Corte de peças de usinagem de metalurgia do pó (P / M)

O uso do processo de metalurgia do pó (P / M) para fabricar peças para sistemas de energia automotivos continua a crescer. As peças fabricadas pelo processo P / M têm muitas vantagens importantes e exclusivas. A estrutura porosa residual intencionalmente deixada nessas partes é boa para autolubrificação e isolamento acústico. Ligas complexas que são difíceis ou impossíveis de fabricar pelo processo de fundição tradicional podem ser produzidas usando a tecnologia P / M. As peças fabricadas por essa tecnologia costumam ter pouca ou nenhuma capacidade de processamento, o que as torna mais baratas e com menos desperdício de materiais. Infelizmente, por trás da atração desses recursos, as peças P / M são difíceis de usinar.

Embora uma das intenções originais da indústria de P / M seja eliminar todo o processamento, essa meta ainda não foi alcançada. A maioria das peças só pode estar "próxima da forma final" e ainda precisa de alguns acabamentos.

No entanto, em comparação com peças fundidas e forjadas, uma pequena quantidade de material que precisa ser removido das peças P / M é um material resistente ao desgaste típico.

A estrutura porosa é uma das características que faz com que as peças p / M tenham uma ampla gama de utilizações, mas a vida útil da ferramenta também será prejudicada pela estrutura porosa. A estrutura porosa pode armazenar óleo e som, mas também leva a um corte intermitente micro. Ao mover para frente e para trás do furo para as partículas sólidas, a ponta da ferramenta é continuamente impactada, o que pode levar a uma pequena deformação por fratura por fadiga e colapso da aresta fina ao longo da aresta de corte. Para piorar as coisas, as partículas geralmente são muito duras. Mesmo que a macro dureza do material medido esteja entre 20 e 35 graus, o tamanho da partícula do componente é tão alto quanto 60 graus. Essas partículas duras causam desgaste severo e rápido das bordas. Muitas peças p / M são tratáveis ​​termicamente e a dureza e resistência do material são maiores após o tratamento térmico. Finalmente, devido à tecnologia de sinterização e tratamento térmico e aos gases utilizados, a superfície do material conterá óxidos e / ou carbonetos duros e resistentes ao desgaste.

Desempenho de peças P / M

A maioria das propriedades das peças P / M, incluindo a usinabilidade, estão relacionadas não apenas à composição química da liga, mas também ao nível de porosidade da estrutura porosa. A porosidade de muitas partes estruturais é de até 15% ～ 20%. A porosidade das peças usadas como dispositivos de filtração pode chegar a 50%. No outro extremo da série, a porosidade das peças forjadas ou do quadril é de apenas 1% ou menos. Esses materiais estão se tornando particularmente importantes em aplicações automotivas e aeronáuticas porque podem atingir níveis mais elevados de resistência.
A resistência à tração, tenacidade e ductilidade da liga P / M aumentam com o aumento da densidade, e a usinabilidade também pode ser melhorada, pois a porosidade é prejudicial à ponta da ferramenta.
O aumento do nível de porosidade pode melhorar o desempenho do isolamento acústico das peças. A oscilação de amortecimento em peças padrão é significativamente reduzida em peças P / M, o que é muito importante para máquinas-ferramentas, maçaricos de ar condicionado e ferramentas pneumáticas. Alta porosidade também é necessária para engrenagens autolubrificantes.

Dificuldades na usinagem

Embora um dos objetivos do desenvolvimento contínuo da indústria de P / M seja eliminar a usinagem, e uma das principais atrações do processo de P / M seja que apenas uma pequena quantidade de processamento seja necessária, muitas peças ainda precisam de pós-tratamento para obter maior precisão ou melhor acabamento superficial. Infelizmente, a usinagem dessas peças é extremamente difícil. A maioria dos problemas encontrados são causados ​​por porosidade. A porosidade leva à micro fadiga da aresta de corte. A vanguarda está constantemente entrando e saindo. Ele passa entre partículas e buracos. Pequenos impactos repetidos levam a pequenas rachaduras na aresta de corte.

