Efeito do fresamento na microestrutura e na formação do cavaco de aços ferríticos com grãos ultrafinos

Cleiton Lazaro Fazolo de Assis

Universidade de São Paulo

Naiana Cristina Bazanini Maíra Cristina Gual Pimenta de Queiroz

Alessandro Roger Rodrigues Juno Gallego

Universidade Estadual Paulista

Otávio Villar da Silva Neto Universidade Paulista

Resumo Este trabalho visou avaliar a influência da usinagem de desbaste e de acabamento ( na

microestrutura e na formação do cavaco de um aço ferrítico 0,15%C como recebido e submetido a tratamento termomecânico para obtenção de uma estrutura de grãos ultrafinos. Os ensaios foram realizados em um centro de usinagem vertical. Os insertos de metal duro e o suporte para mandril porta-fresa foram especificados pelo fabricante das ferramentas. Para análise da microestrutura e do cavaco recorreu-se à microscopia eletrônica de varredura. O fresamento de desbaste causou modificações sensíveis na morfologia da microestrutura nas regiões próximas às superfícies usinadas. Já o fresamento HSC, devido à alta taxa de cisalhamento a qual a peça é submetida, promoveu alterações perceptíveis no formato dos grãos localizados próximos à superfície usinada. Em ambas as condições de usinagem, e materiais ensaiados, não houve sinais de recristalização ou mudança de fase dos grãos. Os cavacos obtidos na usinagem de desbaste foram contínuos, apresentando clara justaposição das lamelas. A usinagem de acabamento (HSC) gerou cavacos segmentados nas amostras com “microgrão” (em início de formação) e nas amostras “como recebido” (completamente formados).

1 – Introdução

Atualmente ainda não há um consenso na literatura sobre a definição da usinagem com alta velocidade de corte (HSC – High-Speed Cutting, em inglês). De acordo com Heisel e Gringel, Sckock e Schulz citados por Silva (2002), entende-se por usinagem HSC processos com velocidades de corte e taxas de avanço aumentadas por um fator de 5 até 8 vezes em relação às velocidades de corte (vc) e avanços (f) tradicionais. Entretanto, outros intervalos também têm sido mencionados na literatura, como de 7 a 10 vezes, por exemplo. Assim sendo, a usinagem HSC não pode ser definida exclusivamente pela velocidade de corte aplicada, de forma que o uso do termo depende do tipo de material usinado e do tipo de operação executada. Apesar da promissora expectativa que circunda a usinagem com altas velocidades de corte e de sua ascendente difusão no meio industrial, entende-se que ainda há necessidade de se buscar respostas para aspectos mais voltados ao material usinado sob HSC, tais como possíveis alterações na integridade superficial da peça.

Além disso, inerente e anterior aos processos de usinagem existe o aspecto da concepção do material bruto por meio de seu projeto metalúrgico. Em geral, os materiais são concebidos por arranjo de elementos de liga e processos termomecânicos, como forjamento, laminação e extrusão para compor não apenas a forma do material bruto, mas também para obter uma microestrutura e propriedades mecânicas adequadas à sua aplicação. Essas duas frentes de pesquisa (processamento metalúrgico e usinagem) nem sempre têm sido exploradas de forma conjunta e estreita, embora estejam intimamente interligadas.

Os aços com baixo teor de carbono ocupam hoje cerca de 70% da produção mundial, objetivando aplicações industriais das mais variadas, desde imensos componentes estruturais até pequenas peças e dispositivos mecânicos (Neves et al., 2006). O desenvolvimento de aços com alta resistência com grãos ultrafinos tem sido objeto de esforço considerável de pesquisa, principalmente em países asiáticos. O refino de grão é um método eficiente para o aumento da resistência mecânica sem que outras propriedades sejam afetadas, conjugando, em alguns casos, a melhoria de propriedades como a tenacidade (Ferreira, 2005).

Existem técnicas variadas para obtenção de grãos ultrafinos em estruturas ferríticas, caracterizadas principalmente pelo baixo teor de elementos de liga e de carbono. Cada processo apresenta sua particularidade quanto ao mecanismo de gerar uma microestrutura refinada. Essas técnicas podem resultar grãos que variam de 1 a 5 µm de diâmetro médio. O que definirá qual a melhor metodologia a ser empregada serão a necessidade e a capacidade existentes para produzir esse material, e nesse know-how são levados em consideração os custos de produção, estrutura física e pesquisa intensificada.

