1300 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90.5 | 1520 | 1500 | ||
| Observação: 1. Escolha uma das opções de dureza Rockwell e dureza Vickers; 2. Os dados acima são requisitos para o metal duro não revestido, e os produtos revestidos podem ser reduzidos em 30-50 de acordo com a dureza Vickers correspondente. | |||||
4. Carbeto cimentado comumente usado e suas propriedades
A ISO classifica os metais duros para corte em três categorias:
Leitura relacionada: Metais ferrosos versus metais não ferrosos
(1) Tungstênio e cobalto (WC+Co)
O código da liga é YG, que corresponde à categoria K do padrão nacional. Esse tipo de liga é composto de WC e Co.
As marcas comumente usadas produzidas na China são YG3X, YG6X, YG6, YG8, etc. O número indica a porcentagem de Co, e o X indica grãos finos.
O carboneto cimentado YG tem grãos grossos, grãos médios e grãos finos. Em geral, os carbonetos cimentados (como YG6, YG8) são de granulação média.
O metal duro de granulação fina (como YG3X, YG6X) tem maior dureza e resistência ao desgaste do que o de granulação média quando o teor de cobalto é o mesmo, mas a resistência à flexão e a tenacidade são menores.
O carbeto cimentado de granulação fina é adequado para o processamento de alguns ferros fundidos duros especiais, aços inoxidáveis austeníticos, ligas resistentes ao calor, ligas de titânio, bronzes duros, materiais isolantes resistentes ao desgaste, etc.
Os grãos de WC de carboneto cimentado de granulação ultrafina são de 0,2 a 1 μm, sendo que a maioria deles está abaixo de 0,5 μm. Como a fase dura e a fase de ligação são altamente dispersas, a área de ligação é aumentada. Quando o teor de cobalto é adequadamente aumentado, é possível obter alta resistência à flexão com maior dureza.
Quanto maior for o teor de cobalto dessa liga, melhor será a resistência, adequada para usinagem de desbaste. O baixo teor de cobalto é adequado para a usinagem de acabamento. Esse tipo de liga tem boa tenacidade, propriedades de retificação e condutividade térmica, e é mais adequado para o processamento de materiais frágeis que produzem cavacos e têm forças de corte de impacto atuando perto da borda de corte.
É usado principalmente para o processamento de materiais frágeis, como ferro fundido e bronze, mas não é adequado para o processamento de materiais de aço. A adesão severa ocorre a 640 ℃, o que causa o desgaste da ferramenta e a diminuição da durabilidade.
(2) Tungstênio Titânio Cobalto (WC+TiC+Co)
O código da liga é YT, que corresponde à categoria P do padrão nacional. Além do WC, a fase dura desse tipo de liga também contém 5%-30% TiC.
As classes comumente usadas são YT5, YT14, YT15 e YT30, com um teor de TiC de 5%, 14%, 15% e 30%, e o teor de cobalto correspondente é de 10%, 8%, 6% e 4%.
Esse tipo de liga tem maior dureza e resistência ao calor. Sua dureza é de 89,5-92,5 HRA, e sua resistência à flexão é de 0,9-1,4 GPa.
Ele é usado principalmente para processar materiais plásticos, como peças de aço com cavacos em forma de tira. Se o teor de TiC na liga for alto, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor serão aprimoradas, mas a força será reduzida. Portanto, o processamento bruto geralmente escolhe classes com menor teor de TiC, e o processamento de acabamento escolhe classes com maior teor de TiC.
É usado principalmente para o processamento de aço e metais não ferrosos. Em geral, não é usado para processar materiais que contenham Ti, pois a afinidade entre o componente de titânio na liga e o elemento de titânio no material de processamento causará um sério fenômeno de aderência e fará com que a ferramenta se desgaste mais rapidamente.
(3) Tungstênio, titânio, tântalo (nióbio) e cobalto [WC+TiC+TaC(Nb)+Co]
O código da liga é YW, que corresponde à classe M do padrão nacional. Isso é obtido com a adição de uma certa quantidade de TaC(Nb) à composição de carboneto cimentado acima.
As classes comumente usadas são YW1 e YW2. A adição de uma certa quantidade de TaC(Nb) aos componentes do metal duro YT pode melhorar sua resistência à flexão, resistência à fadigae a resistência ao impacto, aumentam a dureza e a resistência a altas temperaturas da liga e melhoram a resistência à oxidação e ao desgaste.
Esse tipo de metal duro não é apenas adequado para usinagem de semiacabamento de ferro fundido resfriado, metais não ferrosos e ligas, mas também para semiacabamento e acabamento de aço com alto teor de manganês, aço endurecido, aço-liga e aço-liga resistente ao calor. É conhecido como carbeto cimentado geral.
Se o teor de cobalto dessa liga for adequadamente aumentado, a resistência poderá ser muito alta. Ela pode resistir a vibração mecânica e choque térmico causados por mudanças periódicas de temperatura e pode ser usado para cortes intermitentes.
Os principais componentes dos três tipos de metal duro acima são WC, portanto, eles podem ser chamados coletivamente de metal duro à base de WC.
(4) Base de TiC (N) (WC+TiC+Ni+Mo)
O código da liga é YN, que é uma liga de TiC-Ni-Mo com TiC como componente principal (alguns dos quais são adicionados com outros carbonetos e nitretos). A dureza desse tipo de liga é muito alta, 90-94 HRA, atingindo o nível de cerâmica.