Essas rachaduras de fadiga crescem até o colapso da vanguarda. Este tipo de aresta de micro lascamento é geralmente muito pequena e geralmente apresenta desgaste abrasivo normal.
A porosidade também reduz a condutividade térmica das peças P / M, o que resulta em alta temperatura na aresta de corte e causa craterização e deformação. A estrutura porosa conectada internamente fornece um caminho para a descarga do fluido de corte da área de corte. Isso pode causar rachaduras ou deformação a quente, especialmente na perfuração.

O aumento da área superficial causado pela estrutura porosa interna também leva à oxidação e / ou carbonização durante o tratamento térmico. Conforme mencionado anteriormente, esses óxidos e carbonetos são duros e resistentes ao desgaste.

A estrutura porosa também dá a falha na leitura da dureza da peça, o que é extremamente importante. Quando a macro dureza de uma peça P / M é medida intencionalmente, ela inclui o fator de dureza do furo. A estrutura porosa leva ao colapso da estrutura e dá a impressão errada de partes relativamente macias. As partículas são muito mais duras. Conforme descrito acima, a diferença é dramática.

A existência de inclusões em peças de PM também é desvantajosa. Durante a usinagem, essas partículas serão puxadas da superfície e arranhões ou arranhões serão formados na superfície da peça quando ela for esfregada na frente da ferramenta. Essas inclusões geralmente são grandes, deixando buracos visíveis na superfície da peça.

A diferença de teor de carbono leva à inconsistência da usinabilidade. Por exemplo, o teor de carbono da liga fc0208 varia de 0.6% a 0.9%. Um lote de materiais com teor de carbono de 0.9% é relativamente duro, resultando em uma vida útil da ferramenta pobre. O outro lote de materiais com 0.6% de teor de carbono tem excelente vida útil da ferramenta. Ambas as ligas estão dentro da faixa permitida.

O problema final da usinagem está relacionado ao tipo de corte que ocorre na peça P / M. Como a peça está próxima do formato final, a profundidade de corte costuma ser muito rasa. Isso requer uma lâmina de corte livre. O acúmulo de cavacos na aresta de corte geralmente leva a microplaqueamento.

Tecnologia de processamento

Para superar esses problemas, várias tecnologias (exclusivas para a indústria) são aplicadas. A estrutura da superfície porosa é freqüentemente selada por infiltração. Geralmente, é necessário um corte livre adicional. Recentemente, foram utilizadas técnicas aprimoradas de produção de pó projetadas para aumentar a limpeza do pó e reduzir óxidos e carbonetos durante o tratamento térmico.

A estrutura porosa de superfície fechada é obtida por infiltração de metal (geralmente cobre) ou polímero. Especula-se que a infiltração atua como um lubrificante. A maioria dos dados experimentais mostra que a real vantagem está em fechar a estrutura porosa da superfície evitando assim a microfadiga da aresta de corte. A redução da vibração melhora a vida útil da ferramenta e o acabamento superficial. O uso mais dramático da infiltração mostra um aumento de 200% na vida útil da ferramenta quando a estrutura porosa é fechada.

Aditivos como MNS, s, MoS2, MgSiO3 e BN são conhecidos por aumentar a vida útil da ferramenta. Esses aditivos melhoram a usinabilidade, tornando mais fácil a separação dos cavacos da peça de trabalho, quebrando os cavacos, evitando o acúmulo de cavacos e lubrificando a aresta de corte. Aumentar a quantidade de aditivos pode melhorar a usinabilidade, mas reduz a resistência e a tenacidade.

A tecnologia de atomização de pó para controle do gás de forno de sinterização e tratamento térmico possibilita a produção de pó e peças limpas, o que minimiza a ocorrência de inclusões e carbonetos de óxidos superficiais.