Recentemente muitos estudos em grãos ultrafinos têm sido conduzidos com o propósito de elaborar aços estruturais (Yokoda et al., 2005). Seu uso é também indicado na indústria automotiva e aeronáutica, como forma de reduzir custos de material, sem denegrir o fator de segurança da peça produzida. O Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão (NIMS) comenta que a estrutura de grãos ultrafinos mostra-se adequada para produção de peças normalmente obtidas a partir de aços com altos teores de liga, como parafusos e eixos submetidos a altas temperaturas.

A maioria das falhas ocorre na superfície dos materiais, incluindo fratura por fadiga, desgaste, corrosão, entre outras, que sensibilizam a estrutura e as propriedades da superfície do material. De acordo com Tao et al., (2002) a otimização da estrutura superficial e demais propriedades podem efetivamente melhorar o comportamento global de um material. Como resultado, a modificação da superfície de materiais de engenharia por meio do refino de grão tende a gerar mais aplicações industriais. 2 – Objetivos

Sabendo-se que a textura superficial da peça tem influência decisiva no desempenho, nas propriedades e na segurança do componente usinado, este trabalho de pesquisa visou avaliar o efeito da condição de usinagem tida como convencional e em alta velocidade de corte na microestrutura e na formação do cavaco de um aço ferrítico 0,15% C, processado termomecanicamente para refino de grão. 3 – Procedimentos experimentais

O planejamento experimental dos ensaios de fresamento foi executado segundo o conceito técnico sobre usinagem convencional e altas velocidades de corte, visando avaliar as possíveis variáveis de usinagem e suas respectivas influências na microestrutura e na formação do cavaco dos corpos de prova ensaiados. O ensaio estabelecido para a usinagem das peças foi o fresamento de topo em centro de usinagem CNC.

Foram adotados como variáveis de entrada para a realização dos ensaios a velocidade de corte (vc), o avanço por dente (fz) e a profundidade de usinagem (ap). Para a caracterização microestrutural das peças, levou-se em consideração a possível deformação dos grãos de ferrita ao longo da seção transversal próximo à superfície usinada. O estudo do cavaco considerou a morfologia apresentada em cada condição.

O ângulo de folga da ferramenta (21º) foi mantido constante ao longo dos ensaios, assim como o ângulo de posição (90º) e o raio de ponta do inserto (0,8 mm). Todos os testes foram realizados a seco, na condição de corte concordante, com largura de usinagem (ae) constante e igual a 2 mm.

Devido ao formato geométrico das amostras, a fixação foi realizada recorrendo-se a uma morsa com mordentes em forma de cunha e calços retificados para o assentamento preciso das amostras. A faixa de exploração das variáveis de entrada foi determinada conforme dados de usinabilidade disponibilizados pela empresa fornecedora do material da peça, pelo fabricante da ferramenta de corte e pelo conceito de usinagem HSC. Sendo assim, a tabela 1 apresenta as variáveis de entrada e o número respectivo de variações (níveis).

Tabela 1 – Variáveis de entrada e os níveis adotados nos ensaios de usinagem.

Variáveis de Entrada Níveis Condições de Usinagem

Convencional HSC

Velocidade de corte [m/min] 2 250 700

Profundidade de usinagem [mm] 2 3,0 0,5

Avanço [mm/dente] 2 0,15 0,08

Todos os ensaios de usinagem foram realizados em um centro de usinagem vertical, marca ROMI, modelo Discovery 560, com rotação máxima de 10.000 rpm e potência de 11 kW. A microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada na análise do cavaco e na avaliação da microestrutura da seção transversal dos corpos de prova próxima à superfície fresada. Para tanto, recorreu-se ao microscópio Jeol, modelo JSM 5410.

O material, fornecido pela Usiminas-Cubatão S/A na forma de chapa grossa laminada, denomina-se comercialmente como COS AR60. Parte dos corpos de prova foi submetida a um tratamento termomecânico para obtenção de uma estrutura de grãos ultrafinos. A especificação química do material pode ser visualizada na tabela 2.

