307-044-anc3a1lise-do-comportamento-do-ac3a7o-aisi-p20-beneficiado-e-soldado-utilizado-em-moldes-de-injec3a7c3a3o-19c2ba-cbecimat-21-a-25-nov-2010.pdf...

ANLISE DO COMPORTAMENTO DO AO AISI P20 BENEFICIADO E SOLDADO UTILIZADO EM MOLDES DE INJEO

E. Berkenbrock1, S. P. Jardim1, S. F. Becker1, D. Bond1 Caixa Postal 6223, CEP 89204-971 Joinville SC [email protected]

1 Sociedade Educacional de Santa Catarina SOCIESC

RESUMO

Para modificar as dimenses dos moldes de injeo fabricados em ao AISI P20, assim como recuperar suas partes desgastadas e/ou fraturadas, evitando que estes sejam prematuramente descartados, pode ser realizado um reparo por soldagem utilizando o processo TIG (tungsten inert gas). Porm este ao possui baixa soldabilidade o que dificulta posterior usinagem dos reparos. Este trabalho tem como objetivo comparar a usinabilidade entre o ao P20 no estado fornecido (beneficiado) e soldado. Para isso foi realizado um planejamento experimental estudando o efeito da condio do material e sua usinabilidade. A rugosidade superficial foi avaliada e os resultados mostraram que no houve aumento da rugosidade no material soldado.

Palavras-chave: Ao P20, Soldagem Tig, Usinagem, Rugosidade Superficial.

INTRODUO

No ano de 2009, a produo de transformados plsticos atingiu 5,19 milhes

de toneladas de produtos, apresentando uma tendncia crescente desde 2000,

quando a produo foi de 3,88 milhes de toneladas. A segmentao do mercado de

transformados plsticos est principalmente caracterizado por trs processos de

produo: injeo (19%), extruso (57%) e sopro (16%)(1).

A moldagem por injeo mostra-se como um dos principais e amplamente

utilizados processos de transformao de polmeros, devido sua grande

versatilidade e consequentemente, grande aplicabilidade. Basicamente, o processo

de injeo consiste em forar o polmero fundido e homogeneizado para dentro de

uma cavidade de um molde dando forma desejada ao produto(2,3). Neste segmento a

fabricao do molde tem papel fundamental. Os custos destinados produo de

moldes representam 30% do custo de um produto fabricado pelo processo de

injeo e mais 5% do custo deste produto relativo ao ao utilizado(4).

Uma vez que os moldes possuem papel fundamental na cadeia produtiva das

peas injetadas, ele deve ser utilizado at o final da sua vida til. Porm, neste

mercado competitivo surgem mudanas rpidas no projeto do produto levando ao

19 Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais CBECiMat, 21 a 25 de novembro de 2010, Campos do Jordo, SP, Brasil

5998

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descarte prematuro dos mesmos. Nesta situao os moldes podem ser reparados

objetivando alcanar a forma desejada. Alm disso, outra situao que exige o

reparo do mesmo a ocorrncia de pequenas fraturas ou desgaste nas cavidades e

nas partes de fechamento. Em todos estes casos os moldes podem ser reparados

por um processo de soldagem entre eles: micro-plasma, tungsten inert gs (TIG) ou

laser(5); como tambm por asperso trmica(6).

No processo de soldagem TIG o arco voltaico, fonte de calor, aberto atravs

da diferena de potencial entre um eletrodo de tungstnio e a pea. Um gs inerte

(Ar, He ou misturas) estabiliza o arco e protege a poa de fuso da atmosfera. Com

este processo de soldagem possvel obter soldas de elevada qualidade, sem

respingos utilizando ou no material de adio(7). Porm esta soldagem pode

prejudicar algumas propriedades dos moldes como a resistncia fadiga, devido

aos elevados nveis de tenses residuais impostos pelo processo de soldagem como

constatou BORREGO et. al.(5) num trabalho que utiliza soldagem a laser. A

usinabilidade dos moldes tambm prejudicada, uma vez que a zona fundida e

zona termicamente afetada podem ter seus nveis de dureza aumentados aps o

reparo(8).

Este trabalho tem como objetivo comparar a usinabilidade do ao AISI P20

antes e depois de realizado o reparo pelo processo de soldagem TIG, atravs da

anlise do acabamento superficial.

