Material Cerâmico

O material cerâmico é considerado ferramenta de usinagem desde a década de 50, quando as primeiras ferramentas foram utilizadas, mas só passou a ser um material com uma porcentagem não desprezível do mercado de ferramentas de corte na década de 80, depois dos desenvolvimentos conseguidos no campo das propriedades de cerâmica (DINIZ et al., 2008).

As ferramentas de óxidos metálicos ou de cerâmica, como são também designadas, possibilitam altas velocidade de corte. Sendo assim as máquinas ferramentas necessitam altas potências de corte e rigidez mecânica. Segundo Trent (2000), a cerâmica utilizada como ferramenta de corte consiste de grão finos com alta densidade, contendo menos de 2% porosidade. Diferentes métodos têm sido utilizados para fazer os blanks, como por exemplo, a prensagem e sinterização dos blanks por um processo similar ao utilizado para pastilhas de metal duro. A sinterização é realizada a ar, e, neste caso, os blanks são brancos para a cerâmica de Al₂O₃. Um outro método é por pressão a quente de largos cilindros de alumina em moldes de grafite. Os blanks são cortados com ferramentas de diamante. Neste caso, os blanks das ferramentas são cinza escuro (TRENT, 2000).

A estabilidade química é muito importante quando se usina em altas velocidades e temperaturas. Algumas propriedades desses materiais fazem com que sua utilização na usinagem não seja tão fácil, quais sejam: baixa condutividade térmica, o que, logicamente dificulta a transferência de calor e faz com que a região próxima do contato cavaco-ferramenta e peça-ferramenta atinjam temperaturas muito altas e, principalmente, baixa tenacidade, o que facilita a formação de trincas e a quebra da ferramenta (MACHADO et al., 2009).

Essa baixa tenacidade foi a principal razão que fez com que o material cerâmico não fizesse parte do mercado de ferramentas de corte há mais tempo. Nos últimos anos, grande esforço tem sido feito no sentido de aumentar a tenacidade desse material e bons resultados têm sido obtidos.

Em geral, as cerâmicas possuem as seguintes propriedades:

• Capacidade de suportar altas temperaturas (materiais refratários);
• Alta resistência ao desgaste abrasivo;
• Alta dureza;
• Alta fragilidade;
• Baixa condutividade térmica;
• Alta estabilidade química e térmica;
• Boa resistência à fluência;
• Alta resistência à compressão e baixa resistência à tração.

É lógico que, dependendo da classe de cerâmica, ela pode ter mais intensamente algumas destas propriedades e menos intensamente outras delas. Quando comparado com o aço, a cerâmica apresenta um terço da densidade do aço, maior tensão de compressão e baixa elasticidade (duas vezes menor que no aço) (MODERN METAL CUTTING, 1994).

As cerâmicas se classificam em:

a) Base de óxido de alumínio (Al₂O₃)

Dividem-se em cerâmicas puras, cerâmicas mistas e alumina reforçada com “whiskers”. As cerâmicas puras são aquelas constituídas somente de óxidos. Podem ser alumina pura, constituída basicamente de finos grãos de Al₂O₃ sinterizados, podendo ter também algum teor de MgO para inibir o crescimento de grão e óxido de cromo, titânio e níquel para aumentar a resistência mecânica, ou alumina com baixos percentuais de zircônio (ZrO₂) que aumenta a tenacidade do material (Diniz et al., 2008). As cerâmicas mistas contêm além de alumina, ou o carboneto de titânio (TiC) ou o nitreto de titânio (TiN). A alumina reforçada com “whiskers” é constituída por inclusões de monocristais de SiC chamadas “ whiskers” em uma matriz cerâmica (Al₂O₃).

b) Cerâmica a base de nitreto de silício (Si₃N₄)

São cristais de Si₃N₄ com uma fase intergranular de SiO2 que são sinterizados na presença da alumina e o óxido de ítrio (Y₂O₃) e manganês (MgO). Este tipo de cerâmica também é chamado de Sialon. Tem excelentes propriedades como alta dureza, melhor tenacidade quando comparado com a Alumina e baixo coeficiente de expansão térmica, resultando em boa resistência a choques térmicos. Os insertos de sialon são fabricados pelo processo similar ao processo do metal duro sinterizado (TRENT, 2000).

