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Usinagem de ligas à base de níquel

Onde há tensões térmicas e mecânicas muito altas - como é o caso de muitos componentes usados ​​na indústria aeroespacial, na indústria automotiva ou na geração de energia - os componentes de liga à base de níquel são freqüentemente usados. 

O que são ligas à base de níquel?

Ligas à base de níquel são materiais cujo elemento principal é o níquel e são produzidos junto com pelo menos um outro elemento químico (geralmente por meio de processos de fundição). Níquel-cobre, níquel-ferro, níquel-ferro-cromo, níquel-cromo, níquel-molibdênio-cromo, ligas de níquel-cromo-cobalto, ligas de níquel de baixa liga são usadas (com um teor de níquel de até 99,9%) e outras ligas de vários materiais. 

Ligas forjadas e ligas fundidas

Em geral, é feita uma distinção entre dois grupos de ligas à base de níquel: ligas forjadas e fundidas: Ligas forjadas e Ligas fundidas. As ligas forjadas são utilizadas na fabricação de discos e anéis para turbinas e, devido às suas propriedades, são adequadas para uma faixa de temperatura de até 730º C. Ligas fundidas são usadas principalmente para componentes sujeitos a altas tensões termo-mecânicas e para geometrias complexas. Neste caso, os componentes são fundidos com tolerâncias estreitas (quase forma líquida) e estrutura policristalina e submetidos apenas a um mínimo de usinagem mecânica. 

Propriedades das ligas à base de níquel

Em particular, as ligas de níquel e cromo são caracterizadas por excelente resistência ao calor de até 750° C e, portanto, são capazes de resistir permanentemente a tensões térmicas, mesmo muito perto do ponto de fusão. Ao mesmo tempo, apresentam alta resistência e ductilidade, além de baixa condutividade térmica com boa conformabilidade a frio e alta resistência à corrosão. A baixa densidade, alta resistência química e resistência ao desgaste tornam as ligas particularmente adequadas para aplicações em altas temperaturas, onde o alumínio e o aço são instáveis.

No entanto, são exatamente essas características positivas que tornam o processamento mecânico difícil: No caso de uma vida útil curta da ferramenta, as velocidades de corte devem ser relativamente baixas. Ao usinar alumínio com ferramentas de metal duro sem cobertura, é comum uma vida útil da ferramenta de vários, com ferro fundido de grafite esferoidal cai para cerca de uma hora e com ligas à base de níquel entre cinco e dez minutos. 

Materiais de corte para ligas à base de níquel

Aço rápido (HSS)

O "Aço Rápido (HSS)" é utilizado na usinagem de ligas à base de níquel devido a sua alta tenacidade para aplicações com cortes interrompidos como fresamento, rosqueamento, brochamento e canais. Com ligas à base de níquel, velocidades de corte entre 5 e 10 m/min podem ser usadas. Devido à tenacidade do HSS, é possível trabalhar com avanços por dente relativamente altos de 0,1 a 0,16 mm.

Metal duro

Os metais duros são compostos de carbonetos metálicos, geralmente carboneto de tungstênio, incorporados em uma fase de ligação de metal macio e, portanto, pertencem a materiais compostos. Normalmente, as ferramentas de metal duro são usadas em ligas à base de níquel com velocidades de corte relativamente baixas de 20 a 40 m/min. Velocidades de corte mais altas levam a uma rápida sobrecarga do material de corte e, portanto, não podem ser usadas de forma confiável na maioria dos casos. 

Nitreto de boro

O nitreto cúbico de boro (cBN) é o segundo material mais duro conhecido depois do diamante. É mais duro, mais resistente ao desgaste e mais caro do que a cerâmica. Devido às propriedades do cBN, altas velocidades de corte podem ser usadas no torneamento. Devido as suas propriedades o cBN não é usado para fresamento de ligas à base de níquel, no entanto altas velocidades de corte podem ser usadas para operações de torneamento. É possível tornear o Inconel 718. As faixas de velocidade de corte entre 400 m/min e 600 m/min são recomendadas. Em uma comparação direta com ferramentas de metal duro com cobertura TiAlN, cBN tem uma vida útil 100% maior com velocidade de corte vc de 50 m/min. Para o torneamento de acabamento de estruturas instáveis, o cBN é a primeira escolha. 

Cerâmica

Cerâmicas de corte são sinterizadas a partir de pós cerâmicos sem adição de aglutinantes. A norma DIN ISO 513 divide a cerâmica de corte em cinco grupos:

CA = Cerâmica de corte, elemento principal: óxido de alumínio (Al2O3)

CM = Cerâmica mista, elemento principal: óxido de alumínio (Al2O3), juntamente com outros componentes que não óxidos

CN = Cerâmica de nitreto de silício, elemento principal: nitreto de silício (Si3N4 )

CR = Cerâmica reforçada com fibra, elemento principal: óxido de alumínio (Al2O3)

CC = Cerâmica de corte, todos os anteriores, mas com cobertura

As ferramentas cerâmicas retêm sua dureza mesmo em altas temperaturas que ocorrem durante o fresamento de super ligas resistentes ao calor (HRSAs). Em comparação com ferramentas inteiriças de metal duro, pode-se atingir velocidades de corte 20 ou 30 vezes maiores.

Os materiais de corte de cerâmica originam-se de operações de torneamento. A carga térmica permanece relativamente estável durante o torneamento. No fresamento, entretanto, a temperatura na aresta de corte varia porque o corte é interrompido. A mudança repentina entre o calor durante o corte e o resfriamento subseqüente sobrecarrega a aresta de corte. Para evitar choque térmico da aresta de corte, o fresamento com cerâmica é realizado sem refrigeração. Cerâmicas SiAlON (Nitreto de óxido de alumínio e silício) são geralmente menos sensíveis às flutuações de temperatura do que as cerâmicas reforçadas com whisker, razão pela qual são a melhor escolha para operações de fresamento. 

O requisito básico para fresamento com arestas de corte de cerâmica são fresadoras de alta velocidade que são capazes de acelerar o fuso a mais de 10.000 rpm em alguns casos, o que significa um desafio adicional para as ferramentas.

Embora os sistemas de ferramentas com pastilhas de cerâmica estejam disponíveis no mercado em várias formas e sejam usados ​​na indústria, as fresas com um diâmetro de ferramenta inferior a 16 mm pelas razões explicadas acima ainda não são tão freqüentes. Por muito tempo, não houve alternativa às ferramentas de aço rápido e metal duro.

Além do desgaste químico relacionado à temperatura, os materiais de corte de cerâmica costumam ter arestas postiças: O calor gerado na área de corte forma vapores de metal que se fundem com a superfície do material de corte; ao serem removidas, partes da cerâmica podem se soltar.