A avaliao do acabamento superficial est relacionada s marcas provocadas

na superfcie devido s trajetrias seguidas pela ferramenta de corte, sendo elas

denominadas rugosidade. Sua quantificao dada atravs de diferentes parmetros,

sendo que os mais utilizados na indstria esto definidos e representados na norma

NBR ISO 4287(2002)(9). Vrios trabalhos j foram realizados para avaliao de

superfcies usinadas com o processo de fresamento. Polli et al.(10) e Yang & Chen(11)

fizeram uso do Parmetro Ra, enquanto que Nunes et al.(12) utilizaram os parmetros

Ra e Rz para quantificar a rugosidade nas superfcies estudadas de moldes e

matrizes. Nicola(13) analisou as superfcies fresadas atravs dos parmetros Ra, Rz

e Rz1max. Este concluiu que os 3 parmetros tm relao entre si e que seus

comportamentos indicam concluses semelhantes na anlise experimental. Apesar

de o parmetro Ra ser o principal parmetro encontrado na literatura para indicar o

estado da rugosidade, importante destacar que ele representa uma rugosidade


5999

5999

mdia da superfcie, enquanto que o parmetro Rz caracteriza a amplitude das

marcas no comprimento de amostragem.

MATERIAIS E MTODOS

Para alcanar os objetivos propostos utilizou-se um ao AISI P20 com dureza

medida entre 341HV e 362HV e microestrutura martensita revenida, tipicamente

fornecido beneficiado. Para a avaliao da sua usinabilidade depois de soldado,

foram depositados cordes atravs do processo de soldagem TIG utilizando-se um

material de adio dissimilar AWS 5.28-96 ER 80S-B, dimetro 2 mm. Na Tab. 1 so

apresentadas as composies qumicas dos materiais de base e de adio, e os

correspondentes valores de carbono equivalente que so um indicador da

temperabilidade e conseqentemente da soldabilidade do material.

Tab. 1: Composies qumicas e carbonos equivalentes dos metais de base e de adio

Elemento C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu

Ao AISI P20a 0,39 0,31 1,46 0,01 0,003 1,78 0,72 0,19 0,04

Ceiiwc = 1,11 Material de Adiob

AWS 5.28-96 ER 80S-B2

0,09 0,58 0,54 0,01 0,006 1,33 0,04 0,51 0,03

Ceiiwc = 0.56 a Composies medidas atravs do ensaio de espectrometria tica b Composies fornecidas com certificado de qualidade do fabricante. c Carbono equivalente do IIW, CEiiw= %C + %Mn/6 + %(Cr + Mo + V)/5 + %(Ni + Cu)/15.

Bohorquez e Preciado(14), numa viso metalrgica sobre os reparos soldados

no AISI P20, sugerem a utilizao deste material de adio com menor teor de

carbono equivalente (0,56) do que o do material de base (1,11), pois reduz a

probabilidade de formar trincas a frio.

A soldagem foi realizada num corpo de prova de 200mm x 40mm x 15mm,

depositando-se 18 cordes para preencher totalmente os 40mm de largura da

superfcie, realizando uma soldagem multipasses obtendo assim as dimenses

mnimas para usinagem. Utilizou-se a temperatura de preaquecimento e interpasses

de 225C 25C; velocidade de soldagem 10 cm/min; intensidade de corrente 135A;

tenso 15V resultando num aporte trmico de 12,1 kJ/cm; com eletrodo de

W+2%ThO2, dimetro 2,5mm e ngulo 60. Aps a soldagem o corpo de prova foi

retificado para obteno de uma superfcie plana e cortado transversalmente para

medio da profundidade total da solda (1,2mm).


6000

6000

A usinabilidade das soldas foi avaliada em fresamento com refrigerao a seco,

ferramenta (WC) e cobertura PVD (TiN) com 1 aresta de corte; dimetro 12 mm e

raio da ponta 0,8 mm; ngulo de sada 24; avano por dente (fz) 0,1 mm/rotao,

sentido de corte concordante e linear com profundidade axial de 0,3mm. Esta

profundidade foi determinada a partir da profundidade total da solda, evitando que a

usinagem do ltimo passe fosse realizado em parte no material de base.