Material da ferramenta

As ferramentas mais amplamente utilizadas na indústria de P / M são aqueles materiais que são resistentes ao desgaste, resistentes a rachaduras nas bordas e livres de cavacos sob a condição de bom acabamento superficial. Essas características são úteis para qualquer operação de usinagem, especialmente para peças P / M. Os materiais de ferramentas incluídos nesta categoria são ferramentas de nitreto de boro cúbico (CBN), cermets revestidos e não revestidos e carbonetos cimentados sinterizados com revestimento aprimorado.

As ferramentas de CBN são atraentes por causa de sua alta dureza e resistência ao desgaste. Esta ferramenta tem sido usada por muitos anos no processamento de aço e ferro fundido com dureza Rockwell de 45 e acima. No entanto, devido às propriedades exclusivas da liga P / M e à diferença significativa entre microdureza e macrodureza, as ferramentas de CBN podem ser usadas para peças P / M com dureza Rockwell de 25. O parâmetro-chave é a dureza das partículas. Quando a dureza das partículas excede os 50 graus Rockwell, as ferramentas CBN estão disponíveis independentemente do valor de dureza macro. A limitação óbvia dessas ferramentas é a falta de resistência. Em caso de corte intermitente ou alta porosidade, o reforço da borda, incluindo chanfro negativo e brunimento pesado, é necessário. O corte simples e leve pode ser feito com aresta de corte afiada.

Existem vários materiais de CBN que são eficazes. O material com a melhor tenacidade é composto principalmente de CBN inteiro. Possuem excelente tenacidade, podendo ser utilizados para desbaste. Suas limitações geralmente estão relacionadas ao acabamento superficial. É amplamente determinado pelas partículas individuais de CBN que compõem a ferramenta. Quando as partículas caem da aresta de corte, elas afetarão a superfície do material da peça. No entanto, não é tão sério que a ferramenta de partículas finas caia de uma partícula.

O material de CBN normalmente usado tem alto teor de CBN e tamanho médio de partícula. A lâmina de acabamento de CBN é de grão fino e o conteúdo de CBN é baixo. Eles são mais eficazes quando são necessários cortes leves e acabamento superficial ou quando a liga que está sendo processada é particularmente dura.

Em muitas aplicações de corte, a vida útil da ferramenta é independente do tipo de material. Em outras palavras, qualquer material de CBN pode atingir uma vida útil de ferramenta semelhante. Nestes casos, a seleção do material se baseia principalmente no menor custo de cada aresta de corte. Uma lâmina redonda tem uma superfície superior inteira de CBN e pode fornecer quatro ou mais arestas de corte, o que é mais barato do que quatro lâminas de CBN embutidas.

Quando a dureza das peças P / M é inferior a Rockwell 35 graus e a dureza das partículas está dentro da faixa, o cermet é geralmente uma das opções. Os cermets são muito duros, podem prevenir eficazmente o acúmulo de cavacos e podem suportar alta velocidade. Além disso, como os cermets sempre foram usados ​​para alta velocidade e usinagem de acabamento de aço e aço inoxidável, eles geralmente têm ranhuras geométricas ideais para peças próximas às moldadas.

Os cermets de hoje são complexos na metalurgia, com até 11 elementos de liga. Eles são geralmente sinterizados de partículas TiCN e adesivo Ni Mo. TiCN fornece dureza, resistência ao acúmulo de cavacos e estabilidade química que são importantes para o uso bem-sucedido de cermets. Além disso, essas ferramentas costumam ter um alto teor de adesivo, o que significa que têm boa tenacidade. Em suma, eles têm todas as características de processamento eficaz de ligas P / M. Vários tipos de cermets são eficazes, como o carboneto de tungstênio sinterizado, quanto maior o teor de aglutinante, melhor é a tenacidade.

