INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARES

Autarquia associada Universidade de So Paulo

OBTENO, USINAGEM E DESGASTE DE MATERIAIS COMPSITOS DE MATRIZ

METLICA PROCESSADOS VIA METALURGIA DO P.

EDILSON ROSA BARBOSA DE JESUS

Dissertao apresentada como parte dos requisitos

para obteno do grau de Mestre em Tecnologia

Nuclear - Materiais.

Orientador:

Dr. Jesualdo Luiz Rossi

SO PAULO

1998

ii

memria de minha me

minha esposa

Aos meus familiares

eu dedico este trabalho.

... sem Mim nada podeis fazer

(Joo 15:5)

iii

Agradecimentos

Deus pela presena constante.

Ao meu orientador Dr. Jesualdo Luiz Rossi, por ter acreditado no meu trabalho e

pela valiosa participao em todas as etapas do mesmo.

Ao CNPq pela concesso da bolsa de estudos.

Ao Dr. Lus Felipe C. P. de Lima, pelas orientaes e apoio iniciais.

Ao Dr. Arnaldo H. P. de Andrade, pelas discusses e sugestes na elaborao

dos textos.

Ao meu irmo Eng. Edson Souza de Jesus Filho pelo auxlio constante.

Aos colegas do MM e IEO que direta ou indiretamente participaram da elaborao

deste trabalho.

Ao Laboratrio de Ensaios da Faculdade de Engenharia Civil da Escola

Politcnica da USP, nas pessoas do Sr. Reginaldo Mariano da Silva e Srta Patrcia

Rodrigues de Freitas, pela utilizao do equipamento de ensaio para compactao dos

ps.

Ao Laboratrio de Caracterizao Mecnica do IPT, na pessoa do Dr. Marcelo

Gonalves pela utilizao da extrusora na fabricao do material utilizado na pesquisa.

Ao Laboratrio de Fenmenos de Superfcie da Faculdade de Engenharia

Mecnica da Escola Politcnica da USP, nas pessoas do Dr. Amilton Sinatora e MSc

Engenheiro Carlos Henrique da Silva pela utilizao do equipamento e auxlio na

conduo dos ensaios de desgaste.

Ao Laboratrio de Metalografia da Faculdade de Engenharia Metalrgica da

Escola Politcnica da USP, na pessoa da Srta. Mrcia Ribeiro pela utilizao de

equipamentos e auxlio na preparao de amostras.

A todo o pessoal da biblioteca do Ipen e Sra Cllia Megherditchian e Srta

Cludia F. de Lima da biblioteca da Faculdade de Engenharia Metalrgica da Escola

Politcnica da USP, pela colaborao e pacincia dispensadas.

minha esposa Valria Tomi K. de Moraes Jesus pela compreenso, apoio e

incentivo constantes e fundamentais para mais esta conquista.

iv

OBTENO, USINAGEM E DESGASTE DE MATERIAIS COMPSITOS DE MATRIZ

METLICA PROCESSADOS VIA METALURGIA DO P.

Edilson Rosa Barbosa de Jesus

RESUMO

O objetivo deste trabalho foi a obteno de compsitos de matriz metlica (CMM)

pela rota da metalurgia do p, e a avaliao destes quanto s suas caractersticas de

usinagem e desgaste. Inicialmente foram obtidos materiais compsitos de matriz de

alumnio comercialmente puro, com fraes volumtricas de partculas de reforo de

carboneto de silcio iguais a 5, 10 e 15 %. Foi obtida tambm uma quantidade de material

somente com o material da matriz (sem partculas de reforo) para que se pudesse

durante o trabalho, verificar por comparao a influncia da adio de material de reforo

na matriz. O material obtido foi caracterizado fsica (densidade hidrosttica), mecnica

(dureza, ensaios de trao) e microestruturalmente (microscopia ptica e microscopia

eletrnica de varredura). Os resultados mostraram para os materiais compsitos uma

distribuio homognea das partculas de reforo e melhoria das propriedades mecnicas

principalmente o limite de resistncia (LR) em relao ao material sem reforo. Na etapa

seguinte foram realizados ensaios para verificao do comportamento dos materiais

frente usinagem, e avaliao de desempenho de diversos materiais de ferramenta

(carboneto cementado, cermica e diamante policristalino). Nestes ensaios foram

coletados valores de fora de corte a partir de porta-ferramentas instrumentados com

medidores de deformao. Fenmenos tais como desgaste da ferramenta, formao ou

no de aresta postia de corte e formao de cavaco tambm foram observados e

avaliados. Os resultados encontrados nos ensaios com ferramenta de carboneto duro

sinterizado foram utilizados para a determinao dos ndices de usinabilidade de cada

material; estes valores foram ainda aplicados na equao de Taylor e as constantes da

equao para os materiais e condies de ensaio foram tambm determinadas. Os

resultados mostraram que a incluso de partculas de reforo cermico torna

extremamente difcil a usinagem desses materiais e, somente com ferramenta de

diamante foi possvel obter resultados satisfatrios. Na fase final foram realizados testes

de desgaste de efeito comparativo para verificao da influncia da adio de partculas

de reforo nas caractersticas de resistncia ao desgaste do material. Neste caso a

adio de partculas de reforo mostrou ser eficiente na melhoria da resistncia ao

desgaste de todos os materiais compsitos em relao ao material sem reforo.

v

OBTAINMENT, MACHINING AND WEAR OF METAL MATRIX COMPOSITES

PROCESSED BY POWDER METALLURGY.

Edilson Rosa Barbosa de Jesus

ABSTRACT

The aim of this investigation was the obtainment of metal matrix composites

(MMC) by the route of powder metallurgy, and the valuation of these materials with

relation to their machining and wear characteristics. Firstly, were obtained pure comercial

aluminium matrix composites materials, with 5, 10 and 15% volumectric fraction of silicon

carbide particles. Was also obtained a material without reinforcement particles in order to

verify by comparison, the influence of adittion of reinforcement particles. The obtained

materials were characterized physics (hidrostatic density), mechanics (hardness and

tensile tests) and microstructurally (optical microscopy and scanning electron

microscopy). The results showed a homogeneous distribution of reinforcement particles in

the composite, and improvement in the mechanical properties, mainly tensile strength

(UTS) in comparison to the unreinforced material. After, tests were made to verify the

materials behavior during machining and to check the performance of several tool

materials (cemented carbide, ceramics and polycrystalline diamond). In these tests,

values of the cutting force were measured by instrumented tool-holders. Phenomena such

as tool wear, built-up edge formation and mechanism of chip formation were also

observed and evaluated. The results from the cemented carbide tool tests, were utilisated

for the machinability index determination of each material. These results were applied to

the Taylor equation and the equation constants for each material and test conditions were

determinated. The results showed that the inclusion of silicon carbide particles made

extremely difficult the machining of the composites, and only with diamond tool,

satisfactory results were obtained. At last, wear tests were performed to verify the

influence of the reinforcement particles in the characteristics of wear resistance of the

materials. The results obtained were utilized in the wear coefficient determination for

each material. The results showed an improvement in wear resistance, with the increase

in volume fraction of reinforcement particles.

vi

NDICE

ASSUNTO

1 - Introduo..................................................................................................

2 - Fundamentos tericos..............................................................................

2.1 - Compsitos.........................................................................................

2.1.1 - Introduo...................................................................................

2.1.2 - Compsitos de matriz metlica (CMM)........................................

2.1.2.1 - Processos de fabricao.....................................................

2.2 - Usinagem............................................................................................

2.2.1 - Origens e conceitos....................................................................

2.2.2 - Desgaste da ferramenta..............................................................

2.2.3 - Usinabilidade...............................................................................

2.3 - Tribologia............................................................................................

2.3.1 - Origens e conceitos....................................................................

3 - Materiais e mtodos..................................................................................

3.1 - Obteno do material..........................................................................

3.1.1- Materiais.......................................................................................

3.1.2 - Procedimentos............................................................................

3.1.3 - Caracterizao fsica, mecnica e microestrutural do material

obtido.........................................................................................

3.2 - Ensaios de usinagem e usinabilidade.................................................