Foi conduzido um planejamento experimental 23, com trs fatores e dois nveis,

conforme relacionados na Tab. 2, sendo as rodadas do experimento realizadas

aleatoriamente. Vale aqui ressaltar que para cada combinao foi utilizada uma

ferramenta nova.

Tab. 2. Fatores e nveis do planejamento fatorial realizado.

Fatores Nveis Material ao P20 ao P20 soldado

Velocidade de corte (Vc) 75 m/min 150 m/min

Profundidade de corte radial (ae)

3mm 6mm

Para medio da rugosidade, utilizou-se um rugosmetro porttil Mitutoyo

modelo SJ-201, ajustado para medir 5 comprimentos de amostragem (c) de 0,8 mm, o que gerou um comprimento de avaliao de 4 mm. As medies foram

realizadas em 3 posies distintas sobre cada superfcie usinada, sendo

considerada a mdia dos valores obtidos para as anlises dos resultados. A

avaliao da rugosidade da superfcie usinada foi compilada no software Minitab,

para os parmetros de sada Ra e Rz.

Tambm foi realizada a avaliao do comportamento do ao AISI P20

beneficiado e soldado, atravs da anlise metalogrfica e medio da microdureza

Vickers. Os ensaios de microdureza Vickers (HV0,5) foram realizados na seo

transversal da solda (sentidos transversal e longitudinal aos cordes). No sentido

transversal pode-se observar a diferena de dureza nas regies: zona fundida (ZF),

zona termicamente afetada (ZTA) e material de base (MB). J no sentido longitudinal

foi observada a homogeneidade da solda multipasses.


6001

6001

RESULTADOS E DISCUSSO Caractersticas do material soldado

Quando o ao sofre apenas um ciclo trmico durante a soldagem, no caso o

AISI P20, este sofre uma retmpera pois seu estado inicial temperado e revenido.

A dureza na ZTA pode chegar a 600HV. Porm quando utilizada a tcnica de dupla

camada e passe de revenido a dureza da ZTA permanecendo abaixo de 450 HV,

significa que houve revenido nesta regio(14). Conforme a Fig. 1 pode-se verificar

que neste caso os nveis de dureza ao longo da seo transversal da solda,

decorrente de mudanas de fase nas suas regies (MS, ZTA), no chegou a 600HV,

o que confirma a possvel ocorrncia do revenimento decorrente dos multipasses

utilizados.

Figura 1 : Perfil de microdureza ao longo da seo transversal da solda (MS, ZTA e MB) no ao AISI P20

Anlise da rugosidade

Para avaliao dos parmetros de rugosidade Ra e Rz, decorrentes do

planejamento fatorial 23, foram construdos os grficos de probabilidade normal com

base nos efeitos padronizados (estatstica t), sendo estes apresentados na Fig. 2.

Para um nvel de confiana de 95%, os resultados demonstram que o material e a

velocidade de corte so significativos, bem como existe uma interao entre estes

dois fatores. Observa-se tambm que as concluses coincidem para os parmetros

Ra e Rz. Desta forma, a avaliao detalhada da rugosidade superficial ser feita

apenas para o parmetro Rz.


6002

6002

Fig. 2: Probabilidade normal dos efeitos, a partir do planejamento fatorial 23 Com o objetivo de proporcionar uma melhor compreenso dos resultados de

rugosidade, a Fig. 3 apresenta as interaes no planejamento fatorial 23, sendo

possvel realizar as seguintes inferncias:

a) interao entre o material usinado e a velocidade de corte: pode-se verificar

que o efeito da velocidade de corte no material soldado pequeno,

enquanto que no material P20 houve uma reduo da rugosidade com o

aumento da velocidade de corte;

b) para o nvel de significncia = 0,05, no existe interao entre a velocidade de corte e a profundidade radial de usinagem, bem como entre o

material usinado e a profundidade radial de usinagem.

