Usinagem de aço carbono: propriedades, processos e aplicações

Barras de aço carbono

A usinagem de aço carbono exige o conhecimento da liga de aço carbono e sua adequação para usinagem personalizada. Trata-se de uma liga de ferro-carbono que contém de 0.05% a 2.1% de carbono em seu peso total. Seu comportamento mecânico e propriedades do material dependem da quantidade de carbono presente na liga, o que impacta diretamente a usinabilidade.

O aço carbono com menor teor de carbono é mais macio e geralmente mais fácil de usinar, enquanto os aços carbono com alto teor de carbono são mais difíceis de usinar e exigem ferramentas especializadas, porém apresentam maior durabilidade e resistência ao desgaste. A escolha do teor de carbono e do aço-liga utilizado na usinagem pode afetar a vida útil da ferramenta e, consequentemente, a precisão das peças de aço carbono usinadas por CNC. Leia mais:Liga de aço vs aço carbono

O que é aço carbono?

Barras de aço cortadas

O aço carbono é composto de ferro e carbono e é classificado em três categorias principais, dependendo do teor de carbono. O aço de baixo carbono é classificado como tendo 0.3% ou menos de carbono, o aço de médio carbono varia de 0.3% a 0.6% e o aço de alto carbono tem mais de 0.6% de carbono.

Não contém elementos de liga intencionais, como o cromo, o que o diferencia das ligas convencionais. Elementos minoritários como manganês, enxofre, fósforo e silício estão presentes. O teor de carbono presente no aço impacta diretamente as características físicas e mecânicas do material, como resistência, dureza e ductilidade.

O aço carbono se transforma de austenita em martensita durante o tratamento térmico. Isso permite ajustar suas propriedades. Aços de baixo carbono, como o AISI 1018, possuem boa soldabilidade e conformabilidade. Aços de alto carbono, como o AISI 1095, oferecem resistência ao desgaste e durabilidade superiores. O aço carbono é produzido pela fusão de minério de ferro com carbono em altos-fornos. O aço fundido é então vazado e laminado para produzir chapas ou blocos de aço carbono.

O aço carbono de baixa qualidade possui uma microestrutura de ferrita e perlita, enquanto os aços carbono de alta qualidade apresentam uma estrutura de perlita e cementita. A diferença na microestrutura afeta diretamente as propriedades do aço, como alongamento e resistência.

Propriedades de usinagem do aço carbono

Corpo de prova para ensaio de tração

O aço carbono é utilizado na usinagem devido às suas propriedades mecânicas e térmicas, tornando-o adequado para uma ampla gama de componentes industriais. O aço carbono usinado apresenta excelentes acabamentos superficiais e durabilidade. Algumas propriedades do aço carbono que o tornam a escolha perfeita para a usinagem de peças estão listadas abaixo:

Dureza:

Os aços carbono têm uma dureza que varia de 125 HB a mais de 300 HB. Materiais mais duros tendem a deformar menos durante a usinagem. Aços mais macios, como o AISI 1010, são processados ​​em velocidades de corte mais altas, mas produzem arestas postiças, enquanto os aços mais duros exigem ferramentas especializadas para usinagem.

Resistência à Tração

A resistência à tração do aço de baixo carbono pode variar de 370 MPa a 1500 MPa nos aços de alto carbono. Uma maior resistência à tração significa maior durabilidade da peça, mas também aumenta a dificuldade de usinagem.

Resistência ao escoamento

O limite de escoamento é o limite no qual ocorre a deformação plástica. Os aços carbono têm um limite de escoamento entre 250 e 800 MPa. O encruamento pode ocorrer durante a usinagem se as forças de usinagem excederem esse limite. Nesses casos, a usinagem requer taxas de avanço ajustadas.

Alongamento e Ductilidade

O aço de baixo carbono apresenta um alongamento na ruptura de 20% a 40%, enquanto o alongamento na ruptura dos aços de alto carbono é ainda menor, inferior a 10%. O maior alongamento do aço de baixo carbono resulta em cavacos contínuos mais longos, enquanto o aço de alto carbono, mais quebradiço, produz cavacos segmentados. 

Condutividade Térmica

A condutividade térmica dos aços carbono é de cerca de 50 W/m·K. Sua dissipação de calor durante a usinagem é moderada e precisa ser controlada. Uma má gestão térmica pode causar expansão térmica nos materiais e afetar as tolerâncias, bem como a estabilidade dimensional.