3.2.1 - Equipamento...............................................................................

3.2.2 - Foras de corte...........................................................................

3.2.3 - Usinabilidade...............................................................................

3.3 - Ensaios de desgaste...........................................................................

PGINA

01

03

03

03

05

08

15

15

16

17

18

18

22

22

23

24

27

29

34

35

36

37

vii

4 - Resultados e discusso............................................................................

4.1 - Caracterizao fsica, mecnica e microestrutural do material obtido

4.1.1 - Caracterizao fsica...................................................................

4.1.2 - Caracterizao mecnica............................................................

4.1.3 - Caracterizao microestrutural....................................................

4.1.3.1 - Fractografia.........................................................................

4.1.3.2 - Metalografia........................................................................

4.1.3.3 - Dissoluo de amostras (extrao do reforo)....................

4.2 - Ensaios de usinagem e usinabilidade.................................................

4.2.1 - Desgaste da ferramenta..............................................................

4.2.2 - Foras de corte...........................................................................

4.2.3 - Aresta postia de corte...............................................................

4.2.4 - Formao de cavacos.................................................................

4.2.5 - Usinabilidade...............................................................................

4.2.6 - Equao de Taylor......................................................................

4.3 - Ensaios de desgaste...........................................................................

5 - Concluses................................................................................................

Sugestes para trabalhos futuros.................................................................

Referncias bibliogrficas.............................................................................

Anexos............................................................................................................

39

39

39

40

42

42

43

45

45

45

52

54

55

59

62

64

72

74

75

80

1

1 INTRODUO

Os materiais compsitos de matriz metlica tm se destacado nas ltimas

dcadas e tm atrado a ateno de pesquisadores e empresrios, principalmente dos

setores aeronutico e aeroespacial e mais recentmente do setor automobilstico. Estes

materiais se caracterizam normalmente por possurem propriedades mecnicas

superiores em relao a outros materiais convencionais aliadas, em alguns casos,

reduo de peso proporcionada pela utilizao de ligas leves em sua composio. A

tendncia na busca incessante pela reduo de custos e manuteno ou melhoria da

segurana de mquinas e equipamentos, indica que o nmero de aplicaes para este

tipo de material pode aumentar consideravelmente provocando um aumento na demanda

de produo dos mesmos.

As caractersticas de usinagem, mais especificamente a usinabilidade e tambm

as caractersticas de desgaste de determinado material, podem ditar a viabilidade ou no

da produo deste material em grande escala. A usinagem exerce forte influncia nos

custos finais de produo de determinada pea ou componente. O desgaste exerce sua

influncia na etapa aps a produo quando da aplicao (utilizao) destas peas e

componentes, podendo representar grandes dispndios financeiros em manuteno e

controle e, tambm, grandes prejuzos quando no feita manuteno ou quando ocorre

falha de controle.

Estudar e avaliar os fenmenos de usinagem e desgaste de materiais compsitos

de matriz metlica, significa entender melhor o comportamento destes novos materiais

durante a confeco de peas e componentes e s solicitaes que os mesmos estaro

sujeitos durante utilizao nos seus mais diversos campos de aplicao. Essa utilizao

implica na concepo (projeto) de variadas formas em que este material poder se

apresentar dependendo, claro, da necessidade de aplicao de cada uma delas.

2

A materializao dessas formas pode se dar das mais variadas maneiras

possveis, sendo quase que imprescindvel porm, em praticamente todas elas, a

necessidade de pelo menos uma operao de usinagem para complementao e

garantia dos padres de dimensionamento e acabamento superficial estabelecidos no

projeto. Mesmo com mtodos de manufatura que possibilitam a obteno destas

praticamente acabadas "near net shape", como por exemplo nos mtodos de fabricao

via metalurgia do p, a necessidade da usinagem ainda no foi completamente

eliminada.

Da a importncia de que se avalie a usinabilidade de materiais compsitos de

matriz metlica e de que se compreenda melhor os mecanismos de desgaste envolvidos

no processo, propondo se necessrio o desenvolvimento de novos materiais de

ferramenta ou processos alternativos de usinagem. Isto para que se viabilize a produo

e utilizao destes materiais em larga escala, pela reduo dos custos nas operaes de

usinagem e na utilizao em campo de peas e componentes.

3

2 - FUNDAMENTOS TERICOS

2.1 - Compsitos

2.1.1 - Introduo

Na busca constante pela melhoria do desempenho, que pode ser avaliada sob

vrios aspectos como reduo de peso, maior resistncia, maior resistncia ao desgaste

e melhor estabilidade trmica entre outras, os materiais normalmente usados j

alcanaram o limite de suas aplicaes. Neste sentido cientistas, engenheiros e

pesquisadores da rea de materiais esto constantemente trabalhando para melhorar o

desempenho dos materiais tradicionais ou desenvolver materiais completamente novos.

Materiais compsitos so um exemplo de novos materiais concebidos dentro desta

filosofia.

A idia de material compsito no recente. Compsitos naturais como por

exemplo a madeira e alguns outros compsitos sintticos tm sido usados pelo homem a

milhares de anos; porm, o desenvolvimento maior nesta rea ocorreu somente nas

ltimas dcadas. Segundo Chawla [1], pode-se considerar como origem da disciplina de

materiais compsitos o incio dos anos 60, sendo que grande parte das pesquisas e

desenvolvimento nesta rea comeou em meados da mesma dcada.

Existe muita divergncia quanto definio de material compsito, contudo

Schwartz [2] salienta que uma definio correta deve ser estabelecida em funo do nvel

de observao. O dicionrio define compsito como algo feito ou composto de vrias

partes ou elementos. Neste contexto, avaliando-se do ponto de vista atmico e molecular

todo e qualquer material poderia ser classificado como um compsito, visto que

composto por vrios tomos e molculas. Para que se possa definir melhor o termo

compsito dentro do campo da engenharia metalrgica e de materiais, necessrio que

se faa uma avaliao menos abrangente.

Schwartz [2], subdivide o sentido amplo fornecido pelo dicionrio em trs nveis de

definio:

4

- No nvel bsico ou elementar todo material composto de dois ou mais tomos

diferentes pode ser considerado um compsito. Neste nvel pode-se incluir as misturas,

ligas, polmeros e cermicas. Apenas elementos puros podem ser excludos.

- No nvel microestrutural, incluem-se materiais compostos de dois ou mais

cristais, estruturas moleculares ou fases diferentes. Por esta definio muitos materiais

considerados monolticos ou homogneos podem ser classificados como materiais

compsitos. Aos e ligas multifase de carbono e ferro podem ser compsitos.

- No nvel macroestrutural o que se caracteriza so formas estruturais ou

constituntes grosseiros, isto , matrizes, partculas, whiskers e fibras que podem na

grande maioria das vezes ser distinguidos a olho n.

Os materiais compsitos caracterizados pelo nvel de observao macroestrutural,

so os responsveis pela recente revoluo tecnolgica na rea de novos materiais.

Somente a observao do ponto de vista macroestrutural ainda no suficiente para que

se possa definir perfeitamente estes novos materiais. Para tanto, necessrio considerar

ainda segundo Schwartz [2] duas outras caractersticas muito importantes na

identificao destes materiais. Primeiro, os constituintes individuais que formam um

compsito so quase sempre diferentes quimicamente; segundo, eles so

essencialmente insolveis entre si. Chawla [1] coloca algumas outras caractersticas

igualmente importantes, que podem ser adicionadas s de Schwartz [2]; primeiro, o

material compsito um material fabricado (isto , compsitos que ocorrem naturalmente

como a madeira so excludos); segundo, consiste de duas fases qumica e/ou

fisicamente distintas devidamente arranjadas ou distribudas com uma interface de

separao entre elas; e finalmente, esses materiais tm caractersticas diferenciadas das

dos seus componentes isoladamente. Matthews e Rawlings [3] destacam uma outra

caracterstica que se diferencia das anteriores, e que tambm bastante importante; os

constituintes desses materiais tm normalmente que estar presentes em propores

razoveis, maiores que 5 %.

