No panorama moderno do fabrico de precisão, o níquel e as ligas de níquel (como o Inconel 718, o Monel e o Hastelloy) são altamente considerados pela sua desempenho excecional em condições extremas. No entanto, para as oficinas de maquinagem, a elevada resistência e tenacidade destes materiais traduzem-se em desafios de maquinagem significativos. Este artigo fornece uma perspetiva objetiva sobre as caraterísticas de maquinação das ligas de níquel e as estratégias para as tratar.
O que são ligas de níquel?
Do ponto de vista da composição química, as ligas de níquel são materiais de engenharia baseados em níquel (Ni) com adições precisas de elementos como o crómio, molibdénio, ferro, cobre, cobalto, nióbio, titânio e alumínio. O núcleo do seu desempenho reside nos seus mecanismos de reforço: através do reforço por solução sólida ou endurecimento por precipitação, o material estabelece uma estrutura estável ao nível atómico. Esta microestrutura confere ao material maior resistência à deformação plásticagarantindo que a sua estrutura cristalina interna mantém uma elevada estabilidade mesmo em condições de trabalho a altas temperaturas.
O níquel é difícil de maquinar?
A conclusão é clara: as ligas de níquel são amplamente consideradas "materiais difíceis de maquinar". Se o aço carbono comum (como o AISI 1045) for utilizado como referência para a maquinabilidade, a maioria das ligas de níquel tem um índice significativamente inferior do que os metais industriais comuns. Isto significa que, no mesmo ciclo de produção, a maquinagem de ligas de níquel requer ferramentas mais caras e mais horas de trabalho.
Quando submetida a forças de corte, a superfície das ligas de níquel sofre uma intensa endurecimento por trabalho. Se a aresta da ferramenta não for suficientemente afiada ou a profundidade de corte for demasiado pequena, as passagens subsequentes irão roçar na "casca" já endurecida, causando uma falha rápida da ferramenta devido ao calor localizado e à concentração de tensões.
Além disso, devido aos limites de condutividade térmica acima mencionados, é mais provável que o calor se concentre perto da ponta da ferramenta. Esta acumulação de calor amolece o material da ferramenta e agrava os problemas de aderência, tornando defeitos de superfície como rasgões ou manchas mais susceptíveis de ocorrer.
Caraterísticas de maquinagem do níquel e das ligas de níquel
A maquinabilidade das ligas de níquel é significativamente mais baixa do que a do aço-carbono ou das classes de maquinagem livre. Na produção, este facto conduz frequentemente a uma redução da vida útil da ferramenta e à instabilidade do processo, exigindo um equilíbrio preciso entre as taxas de remoção de metal e os custos globais das ferramentas.
Níquel comercialmente puro (Ni 200, Ni 201)
O níquel puro caracteriza-se por uma extrema "gomosidade" em vez de uma elevada dureza. É um material macio e dúctil que tende a manchar durante o corte. O principal desafio é a sua elevada adesividade, que conduz frequentemente a arestas muito acumuladas e a maus acabamentos de superfície. São necessárias ferramentas com arestas de corte muito afiadas e ângulos de inclinação elevados para "cortar" o material em vez de o empurrar.
Superligas à base de níquel (Inconel 718, Inconel 625, Waspaloy)
Esta é a categoria mais exigente. Estas ligas mantêm uma elevada resistência ao corte, mesmo a temperaturas elevadas, o que resulta em forças de corte maciças. São altamente propensas a desgaste do entalhee a presença de partículas de carboneto duro na liga conduz a uma abrasão mecânica intensa da ferramenta de corte.
Ligas de níquel-cobre (Monel 400, Monel K500)
Estas ligas possuem uma tenacidade extremamente elevada. Embora não sejam tão duras como as superligas, as suas aparas são incrivelmente tenazes e difíceis de partir. São propensas a Borda Construída (BUE)que pode rasgar a superfície da peça de trabalho, tornando a gestão da lubrificação crítica.
Ligas de níquel-molibdénio / crómio-molibdénio (Hastelloy C276, Hastelloy C22)
A condutividade térmica destas ligas está entre as mais baixas da família do níquel. O calor de corte permanece quase inteiramente concentrado numa pequena área da aresta de corte, levando a um rápido amolecimento térmico da ponta da ferramenta. Mesmo pequenos erros na velocidade de corte podem resultar em falha imediata da ferramenta.
Ligas de níquel-crómio/níquel-ferro-crómio (Incoloy 800, Incoloy 825)
Embora a sua maquinabilidade seja ligeiramente melhor do que a do grupo das superligas, continuam a apresentar uma forte tendência para endurecimento por trabalho. Se a profundidade de corte não conseguir penetrar na camada endurecida deixada pela passagem anterior, a ferramenta irá desgastar-se prematuramente ou lascar.
