O que é o titânio?
O titânio, designado pelo símbolo químico Ti e pelo número atómico 22, é um metal de transição brilhante conhecido pela sua excecional relação força/peso, resistência à corrosão e biocompatibilidade. Descoberto no final do século XVIII, o titânio tornou-se indispensável em várias indústrias, incluindo os sectores aeroespacial, médico, automóvel e marítimo.
Quais são os diferentes tipos de titânio para maquinagem CNC?
O titânio é um metal versátil que é normalmente utilizado na maquinagem CNC devido às suas caraterísticas únicas. Existem vários tipos de titânio disponíveis, cada um com propriedades únicas que os tornam adequados para uma variedade de utilizações. Os graus de titânio normalmente utilizados na maquinagem CNC são descritos em pormenor abaixo.
Grau 1: Titânio comercialmente puro (baixo teor de oxigénio)
O titânio de grau 1 é o mais macio e dúctil, o que o torna maquinável. As aplicações em ambientes severos requerem uma forte resistência à corrosão e durabilidade ao impacto. Este grau biocompatível é preferido em implantes e equipamentos médicos devido à sua segurança. Os componentes de alta precisão e estabilidade beneficiam do seu baixo coeficiente de expansão térmica, o que diminui as tensões térmicas. A baixa resistência limita a sua utilização em aplicações de alta tensão em comparação com outros tipos.
Grau 2: Titânio comercialmente puro (teor de oxigénio padrão)
O Grau 2, por vezes conhecido como titânio “cavalo de batalha”, é forte, dúctil e resistente à corrosão. Com boa maquinabilidade e soldabilidade, é mais forte do que o Grau 1. É adequado para componentes aeroespaciais, equipamento de processamento químico e ambientes marítimos. A sua adaptabilidade torna-o adequado para indústrias que necessitam de força moderada e resistência à corrosão. O grau 2 é mais fraco do que as ligas de titânio, apesar das suas vantagens.
Grau 3: Titânio comercialmente puro (teor médio de oxigénio)
O titânio de grau 3 tem melhor resistência do que os graus 1 e 2, mas menor ductilidade e formabilidade. Este grau é utilizado em aplicações aeronáuticas que requerem maior resistência sem aumentar o peso devido à sua resistência à corrosão. A sua resistência torna a maquinagem mais difícil do que a dos graus mais macios, exigindo um controlo cuidadoso para evitar o desgaste das ferramentas.
Grau 4: Titânio comercialmente puro (elevado teor de oxigénio)
O grau 4 é o grau de titânio comercialmente puro mais forte, com qualidades mecânicas e de corrosão excepcionais. É utilizado em componentes aeronáuticos e equipamento cirúrgico que requerem resistência e longevidade. Devido à sua dureza, a maquinagem do titânio de grau 4 requer equipamento e processos especializados para atingir as tolerâncias especificadas sem desgaste da ferramenta ou deformação da peça de trabalho.
Grau 5: Liga de titânio (Ti-6Al-4V)
O titânio de grau 5, Ti-6Al-4V, é uma liga de titânio popular devido à sua elevada relação força/peso e resistência à corrosão. Esta liga tem alumínio e vanádio, o que melhora as suas qualidades mecânicas em relação ao titânio puro. É utilizada em peças aeroespaciais, militares e automóveis de alto desempenho. A maquinagem do Grau 5 é mais dura e tende a endurecer, pelo que as velocidades de corte e a seleção de ferramentas devem ser cuidadosamente consideradas.
Grau 6: Liga de titânio (Ti-5Al-2.5Sn)
O titânio de grau 6 é composto por alumínio e estanho, o que proporciona uma boa soldabilidade e um desempenho a altas temperaturas. Este grau é frequentemente utilizado em construções de estruturas de aviões e motores a jato, onde a resistência ao calor é crucial. Embora tenha qualidades mecânicas superiores aos graus de titânio puro, persistem problemas de maquinação devido à sua maior dureza em comparação com os graus 1 e 2.
Grau 7: Liga de titânio (Ti-0.15Pd)
O paládio é adicionado ao titânio de grau 7, o que o torna ainda mais resistente à corrosão do que os graus normais comercialmente puros. Devido a este facto, funciona especialmente bem em trabalhos de processamento químico que requerem exposição a condições adversas. Devido às suas propriedades especiais, pode ser utilizado em ambientes marinhos e na produção de clorato. No entanto, por ser duro, é difícil de maquinar, tal como outros tipos de titânio.