5

Feitas as devidas consideraes, Schwartz [2] define material compsito como

sendo um sistema de materiais composto de uma mistura ou combinao de dois ou

mais macroconstituintes que se diferem na forma e/ou composio e so essencialmente

insolveis entre si. Chawla [1], define como sendo materiais consistindo de dois ou mais

materiais fsica e/ou qumicamente distintos arranjados ou distribudos de maneira

conveniente.

Nestes materiais, uma das fases normalmente mais dctil se apresenta em maior

proporo sendo comumente denominada matriz. A fase ou fases complementares

apresentam-se em menor proporo, na maioria dos casos mais dura do que a matriz e

normalmente denominada reforo. Existe uma quantidade enorme de possibilidades

de caractersticas que podem ser usadas para a classificao de materiais compsitos,

contudo, de modo geral eles so classificados de acordo com o tipo de reforo e

orientao dos mesmos (figura 1.2).

Figura 1.2 - Exemplos de materiais compsitos: (a) particulado, randmico; (b) fibrasdescontnuas, unidirecional; (c) fibras descontnuas, randmicas; (d) fibras contnuas, unidirecional(adaptao) [3].

2.1.2 - Compsitos de matriz metlica (CMM)

O incio das pesquisas no campo de materiais compsitos foi marcado em

particular por um grande nmero de estudos e aplicaes em compsitos de matriz

polimrica, dcadas de 70 e 80. A idia evoluiu, e com o passar do tempo intensificou-

se tambm o nmero de pesquisas e aplicaes em compsitos de matriz metlica e

6

cermica, devido possibilidade de poderem ser usados a temperaturas mais altas

(figura 2.2) [4].

Figura 2.2 - Mapa de desempenho de vrios materiais de engenharia , em termos de temperaturade operao ( C) e relao resistncia/peso (adaptao) [5].

Os materiais compsitos de matriz metlica tm muitas vantagens sobre os

materiais convencionais, tais como: maiores limites de resistncia mecnica e mdulo de

elasticidade, melhores propriedades a altas temperaturas, baixo coeficiente de expanso

trmica e melhor resistncia ao desgaste, entre outras (figuras 3.2 e 4.2). E graas a

estas propriedades estes materiais podem ser usados em um grande nmero de

aplicaes (tabela 1.2).

Md

ulo

de e

last

icid

ade

AlumnioAl-20 % Al2O3Al-20 % SiC

Al-50 % SiCAl-30 % CAl-50 % BAl-30 % B

Partculas, fibras curtas (whiskers) Fibras contnuas/longas

Figura 3.2 - Efeito da quantidade de reforo sobre o mdulo de elasticidade do alumnio(adaptao) [3].

7

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0,2Expanso (%)

Tem

pera

tura

(oC

)

Al-SiC(p)Mg-Al2O3AlMg

0,4 0,6

Figura 4.2 - Comparao da expanso trmica de metais em relao aos CMM (adaptao) [3].

Tabela 1.2 Exemplos de materiais compsitos de matriz metlica (CMM) para aplicaesaeroespaciais [3].

Matriz Reforo Aplicao

Cu C cmara de combusto

SiC nariz (foguete, lanadores)

W NASPa- Trocadores de calor

Fe W tanques

Ni e intermetlicos Al2O3W

lminas, discos

lminas, discos

Ti e intermetlicos SiC alojamentos, tanque

TiB2 lminas, discos

TiC cabos

Al SiC alojamentos (bombas, instrumentao),

conectores mecnicos, satlite, estruturas

Al2O3 fuselagem

C membros estruturais

SiC anis, lminas

Mg Al2O3 membros estruturais

a Hipersonic American National Aerospace Plane

8

Os compsitos de matriz metlica podem ter uma variada combinao de

elementos de matriz e reforo dependendo da aplicao e propriedades que se deseja

obter. Entretanto, devido a principal aplicao ser estrutural buscam-se elementos mais

leves e mais resistentes e utilizam-se normalmente materiais que apresentam baixas

densidades (vide tabela 1.2). Nestes materiais, o reforo normalmente um material

cermico, embora possa ocorrer tambm por exemplo, a utilizao de metais.

Clyne e Withers [6], subdividem os CMM de acordo com os tipos de reforo que

os constituem, que podem ser contnuos (fibras longas), descontnuos (fibras curtas e

whiskers) e particulados. Acrescentam ainda que outras distines podem ser feitas

com base no dimetro das fibras, orientao e distribuio do reforo.

Fibras contnuas Whiskers / fibras curtas Particulados

Figura 5.2 - Descrio esquemtica dos trs tipos de CMM, classificados de acordo com o tipo dereforo [6].

2.1.2.1 - Processos de fabricao

Uma srie de tcnicas de processamento tm sido estudadas e utilizadas com o

objetivo de otimizar a microestrutura e as propriedades mecnicas de compsitos de

matriz metlica; entretanto, existe uma certa divergncia quanto classificao destes

processos. Matthews e Rawlings [3], classificam os processos de fabricao de CMM

dentro de quatro grupos bsicos: a) estado slido, b) estado lquido, c) deposio e d) in

situ. Cada um destes mtodos se diferencia dos demais, basicamente pela forma em que

a matriz se encontra no momento em que colocada em contato com o reforo, e

tambm pela rota seguida at a consolidao efetiva entre as partes.

9

Segundo Srivatsan, Ibrahim, Mohamed e Lavernia [7], os mtodos de

processamento utilizados na fabricao de compsitos de matriz metlica, mais

especificamente aqueles com reforo particulado, podem ser agrupados de acordo com a

temperatura em que o material da matriz se encontra durante o processo.

Consequentemente podem ser divididos em trs categorias: (1) processos de fase slida;

(2) processos de fase lquida; (3) processos de duas fases (slido/lquido).

No processo de fase lquida, o material de reforo incorporado dentro da matriz

fundida usando-se vrias tcnicas as quais normalmente envolvem mistura e eventual

fundio da mistura resultante em forma de componentes ou tarugos para posterior

retrabalho. No processo de fase slida, os materiais da matriz e do reforo so

adicionados na forma de ps envolvendo uma srie de estgios antes da efetiva

consolidao do material. Processos de duas fases envolvem a mistura de material de

reforo e matriz onde o material da matriz encontra-se em fases lquida e slida.

Ambrozio Filho, Rossi, Gonalves, Goldenstein, Souza e Yoshimura [8], adotam

uma classificao mais abrangente e dividem os processos de fabricao de CMM em

duas categorias bsicas: processos com fase lquida e processos em estado slido.

Dentro da classificao proposta por Ambrozio Filho et alli [8], alguns processos

podem ser exemplificados. So eles: a) via metal lquido ("compocasting", co-deposio

por "spray" e infiltrao entre outros) e b) via metalurgia do p. Clyne e Withers [6],

nomeiam todos os processos citados anteriormente, como processos primrios de

fabricao. Alguns desses processos, exigem uma fase complementar que envolve

normalmente transformao termomecnica como extruso, laminao ou forjamento. A

estes processos, eles do o nome de processos secundrios.

a) Fabricao via metal lquido

Na fabricao via metal lquido, a produtividade maior. No h necessidade da

utilizao de prensas ou matrizes metlicas (exceto se for utilizado o processo squeeze-

10

casting como ser visto mais adiante), possibilitando menores custos de produo e

maior produtividade se comparada com a metalurgia do p . Existe entretanto, dificuldade

em se conseguir distribuio homognea do reforo na matriz, bem como a introduo do

reforo na forma de p no banho metlico. Uma soluo seria a refuso/solidificao de

lingotes do compsito, de maneira muito bem controlada para evitar segregao e

porosidades, mas isto encarece o processo e em muitos casos causa reaes interfaciais

indesejveis [4].

Existe ainda a limitao quanto a quantidade de reforo que pode ser introduzido

na matriz, com 20 % em mdia de partculas em um banho, a viscosidade do mesmo

aumenta de tal forma, que inviabiliza a produo via metal lquido (fundio) ou mesmo a

homogeneizao e vazamento do banho [4].

