Os principais causadores de desgaste são: a abrasão mecânica, a aderência, a difusão e a oxidação [DINIZ et al, 2000; STEMMER, 2001; YUHARA, 2000].
2.10.1. Abrasão Mecânica
A Abrasão Mecânica pode ser definido como arrancamento de finas partículas do material da ferramenta através de partículas duras do material usinado, em conseqüência do escorregamento sob alta pressão e temperatura entre a peça e a ferramenta. Este mecanismo de desgaste ocorre na superfície de folga e de saída da ferramenta.
Muitos materiais usinados, como o ferro fundido e o aço, possuem partículas com fases que tem dureza superior à do material da ferramenta. Estas partículas e inclusões podem estar presentes sobre a forma de carbonetos e óxidos, e em especial Al2O3, mas
também como sílicas, alguns silicatos. Estas partículas abrasivas podem ser provenientes também da formação da aresta postiça e da própria ferramenta de corte, quando o mecanismo de adesão está presente [MACHADO & SILVA, 2004; STEMMER, 2001; YUHARA, 2000]. Na Figura 30 (a), o mecanismo de abrasão é predominante no desgaste de flanco e de cratera. As partículas mais duras do material usinado retiram parte do material da ferramenta, demonstrado estruturas salientes na superfície da ferramenta que possuem maior dureza e resistência ao desgaste. Na Figura 30 (b) observa-se que apenas os carbonetos mais resistentes que predominam na ferramenta [HOGMARK & OLSSON, 2005]. A deformação plástica e a fratura frágil também podem ser oriundas do desgaste abrasivo, caracterizada pela perda ou deslocamento de material por microsulcamento, microcorte ou microlascamento, causados pelas partículas de dureza relativamente elevada [MACHADO & SILVA, 2004].
Quanto maior a dureza a quente de uma ferramenta de corte, maior sua resistência ao desgaste abrasivo. Isto explica a dependência da dureza da ferramenta em relação à peça
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a ser usinada [DINIZ et al, 2000].
A velocidade de corte é outro fator determinante no desgaste por abrasão. Pois, com o aumento da velocidade de corte, aumenta também a temperatura de corte e isto pode contribuir para a redução na resistência mecânica da ferramenta e por conseqüência na resistência a abrasão [STEMMER, 2001].
Figura 30 – Esta figura demonstra a abrasão mecânica em uma ferramenta de HSS utilizada na operação de fresamento [HOGMARK & OLSSON, 2005].
2.10.2. Aderência ou Attrition (Mecanismo de Desgaste por Aderência e Arrastamento)
A aderência pode ser definida como a formação de um extrato metálico entre as superfícies metálicas (material da peça e as asperezas superficiais da ferramenta), postas em contato sob cargas moderadas, baixas temperaturas e baixas velocidades de corte, o que pode causar junções soldadas. A elevação da deformação a frio, que ocorre no corte, eleva a resistência ocorrendo o encruamento. Quando há a tentativa de separação entre as superfícies, ocorre ruptura em um dos metais e não da superfície de contato. Portanto, pode-se dizer que as partículas da superfície de um metal migraram para a superfície do outro. Logo após a ruptura, a superfície aderida apresenta-se limpa, sem camadas protetoras de óxidos e quimicamente ativa, podendo assim formar a aresta postiça de corte. O desgaste por aderência pode estar presente na formação da aresta postiça, mas pode ocorrer também sem a formação da mesma. O desgaste por aderência também está relacionado com a formação de desgaste de entalhe. Ele pode contribuir também para o desenvolvimento da oxidação da superfície da ferramenta, ou outra reação química com o
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ar ao redor, seguido da remoção mecânica dos produtos de reação [DINIZ et al, 2000; STEMMER, 2001; YUHARA, 2000].
O fluxo de material, sobre a superfície de saída da ferramenta, se torna irregular geralmente sobre baixas velocidades de corte. Isto pode contribuir para o surgimento da aresta postiça, assim o processo tem natureza menos contínua, principalmente se ela for instável. É sobre estas condições que surge um outro mecanismo, ou seja, fragmentos microscópicos são arrancados da superfície da ferramenta e arrastados junto ao fluxo de material adjacente à interface. Este mecanismo é denominado de desgaste por aderência e arrastamento – Attrition. Este mecanismo também pode ocorrer em altas velocidades,
principalmente se fluxo de material que ocorre na superfície de saída ou na superfície de folga for irregular [MACHADO & SILVA, 2004].
Na Figura 31 pode-se observar o mecanismo de aderência no HSS em um processo de fresamento. A Figura 31 (a) representa um desgaste predominante abrasivo, mas observando a Figura 31 (b) em maior ampliação, revela que existe uma combinação entre o desgaste abrasivo e o desgaste adesivo. Esta componente adesiva, chamada de desgaste adesivo moderado, é um arrancamento de material na superfície da ferramenta por forças de cisalhamento altas que resultam em um lento arraste na camada superficial e remoção de fragmentos pequenos na direção de fluxo de cavaco. Se a ferramenta usada ultrapassa o seu limite de dureza a quente, o desgaste adesivo pode resultar em uma deformação plástica superficial na direção do fluxo de cavaco (Figura 32). Na Figura 32 (b), as setas indicam a direção de fluxo de cavaco e fluxo de HSS superficial, respectivamente [HOGMARK & OLSSON, 2005].