Tabela 2 – Especificação química do material utilizado nos testes de usinagem (% em peso). C Mn P S Si Al Cu Cr Ni Nb V Ti Ceq

0,15 1,49 0,027 0,009 0,27 0,046 0,005 0,276 0,008 0,048 0,044 0,016 0,40

As peças submetidas ao tratamento termomecânico, assim como as chapas grossas, foram recebidas na forma bruta, neste trabalho denominadas na condição “Como Recebido” (CR). Dessa maneira, antes de realizar os ensaios de usinagem principais, elas foram submetidas a uma pré-usinagem por meio de um processo de fresamento convencional, visando à obtenção de superfícies planas. Após a pré-usinagem, os corpos de prova apresentaram as dimensões 10 x 24 x 100 mm. As amostras com grãos ultrafinos foram denominadas (GUF). Medidas de dureza Vickers foram feitas em ambas as condições de processamento metalúrgico (CR/GUF). Na tabela 3 encontram-se os valores de dureza Vickers dos corpos de prova.

Tabela 3 – Materiais dos corpos de prova caracterizados pela dureza e condição microestrutural.

Condição do Material Dureza [HV] Identificação

“Como Recebido” na forma de chapa grossa 198 ± 2,6 CR

Submetido ao tratamento termomecânico 322 ± 7,3 GUF

Os insetos de metal duro e o suporte para mandril porta-fresa empregados nos ensaios de fresamento foram especificados com auxílio da Sandvik Coromant, fabricante das ferramentas. As pastilhas R390-11 T3 08M-PM 4220, revestidas de Al2O3 para classe ISO entre P5 e P25, congregam boa tenacidade e resistência ao desgaste elevada. São ferramentas adequadas para operações de fresamento otimizado, sem refrigeração, na usinagem de aços com altas taxas de remoção de material e elevadas velocidades de corte. O suporte dos insertos R390-025A25-11L apresenta sistema de fixação tipo Weldon, permite usinagens de canto a 90° e operações de faceamento, faceamento de canais, interpolação helicoidal, fresamento em rampa, de mergulho e mandrilhamento helicoidal.

Todos os corpos de prova fresados foram cortados em duas seções transversais direcionadas entre si de 90º, ou seja, foram analisadas a seção seccionada na mesma direção do avanço da ferramenta e a seção perpendicular à direção de avanço da fresa.

O embutimento das amostras metalográficas foi realizado a quente com o emprego de baquelite, em seguida passaram por um processo de lixamento manual, alternando a posição de trabalho em 90° a cada troca de lixa, com a seguinte sequência de granulação: 120, 220, 320, 400, 600 e 1000. Para espelhamento, foi feito o polimento das amostras com alumina, com tamanho de partículas de 1 µm e posteriormente 0,3 µm. Após a etapa de preparação, as amostras sofreram um ataque químico ordenado em duas fases. A primeira fase constituiu-se de ataque com Reagem de Marshall e a segunda fase de Nital 1%.

4 – Resultados e discussão

As imagens apresentadas nas figuras 1 e 2, referentes respectivamente às amostras CR e GUF, procuram retratar mais propriamente a região próxima à superfície usinada, cada qual segundo as condições de usinagem de desbaste e acabamento (HSC). As imagens com denominação “longitudinal” foram obtidas das seções transversais seccionadas na mesma direção do avanço da ferramenta. Ao contrário, as fotos com identificação “transversal” indicam que a seção de análise é perpendicular à direção de avanço da fresa.

(a) Desbaste, seção longitudinal (b) Desbaste, seção transversal

(c) HSC, seção longitudinal (d) HSC, seção transversal

Figura 1 – Imagens de MEV das amostras CR (ataque Marshall seguido de Nital 1%).

(a) Desbaste, seção longitudinal (b) Desbaste, seção transversal

(c) HSC, seção longitudinal (d) HSC, seção transversal

Figura 2 – Imagens de MEV da amostra GUF (ataque de Marshall seguindo de Nital 1%).

Resina

Peça

Superfície fresada Resina

Peça

Superfície fresada

Deformação acentuada Deformação sensível

Resina

Peça

Superfície fresada Resina

Peça

Superfície fresada

Deformação acentuada Deformação sensível

Peça

Superfície fresada

Peça Deformação Sensível

Deformação Sensível

Resina Resina Superfície fresada

Resina

Peça

Superfície fresada Resina

Peça

Superfície fresada

Deformação Sensível Deformação Sensível

As imagens de MEV das figuras 1a e 1b mostram que a usinagem de desbaste causou uma deformação sensível na microestrutura do material CR próxima à superfície usinada. É possível constatar que os grãos adjacentes à superfície fresada, localizados logo abaixo da divisão peça-resina, foram pouco afetados pela ação da ferramenta de corte, isto é, tanto a região intragranular como a intergranular apresentaram uma pequena faixa de deformação (~5µm), via análise por microscopia eletrônica de varredura.

