Em função do questionamento geral sobre eficiência energética e uso otimizado de recursos, as indústrias energéticas e uso otimizado de recursos, as indústrias tem adotado mais frequentemente materiais para construção leve. Por esse motivo, as ligas de titânio vêm ganhando acentuado destaque na indústria aeroespacial como material de alto desempenho para construção leve. Com elas, a fabricante de motores aeronáuticos pode aumentar a eficiência de seus produtos em função do maior nú-

Figura 1 – Revestimentos para ferramentas recomendados pelos fabricantes para usinagem de titânio (Fonte: PTW)

mero de rotações e menor peso. Contudo, os benefícios decorrentes do uso de ligas de titânio são confrontados pelas restrições impostas pela sua usinagem.

Uma característica da usinagem das ligas de titânio é o forte desgaste dos flancos das ferramentas, bem como a tendência à aderência e ao lascamento da aresta de corte em consequência das altas solicitações termomecânicas ^[1]. Estas ocorrências restringem a produtividade e o desempenho econômico da usinagem quando se utilizam ferramentas de metal duro sem revestimento, uma vez que só podem ser aplicadas baixas velocidades de corte e o volume de cavacos alcançável durante a vida útil da ferramenta é igualmente insatisfatório.

Ferramentas que possam receber revestimentos adequados à aplicação apresentam grande potencial em termos do volume de cavacos gerado na usinagem de materiais com corte difícil. Apesar de este ser o estado da arte atual, até o momento é raro encontrar ferramentas revestidas sendo usadas na fabricação de motores aeronáuticos. Isso ocorre devido às características de desgaste das ferramentas revestidas apresentarem grande variação até o final da vida útil em comparação com o que se observa nas ferramentas não revestidas.

Em função dessa situação, o círculo de trabalho industrial sobre titânio no Instituto para Gestão da Produção, Tecnologia e Máquinas-Ferramenta da Universidade Técnica de Darmstadt (PTW) vem efetuando investigações para caracterizar revestimentos para ferramentas em termos de seu comportamento de desgaste e dos níveis de consistência de processo a ele associados.

Figura 2 – Caracterização do revestimento da ferramenta para usinagem (Fonte: PTW)

Fundamentos do revestimento

As ferramentas de usinagem estão sujeitas à ação de numerosas solicitações. Enquanto tensões normais, de flexão e torção, são distribuídas ao longo de todo o volume da ferramenta, ocorre a introdução de forças por meio do contato entre a superfície da ferramenta e o componente que está sendo usinado. Em consequência das solicitações mecânicas, tribológicas e químicas, ocorre, na maioria dos casos, desgaste visível na superfície da ferramenta, o qual acaba por limitar sua vida útil.

Por esse motivo, por volta de 1970, começou-se a revestir ferramentas de usinagem com materiais duros para se elevar sua resistência ao desgaste e, dessa forma, elevar sua capacidade ^[4]. Metais duros caracterizam-se por apresentar altos valores de dureza, superiores a 1.000 HV, e altas temperaturas de fusão ^[3]. Hoje, cerca de 70% das ferramentas de precisão possuem revestimento, que pode ser aplicado pelo processo de deposição química a vapor (CVD) ou pelo processo de deposição física a vapor (PVD).

O processo PVD já se encontra amplamente consagrado na área de revestimentos. As tecnologias mais recentes de revestimentos se baseiam em aperfeiçoamentos adicionais desta tecnologia como, por exemplo, a tecnologia de deposição catódica por magnetron de corrente contínua (DCMS, de Direct Current Magnetron Sputtering) e a deposição catódica por magnetron com pulso de alta potência (HiPIMS, de High Power Impulse Magnetron Technology), bem como a tecnologia de arco catódico rotativo lateral (LARC, de Lateral Rotating Arc Cathodes) para revestimentos nanocompósitos.

Todos esses três processos têm como objetivo aplicar revestimentos que apresentem características tais como melhor aderência ao substrato ou baixos valores de coeficiente de atrito ^[7]. O revestimento da ferramenta atrasa seu desgaste, possibilitando velocidades de corte mais altas, e viabilizando, dessa forma, processos mais produtivos ^[1]. Mesmo quando o revestimento é arrancado até o substrato em função do atrito entre o cavaco e a ferramenta, a camada periférica protege o material e restringe a erosão e o desgaste da aresta de corte ^[6].

