O titânio é um dos materiais mais usados no setor aeronáutico, automotivo, biológico, aeroespacial, biomédico, de equipamentos esportivos e petrolífero devido às suas boas propriedades mecânicas e físicas, e também devido à sua alta resistência à corrosão em altas temperaturas, relação resistência-peso e biocompatibilidade. Entretanto, ele e suas ligas são considerados materiais de difícil usinabilidade devido à sua baixa condutividade térmica, reatividade química a altas temperaturas e instabilidade termoplástica. Assim, pesquisas para o aprimoramento do desempenho de ferramentas de corte para usinagem do titânio e suas ligas são necessárias, visando obter qualidade do processo de usinagem e da peça final, e aumento da produtividade ^(1-4).

Uma das formas de melhorar o desempenho de ferramentas de corte é a aplicação de coberturas com diferentes composições químicas. No caso das ferramentas de metal duro, pesquisas sobre o uso de cobertura à base de óxidos, nitretos e carbonetos, tais como AlTiN, Al2 O3 , HfN, TiC, TiCN, TiN/TiC, TiN/TiC/ TiN e Al2 O3 /TiC, evidenciaram resultados pouco promissores e, em alguns casos, o metal duro sem revestimento apresentou melhor performance em relação à ferramenta revestida. Revestimentos à base de TiN, TiAlN, cBN+TiAlN, e TiN/TiCN/TiN apresentaram melhor desempenho na usinagem da liga de titânio TiAl6V4.Os tipos de desgaste mais comuns no processo de usinagem do titânio são o desgaste de flanco e de cratera ^(3-6). Os revestimentos estudados minimizam o desgaste da ferramenta de corte, aumentando a vida útil delas, o que, consequentemente, leva ao ganho produtivo, com a redução da troca de ferramenta e da necessidade de preparação da máquina-ferramenta.

Os revestimentos possuem características específicas. O TiN é geralmente aplicado para minimizar o atrito na interface cavaco-ferramenta; o TiC e o TiCN tendem a reduzir o desgaste de cratera e possuem maior dureza; o AL203 também reduz o desgaste de cratera e é refratário; o TiAlN possui alta dureza e resistência à oxidação ⁽⁷⁾. Este trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de ferramentas de corte de metal duro com cobertura de nitreto de titânio (TiN) no acabamento de implantes odontológicos feitos de titânio grau 4, submetidos ao torneamento interno com diferentes velocidades de corte. Análises de microscopia óptica e de rugosidade foram adotadas na avaliação do desgaste das ferramentas de corte e da integridade superficial das peças.

 

Materiais e métodos

Foi feito o torneamento interno das peças na empresa Implalife Biotecnologia Ltda., usando um torno CNC de 5 eixos da marca STAR, modelo 20RII, com rotação máxima de 7.500 rpm. As ferramentas de corte usadas nos ensaios de usinagem são de metal duro K40 com e sem cobertura, produzidas em laboratório, usando uma afiadora CNC da marca SCHUTTE, modelo 305 linear. O rebolo de afiamento das ferramentas de corte é do tipo diamantado, com tamanhos de grão de 64 µm para desbaste e 46 µm para o acabamento. Foi usado fluido de corte em abundância, um óleo mineral ECOCUT 910, indicado para a usinagem de titânio e suas ligas. As ferramentas de corte foram avaliadas após a usinagem de 3.000 peças, por ferramenta. Elas apresentam ângulo de saída de 3,5°, ângulo de folga de 12° e ângulo de posição de 20°. Nos testes foram usadas ferramentas de corte para torneamento interno sem cobertura e revestidas com nitreto de titânio (TiN). Os parâmetros de usinagem adotados foram os mesmos para todas as ferramentas de corte (tabela 1). O material usado na fabricação de implantes odontológicos é o titânio puro grau 4, conforme a norma ASTM F67. Foi recebido na forma de barra redonda, com acabamento retificado e tratado termicamente por recozimento. As propriedades mecânicas são alongamento de 36%, limite de escoamento de 574 MPa e resistência à tração de 800 MPa. O tamanho médio de grão é de 10 µm, medido conforme a norma ASTM E112. A composição química do material é mostrada na tabela 2. A avaliação do acabamento das peças foi feita com auxílio de imagens geradas por microscopia óptica, usando um microscópio da marca Leica, modelo DM750M, com ampliação máxima de até 1.000 vezes. A rugosidade foi mensurada por rugosímetro da marca Mitutoyo, modelo SJ-210. Foram considerados os parâmetros de rugosidade Ra e Rz. Três medidas de rugosidade foram feitas em cada peça para cálculo das médias e desvios padrão, considerando um intervalo de confiança de 95%. Três peças foram usinadas para cada condição de usinagem e de ferramenta de corte, totalizando doze peças.