As figuras 1c e 1d, por sua vez, mostram claramente que a microestrutura do material foi deformada de maneira acentuada na seção longitudinal e sensível na direção transversal à do avanço (as linhas de escoamento estão orientadas para a esquerda das imagens). A diferença de níveis de deformação (longitudinal ou transversal) está relacionada ao movimento de avanço da ferramenta, já que as deformações mais acentuadas ocorreram na direção do avanço. Por fim, pela análise visual e morfológica dos constituintes, não é possível afirmar, mesmo na usinagem HSC, se houve recristalização ou mudança de fase da estrutura próxima à superfície fresada.

De forma análoga ao constatado nas amostras CR, a usinagem de desbaste causou uma deformação sensível, via análise das imagens de MEV, na microestrutura das amostras GUF. Pode ser visto claramente nas figuras 2a e 2b que a estrutura refinada dos grãos sofreu pouca modificação na região próxima à superfície fresada. Os contornos das colônias de perlita (em alto relevo nas fotos) fora tenuamente alterados.

No entanto, as amostras GUF usinadas na condição HSC apresentaram o mesmo comportamento das amostras CR, ou seja, níveis de deformação dos grãos na região próxima à superfície fresada, sendo mais acentuada na direção do avanço e mais sensível na direção perpendicular à do avanço. Dessa forma, considerando o conceito de usinagem HSC, especialmente sob o prisma tecnológico, relevante e cada vez mais difundido nas indústrias do ramo metal-mecânico, em se tratando da integridade superficial do produto, a usinagem com altas velocidade de corte pode influir de forma significativa na peça, sobretudo em componentes que demandem alta confiabilidade em serviço.

Quanto ao processo de formação de cavaco, observa-se nas figuras 3a e 3b que os cavacos gerados na usinagem de desbaste foram contínuos, com as justaposições das lamelas bem definidas. Uma diferença considerada importante está na condição microestrutural da amostra usinada, pois o tamanho de grão pode ter ditado a espessura das lamelas dos cavacos. Nota-se que as lamelas dos cavacos CR são maiores que as dos cavacos GUF.

Os cavacos gerados pela usinagem HSC também figuraram diferenças importantes quanto ao mecanismo de formação. As figuras 3c e 3d mostram as faces laterais dos cavacos CR e GUF, respectivamente. Pode-se constatar que a menor dureza das amostras CR provavelmente limitou o processo de segmentação das lamelas, sendo possível apenas visualizar o início da segmentação do cavaco. O cavaco GUF, de fato, representa o típico cavaco segmentado, validando, inclusive, o valor de velocidade de corte escolhido para compor o conceito HSC adotado na operação de acabamento. É possível verificar que o grau de segmentação do cavaco é bastante elevado, devido à maior dureza da peça e velocidade de corte.

(a) Amostra CR, Desbaste (b) Amostra GUF, Desbaste

(c) Amostra CR, Acabamento (HSC) (d) Amostra GUF, Acabamento (HSC)

Figura 3 – Cavacos gerados a partir dos ensaios de fresamento. 5 – Conclusões

O fresamento de desbaste causou modificações sensíveis, via microscopia eletrônica de varredura, na morfologia da microestrutura nas regiões próximas às superfícies usinadas, seja na amostra CR ou GUF. Já o fresamento HSC, devido à alta taxa de cisalhamento a qual a peça é submetida, promoveu alterações perceptíveis no formato dos grãos localizados próximos à superfície usinada, independentemente da amostra usinada. As linhas de deformação se orientaram na direção do movimento de avanço da ferramenta de corte. Os cavacos obtidos da usinagem de desbaste foram contínuos, apresentando clara justaposição das lamelas. As amostras GUF geraram lamelas mais finas devido ao tamanho de grão reduzido. A usinagem de acabamento (HSC) gerou cavacos segmentados nas amostras GUF, que podem ter um papel decisivo sobre as deformações microestruturais da camada superficial da peça.