O desgaste adesivo é predominante no desgaste de flanco e de cratera nas ferramentas de HSS se as extremidades alcançam temperaturas altas, principalmente em altas velocidades de corte. O mecanismo de desgaste adesivo ocorre mais no corte de materiais quimicamente agressivos [HOGMARK & OLSSON, 2005].
Pode-se reduzir este tipo de fenômeno através da utilização adequada do fluido de corte (efeito lubrificante) e o recobrimento da ferramenta com materiais de baixo coeficiente de atrito como o nitreto de titânio [DINIZ et al, 2000].
Em geral, o corte interrompido (por exemplo, fresamento), a profundidade de usinagem irregular ou a falta de rigidez promovem o fluxo irregular de cavaco e, portanto, facilitam o mecanismo de desgaste de aderência [DINIZ et al, 2000; MACHADO & SILVA, 2004].
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Figura 31 - Cratera em uma ferramenta de fresa que cortou um aço de baixo carbono [HOGMARK & OLSSON, 2005].
Figura 32 - a) Micrografia óptica da seção transversal do dente de fresa após o processo de usinagem. b) Detalhe de (a). [HOGMARK & OLSSON, 2005].
2.10.3. Difusão
A difusão entre ferramenta e cavaco consiste na transferência de átomos de um metal a outro em decorrência da alta temperatura, da duração do contato, da afinidade físico-químico dos dois metais na zona de corte (zona de fluxo ou de cisalhamento secundário), ou seja, entre ambos ocorre um fenômeno ativo. Assim, pode-se concluir que a difusão ocorre em temperaturas mais elevadas, onde as moléculas adquirem certa mobilidade.
A difusão é uns dos principais causadores de desgaste de cratera em altas velocidades. Isto ocorre principalmente na superfície de saída da ferramenta que possui as condições ideais para a ocorrência do processo difusivo, ou seja, alta temperatura (devido às altas velocidades e à zona de aderência) e o tempo de contato cavaco-ferramenta devido
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à zona de aderência, (onde a velocidade na superfície de saída é zero). A saturação da zona de aderência poderá funcionar como uma barreira à difusão.
Nas ferramentas de aço rápido e aço carbono, esta forma de desgaste não tem significação, pois a faixa de temperatura de difusão é bem mais alta do que a temperatura de amolecimento da ferramenta. Em princípio, elas não utilizam altas velocidades de corte. Nas ferramentas de cerâmicas também não ocorre este tipo de fenômeno, pois estas não têm afinidade físico-química com materiais ferrosos. O fenômeno de difusão ocorre principalmente em ferramentas de metal duro, pois a usinagem de aço atinge temperaturas de 700 a 1300ºC. As condições de usinagem, como a alta velocidade e outros já comentados, contribuem para a mudança de equilíbrio entre os elementos constituintes da ferramenta, levando a uma reação química entre a peça e ferramenta [DINIZ et al, 2000; STEMMER, 2001].
2.10.4. Oxidação
A oxidação pode ser gerada para a maioria dos metais em conseqüência de altas temperaturas e a presença de ar e água (contida nos fluidos de corte). Ela pode ser caracterizada por formação de carepas e pode ser causa de desgaste [DINIZ et al, 2000; STEMMER, 2001].
Em baixas temperaturas, a oxidação pode ser evitada por camadas protetoras de material oxidado.
De acordo com STEMMER [2001]:
“Aços-carbono, aços-rápidos e Stellites só formam carepas em temperaturas bem superiores à de amolecimento da ferramenta. Metais duros já iniciam a formação de carepas em temperaturas de 700 a 800ºC, ou seja, em temperaturas usuais de usinagem com este material”.
A usinagem com metal duro em altas velocidades, o desgaste é menor numa atmosfera neutra do que na presença do ar [DINIZ et al, 2000].
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contato cavaco-ferramenta devido ao acesso do ar nesta região. Esta é a possível explicação para o surgimento do desgaste de entalhe [DINIZ et al, 2000].
2.10.5. Avaliação Final Sobre os Mecanismos Causadores de Desgaste da Ferramenta
O desgaste de flanco pode ser atribuído principalmente por abrasão e difusão (em altas velocidades de corte) e ao cisalhamento de aresta postiça de corte. Já o desgaste de cratera pode ser causado principalmente por difusão, desgaste de entalhe, aderência e oxidação.
A velocidade de corte é de extrema importância no desgaste da ferramenta. Em velocidades baixas, o desgaste é severo devido ao cisalhamento de aresta postiça de corte e da aderência. Porém, em velocidades altas, a intensificação do desgaste se deve principalmente a fatores como a temperatura de corte, a abrasão mecânica, a difusão e a oxidação. A Figura 33 demonstra um diagrama esquemático dos mecanismos de desgaste em diferentes temperaturas de corte [DINIZ et al, 2000; YUHARA, 2000].
Figura 33 - Diagrama esquemático dos mecanismos de desgaste em diferentes temperaturas de corte [HOGMARK et al, 1994].