Um outro problema na produo via metal lquido, a falta de molhabilidade do

reforo e as reaes adversas que podem ocorrer entre a matriz e o reforo devido as

altas temperaturas envolvidas. Vrias abordagens tm sido propostas para minimizar

estes efeitos, dentre as quais a mais vivel tm sido o pr-recobrimento do reforo com

material apropriado para proteger contra algumas reaes e aumentar a molhabilidade do

mesmo [3].

a.1) - "Compocasting" ("rheocasting")

No processo compocasting, basicamente o reforo misturado matriz fundida

e em sequida a mistura moldada de maneira convencional. Naturalmente, uma mistura

uniforme dificil de ser alcanada, levando-se em considerao as diferenas de

densidade entre a matriz e o reforo. No "rheocasting" (figura 6.2), a mistura melhorada

graas a um resfriamento controlado da mesma, o que a coloca numa condio mais

viscosa e facilita a homogeneizao.

11

Figura 6.2 - "Rheocasting": (a) mistura das fibras ou partculas com o metal, seguido por (b)fundio em molde [5]

a.2) Infiltrao

Em contraste com o caso de mistura de fases como no "compocasting", muitos

processos via lquida envolvem a utilizao de pr-formados de reforo, onde a matriz

lquida precisa infiltrar. Uma infiltrao mais eficiente pode ser conseguida pela aplicao

de uma presso maior que a atmosfrica. Esta presso normalmente obtida

mecanicamente por gs, mas outros mtodos tm sido estudados incluindo induo

eletromagntica [3]. Os processos de infiltrao so aplicados a CMM reforados por

fibras e consistem em se obter um fluxo de metal lquido atravs de interstcios de um

pr-formado que um emaranhado de fibras curtas ou partculas. Aps a infiltrao

obtem-se como produto final uma pea ou uma barra solidificada onde o metal lquido

preencheu todas as cavidades possveis desse pr-formado. Esses pr-formados podem

ser obtidos nas mais variadas fraes volumtricas sendo que, quanto maior a frao

volumtrica desejada de reforo, menor o tamanho das cavidades e maior a dificuldade

de infiltrao.

12

a.2.1) Fundio sob presso ("squeeze-casting")

A fundio sob presso caracterizada pela aplicao mecnica da presso e

adequada para a produo de pequenos componentes. Basicamente, um pr-formado de

reforo introduzido dentro de uma cavidade, onde uma quantidade precisa de metal

fundido adicionada e em seguida pressionada sobre o pr-formado para que o metal se

infiltre. As vantagens desse processo so: altas taxas de produo, baixos custos se

grandes quantidades so produzidas, alta qualidade da microestrutura nas regies no

reforadas e altas taxas de solidificao resultando em baixas degradaes das fibras.

Algumas desvantagens so: os altos custos de ferramentais; dificuldade na fabricao de

prottipos e dificuldade no controle de parmetros importantes como temperatura do pr-

formado.

Figura 7.2 - Fundio sob presso: (a) insero do pr-formado dentro da cavidade do molde; (b)adio de uma quantidade precisa de metal; (c) fechamento do molde e aplicao de presso; (d)abertura do molde; (e) componente pronto [3].

a.2.2) Infiltrao sob presso

Neste processo, o pr-formado colocado dentro de um molde que por sua vez

se encontra dentro de uma cmara. O metal que se encontra dentro de um recipiente

tambm no interior da cmara liquefeito pela ao de resistncias eltricas que

envolvem o recipiente. A alta presso conseguida fazendo-se inicialmente vcuo nesta

13

cmara para que o metal seja levado a se infiltrar no pr-formado. Posteriormente a

cmara pressurizada e o banho metlico forado ainda mais a se infiltrar no pr-

formado (figura 8.2).

(a) (b) (c)Figura 8.2 - Infiltrao da liga fundida sob presso de gs: (a) insero do pr-formado efechamento do molde, (b) aplicao de vcuo, (c) aplicao de presso de gs, mantida durante asolidificao [3].

a.2.3) Infiltrao por vcuo

Este processo muito parecido com o processo anterior com a diferena de que a

infiltrao feita apenas com a presena de vcuo. geralmente usado quando se tm

fibras grossas (140 m) e espao necessrio entre elas para que se crie uma diferena

de presso suficiente, (no mnimo 1 atm) para que o metal penetre entre as mesmas.

Devido s baixas presses aplicadas, podem ocorrer regies no infiltradas do pr-

formado, mesmo em materiais com boas propriedades de molhabilidade (fig. 9.2).

Figura 9.2 - Desenho esquemtico do processo de infiltrao por baixas presses [4].

14

a.2.4) Co-deposio por "spray"

Neste processo, a matriz fundida pulverizada juntamente com o reforo sobre

um substrato de maneira semelhante quela que ocorre nos processos de atomizao;

com a diferena de se adicionar as partculas de reforo na sada do material que est

sofrendo o processo de atomizao. Pode ser aplicado para grandes produes, (0,2 a 6

kg/s) [4]. O metal atomizado permite uma rpida solidificao levando obteno de uma

matriz com microestrutura fina e reduzindo a possibilidade de reao qumica extensiva

da matriz com o reforo [8] (figura 10.2).

SiC banho

pr-formado

substrato

"spray"

atomizao

Parmetros de linhaParmetros pr-estabelecidos

. Dimetro do bocal

. Tipo de gs de atomizao

. Projeto do atomizador

. Geometria do substrato e configurao

1. Superaquecimento do banho2. Taxa de fluxo de metal3. Presso do gs4. Movimento do "spray"

5. Altura do "spray"

6. Movimento dosubstrato

Figura 10.2 - Desenho esquemtico do processo "Osprey" para fabricao de materiaiscompsitos por co-deposio de material de matriz e reforo.

b) Fabricao via metalurgia do p

O processo via metalurgia do p se enquadra na categoria de processos de fase

slida. Este processo envolve a mistura de ps do material da matriz e do material de

15

reforo atravs de uma sequncia de etapas que levam efetiva consolidao do

material, podendo incluir basicamente as seguintes etapas:

(a) peneiramento do material da matriz; (b) mistura do material da matriz com o material

de reforo; (c) compactao da mistura; (d) desgaseificao; (e) consolidao por

extruso, forjamento, laminao ou outro mtodo qualquer de trabalho quente.

Srivatsan et al. [7], salientam que a tecnologia de produo via metalurgia do p

tm sido desenvolvida com sucesso por vrios fabricantes comerciais. Os resultados

revelam ainda que o processamento via metalurgia do p, possibilita a obteno de

materiais com nveis de resistncia mecnica superiores, se comparados a materiais

equivalentes obtidos por processamento via metal lquido. Uma abordagem mais

detalhada deste processo ser feita no captulo 3, j que este foi o processo utilizado na

obteno dos materiais utilizados na pesquisa.

2.2 - Usinagem

2.2.1 - Origens e conceitos

Existem basicamente trs processos pelos quais se obtm peas e produtos

prontos para a utilizao. O primeiro se caracteriza pela deposio de material e juno

de partes como por exemplo no caso da solda e metalizao; o segundo o processo por

deformao ou conformao que produz peas e componentes com as propriedades

mecnicas necessrias por deformao plstica, onde o material movido e o seu

volume conservado; o terceiro processo exatamente o processo de usinagem que

produz peas pela remoo de material em partes ou em toda a extenso da pea por

meio da utilizao de ferramentas de corte. Um outro processo tm se destacado nos

ltimos anos revolucionando o campo de fabricao de peas e componentes

principalmente de pequeno e mdio porte, o processo por metalurgia do p, que

permite em alguns casos a confeco de peas to precisas quanto aquelas obtidas

pelos processos mais delicados de usinagem.

16

Dificilmente ocorre a presena isolada de um ou outro destes processos na

fabricao de peas ou componentes, sendo que, normalmente o processo de usinagem

atua como processo complementar com relao aos demais processos.

H muito tempo o homem se esfora para concretizar formas que visualiza em

sua mente. Sempre insatisfeito com os resultados obtidos na concretizao de suas

obras, tm buscado constantemente meios que possam facilitar e auxili-lo na busca da

perfeio rumo a excelncia. Percebeu ento, que a forma tinha enorme influncia em

sua existncia e que tinha poder para transform-la, podendo no s torna-la bela, mas

tambm adequada conquista dos seus objetivos. Este o conceito global de usinagem

"alcanar a perfeio da matria, no apenas enquanto a torna bela, mas tambm

enquanto a torna til e com razo suficiente de existncia [9].