6 – Referências bibliográficas 1] Ferreira, J. L., “Avaliação de mecanismos de refino de grão para a obtenção de granulometria ultrafina em aços C-Mn e C-Mn-Nb”, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Metalúrgica, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda-RJ, 2005. 2] Neves, E. G.; Braga, L. H. R., Azevedo, G., Santos, D. B., “Comportamento Mecânico de um Aço C-Mn de Grão Ultra-Fino Produzido por Torção a Quente e Recozimento Intercrítico”, Anais do 58º Reunião Anual da SBPC, Florianópolis, SC, 2006. 3] Silva, L. R., “Estudo da geometria da aresta de corte de ferramentas aplicadas ao torneamento de superligas à base de níquel com alta taxa de velocidade de corte”, Tese de Doutorado, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos-SP, 211p., 2002.

4] Tao, N. R., Wang, Z. B., Tong, W. P., Sui, M. L., Lu, J., Lu, K., “An investigation of surface nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment”, Acta Materialia, Vol.50, pp.4603-4616, Oxford, EUA, 2002. 5] Yokoda, T., Fujioka, M., Niikura, M., “Grain structure of Fe-0,3mass%C-9mass%Ni steel processed through a→γ→a’ transformation caused by spontaneous reverse transformation”, ISIJ International, Vol.45, pp.736-742, Tokio, JP, 2005.

Autores Cleiton Lazaro Fazolo de Assis fazolocla@usp.br Engenheiro Mecânico pela Universidade Estadual Paulista (Unesp). Mestre em Engenharia Mecânica na Área de Materiais e Processos de Fabricação, pela mesma universidade. Atualmente, é Doutorando em Engenharia Mecânica na Área de Processos de Fabricação, pela Universidade de São Paulo (USP). Tem experiência na Área de Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte, Usinagem de Alto Desempenho e Precisão, Integridade Superficial e Refino de Grão em Aços. Naiana Cristina Bazanini naianabazanini@yahoo.com.br Aluna do curso de Engenharia Mecânica pela Unesp. Realiza trabalho de Iniciação Científica junto ao Grupo de Pesquisa em Usinagem do Departamento de Engenharia Mecânica, na área de Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte e Refino de Grão em Aços. Maíra Cristina Gual Pimenta de Queiroz mairaque@aluno.feis.unesp.br Aluna do curso de Engenharia Mecânica pela Unesp. Realiza trabalho de Iniciação Científica junto ao Grupo de Pesquisa em Usinagem do Departamento de Engenharia Mecânica, na área de Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte e Refino de Grão em Aços. Alessandro Roger Rodrigues roger@mat.feis.unesp.br Engenheiro Mecânico pela Unesp. Mestre em Engenharia Mecânica na Área de Materiais e Processos de Fabricação, pela mesma universidade. Doutor em Engenharia Mecânica, na Área de Processos de Fabricação, pela USP, com doutorado sanduíche pela Technische Universität Darmstadt – TUD (Alemanha). Atualmente é Professor Assistente Doutor da Unesp, campus de Ilha Solteira, e Coordenador do Grupo de Pesquisa em Usinagem – GPU. Tem experiência na Área de Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte, Usinabilidade dos Materiais e Integridade Superficial. Juno Gallego gallego@dem.feis.unesp.br Pesquisador CNPq – nível 2, é Engenheiro Mecânico pela Unesp, mestre em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos e doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos. É professor Adjunto da Unesp, campus de Ilha Solteira. Colabora na revisão de artigos científicos dos periódicos Materials Research, tecnologia em Metalurgia e Materiais, Soldagem e Inspeção e do Journal of

Aerospace Technology and Management. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Metalurgia Física, atuando principalmente na área de caracterização microestrutural e mecânica. Atualmente realiza estágio de Pós-Doutorado junto a EESC/USP – São Carlos na área de engenharia de superfícies. Otávio Villar da Silva Neto osvillar@bol.com.br Engenheiro Mecânico pela Unesp. Mestre em Engenharia Mecânica pela Unesp e Doutor em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos. Atualmente é Professor Titular da Universidade Paulista (Unip). Tem experiência na área de Engenharia de Materiais, atuando principalmente nos seguintes temas: aços baixo carbono, grão ultrafino, campo subcrítico e torção a quente.