Principais propriedades dos materiais das ligas de níquel
A capacidade das ligas de níquel para sobreviver a condições adversas resulta de atributos físicos e químicos únicos, que são também a fonte da dificuldade de maquinagem:
Propriedades mecânicas a alta temperatura
As ligas de níquel mantêm uma elevada resistência à tração e ao escoamento a temperaturas elevadas. Isto significa que, quando são geradas temperaturas elevadas na zona de corte, o material não amolece tão rapidamente como o aço-carbono; a ponta da ferramenta tem de suportar cargas mecânicas maciças continuamente sob calor.
Condutividade térmica extremamente baixa
As ligas de níquel têm uma fraca condutividade térmica, dificultando a dissipação do calor através da peça de trabalho ou das aparas. O calor torna-se altamente concentrado na interface entre a ferramenta e o material, levando frequentemente à falha da ferramenta devido ao sobreaquecimento localizado.
Adesão e tendência para a formação de arestas postiças (BUE)
O níquel é quimicamente ativo e tende a soldar o material da ferramenta sob pressão de corte. Isto leva a frequentes BUE, que não só destroem o acabamento da superfície, como também podem arrancar partículas microscópicas do substrato da ferramenta quando o BUE se parte.
Armadilhas típicas na maquinagem de ligas de níquel
Na produção real, sem otimizar o processo para as caraterísticas da liga de níquel, ocorrem vários problemas comuns:
- Diversos modos de falha de ferramentas: Desgaste rápido da cratera, desgaste do entalhe na linha de profundidade de corte e lascamento térmico do revestimento.
- Qualidade de superfície instável: Micro-desgaste, manchas ou descoloração (queimaduras) devido a sobreaquecimento.
- Dificuldades de controlo de chips: As aparas de elevada dureza são longas, fibrosas e extremamente fortes, apresentando o risco de se enroscarem na ferramenta ou na peça de trabalho.
- Eficiência de produção limitada: Para equilibrar a vida útil da ferramenta, as oficinas têm frequentemente de utilizar velocidades de corte mais baixas, o que resulta num rendimento global mais lento.
Precauções durante a maquinagem
Para garantir um processamento sem problemas das ligas de níquel, é vital estabelecer um processo científico. Aqui estão alguns princípios fundamentais amplamente verificados:
- Condição da borda do monitor: Manter a aresta de corte absolutamente afiada. Substituir imediatamente a ferramenta em caso de desgaste ligeiro, para evitar um aumento da profundidade de endurecimento.
- A rigidez é fundamental: A rigidez da configuração determina o limite superior do processo. Reduzir o balanço da ferramenta, utilizar pinças de alta força e evitar qualquer forma de micro-vibração.
- Gestão da lubrificação e do arrefecimento: O refrigerante/lubrificação deve ter como objetivo a redução da temperatura, a diminuição do atrito e a remoção de aparas. Em alguns casos, são utilizadas fórmulas com aditivos EP (extrema pressão), dependendo da classe e do método de maquinagem.
- Estratégia de corte contínuo: Manter um movimento de avanço constante. Evitar pausas desnecessárias durante o corte para reduzir a formação de endurecimento localizado.
Dicas práticas para o sucesso
Para melhorar a eficiência, experimente estes métodos práticos avançados:
- Otimização de parâmetros: Assegurar que a profundidade de corte (DOC) penetra na camada endurecida pelo trabalho para evitar a "fricção". Certifique-se de que a ponta da ferramenta está sempre a cortar metal "fresco", não endurecido.
- Planeamento de trajectórias: Estabelecer prioridades Fresagem de trepadeiras. Isto permite que a limalha passe de grossa a fina, reduzindo o choque térmico instantâneo quando a ferramenta entra no corte.
- Gestão da mudança de ferramentas: Estabelecer um ciclo preditivo de mudança de ferramenta. Não espere que a ferramenta falhe completamente, pois uma ferramenta demasiado usada pode arruinar a qualidade da superfície de um lote inteiro.
- Detalhes da perfuração: Utilizar brocas de refrigeração interna com canais grandes e utilizar estratégias de perfuração frequentes para evitar o entupimento das aparas em furos profundos.
Conclusão
A maquinagem de ligas de níquel é um ato de equilíbrio entre calor, endurecimento e estabilidade. Utilizando a seleção adequada de ferramentas, empregando forte arrefecimento direcional ou arrefecimento através do fuso quando as condições o permitem, e assegurando que a profundidade de corte penetra na camada endurecida, as propriedades complexas do material podem ser transformadas num processo controlável.
O segredo do sucesso reside na precisão dos pormenores: utilização de arestas vivas para reduzir a resistência, associada a uma rigidez reforçada do sistema para suprimir as vibrações, e gestão eficaz da temperatura na zona de corte.
Pode carregar os seus desenhos (STEP/PDF) em qualquer altura, e a nossa equipa de engenharia fornecerá sugestões DFM (Design for Manufacturing) para o ajudar a evitar riscos de maquinação e otimizar o seu percurso de produção.