Grau 11: Liga de titânio (Ti-0.15Pd)
A liga de titânio de grau 11 é semelhante à de grau 7, mas com ductilidade melhorada, o que a torna adequada para utilização em ambientes extremamente corrosivos, como a água do mar. Mantém uma elevada biocompatibilidade, ao mesmo tempo que proporciona qualidades mecânicas melhoradas adequadas a uma variedade de aplicações industriais. A maquinagem deste grau apresenta problemas semelhantes aos de outras ligas, no entanto, estes podem ser atenuados com procedimentos adequados.
Grau 12: Liga de titânio (Ti-0.3Mo-0.8Ni)
A estrutura do grau 12 inclui molibdénio e níquel, resultando numa soldabilidade e resistência à corrosão excepcionais. Este tipo é frequentemente utilizado em permutadores de calor e aplicações marítimas devido à sua capacidade de tolerar ambientes agressivos, preservando a integridade estrutural. Embora tenha grandes vantagens sobre os graus de titânio puro, a complexidade da maquinação continua a ser um problema.
Grau 23: Liga de titânio (Ti-6Al-4V ELI)
O Grau 23 é uma variante intersticial extra-baixa do Grau 5, criada principalmente para aplicações médicas em que a biocompatibilidade é fundamental. A sua composição refinada proporciona uma maior resistência à fratura, mantendo a elevada resistência necessária para implantes e dispositivos cirúrgicos. Devido às suas qualidades únicas, a maquinação deste tipo requer uma atenção especializada, mas o resultado final são peças que cumprem elevados padrões médicos.
Por que escolher titânio para peças de usinagem CNC?
A escolha do titânio para peças de maquinagem CNC oferece inúmeras vantagens, tornando-o um material preferido em várias indústrias.
Relação excecional entre resistência e peso
Embora seja 5% mais fraco do que o aço, o titânio tem um peso 40% inferior. Nas aplicações aeronáuticas e automóveis, em que a redução do peso é crucial para o desempenho e a eficiência, esta caraterística permite aos fabricantes desenvolver componentes leves mas fortes. A capacidade de manter uma elevada resistência enquanto minimiza a massa é um fator de mudança nos sectores centrados no desempenho.
Alta resistência à corrosão
O titânio é resistente à corrosão, especialmente em situações extremas como o processamento marinho e químico. Para componentes que têm de tolerar circunstâncias difíceis, o titânio pode suportar a água do mar, ácidos e outros corrosivos sem se deteriorar. Isto prolonga o tempo de vida útil das peças e reduz as despesas de manutenção.
Biocompatibilidade
Os implantes e dispositivos médicos utilizam o titânio devido à sua biocompatibilidade. As aplicações cirúrgicas, como as substituições de articulações e os implantes dentários, são seguras, uma vez que a substância não reage com o tecido humano. Nos cuidados de saúde, a sua não toxicidade torna-o mais adequado.
Durabilidade e resistência à fadiga
A resistência à fadiga e a durabilidade do titânio permitem que os componentes sobrevivam a cargas repetidas sem falhas. As peças aeroespaciais são sujeitas a cargas cíclicas, o que torna esta qualidade crucial. Os componentes de titânio são fiáveis em aplicações essenciais porque têm um bom desempenho sob tensão.
Propriedades não magnéticas
O titânio também é útil porque não é magnético, pelo que pode ser utilizado em locais onde a perturbação magnética possa ser um problema. Esta caraterística é muito útil em ambientes médicos (como máquinas de ressonância magnética) e aparelhos electrónicos que necessitam de controlar os campos magnéticos.
Maquinabilidade e Formabilidade
O titânio é difícil de fabricar devido à sua condutividade térmica limitada e à sua tendência para endurecer, mas a maquinagem CNC tornou-o mais fácil. Os fabricantes podem utilizar as qualidades especiais do titânio recorrendo a máquinas CNC para cortar e tolerar geometrias complicadas. Ferramentas de corte, velocidades e sistemas de arrefecimento adequados podem reduzir a acumulação de calor na maquinagem.
Sustentabilidade ambiental
O titânio é também extremamente reciclável, o que aumenta o seu atrativo como opção de material ambientalmente responsável. A capacidade de reciclar o titânio minimiza os resíduos e aumenta a sustentabilidade nas operações de produção.
Desafios a considerar na maquinagem de titânio
A maquinagem de titânio envolve vários obstáculos que podem impedir o processo de fabrico. Compreender estes obstáculos é fundamental para produzir resultados CNC de alta qualidade. Aqui estão os principais desafios na maquinação de titânio.
acumulação de calor
A condutividade térmica limitada do titânio faz com que o calor de maquinação se acumule na interface ferramenta de corte-peça de trabalho. A acumulação de calor pode acelerar o desgaste da ferramenta, encurtar a sua vida útil e degradar a qualidade da superfície da peça maquinada. O calor pode endurecer o titânio, tornando-o mais difícil de processar se não for tratado corretamente. Utilize sistemas de refrigeração de alta pressão e optimize as taxas de avanço e as velocidades do fuso para evitar este problema.