Densidade e Módulo

A densidade do aço carbono é de aproximadamente 7.85 g/cm³ e o módulo de Young é de 200 GPa, o que proporciona rigidez suficiente para permitir a deflexão em peças de grandes dimensões. A tabela a seguir resume as propriedades típicas dos aços carbono mais comuns:

Tipos de ferramentas que podem cortar aço carbono 

Usinagem de fresas de topo

A seleção da ferramenta é importante na usinagem de aço carbono. Escolher a ferramenta certa permite maior precisão e eficiência, além de otimizar parâmetros como geração de calor e encruamento. Algumas ferramentas comuns estão listadas abaixo:

• Ferramentas de aço rápido (HSS)As ferramentas HSS são feitas de tungstênio, molibdênio e vanádio, o que melhora a tenacidade e proporciona cortes mais limpos. Elas são geralmente usadas para processar materiais de baixa a alta dureza. aços de médio carbono Com velocidades de até 30 m/min, não são adequadas para processos com alto teor de carbono, pois sofrem desgaste extremamente rápido devido à geração de calor.
• Ferramentas de Metal DuroEssas ferramentas são feitas de carboneto de tungstênio e possuem um revestimento de TiN ou TiAlN para melhorar sua resistência ao desgaste, o que é essencial para usinagem de alta velocidade (100-200 m/min) em todos os aços carbono. Isso proporciona um acabamento superficial aprimorado e reduz a deflexão.
• Ferramentas cerâmicasAs ferramentas de cerâmica possuem dureza muito alta, em torno de 2000 HV, e velocidades de até 300 m/min. Normalmente, são feitas de compósitos de alumina e nitreto, que são altamente eficazes na usinagem. aços de alto carbono (para corte a seco) já que são capazes de controlar a geração de calor.  
• Pastilhas de metal duro revestidasEssas pastilhas possuem um revestimento CVD ou PVD similar ao TiCN, o que aumenta sua vida útil em 2 a 3 vezes em condições abrasivas. Elas são comumente utilizadas em torneamento e fresamento de aços de médio carbono.
• Ferramentas de nitreto de boro cúbico (CBN)O CBN é o segundo material mais duro depois do diamante, sendo excelente para torneamento de aços carbono tratados termicamente (45-65 HRC). Requer refrigeração mínima e permite usinagem a uma velocidade de até 200 m/min.
• Fresas de topo de metal duroAs fresas de metal duro são usadas para cortes profundos e possuem um design de hélice diferenciado que minimiza as vibrações.
• Fresas indexáveisSão equipadas com insertos de metal duro que permitem uma substituição rápida e versatilidade na fresagem frontal de chapas de aço carbono.
• Brocas com pontas de carbonetoProjetada para furação, incorporando orifícios de refrigeração para evacuar cavacos e resfriar a zona de corte em aço carbono.
• Torneiras e matrizesMachos e cossinetes são geralmente feitos de aço rápido (HSS) e carbonetos para rosqueamento. Possuem revestimentos para evitar o engripamento em aços dúcteis de baixo carbono.

Usinagem CNC de aço carbono

A usinagem de aço carbono utiliza sistemas CNC que removem material de um bloco sólido de metal para formar uma peça de trabalho. O programa CNC otimiza os percursos da ferramenta, garantindo precisão e consistência. As operações CNC utilizam ferramentas de metal duro para remover material e empregam fluido de corte para regular a temperatura e evacuar os cavacos durante a usinagem. O processo CNC varia de acordo com o tipo de aço carbono, e diferentes parâmetros de corte são utilizados pelos operadores para uma usinagem eficiente desse material. 

• Parâmetros típicos (ferramentas de metal duro, aço de médio carbono como o AISI 1045)As velocidades de corte variam de 100 a 200 m/min (328 a 656 SFM), com uma taxa de avanço de 0.1 a 0.3 mm/dente e uma profundidade de corte de 1 a 5 mm. O fluido de corte é utilizado para regular a temperatura durante o processo de usinagem.