Tecnicamente, usinagem a operao executada por uma mquina operatriz que

removendo matria prima e produzindo cavacos por meio de ferramentas de corte,

confere a forma, dimenso e acabamento planejados a uma pea.

Existe uma extensa variedade de processos de usinagem de que se pode fazer

uso, dependendo claro da geometria da pea a usinar, da geometria final que se deseja

obter e do grau de acabamento e tolerncias especificadas no projeto. Ferraresi [10] em

seu livro "Fundamentos da usinagem dos metais", cita 23 processos e 32 subprocessos

dos quais pode-se exemplificar trs processos considerados processos universais de

usinagem: torneamento, fresamento e furao. Cada um destes processos ou

subprocessos se caracteriza pela utilizao de equipamentos diferenciados e de

ferramentas tambm diferenciadas, que iro auxiliar na efetiva consolidao do processo.

Ento, pode-se ter equipamentos como tornos, fresadoras, furadeiras, retificadoras, etc,

utilizando ferramentas como fresas, brocas, rebolos e outras.

2.2.2 Desgaste da ferramenta

No processo de corte dos metais por mtodos convencionais, um fator indesejvel

e que exerce forte influncia nos custos finais de produo de determinada pea ou

17

componente, o desgaste da ferramenta de usinagem. De modo geral, o processo de

desgaste na ferramenta de usinagem obedece os prncpios tericos estabelecidos pela

tribologia (cincia que estuda os fenmenos e mecanismos envolvidos no processo de

desgaste) vide tem 2.3.

Mais especificamente para as ferramentas de usinagem de ponta nica, existe

uma classificao que denomina os efeitos do desgaste de acordo com o tipo (local e

forma visual em que se apresentam). So eles: a) desgaste de flanco, b) desgaste de

cratera, c) desgaste de sulco, d) deformao plstica, e) lascamento, f) desgaste em

forma de pente, g) falha catastrfica.

Dentre estes os mais importantes so o de flanco e o de cratera, pois alm de

serem os de maior ocorrncia, so inevitveis e os maiores responsveis pelo fim da vida

da ferramenta em condies normais de trabalho.

2.2.3 - Usinabilidade

A chave para a produo industrial econmica com qualidade assegurada a

escolha e a configurao correta do processo produtivo. Quando este processo o de

usinagem a grande preocupao dos fabricantes de materiais, bem como dos fabricantes

de peas e componentes que iro utilizar estes materiais e tambm dos fabricantes de

ferramentas, com a usinabilidade dos mesmos, ou seja, a facilidade ou no com que

podem ser usinados.

Usinabilidade pode ser definida como sendo uma grandeza tecnolgica que

expressa por meio de um valor numrico comparativo (ndice ou porcentagem) um

conjunto de propriedades de usinagem de um metal, em relao a outro tomado como

padro [10]. Propriedades de usinagem de um metal, so aquelas que expressam o seu

efeito sobre grandezas mensurveis inerentes ao processo de usinagem dos metais tais

como vida da ferramenta, fora de usinagem, acabamento superficial da pea,

temperatura de corte, etc.

18

A usinabilidade tm grande influncia na produtividade e nos custos finais de

fabricao do produto de uma empresa. Se o ndice de usinabilidade muito baixo, por

exemplo, leva necessidade da utilizao de velocidades de corte menores para que no

ocorra um desgaste acentuado e prematuro da ferramenta; isto implica em maior tempo

de produo e consequentemente maior custo. Uma opo seria a utilizao de uma

ferramenta mais resistente ao desgaste com aumento simultneo da velocidade de corte.

Esta alternativa diminuiria o tempo de produo mas aumentaria o custo com ferramental

j que ferramentas mais resistentes normalmente custam mais caro. Restaria saber qual

alternativa seria a mais vantajosa e ainda assim o acrscimo no custo final da produo

seria evidente. sabido, que o ideal que se trabalhe com altas velocidades de corte e

que para isso, no seja necessria a utilizao de ferramentas especiais e mais caras;

somente um material com alto ndice de usinabilidade pode oferecer estas condies e

neste sentido que fabricantes de materiais, cientistas e pesquisadores da rea de

materiais tm se empenhado.

2.3 - Tribologia

2.3.1 - Origens e conceitos

O movimento de uma superfcie slida sobre outra, de fundamental importncia

para o funcionamento de muitos tipos de mecanismos naturais e artificiais. A tribologia,

engloba o estudo do atrito, desgaste e lubrificao e definida como a cincia e

tecnologia da interao entre superfcies em movimento relativo e as respectivas prticas

que envolvem o processo [11]. Huchings [12] define tribologia como sendo a cincia e

tecnologia da interao de superfcies em movimento relativo. Jost [13] define como

sendo a cincia e tecnologia da interao de superfcies em movimento relativo, e das

prticas e assuntos relacionados. A palavra tribologia derivada da palavra grega

"tribos" que significa atrito e foi implantada basicamente a partir de 1966.

19

A falha de um componente ou estrutura segundo Gahr [11] , pode ocorrer por

meio de 4 mecanismos bsicos, ou em alguns casos pela interao de dois ou mais

desses mecanismos em conjunto sendo que os demais tm efeito secundrio. So eles:

- deformao plstica;

- formao e propagao de trincas;

- corroso;

- desgaste.

Cada um destes mecanismos tm caracterstica prpria e, compreende ramos de

estudos e pesquisas diferenciados dentro do campo das diversas reas da engenharia. O

desgaste um mecanismo que danifica a superfcie de componentes. A vibrao, o

aquecimento, as mudanas geomtricas e sobras de desgaste podem ser causados pela

presena de atrito e desgaste. Estes podem resultar em perda futura da funo do

componente e pode ou no levar a uma falha catastrfica.

O desgaste e atrito so fenmenos antigos para a raa humana. Em pocas

remotas, o fogo era obtido pelo atrito madeira contra madeira, ou pela coliso entre

pedras muito duras. Muito mais tarde no perodo da renascena ocorreram importantes

contribuies para o melhor entendimento dos fenmenos do atrito e desgaste. Conceitos

como coeficiente de atrito foram implantados e a influncia benfica da utilizao de

lubrificantes na reduo dos efeitos do atrito e desgaste tambm foi comprovada.

A importncia econmica da tribologia e a grande necessidade por uma pesquisa

sistemtica e melhoria da transferncia de conhecimentos tericos nesta rea, tm sido

bem reconhecida durante as ltimas quatro dcadas. Muitos estudos tm sido

conduzidos em diferentes pases industrializados no sentido de avaliar o impacto

econmico provocado pelos fenmenos de desgaste e atrito. De acordo com alguns

desses estudos perdas econmicas chegam a atingir cerca de 4,5 % do produto interno

bruto de alguns pases [11]. Da a necessidade de que estudos e pesquisas sejam

20

intensificadas nesta rea para que se entenda melhor estes fenmenos e para que se

elimine, minimize ou se tenha controle sobre as suas causas e efeitos.

Existe uma variada gama de aplicaes onde pode ser verificada a ocorrncia de

desgaste: equipamentos de movimentao, bombas, moinhos, anis de pisto,

engrenagens, discos de freio, etc. Em todos os casos uma ampla variedade de condies

causam desgaste. A soluo de determinado problema de desgaste depende da

identificao exata da natureza do problema. Sistemas de anlise podem ser usados

para identificao dos parmetros de sistemas tribolgicos (tribotecnologia ou

tribossistemas). Dependendo dos parmetros de um tribossistema, diferentes tipos de

desgaste podem ocorrer. Mecanismos de desgaste descrevem a interao energtica e

material entre os elementos de um tribossistema. O tipo de movimento relativo entre os

corpos em contato pode tambm ser usado para classificao dos diferentes processos

de desgaste. Embora a norma DIN 50320 [14] no considere o processo tribolgico que

ocorre nos processos de fabricao, como desgaste em relao pea trabalhada, Bayer

[15] sugere que usinagem e polimento so formas de desgaste e que existe o lado

positivo do desgaste e dos fenmenos de desgaste.