As exigências para o revestimento são atendidas, por um lado, pelo metal duro utilizado. Por outro, a ferramenta precisa apresentar características superficiais

Figura 3 – Configuração e pontos para medição do desgaste dos ensaios de usinagem e sua análise (Fonte: PTW)

adequadas aos parâmetros do revestimento, sendo dessa forma configuradas de maneira otimizada conforme a aplicação. Os requisitos gerais de um revestimento encontram-se resumidos nos seis pontos a seguir:

• Dureza excepcional com nível suficiente de tenacidade;

• resistência a quente excepcional;

• resistência química contra oxidação e difusão;

• coeficiente de atrito extremamente baixo;

• baixa condutividade térmica;

• alta adesão e resistência à abrasão.

Não é menos decisiva a compatibilidade entre o revestimento da ferramenta e a aplicação em que ela será utilizada. Neste caso, frequentemente se torna necessário executar demoradas séries de ensaios que são inexequíveis para o usuário. Por esse motivo, os revestimentos padronizados dominam as aplicações práticas, mesmo que parte considerável de seu potencial acabe não sendo aproveitada para prolongar a vida útil da ferramenta. Este potencial é o tema do estudo descrito a seguir.

Procedimento experimental e caracterização do revestimento

A série de ensaios para determinar a influência do revestimento durante a usinagem da liga Ti-6Al-4V (densidade específica δ = 4,43 g/cm3, limite de resistência R_m = 1.000 N/mm2) foi concebida para investigar dez diferentes revestimentos fornecidos por quatro fabricantes. Os revestimentos diferenciavam-se entre si em termos de composição química, tipo e processo de aplicação.

A figura 2 (pág. 17) mostra dois revestimentos e suas características em termos dos requisitos do processo de usinagem. Além disso, ela também mostra amostras das arestas de corte observadas num microscópio eletrônico de varredura sob aumento de 1.000 vezes, bem como a seção transversal de uma amostra de revestimento.

O ensaio de usinagem foi feito na forma de fresamento frontal periférico (tangencial) usando-se uma ferramenta maciça de 16 mm. A ferramenta foi fixada em um mandril hidráulico, modelo HSK-100A. O fresamento frontal periférico, efetuado com as ferramentas providas de diferentes

Figura 4 – Evolução do desgaste para quatro revestimentos de ferramenta de usinagem e fotos do desgaste observado em regiões críticas (Fonte: PTW)

revestimentos, foi feito com refrigeração/lubrificação por jorro (sob concentrações entre 11 e 13%) em uma fresadora com quatro eixos, modelo BAZ H5000, fabricada pela Heller.

A medição de desgaste foi feita em todas as quatro arestas de corte, sobre as posições 1, 2 e 3 (figura 3, pág. 18). Nesse ponto, a atenção se concentrou na medição na região frontal da ferramenta e sobre a região de transição entre a ferramenta e a peça sob usinagem. Além disso, no decorrer dos ensaios de usinagem, os revestimentos foram analisados no microscópio eletrônico de varredura para se monitorar o aparecimento de sinais de desgaste.

Resultados dos ensaios

O critério para determinação de vida útil (marcas de desgaste com largura VB igual a 500 μm) foi alcançado por todas as ferramentas estudadas, tendo sido observada a ocorrência de lascamentos nos vértices ao longo da aresta de corte. A análise da evolução do desgaste (figura 4) deixa claro que as ferramentas estudadas apresentaram desgaste decrescente até o segundo ponto de medição (354 cm³), o qual evoluiu de maneira ligeiramente linear, tendo aumentado progressivamente ao final do ensaio.

Uma explicação para esse comportamento: no início do período de utilização da ferramenta, ocorreu arredondamento da aresta de corte inicialmente afiada e parte do revestimento sofreu abrasão mecânica. Este processo abrasivo ocorreu até que a aresta de corte sofresse desgaste de 100 até 200 μm. À medida que o desgaste avançou, ocorreu aumento do coeficiente de atrito entre a peça e a ferramenta, o que promoveu aumento das solicitações termomecânicas.

As solicitações térmicas favoreceram o caldeamento do titânio sobre a ferramenta. A união a nível atômico que então se estabeleceu entre o titânio e o material de corte é mais forte do que a ligação interna deste último, levando ao desgaste de parte da aresta de corte instá-

Figura 5 – Quadro geral sobre a influência do revestimento da ferramenta sobre o fresamento da liga Ti-6Al-4V (Fonte: PTW)

vel. Consequentemente, as altas solicitações termomecânicas se tornam aparentes nos lascamentos sobre o flanco da ferramenta e da aresta de corte.