Um desenvolvimento relativamente novo conhecido é que a deposição de vapor químico de média temperatura (mtcvd) também oferece uma vantagem para a indústria de P / M. Mtcvd retém toda a resistência ao desgaste e resistência à craterização da deposição de vapor químico tradicional (CVD), mas também melhora a tenacidade objetivamente. O aumento da tenacidade vem principalmente da diminuição das trincas. O revestimento é depositado em alta temperatura e, em seguida, resfriado no forno. O revestimento contém rachaduras quando a ferramenta atinge a temperatura ambiente devido à expansão térmica inconsistente. Semelhante a arranhões em vidro plano, essas rachaduras reduzem a resistência da aresta de corte. A menor temperatura de deposição do mtcvd leva a menor frequência de trincas e melhor tenacidade da aresta de corte.

Quando o substrato do revestimento CVD e do revestimento mtcvd têm as mesmas características e revestimento de borda, a diferença de sua tenacidade pode ser demonstrada. Quando usado em aplicações onde a tenacidade da aresta é necessária, o desempenho do revestimento mtcvd é melhor do que o do revestimento CVD. Por meio da análise, ao usinar peças P / M com estrutura porosa, a tenacidade da aresta é importante. O revestimento Mtcvd é melhor do que o revestimento CVD.

O revestimento de deposição física de vapor (PVD) é mais fino e menos resistente ao desgaste do que o revestimento mtcvd ou CVD. No entanto, o revestimento PVD pode suportar um impacto significativo na aplicação. O revestimento PVD é eficaz quando o corte é abrasivo, o CBN e os cermets são muito frágeis e exigem excelente acabamento superficial.

Por exemplo, a aresta de corte de carboneto cimentado C-2 pode ser usinada fc0205 a uma velocidade de linha de 180 m / min e uma taxa de alimentação de 0.15 mm / revolução. Após usinar 20 peças, o acúmulo de cavacos pode causar micro colapso. Quando o revestimento de nitreto de titânio PVD (TIN) é usado, o acúmulo de cavacos é restringido e a vida útil da ferramenta é prolongada. Quando o revestimento de estanho é usado para este teste, espera-se que as características de desgaste abrasivo das peças P / M sejam mais eficazes com o revestimento TiCN. TiCN tem quase a mesma resistência ao acúmulo de cavacos que o estanho, mas é mais duro e mais resistente ao desgaste do que o estanho.

A estrutura porosa é importante e afeta a usinabilidade da liga fc0208. Quando a estrutura porosa e as características mudam, diferentes materiais de ferramenta oferecem vantagens correspondentes. Quando a densidade é baixa (6.4g / cm3), a macrodureza é baixa. Nesse caso, o metal duro com cobertura mtcvd oferece a melhor vida útil da ferramenta. A microfadiga da aresta de corte é muito importante e a tenacidade da aresta é muito importante. Nesse caso, uma lâmina de cermet de boa tenacidade fornece a vida útil máxima da ferramenta.

Ao produzir a mesma liga com densidade de 6.8g / cm3, o desgaste abrasivo se torna mais importante do que a trinca na borda. Nesse caso, o revestimento mtcvd fornece a melhor vida útil da ferramenta. O metal duro com cobertura PVD é usado para testar os dois tipos de peças extremamente duras e quebra ao tocar a aresta de corte.

Quando a velocidade aumenta (a velocidade linear é mais de 300 metros por minuto), cermets e até mesmo cermets revestidos produzirão desgaste de cratera. O metal duro com revestimento é mais adequado, especialmente quando a tenacidade da aresta de corte do metal duro com revestimento é boa. O revestimento Mtcvd é especialmente eficaz para metal duro com área rica em cobalto.

Cermets são mais comumente usados ​​em torneamento e mandrilamento. Os carbonetos cimentados com cobertura PVD são ideais para usinagem de roscas porque velocidades mais baixas e mais atenção ao acúmulo podem ser esperadas.

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