Um termo que geralmente acompanha o desgaste o atrito. Bayer [15] define

atrito como "uma fora que se ope ao movimento relativo entre duas superficies". Ela

age em direo paralela s superfcies de contato e em sentido oposto ao do movimento.

Geralmente a magnitude do efeito do atrito descrita em termos de um coeficiente dito

coeficiente de atrito () que a relao entre a fora de atrito F e a fora normal N,

responsvel por manter unidas as superfcies em contato.

= F/N (equao 1.2)

Pode-se ainda considerar variaes no conceito de coeficiente de atrito, na

medida em que existe uma diferena entre o valor da fora de atrito no incio do

movimento, e o seu valor quando o movimento mantido em velocidade constante.

21

Assim, tem-se no primeiro caso o chamado coeficiente de atrito esttico (s) e no

segundo caso o coeficiente de atrito dinmico (k).

Bayer [15] classifica desgaste basicamente em trs caminhos: o primeiro leva em

conta a aparncia da marca do desgaste; o segundo relaciona o mecanismo fsico que

remove o material ou causa a falha e o terceiro as condies que envolvem a situao do

desgaste. Assim tem-se a seguinte configurao:

APARNCIA

- Corrodo (Pitted)- Lascado (Spalled)- Riscado (Scratched)- Polido (Polished)- Rachado (Crazed)- Fadigado (Fretted)- Escavado (Gouged)- Brunido (Scuffed)

MECANISMO FSICO- Adeso- Abraso- Delaminao / fadiga de superfcie [11]- Oxidativa / reaes triboqumicas [11]

CONDIES QUEENVOLVEM A

SITUAO DO DESGASTE

- Desgaste lubrificado- Desgaste no lubrificado- Desgaste por escorregamento metal/metal- Desgaste por rolamento- Desgaste por deslizamento de alto esforo- Desgaste metlico a alta temperatura

O desgaste avaliado por meio de testes tribolgicos, atravs dos quais obtm-se

resultados que permitem estabelecer relaes comparativas entre os materiais. Gahr

[11], cita em seu livro diversas normas relacionadas ao assunto dentre elas a DIN 50321

[16], que estabelece meios para a determinao da quantidade de desgaste baseados

nos resultados encontrados em testes tribolgicos.

22

3 - MATERIAIS E MTODOS

3.1 - Obteno do material

A obteno do material objeto desta pesquisa foi feita pela rota da metalurgia do

p. Vale salientar que todos os parmetros utilizados na obteno foram retirados das

dissertaes de mestrado de Aroldo Jos Mourisco [4] e Humberto N. Yoshimura [17].

No presente trabalho foram avaliados materiais compsitos com matriz de

alumnio reforados com partculas de carboneto de silcio (SiC), em trs diferentes

quantidades (fraes volumtricas) de reforo. Foi produzida tambm, pela mesma rota e

nas mesmas condies uma quantidade de material somente com o componente da

matriz (sem partculas de reforo) objetivando comparar e verificar a influncia da adio

das partculas de reforo na matriz. Para que este ltimo (material sem reforo) seja

diferenciado em relao aos demais, o mesmo ser ao longo do presente trabalho

denominado Al/SiC 0 % ou simplesmente material sem reforo (vide tabela 1.3).

Tabela 1.3 - Relao de materiais produzidos para a pesquisa

Item Material Frao volumtrica de reforo presente

na matriz (expressa em %)

Denominao ao longo do

presente trabalho

1 Al/SiC 5 Al/SiC 5 %

2 Al/SiC 10 Al/SiC 10 %

3 Al/SiC 15 Al/SiC 15 %

4 Al 0 Al/SiC 0 %

Partindo de um compactado de 127 mm de dimetro externo e aproximadamente

150 mm de comprimento (dimenses da caneca), a idia inicial era utilizar uma relao

de reduo na extruso de 45:1 obtendo-se ao final da operao barras de

aproximadamente 6 metros de comprimento e dimetro de 19 mm. Como o escopo do

trabalho voltado para o estudo da usinagem e usinabilidade do material produzido,

optou-se ento por uma relao menor que possibilitasse o aumento do dimetro

usinvel. Esta embora ainda no fosse a melhor condio foi a melhor soluo

23

encontrada. Assim a relao de reduo passou a ser de 16 : 1 obtendo-se ao final da

operao barras com dimetro de 31,75 mm e comprimento em torno de 2,5 metros.

3.1.1 - Materiais

Na produo do material para a pesquisa foram utilizados ps comerciais de

alumnio puro (AA1100) produzido pela ALCOA (MG), e de carboneto de silcio (SiC)

produzido pela EMAS/CARBORUNDUM (SP). O p de alumnio foi produzido por

atomizao a ar e manipulado sob atmosfera de gs inerte com tamanho mediano de

partculas igual a 22 m. O p de carboneto de silcio utilizado como reforo do tipo

preto, denominado industrialmente como gro 800 e tem tamanho mediano de partculas

igual a 6 m. As composies qumicas do p de alumnio e SiC utilizados encontram-se

na tabela 2.3.

Tabela 2.3 - Composio qumica (nominal) em peso dos ps utilizados.

Material Elemento (%) em pesoAl 99,7 - 99,83

P de Alumnio Si 0,037 - 0,120Fe 0,089 - 0,180

Outros * 0,001 - 0,069* Entende-se como outros a soma das impurezas excetuando-se o Fe e o Si.

SiC 98,87Si + SiO2 0,6

P de SiC Fe 0,18Al 0,15Cu 0,20

Embora no conste da tabela anterior deve-se considerar a presena de uma

pequena parcela de alumina (Al2O3), resultante da camada xida que se forma em torno

da partcula de alumnio. Vale salientar que, o processo de extruso utilizado na

obteno dos materiais do presente trabalho, como ser visto mais adiante (tem 3.1.2),

quebra essa camada xida que reveste as partculas de alumnio; entretanto ela se

mantm presente no material acabado

24

3.1.2 - Procedimentos

O primeiro passo para a produo do material, foi um levantamento inicial das

necessidades para a execuo de todas as etapas do processo. Nesta etapa foi

verificada a necessidade de construo de um dispositivo de conteno e compactao

dos ps dentro das canecas, foi elaborado um projeto e o dispositivo foi confeccionado

(vide figura 2.3).

Foram tambm confeccionadas canecas para a acomodao dos ps no

processo de produo, estas foram retiradas de uma barra tubular de liga de alumnio

extrudado com comprimentos de 150 mm e dimetros externo e interno de 127 mm e 114

mm respectivamente. A utilizao de canecas de alumnio serve no caso da produo de

compsitos via metalurgia do p, no s para conter a mistura mas tambm para evitar o

contato direto do material compsito com a matriz da extrusora o que poderia danific-la,

visto que a fase de reforo nestes materiais normalmente um material cermico,

portanto, de dureza muito mais elevada. As dimenses das canecas esto associadas

aos limites dimensionais do vo da mesa do equipamento utilizado na etapa de extruso.

Em seguida foi feita a pesagem dos ps de alumnio e carboneto de silcio em

quantidades suficientes para preencher um volume de 1,4 litros do total da caneca,

considerando-se densidade de compactao 80 % e observando-se a manuteno da

relao de porcentagem em volume de reforo em cada material. Assim foram os

seguintes os valores utilizados (tabela 3.3):

Tabela 3.3 - Quantidade em peso de alumnio e SiC utilizados em cada caneca.

Material Massa alumnio (kg) Massa SiC (kg)

Al/SiC 5 % 2,87 0,18

Al/SiC 10 % 2,72 0,36

Al/SiC 15 % 2,57 0,54

Al/SiC 0 % 3,026 --

25

Aps a etapa de pesagem teve incio a produo propriamente dita do material

para a pesquisa. Esta foi feita pela rota da metalurgia do p, obedecendo as seguintes

etapas conforme indicadas no fluxograma (figura 1.3) e melhor detalhadas em seguida:

Figura 1.3 - Fluxograma da sequncia de produo do material compsito Al/SiC utilizado napesquisa.