 

 

 

 

Resultados e discussão

A figura 1 mostra imagens das superfícies de saída e de folga das ferramentas de corte usadas no torneamento interno do titânio grau 4 para a produção de implantes dentários. Na usinagem com velocidade de corte de 11 m/min houve um arredondamento da ponta da ferramenta de corte com cobertura, a qual também apresentou maior desgaste de flanco quando comparada à ferramenta sem cobertura. Na usinagem com velocidade de corte de 16 m/min, ambas as ferramentas apresentaram desgaste de flanco. Porém, ocorreu o lascamento da ponta da ferramenta sem cobertura. Nesse sentido, as análises indicaram que o aumento da velocidade de corte e aplicação de cobertura de nitreto de titânio aceleraram o processo de desgaste da ferramenta de corte, prejudicando a usinagem e antecipando a troca da ferramenta, visando evitar desvios geométricos nas peças além do esperado.

 

Figura 1 – Imagens das superfícies de saída e de folga das ferramentas de corte

 

Visando aprofundar a compreensão do efeito do desgaste das ferramentas de corte na integridade superficial dos implantes dentários, na figura 2 é mostrado o gráfico da rugosidade da superfície das peças usinadas. O gráfico referente ao parâmetro Ra indica que para a ferramenta com cobertura e velocidade de corte de 16 m/min a rugosidade média foi 22% menor, resultado do arredondamento da sua ponta, a qual tende a alisar a superfície usinada. Entretanto, quando o parâmetro Rz foi analisado, a ferramenta sem cobertura, usinando com velocidade de corte de 16 m/min, tendeu a formar uma superfície com maior altura entre os picos e vales. O fenômeno pode ser associado ao lascamento da ponta da ferramenta de corte (figura 1), cujo resultado foi a formação de uma nova ponta de corte, alterando o mecanismo de formação da superfície usinada.

 

Figura 2 – Gráfico do efeito das condições de usinagem no acabamento das peças

 

Conclusão

O tipo de desgaste predominante observado nas ferramentas de corte, com e sem cobertura de TiN, é o desgaste de flanco na superfície de folga. A ferramenta sem cobertura, usinando com velocidade de corte de 11 m/min, apresentou menor desgaste entre as condições de usinagem usadas. As ferramentas com cobertura TiN sofreram maior desgaste de flanco devido, provavelmente, às reações químicas durante a abrasão entre o material da peça e a ferramenta com cobertura. O aumento da velocidade de corte para 16 m/min acelerou o desgaste da ferramenta com cobertura, prejudicando a usinagem. Para a velocidade de 11 m/min, não se observa diferença nos parâmetros de rugosidade (Ra e Rz) para as ferramentas com e sem cobertura de TiN. Para a velocidade de 16 m/min, a ferramenta com cobertura gerou rugosidades Ra e Rz menores que aquelas da ferramenta sem cobertura. Isso se deve, provavelmente, ao arredondamento da ponta da ferramenta com cobertura, o qual tende a alisar a superfície usinada. Outro fator que levou a maiores rugosidades Ra e Rz, observadas para a ferramenta sem cobertura, foi o lascamento ocorrido nela, em velocidade de 16 m/min.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem à Implalife Biotecnologia pela infraestrutura, materiais e ferramentas de corte utilizadas nos experimentos de usinagem.

 

Referências

1] Çelik, Y. H.; Kilickap, E.; Güney, M.: Investigation of cutting parameters affecting on tool wear and surface roughness in dry turning of Ti-6Al4V using CVD and PVD coated tools. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. 39, n. 6, p. 2085-2093, 2017. 

2] Li, R.; Shih, A. J.: Finite element modeling of 3D turning of titanium. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 29, n. 3, p. 253-261, 2006. 

3] Li, G. et al. Low adhesion effect ofTaO functional composite coating on the titanium cutting performance of coated cemented carbide insert. Materials & Design, v. 110, p. 105-111, 2016. 

4] Chowdhury, M. S. I. et al. Investigation of the wear behavior of pvd coated carbide tools during Ti6Al4V machining with intensive built up edge formation. Coatings, v. 11, n. 3, p. 266, 2021. 

5] Rahman R., R. A. et al. Tool wear mechanisms involved in crater formation on uncoated carbide toolwhen machining Ti6Al4V alloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 83, n. 9, p. 1457-1465, 2016. 

6] Chowdhury, M. S. I. et al. Investigation of the wear performance of TiB2 coated cutting tools during the machining of Ti6Al4V alloy. Materials, v. 14, n. 11, p. 2799, 2021. 7] Vereschaka, A. et al. Effect of adhesion and tribological properties of modified composite nano-structured multilayer nitride coatings on WC-Co tools life. Tribology International, v. 128, p. 313-327, 2018.