Fresagem CNC de aço carbono

peça de aço carbono usinada por CNC

A fresagem CNC é um processo subtrativo programado por computador que funciona utilizando ferramentas de corte com múltiplos pontos para criar diferentes características, como contornos e ranhuras. O processo também permite o desbaste para remover a maior parte do material e dar forma à peça, com passes de acabamento para refiná-la e obter precisão dimensional. A fresagem concordante é preferida por produzir melhores resultados em comparação com a fresagem convencional. 

Usinagem CNC de aço carbono

Usinagem de Torno CNC

O processo de torneamento CNC envolve a rotação de uma peça em relação a uma ferramenta de corte, que permanece estacionária, para produzir uma forma cilíndrica. Esse processo é utilizado para fabricar diversas características, como furos e roscas. 

O uso de um ângulo de ataque positivo em ferramentas de corte permite um controle eficaz dos cavacos, o que é fundamental para operações de acabamento. O processo de corte começa com o desbaste, seguido por uma segunda operação de acabamento para garantir que as peças atendam às especificações.

Usinagem CNC de eixo 4

Usinagem CNC em 4 eixos

A usinagem CNC de 4 eixos combina um eixo de rotação (normalmente o eixo A) com os eixos lineares padrão X, Y e Z. Isso permite girar a peça de trabalho para acessar vários lados sem precisar reposicioná-la. Esta máquina foi especialmente projetada para produzir componentes de aço carbono com formatos complexos, como cames lobados, ranhuras helicoidais e peças com perfil envolvente.

Usinagem CNC Multieixos

A usinagem CNC multieixos (5 eixos ou mais) é um processo de usinagem moderno que permite movimentar as peças simultaneamente ao longo dos 3 eixos lineares e dois eixos de rotação. Essa característica reduz as múltiplas configurações e permite a criação de geometrias complexas a partir de uma única configuração. A usinagem CNC multieixos permite fazer rebaixos e ângulos compostos, além de superfícies curvas, com alta precisão.

Fabricação de peças grandes

Grande parte da fabricação com máquinas CNC envolve a produção de peças com dimensões superiores a 1-2 metros. Peças grandes são processadas utilizando sistemas de pórtico e máquinas com curso estendido. As peças são fixadas utilizando dispositivos robustos, e qualquer distorção por tensão é compensada por aplicações de alívio de tensão para neutralizar distorções ou remoção irregular de material.

Desafios na Usinagem de Aço Carbono

Peça de aço acabada

A usinagem do aço carbono, como a de qualquer outro material, apresenta desafios e dificuldades únicos que precisam ser superados. Esses obstáculos são vencidos por meio da otimização de parâmetros. Alguns obstáculos comuns estão listados abaixo:

Desgaste da ferramenta

O desgaste da ferramenta é um problema comum que ocorre durante a usinagem. Geralmente é causado por partículas abrasivas de carbono que aceleram o desgaste de flanco e de cratera, especialmente em aços com alto teor de carbono, que são mais difíceis de usinar. Para solucionar esse problema, os carbonetos são revestidos para melhorar sua durabilidade, mas exigem monitoramento para evitar falhas e garantir uma usinagem bem-sucedida. 

Geração de Calor

O calor gerado durante o processo de usinagem pode atingir até 800 °C, o que pode causar expansão térmica e deformação da peça. A temperatura é controlada com o uso de fluidos de corte e velocidades mais baixas.

Endurecimento de trabalho

O encruamento ocorre quando o material ultrapassa seu limite elástico. A deformação faz com que a superfície endureça, exigindo maior força de corte. Uma taxa de avanço menor e uma ferramenta de corte mais afiada podem reduzir o encruamento, mantendo as superfícies macias e produzindo resultados precisos.

Controle de Chip

Os aços com baixo teor de carbono, que possuem maior ductilidade, produzem cavacos mais longos que podem causar emaranhamento. Quebra-cavacos e fluido de corte de alta pressão auxiliam na evacuação dos cavacos, mantendo o processo livre de riscos.

Problemas de acabamento superficial

Vibrações e forças desiguais causam acabamentos superficiais ruins e valores Ra elevados. Ferramentas rígidas, montadas corretamente, juntamente com um sistema de balanceamento e fixação adequada, dependendo da forma e geometria da peça, reduzem esse problema.

estabilidade dimensional

Aumentar e resfriar repetidamente a temperatura do material induz tensões e distorções. O recozimento é excelente para reduzir a tensão e estabilizar o material antes da usinagem.