- Secagem dos ps:

Os ps de alumnio e SiC foram colocados em estufa por um perodo de 4 horas

temperatura de 100 C. Este procedimento permitiu a retirada de umidade dos ps

evitando aglomerao dos mesmos quando da mistura.

- Mistura dos ps:

Nesta etapa os ps j secos foram misturados em um misturador tipo "V" por 4

horas 40 rotaes por minuto.

- Compactao dos ps:

A compactao dos ps foi feita em um equipamento de ensaio mecnico. A

carga aplicada em cada caneca para a obteno de uma densidade inicial de 80 % foi de

100 toneladas (o que equivale pelo valor do dimetro externo da caneca a uma presso

26

de 7,9 kg/mm2 ). Nesta etapa foi utilizado o dispositivo citado no item 3.1.2 (figura 2.3).

Figura 2.3 - Detalhe da etapa de compactao dos ps

- Encapsulamento do compactado (fechamento das canecas):

Uma vez compactadas as canecas foram fechadas, ou seja, em suas

extremidades foram colocadas tampas de alumnio as quais foram torneadas de acordo

com as dimenses de cada caneca e depois foram encaixadas com carga de

aproximadamente 1,5 toneladas em uma prensa hidrulica manual.

- Pr-aquecimento das canecas:

A operao de extruso requer um pr-aquecimento das canecas para que

possveis gases oriundos da etapa de mistura de ps sejam eliminados atravs de

orifcios existentes nas tampas, e tambm para que o material tenha maior escoabilidade

no momento da aplicao de presso. Entretanto, a finalidade principal a de facilitar a

consolidao do material por caldeamento. Esta operao foi feita em forno comum

deixando-se as canecas por um perodo de aproximadamente quatro horas a 450 C

(temperatura em que as mesmas so introduzidas na extrusora).

- Extruso das canecas:

A extruso foi feita em uma extrusora vertical de 1500 toneladas, com a matriz de

extruso a uma temperatura de 220 C. A velocidade de extruso foi acima de 50

mm/seg e a fora mxima chegou a 450 toneladas momento em que o material comeou

27

a escoar pela matriz de extruso. Para facilitar o escoamento do material pela matriz de

extruso foi utilizada graxa Molikote como lubrificante (figura 3.3).

a)

Material consolidado

sobra de extruso(b)

Figura 3.3 - Detalhe da extrusora vertical de 1500 toneladas utilizada para extruso das canecas(a) e do material consolidado (b).

3.1.3 - Caracterizao fsica, mecnica e microestrutural do material obtido.

Como caracterstica fsica, foi avaliada a densidade hidrosttica do material

produzido. Para isto foi preparada (torneada) uma amostra de cada material com

dimetro de 26 mm por 8 mm de altura, em seguida estas amostras foram submetidas a

ensaio para a determinao da densidade hidrosttica.

A caracterizao das propriedades mecnicas foi feita por intermdio de ensaios

de dureza e trao uniaxial; para os ensaios de dureza usou-se as mesmas amostras

utilizadas anteriormente (densidade hidrosttica), procedeu-se um ligeiro polimento em

uma de suas faces e efetuou-se o ensaio de dureza Brinell. A carga aplicada foi de 62,5

kg e o dimetro do penetrador esfrico utilizado foi de 2,5 mm. As calotas esfricas

impressas resultantes foram posteriormente mensuradas em projetor ptico e os valores

28

encontrados foram aplicados na equao para a determinao da dureza Brinell. Para a

determinao da resistncia mecnica, foram preparados doze corpos de prova conforme

DIN 50125 [18] vide figura 4.3, sendo trs de cada material. Estes foram ento

submetidos a ensaio de trao.

Fig. 4.3 Detalhe dimensional do corpo de prova utilizado nos ensaios de trao.

Para a caracterizao microestrutural, foram preparadas para anlise em

microscpio ptico duas amostras de cada material sendo uma no sentido transversal e

uma no sentido longitudinal direo de extruso. Somente as amostras do sentido

longitudinal foram embutidas em baquelite. Em seguida todas elas foram submetidas a

polimento que obedeceu seguinte ordem seqencial:

- Lixas grana 280 320 400 600

- Panos pasta de diamante 6 m 3 m slica coloidal 0,25 m

No polimento com pasta de diamante foi utilizado como lubrificante uma soluo

de lcool e glicerina na proporo de 2/1.

As amostras devidamente polidas foram ento observadas em microscpio ptico.

Como resultado da impregnao de partculas de SiC no material da matriz dos

compsitos, oriundas das lixas utilizadas na etapa de lixamento; foi verificado que as

imagens obtidas a partir das observaes em microscpio se apresentaram confusas e,

levantaram dvidas quanto proporo real de partculas de reforo presentes em cada

material. A impresso de que havia uma proporo muito maior do que a que realmente

deveria haver, a preocupao tambm era de que a distribuio dessas partculas no

estivesse muito homognea.

29

Optou-se ento pela utilizao do processo de extrao qumica do reforo para

que fosse verificada com exatido a quantidade de material de reforo presente em cada

um. O ensaio consiste basicamente em dissolver em cido uma amostra de material de

massa conhecida, e em seguida efetuar a filtragem da soluo final. O material que fica

retido no filtro subtrado da massa inicial da amostra e sua porcentagem real em

volume pode ento ser determinada.

Foram preparadas amostras dos materiais (uma amostra de cada), estas sofreram

uma pr-dissoluo para eliminao de impurezas superficiais, em seguida foram secas e

pesadas. As amostras foram ento dissolvidas uma a uma em soluo de cido clordrico

(35% vol.) em gua destilada. Depois toda a soluo passou por um processo de

filtragem em micro filtro de PTFE (teflon) com dimetro de poro de 0,2 m. Os filtros com

os resduos remanescentes foram colocados em dessecador durante 24 horas para a

eliminao de umidade. Aps a secagem os filtros foram pesados e os valores foram

determinados.

3.2 - Ensaios de usinagem e usinabilidade

Estes ensaios foram realizados com o objetivo de avaliar o comportamento dos

materiais a usinagem e o desempenho de diversos materiais de ferramenta. Fenmenos

tais como desgaste da ferramenta, formao ou no de aresta postia e formao do

cavaco tambm foram observados e avaliados.

Um aspecto em particular que mereceu especial ateno, foi o estabelecimento do

ndice de usinabilidade para cada material avaliado. Como no foram encontradas

referncias a respeito de trabalhos que tenham feito uma avaliao deste aspecto em

materiais deste tipo, esta pode ser efetivamente uma contribuio original do presente

trabalho.

30

Para estes ensaios foram preparados um total de quatorze corpos de prova com

dimetro de 31,75 mm e comprimento de 160 mm, sendo conforme a tabela 4.3 a

distribuio para cada tipo de estudo:

Tabela 4.3 - Distribuio dos corpos de prova de acordo com a natureza do estudo.

Natureza do estudo Material daferramenta

Material Quantidade decorpos de prova

Usinagem , usinabilidade ecomportamento do material daferramenta

Carboneto durosinterizado(CERMET)

Al/SiC 5 %Al/SiC 10 %Al/SiC 15 %Al/SiC 0 %

2 2 2 2

Usinagem e comportamentodo material da ferramenta

Cermica Al/SiC 5 %Al/SiC 10 %Al/SiC 15 %

1 1 1

Usinagem e comportamentodo material da ferramenta

Diamante Al/SiC 5 %Al/SiC 10 %Al/SiC 15 %

1 1 1

Como o equipamento utilizado nos ensaios foi um torno a comando numrico

conforme ser visto no tem 3.2.1, foram desenvolvidas rotinas (programas) na linguagem

do comando do equipamento, para que os ensaios fossem realizados. Foram

desenvolvidos dois programas: um para a utilizao com ferramenta de carboneto duro

sinterizado e outro para utilizao com ferramentas de cermica e diamante.