Forças de corte elevadas
Devido à sua resistência e dureza, as ligas de titânio requerem grandes forças de corte. Forças elevadas podem causar vibração e deflexão durante a maquinação, resultando em erros no produto e desgaste da ferramenta. Os operadores de máquinas devem utilizar suportes de trabalho robustos e ferramentas afiadas específicas para titânio para ultrapassar este problema.
Reatividade química
O titânio reage quimicamente a altas temperaturas. Esta reatividade pode causar oxidação da superfície e escoriações, que colam o material à ferramenta de corte e a danificam. O oxigénio fragiliza a liga de titânio, diminuindo a resistência à corrosão. A utilização de fluidos de corte adequados e a maquinagem a temperaturas mais baixas podem reduzir estes impactos.
Deformação elástica
O titânio deforma-se sob forças de corte devido ao seu menor módulo de elasticidade do que o aço. Isto pode fazer com que os itens mais finos se flexionem ou distorçam durante a maquinação, resultando em dimensões fora da tolerância. Para resolver este problema, utilize suportes de trabalho rígidos e parâmetros de corte que minimizem a deformação.
Built-Up Edge (BUE)
A maquinação de titânio causa frequentemente a acumulação de ferramentas de corte. As aparas na aresta de corte da ferramenta embotam-na e geram calor. A prevenção de BUE e a otimização das condições de corte requerem soluções de remoção de aparas, tais como a aplicação de líquido de refrigeração a alta pressão diretamente na aresta de corte.
Controlo do chip
As limalhas de titânio longas e finas podem enrolar-se à volta da maquinaria ou danificar as superfícies maquinadas se não forem devidamente controladas. Estas limalhas impedem a transferência de calor para fora da zona de trabalho, piorando a acumulação de calor. Para aumentar o controlo das limalhas e evitar danos, os maquinistas devem desenvolver ferramentas e procedimentos de maquinação que incentivem a formação de limalhas mais curtas.
Tensões residuais
A estrutura cristalina do titânio e o endurecimento por trabalho podem causar tensões residuais durante a maquinagem. A não gestão destas tensões pode causar distorções ou roturas no produto acabado. A aplicação de técnicas de maquinação que acomodem estas tensões, tais como cortes mais profundos, pode ajudar.
Dicas para Maquinação de Titânio Maquinação CNC
Embora o titânio seja muito difícil de trabalhar, ainda existem muitas indústrias e projectistas devido aos seus muitos benefícios. Com base nos nossos muitos anos de experiência em maquinação de titânio, resumimos as seguintes lições.
Selecionar ferramentas de corte adequadas
Utilize ferramentas específicas para titânio, como as que têm revestimentos TiCN ou TiAlN, para melhorar a resistência ao calor e reduzir o desgaste da ferramenta.
Otimizar os parâmetros de corte
Utilize velocidades de fuso mais baixas em conjunto com taxas de avanço mais elevadas para reduzir a geração de calor e evitar o endurecimento do trabalho. Esta estratégia promove a integridade da ferramenta e prolonga a sua vida útil.
Garantir a rigidez da instalação
Fixe firmemente a peça de trabalho e utilize configurações de ferramentas robustas para reduzir as vibrações e a deflexão, que podem prejudicar o polimento da superfície e a precisão dimensional.
Utilizar sistemas de arrefecimento de alta pressão.
Utilize líquido de refrigeração de alta pressão diretamente na zona de corte para dissipar eficazmente o calor, diminuir os danos térmicos e aumentar a evacuação das aparas.
Acabamentos de superfície para peças maquinadas em titânio
Os componentes de titânio maquinados podem beneficiar muito de uma variedade de processos de acabamento de superfície que melhoram as caraterísticas práticas e estéticas. Eis alguns dos tratamentos de superfície mais frequentes utilizados no titânio.
Polimento
O polimento produz uma superfície lisa e reflectora, que melhora o aspeto estético dos componentes de titânio. Este método é muito benéfico em aplicações onde a aparência é importante, como jóias e peças de aeronaves de alta qualidade. Detalhe do polimento do titânio
Anodização
A anodização é uma técnica eletroquímica que deposita um revestimento protetor de óxido na superfície do titânio. Isto melhora a resistência à corrosão e permite a personalização da cor, tornando-a útil em dispositivos médicos e produtos de consumo.