15075 63

4

3

2

4

3

2

Material

Vc

ae

P20P20-Solda

Material

75150

Vc

Fig. 3: Interaes no planejamento fatorial 23, para o parmetro Rz (em m)

Como o material afeta a rugosidade da superfcie usinada, recomendvel

subdividir os resultados obtidos no experimento. Desta forma, os dados foram

estratificados para o material P20 e para o material soldado. Portanto, cada anlise

caracterizou-se como um planejamento fatorial 22. Baseado na probabilidade normal

dos efeitos no material P20 (Fig. 4a) verifica-se que a alterao na velocidade de

1050-5-10

99

95

90

80

70

605040

30

20

10

5

1

Efeito padronizado

%

A MaterialB VcC ae

Fator Nome

No significativoSignificativo

Tipo de Efeito

ABC

BCAC

AB

C

B

A

1050-5-10

99

95

90

80

70

6050

40

30

20

10

5

1

Efeito padronizado

%

A MaterialB VcC ae

Fator Nome


Tipo de Efeito

ABC

BCAC

AB

C

B

A

ParmetroRa ParmetroRz


6003

6003

corte gera um efeito significativo na rugosidade da superfcie usinada, para um nvel

de confiana de 95%. Ainda de acordo com este grfico, pode-se observar que a

profundidade radial de usinagem no possui efeito significativo na rugosidade

superficial, bem como no ocorre a interao entre esses dois fatores.

Ao se realizar a mesma anlise para o material soldado, a probabilidade

normal, conforme a Fig. 4b, verifica-se nenhum efeito significativo decorrente dos

fatores testados, considerando um nvel de significncia de 95%.

50-5-10

99

95

90

80

70

60

50

40

30

20

10

5

1

Efeito padronizado

%

A VcB ae

Fator Nome


Tipo de efeito

AB

B

A

6543210-1-2-3

99

95

90

80706050403020

10

5

1

Efeito padronizado

%

A VcB ae

Fator Nome


Tipo de efeito

AB

B

A

a) Material P20 b) Material P20 soldado

Fig. 4: Probabilidade normal dos efeitos, para o material P20

O grfico das interaes entre os fatores: velocidade de corte e profundidade

radial pode ser verificado na Fig. 5. Para o material P20 (Fig. 5a), a rugosidade

obtida foi sempre superior na velocidade de 150 m/min, independente da

profundidade radial de usinagem. O grfico tambm demonstra que, para uma

variao de 3 mm para 6mm no fator ae, no verificada uma alterao significativa

da rugosidade na superfcie usinada.

Para o material P20 soldado, mantendo a mesma escala de rugosidade,

verifica-se que o efeito decorrente das variaes dos fatores foi pequeno

considerando a disperso dos valores originalmente obtidos (Fig. 5b). Assim, pode-

se inferir que a rugosidade no significativamente afetada pelas mudanas na

velocidade de corte e na profundidade radial de usinagem.


6004

6004

63

5

4

3

2

1

ae

Md

ia

75150

Vc

63

5

4

3

2

1

ae

Md

ia

75150

Vc

a) Material P20 b) Material P20 soldado

Fig. 5: Interao dos fatores Vc x ae, para o material P20, para Rz (em m)

CONCLUSES Baseado nos resultados obtidos nesta pesquisa, pode-se concluir para o fresamento do ao AISI P20 beneficiado e soldado com ferramenta de metal duro com cobertura que:

O acabamento superficial obtido aps a soldagem no apresentou rugosidade maior quela quando do material beneficiado;

O fato da solda ter sido realizada com multipasses, pode ter promovido um revenimento nas regies adjacentes, resultando nos mesmos nveis de dureza do ao beneficiado e consequentemente sem variaes significativas no acabamento superficial.

Para o material beneficiado verificou-se maiores valores associados ao parmetro Rz quando o mesmo foi usinado com velocidade de corte baixa. Para esta regio de anlise recomenda-se uma maior investigao, estabelecendo um maior nmero de nveis para anlise.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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ANALYSIS OF WELDED AND MANUFACTURED AISI P20 STEEL USED IN INJECTION MOULDS

ABSTRACT

In order to modify the dimensions of injection molds manufactured in AISI P20 steel, and to repair worn and damaged parts, a welding repair process using GTAW (gas tungsten arc welding) can be done. However AISI P20 steel has low weldability. This fact complicates the machining on the repairs. The objective of this work is to compare the machining of welded and manufactured AISI P20 steel used in injection moulds. A design of experiment analyzing the material and machining parameters was carried out. The superficial roughness was evaluated. The results did not show any increase in roughness in the material welded.

Keywords: AISI P20, GTAW, Machining, Roughness


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