Ao final da vida útil, os danos se tornaram incontroláveis, o que comprometeu severamente a consistência do processo de usinagem. Portanto, um período estável de operação usando ferramentas revestidas somente ocorre se houver uma evolução uniforme e controlável do desgaste abrasivo.

A comparação entre os desempenhos (figura 5) mostra diferenças significativas em termos da vida útil dos diversos revestimentos para ferramentas até que alcançassem a largura máxima das marcas de desgaste (500 μm). Os valores mostrados correspondem ao valor médio de três séries de ensaios.

A vida útil média calculada foi igual a 1.549 cm3, admitindo-se que ela é igual à média dos resultados dos ensaios. A ferramenta não revestida T300 apresentou volume de usinagem igual a 677 cm³, tendo alcançado o critério de vida útil com o menor valor de comprimento de usinagem dentro da série comparativa.

A ferramenta T302 se comportou da mesma forma, tendo alcançado o final de sua vida útil após um volume de usinagem de 873 cm³. A ferramenta T301, revestida com nitreto de alumínio-titânio (AlTiN), apresentou o melhor resultado entre os ensaios efetuados, com volume usinado de 1.941 cm³. Já a ferramenta com revestimento à base de nitreto de alumínio -cromo (AlCrN) situou-se na região de vida útil média, tendo usinado um volume de 1.825±173 cm³. O bom desempenho do revestimento de nitreto de alumínio-cromo se deve à alta dureza a quente (temperatura máxima de operação igual a 1.100°C) e alta resistência química do alumínio em relação à do titânio. O AlCrN e o AlTiN também apresentam características mecânicas e químicas similares. De acordo com Michailidis^[5], a alta vida útil alcançável pelo revestimento de AlCrN se deve às melhores características de adesão ao substrato do revestimento contendo cromo.

Conclusão

Este estudo mostrou que a utilização de revestimentos de ferramentas para a usinagem da liga Ti-6Al-4V atuou de forma positiva sobre a evolução do desgaste da ferramenta. O uso de revestimentos à base de nitreto de alumínio-titânio (AlTiN) e nitreto de alumínio-cromo (AlCrN) permitiu aumentar a vida útil da ferramenta em até 286% em comparação com as ferramentas não revestidas.

O desgaste aparente verificado no revestimento da ferramenta durante a usinagem da liga Ti-6Al-4V também mostrou um comportamento típico. Em primeiro lugar, ocorreu desgaste mecânico, quando também o revestimento da ferramenta foi removido. Ao se aproximar do final da vida útil ocorreu novamente uma instabilidade nos vértices de corte, em consequência do lascamento da aresta de corte ou do material arrancado em forma de placas na superfície de ataque. Embora o uso de ferramentas revestidas não tenha conseguido evitar o surgimento do desgaste, o efeito de suas causas foi minimiza- do e conseguiu-se, desta forma, um atraso em seu surgimento. Os resultados aqui obtidos mostraram, juntamente com a elevação da vida útil, que a variação da duração da vida útil foi consideravelmente reduzida em comparação com o observado nas ferramentas não revestidas.

Referências

1] Abele, E.; Hölscher, R.: Ein leichtmetall macht’s den zerspanern schwer. WB Werkstatt + Betrieb, Carl Hanser Verlag, Munique, 142 (7/8), p. 44-51, 2009.

2] Dörr, J.: Modellgestützte Standwegprognose beim einsatz verschleißmindernder Beschichtungen in der trockenbearbeitung. Shaker, Aachen, Alemanha, 2002.

3] Holleman, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N.: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102. Aufl. de Gruyter, Berlim, Nova York, 2007.

4] Holmberg, K.; Matthews, A.: Coatings tribology. Properties, Mechanisms, techniques and applications in surface engineering. 2 nd ed. Elsevier Science, Amsterdam, Boston, 2009.

5] Michailidis, N. et al.: Cutting performance of coated tools with various adhesion strength quantified by inclined impact tests. In: CIRP Annals 60, p. 105-108, 2011.

6] Paucksch, E.: Zerspantechnik. Prozesse, werkzeuge, technologien; mit 45 Tabellen. 12. Aufl. Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2008.

7] Volz, P.: Anwendungsoptimierte nanocomposite-schichten. WB Werkstatt + Betrieb, Carl Hanser Verlag, Munique, 143 (6),p. 23-25, 2010.