Peças comuns de aço carbono usinadas com precisão por CNC

• Parafusos e FixadoresComponentes roscados em aço AISI 1045, que oferecem alta resistência à tração para montagens estruturais.
• EixosFabricado em aço AISI 1018, proporcionando resistência à torção em transmissões.
• EngrenagensUsinado a partir de aços de médio carbono, tratado termicamente para resistência ao desgaste em transmissões.
• Pinos e cavilhasRetificado com precisão para alinhamento em máquinas.
• SuportesMoldado para montagem, aproveitando a ductilidade para curvatura após a usinagem.
• VálvulasUsinado para controle de fluidos, com tolerâncias rigorosas para vedação.
• Flanges: Torneado para conexões de tubulação, garantindo planicidade.
• BuchasFurado para aplicações em rolamentos, reduzindo o atrito.
• MolasEnrolado a partir de fio de alto teor de carbono, oferecendo elasticidade.
• Facas e LâminasAfiado em aço AISI 1095 para ferramentas de corte.

Aplicações do Aço Carbono

Indústria automobilística

A indústria automotiva utiliza aço carbono na fabricação de uma variedade de peças, desde chassis e blocos de motor até componentes de suspensão. Isso se deve principalmente à excelente durabilidade e propriedades mecânicas do aço carbono.

Sector da Construção

O aço carbono é usado na fabricação de vergalhões para vigas de construção, proporcionando alta integridade estrutural em edifícios e pontes. Tubos de alta resistência também são fabricados com aço carbono, devido à sua capacidade de suportar pressões extremamente elevadas. 

Maquinaria e equipamento

Engrenagens, eixos e estruturas de máquinas utilizadas nas principais indústrias são fabricadas com aços carbono. A capacidade de usinagem permite a produção de peças personalizadas para gabaritos e fabricações sob medida.

Petróleo e gás

Tubos e válvulas utilizados no setor de petróleo e gás precisam suportar altas pressões e ambientes agressivos. O aço carbono apresenta excelente desempenho nessas condições e, por essa razão, é amplamente utilizado na indústria.

Indústria aeroespacial

A indústria aeroespacial utiliza o aço carbono apenas em fixadores e estruturas não críticas ou peças secundárias que requerem as propriedades específicas do aço carbono para sua funcionalidade.

Bens de consumo

O aço Carnon é utilizado em uma ampla gama de eletrodomésticos e utensílios, como batedeiras e facas de cozinha, pois oferece alta durabilidade a baixo custo.

Usinagem de metal personalizada

A Boda fornece serviço de aço Para aço carbono, aço liga e ligas de aço inoxidável. Mantemos um estoque de ligas metálicas com certificados de materiais e transparência de processo.  As tolerâncias padrão de usinagem CNC para peças de aço carbono são tipicamente de ±0.025 mm, dependendo da complexidade geométrica. Nossa equipe de engenharia também oferece consultoria especializada e suporte na seleção de materiais. 

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Conclusão

A usinagem de aço carbono é uma das técnicas de fabricação mais utilizadas em diversos setores, desde o automotivo até o naval. Comparando com outras alternativas, ela supera alguns metais em custo e disponibilidade. titânio vs açoÉ confiável e eficiente, o que a torna a escolha preferida dos fabricantes. Ela consegue combinar as propriedades dos materiais com processos avançados e produzir componentes confiáveis ​​que definem o padrão para o setor.

Perguntas frequentes 

O aço carbono é usinável?

Sim, o aço carbono é usinável. Existe uma ampla gama de técnicas de usinagem que são utilizadas para fabricar peças e componentes.

O aço carbono é fácil de fabricar?

Sim, é fácil de fabricar, e o aço carbono é considerado o melhor aço para usinagemOs processos modernos de fabricação tornaram isso relativamente fácil, e é feito principalmente por fundição ou forjamento, dependendo da qualidade do aço. 

É possível usinar aço carbono em máquinas CNC?

Sim, é possível usinar aço carbono em máquinas CNC, e peças de aço carbono usinadas com precisão em CNC são populares para uso automotivo.

O aço carbono é bom para corte?

O aço carbono é amplamente utilizado na fabricação de ferramentas de corte, especialmente os aços com alto teor de carbono, que conseguem manter o fio de corte devido à sua maior dureza. classes de aço de liga Também podem ser selecionadas para aplicações de resistência ao calor e ao desgaste.