A tabela abaixo mostra algumas propriedades relativas dos diversos tipos de materiais cerâmicos comparados com o metal duro.

Tabela: Propriedades relativas dos cerâmicos comparadas com as do metal duro (DINIZ et al., 2008).

Material de Corte	Tenacidade	Dureza a Quente	Resistência ao Choque Térmico	Estabilidade Química (Fe)	Estabilidade Térmica
Cerâmica Pura	2	2	1	5	5
Cerâmica Mista	1	3	2	4	4
Cerâmica com Whisker	4	3	3	2	3
Sialon	3	5	4	1	2
Metal Duro	5	1	5	3	1

A tabela mostra que a cerâmica pura é ótima com relação à estabilidade química, mas é sofrível com relação à tenacidade e dureza a quente e é péssima com relação à resistência ao choque térmico. Por isso, ela é utilizada somente em operações de acabamento (em que não se precisa de muita tenacidade) de peças endurecidas ou em ferro fundido, em que as temperaturas atingidas são altas e também quando a tendência ao desgaste por difusão é grande (necessita-se de estabilidade química).

Já a cerâmica mista apresenta um compromisso um pouco melhor entre dureza a quente e estabilidade química que a cerâmica pura (estabilidade química um pouco pior e dureza a quente um pouco melhor). Porém a tenacidade é péssima. Assim, ferramentas com esse material são a primeira recomendação para o torneamento em acabamento de aços endurecidos, em que se necessita tanto dureza a quente quanto estabilidade química e, como este tipo de operação é geralmente um acabamento fino, a tenacidade não é tão importante.

Os Sialons são ótimos em termos de dureza a quente e resistência ao choque térmico e são bons com relação à tenacidade, porém são péssimos com relação à estabilidade química. Devido a isso, são principalmente utilizados na usinagem de ferro fundido (em que o cavaco curto formado não tende a causar difusão na superfície de saída da ferramenta - não é necessário que a ferramenta tenha estabilidade química), principalmente em desbaste, onde dureza a quente, resistência ao choque térmico e tenacidade são fundamentais, ou em fresamento (em que se deseja resistência ao choque térmico e tenacidade). Outra razão para este material se adequar ao uso no fresamento é que, devido ao corte interrompido, a ferramenta não atinge temperaturas muito altas e, assim, a tendência à difusão é menor.

As cerâmicas reforçadas com whiskers têm todas as suas propriedades em um nível intermediário. Uma de suas aplicações é o torneamento de aço endurecido com superfícies interrompidas. Neste tipo de operação, a estabilidade química não é tão importante devido à menor temperatura da ferramenta causada pelo corte interrompido. Por outro lado, dureza (devido à dureza do material usinado) e tenacidade (devido à interrupção do corte) são propriedades que devem existir na ferramenta.

Devido à sua fragilidade, a utilização do material cerâmico no processo de usinagem deve vir acompanhada de alguns cuidados para evitar quebra ou lascamento da aresta de corte. Assim, as pastilhas cerâmicas possuem um chanfro na região da aresta de corte cuja dimensão varia de 0,05 a 0,3 mm, com ângulos entre 20º e 30º. É importante que o ângulo do chanfro não seja muito grande, pois ele tende a aumentar os esforços de corte. Outro cuidado a ser tomado é a usinagem de um chanfro na peça antes da operação com a ferramenta cerâmica, a fim de que o primeiro contato ferramenta-peça se de em condições mais suaves. Além disso, em operações de desbaste, as pastilhas cerâmicas costumam ser mais espessas que as pastilhas de metal duro, exceto as de Si3N4 que, por serem mais dúcteis, não necessitam de uma maior área para resistir aos esforços de corte e aos choques (DINIZ et al., 2008). Outros cuidados são: o corte deve ser feito sem fluido de corte e o sistema máquina-ferramenta-dispositivo de fixação-peça tem que ser bem rígido (SANDVIK COROMANT, 2003).

Dúvidas, comentários, sugestões?

Abraço e até a próxima

Msc. Sander Gabaldo