Bead Blasting
A granalhagem ou o jato de areia produz um acabamento mate rugoso nas superfícies de titânio. Esta abordagem é frequentemente utilizada pelas suas vantagens estéticas, que podem ajudar a aumentar a resistência aos riscos.
Revestimento PVD (deposição física de vapor)
Os revestimentos PVD, incluindo o nitreto de titânio (TiN), melhoram a dureza e a resistência ao desgaste. Este método inclui a deposição de uma fina camada de material na superfície do titânio, o que pode melhorar o desempenho em ambientes difíceis.
Electropolimento
O electropolimento aumenta o acabamento da superfície ao eliminar uma pequena camada de material, deixando-a limpa e brilhante. Este procedimento também reduz a micro-rugosidade e aumenta a resistência à corrosão.
Revestimento a pó
O revestimento em pó produz um acabamento de longa duração que pode ser aplicado numa variedade de tonalidades. É muito útil para melhorar o aspeto e a resistência à corrosão das peças de titânio utilizadas em aplicações exteriores.
Cromagem
A cromagem coloca uma camada de crómio em cima das peças de titânio para as tornar mais resistentes à ferrugem e dar-lhes um acabamento brilhante. Este processo é frequentemente utilizado para o acabamento de automóveis e para fazer decorações.
Escovagem
Escovar as peças de titânio dá-lhes um aspeto único e ajuda a esconder os riscos e o desgaste ao longo do tempo, dando à superfície um padrão linear.
Pintura
A pintura de superfícies de titânio é uma forma fácil de adicionar cor e de as manter a salvo de danos. Normalmente, é utilizada para dar um aspeto, e podem ser utilizadas diferentes técnicas para a aplicar, consoante o acabamento pretendido.
Aplicações das peças maquinadas em titânio
Devido à sua elevada relação resistência/peso, resistência à corrosão e biocompatibilidade, as peças maquinadas em titânio são essenciais para muitas empresas. Podem ser utilizadas numa série de áreas.
Indústria aeroespacial
O titânio é utilizado em aviões para peças importantes como lâminas de compressores, discos, estruturas de fuselagem e trens de aterragem porque é forte mas não demasiado pesado. Para que os aviões funcionem bem e durem muito tempo, têm de ser capazes de suportar temperaturas elevadas e a corrosão.
Áreas médicas e dentárias
O titânio é um material popular para implantes médicos, como implantes dentários, substituições de articulações e ferramentas cirúrgicas, porque é biocompatível e não reage com os fluidos corporais. A sua utilização reduz a probabilidade de recusa e garante a sua durabilidade no corpo.
Setor automóvel
As peças maquinadas em titânio são utilizadas em peças do motor, como válvulas e bielas, bem como em sistemas de escape, em carros caros e de alto desempenho. A resistência e a leveza do material ajudam o carro a funcionar melhor e a gastar menos gasolina. (Fonte Wikipedia)
Aplicações marítimas
O titânio é um bom metal para engrenagens marítimas, eixos de hélice e outras peças que serão expostas a condições marítimas adversas porque não enferruja. Isto torna-o fiável e duradouro.(Fonte Wikipedia)
Usos Industriais
As peças maquinadas em titânio são utilizadas em permutadores de calor, válvulas e reactores no processamento químico e na produção de energia, uma vez que podem suportar ambientes corrosivos e temperaturas elevadas, o que mantém as operações seguras e eficientes.(Fonte Wikipedia)
FAQS
Comparação com outros materiais
O Ti é mais difícil de trabalhar do que outros materiais porque não conduz bem o calor, é muito forte e tem tendência a endurecer, o que significa que são necessárias ferramentas e métodos especiais.
Porque é que o titânio é difícil de maquinar?
A falta de condutividade térmica torna o titânio difícil de trabalhar porque aquece facilmente.
Quais são as melhores ferramentas de corte para titânio?
Quando se trata de cortar titânio, as ferramentas de metal duro com acabamentos de alta tecnologia como TiAlN ou TiCN funcionam melhor. Estas ferramentas duram muito tempo e ajudam a manter o calor baixo durante o processo de corte.
Que processos de maquinagem são normalmente utilizados para o titânio?
A fresagem, o corte, a perfuração e a retificação são formas comuns de trabalhar com titânio. Para obter uma boa maquinação, mantendo o calor e o desgaste da ferramenta a um nível mínimo, cada processo necessita de um controlo cuidadoso das suas definições de corte.
Conclusão
Ao adquirir competências nestes domínios, a maquinagem CNC de titânio torna-se um método prático e eficaz para fabricar peças duradouras e precisas para as empresas aeroespaciais, médicas e automóveis.