Possui alta resistência à abrasão e ao desgaste por cratera, alta resistência ao calor e à oxidação, boa estabilidade química, baixa afinidade com materiais de trabalho, baixo coeficiente de atrito e forte capacidade antiaderente.
Portanto, a durabilidade da ferramenta pode ser melhorada várias vezes mais do que a do metal duro à base de WC. Os carbetos cimentados à base de TiC(N) são geralmente usados para acabamento e semiacabamento.
Ele é especialmente adequado para peças grandes e longas ou peças com alta precisão de usinagem, mas não é adequado para usinagem de desbaste e corte de baixa velocidade com carga de impacto.
5. Novo carbeto cimentado
(1) Carbeto cimentado de granulação fina e ultrafina
O tamanho do grão do WC no carbeto cimentado comum é de vários mícrons, e o tamanho médio do grão da liga de granulação fina é de cerca de 1,5 μm.
O tamanho de grão das ligas de grão ultrafino é de 0,2 a 1 μm, sendo que a maioria está abaixo de 0,5 μm.
Na liga de granulação fina, a fase dura e a fase de ligação são altamente dispersas, o que aumenta a área de ligação e melhora a resistência da ligação. Portanto, sua dureza e resistência são maiores do que as ligas da mesma composição.
A dureza aumenta em 1,5-2 HRA, a resistência à flexão aumenta em 0,6-0,8 GPa. Além disso, a dureza em alta temperatura também pode ser melhorada, o que pode reduzir o fenômeno de lascamento da borda gerado durante o corte de baixa e média velocidade.
No processo de produção de ligas de grãos ultrafinos, além do uso de pó fino de WC, também devem ser adicionados inibidores de traços para controlar o crescimento dos grãos. O custo do processo de sinterização avançado é mais alto.
O metal duro de grão ultrafino é usado principalmente em ligas YG. Sua dureza e resistência ao desgaste foram bastante aprimoradas, e sua resistência à flexão e resistência ao impacto também foram aprimoradas, o que se aproxima do aço de alta velocidade.
É adequado para fresas de pequeno porte, brocas, etc., e pode ser usado para processar materiais de alta dureza e de difícil processamento.
(2) Carbeto cimentado revestido
As ferramentas de metal duro revestidas são outro grande desenvolvimento na aplicação de materiais de ferramentas de metal duro. Elas combinam organicamente materiais resistentes e materiais resistentes ao desgaste por meio de revestimentos, alterando assim as propriedades mecânicas abrangentes das lâminas de metal duro e aumentando sua vida útil em 2 a 5 vezes.
Seu desenvolvimento é bastante rápido. Em alguns países desenvolvidos, seu uso foi responsável por mais da metade do uso total de materiais de ferramentas de metal duro.
Atualmente, a China está desenvolvendo ativamente esse tipo de ferramenta de corte, e as lâminas de carboneto revestidas CN15, 1N25, CN35, CN16, CN26 e outras têm sido usadas na produção.
(3) Carbeto cimentado à base de aço de alta velocidade
Ele usa TiC ou WC como fase dura (30% a 40%) e aço rápido como fase de ligação (70% a 60%), que é fabricado por metalurgia do pó. Seu desempenho está entre o aço de alta velocidade e o metal duro. Ele pode ser forjado, cortado, tratado termicamente e soldado. A dureza em temperatura ambiente é de 70-75 HRC, e a resistência ao desgaste é 6-7 vezes maior do que a do aço rápido. Ele pode ser usado para fabricar ferramentas complexas, como brocas, fresas, brochas, placas e para processar aço inoxidável, aço resistente ao calor e metais não ferrosos.
O metal duro à base de aço de alta velocidade tem baixa condutividade térmica, é fácil de superaquecer e tem pior desempenho em alta temperatura do que o metal duro. Ele exige resfriamento suficiente durante o corte e não é adequado para corte em alta velocidade.
(1) Ao processar peças de materiais comuns, geralmente são usados aço rápido comum e metal duro. As classes de material de ferramentas novas e de alto desempenho podem ser selecionadas no processamento de materiais difíceis de usinar. Os insertos de CBN e PCD só devem ser considerados no processamento de materiais de alta dureza ou quando os materiais de ferramenta convencionais no processamento de precisão não puderem atender aos requisitos de precisão do processamento.
(2) É difícil considerar totalmente a força, a composição, a dureza e a resistência ao desgaste de qualquer material de ferramenta de corte. Ao selecionar o tipo de material da ferramenta, devem ser consideradas a usinabilidade e as condições de processamento do material da peça. A resistência ao desgaste geralmente é considerada em primeiro lugar, e o problema de lascamento deve ser resolvido com parâmetros geométricos razoáveis da ferramenta, tanto quanto possível. Somente quando o material da ferramenta for muito frágil e causar lascamento, será necessário reduzir os requisitos de resistência ao desgaste e escolher uma classe com melhor resistência e tenacidade.
Em circunstâncias normais, ao cortar em baixas velocidades, o processo de corte não é estável e é fácil ocorrer lascamento. É aconselhável escolher um tipo de material de ferramenta com boa resistência e tenacidade. No corte de alta velocidade, a temperatura de corte tem o maior impacto sobre o desgaste dos materiais da ferramenta. Recomenda-se selecionar classes de materiais de ferramentas de bens de consumo duráveis com boas propriedades de retificação.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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