O programa para utilizao com ferramenta de carboneto duro sinterizado (anexo

1), compreende a aplicao de um total de quatro velocidades de corte diferentes para

cada dois corpos de prova ensaiados e, considera inicialmente um bloco de desbaste.

Nesta etapa o dimetro inicial dos corpos de prova usinado at o dimetro de 27 mm

para retirada da camada de alumnio resultante das canecas utilizadas para compactao

e encapsulamento da mistura de ps. A partir da o programa considera as usinagens e

paradas para medio de desgaste a intervalos regulares garantindo a constncia de

comprimento de cavaco e volume de material removido, e tambm a mudana no valor

da velocidade de corte a cada seis passes efetuados.

O programa para utilizao com ferramentas de cermica e diamante (anexo 2),

praticamente o mesmo utilizado com ferramenta de carboneto duro sinterizado. A

31

diferena que neste caso so aplicadas apenas duas velocidades de corte diferentes

para cada corpo de prova ensaiado. O ciclo de desbaste foi mantido para que tambm

nesses corpos de prova a camada de alumnio resultante das canecas utilizadas no

encapsulamento dos ps fosse retirada.

Foram utilizados (conforme mostrado na tabela 4.3), trs tipos diferentes de

material de ferramenta. Um destes materiais composto por partculas de TiC, ligadas

por uma fase metlica de nquel, e comumente denominada CERMET. CERMET

segundo Black, Chiles, Lissaman e Martin [19], o nome coletivo para carbonetos duros

sinterizados onde as partculas duras so baseadas em outros elementos que no o

carboneto de tungstnio (WC). Quando a ferramenta baseada em (WC) d-se o nome

de metal duro.

Carboneto duro sinterizado um material de ferramenta obtido a partir de

partculas duras de carboneto cimentadas por um elemento aglutinante. Neste contexto

CERMET e metal duro podem ser considerados ferramentas de carboneto duro

sinterizado.

Ao longo deste trabalho ser adotada a classificao geral proposta por Black et

alli e para simplificar mais ainda, a ferramenta de carboneto duro sinterizado (CERMET),

ser simplesmente denominada ferramenta de carboneto.

Particularidades, especificaes e caractersticas fsicas das ferramentas

(pastilhas e suportes) utilizadas nos experimentos seguem as indicaes das tabelas 5.3

e 6.3.

Tabela 5.3 - Particularidades bsicas das ferramentas utilizadas nos experimentos

Ferramenta Particularidades bsicasFerramenta de carboneto Carboneto duro sinterizado (CERMET): partculas

cermicas (TiC) + material metlico (Ni) como ligante.Cermica Cermica mista base de alumina com adio de

carboneto de titnio.

Diamante Artificial policristalino (PCD): partculas de diamantesinterizadas alta presso e alta temperatura compequena quantidade de cobalto como metal ligante.

32

Tabela 6.3 - Especificaes e caractersticas fsicas das ferramentas utilizadas.

Suporte(Ref. ISO)

Pastilha Caractersticas de conjunto (suporte + pastilha) (fig. 5.3)

GeometriaRef. ISO

(* Ref. fabricante)

ClasseRef. ISO

(* Ref. fabricante)

ngulosada(W)

ngulo deincidnciaou folga

(K)

ngulo deposio

(X)

STGCR 1616 H11 CarbonetoTCMT 110204 - (UF*)

K05*CT515

0 11 90

CTGPR 2525 M11 CermicaTPGN110304(T01020*)

*CC650 0 11 90

STGCR 1616 H11 DiamanteTCMW 16T304(F*)

*CD10 0 11 90

* Ref. Sandvik

Figura 5.3 - Principais ngulos das ferramentas utilizadas.

Quanto ao ngulo de posio () utilizado no presente trabalho (tabela 6.3),

necessrio que se faa algumas consideraes. Na indstria e mesmo em pesquisa,

recomendvel sempre que possvel que se utilize um ngulo de posio menor que 90;

na prtica um valor bastante usado, sendo inclusive adotado pela ISO 3685 de 75.

Esta condio favorece o processo de usinagem na medida em que equilibra as foras

radiais e axiais resultantes do processo de usinagem, minimizando os seus efeitos sobre

a ferramenta de corte. A utilizao de um ngulo de posio de 90 no torneamento se

faz necessria em casos de faceamento, usinagens com terminaes a 90 ou ento na

usinagem de eixos esbeltos (pequena relao dimetro/comprimento) o que foi o caso

dos corpos de prova utilizados no presente trabalho. A utilizao de um ngulo de

posio de 90 em eixos esbeltos, praticamente anula a resultante radial das foras de

33

corte que poderia resultar em flexo do corpo de prova ou trepidao excessiva durante o

processo de usinagem.

Os ensaios consistiram basicamente na usinagem dos corpos de prova a

profundidade de corte p e avano f constantes iguais a 0,875 mm e 0,1 mm/rot

respectivamente, para um raio de ponta r tambm de mesmo valor para todas as

ferramentas igual a 0,4 mm de acordo com indicaes da norma ISO 3685 [20]. As

condies de profundidade de corte e avano constantes, faz com que em cada passe

no s o comprimento de cavaco seja constante, mas tambm o volume de material

removido (vide figura 6.3).

Figura 6.3 - Representao esquemtica ilustrativa dos parmetros de usinagem utilizados nosexperimentos.

A velocidade de corte foi o parmetro varivel tendo sido aplicadas, conforme

mencionado anteriormente, um total de quatro velocidades (273, 229, 185 e 141 m/min)

na usinagem com ferramenta de carboneto; e apenas duas (273 e 229 m/min) com

ferramentas de cermica e diamante. Para cada velocidade de corte, a ferramenta de

corte percorreu um total de 393,96 metros (comprimento de cavaco), com paradas para

avaliao da evoluo do desgaste da ferramenta a cada 65,66 metros, perfazendo-se

um total de 6 paradas para cada velocidade de corte utilizada.

A cada parada a pastilha era retirada do suporte e levada at o microscpio

ptico para medio e registro da evoluo do desgaste de flanco (VB) vide figura 6.4

pag. 46. Em seguida a pastilha era fotografada em um microscpio estereoscpico e

ento recolocada no suporte para continuidade do ensaio. Com a mudana no valor de

34

velocidade de corte, a aresta de corte danificada da pastilha era substituda por uma nova

aresta, iniciando-se ento um novo ciclo de medies.

Foram coletados valores de fora, e foram observados fenmenos tais como

formao ou no de aresta postia de corte e tambm formao do cavaco. Foi utilizado

em todos os ensaios, o fluido refrigerante ref.: Monol 9420 - IORGA na concentrao de 5

% em soluo aquosa com vazo sobre a regio de corte em torno de 2000 l/h.

3.2.1- Equipamento de usinagem

O equipamento utilizado foi um torno a comando numrico computadorizado

(CNC), vide figura 7.3. A escolha desse tipo de equipamento est associada a algumas

caractersticas superiores em relao a um equipamento convencional dentre elas

principalmente os seguintes tens:

- Alto valor de rotao no eixo rvore podendo atingir 4000 rpm o que possibilita

tambm acesso a altos valores de velocidade de corte.

- Variao infinita (dentro de dois valores limites) do valor de velocidade de corte

possibilitada pela presena de um variador de frequncia no sistema de transmisso do

equipamento.

- Mnima folga e boa rigidez caractersticos de equipamento novo recentemente

adquirido, o que possibilitou a utilizao de ferramentas de diamante e cermica sem

comprometimento de desempenho das mesmas.

Figura 7.3 Detalhe do equipamento utilizado nos experimentos.

35

3.2.2 - Foras de corte

Para que se pudesse medir as foras atuantes no momento da usinagem em cada

um dos materiais, foi feita uma montagem a base de medidores de deformao (strain

gauges). Por limitao do equipamento que possui apenas um canal de leitura, optou-se

por instrumentar as ferramentas de modo que fosse feita a leitura da fora principal de

corte (Fc), ou seja aquela tangencial ao movimento circular da pea, e por conseguinte a

que normalmente tem maior intensidade (vide figura 8.3).

Figura 8.3 Esquema ilustrativo mostrando a direo da fora de corte medida (Fc).

Com as ferramentas devidamente instrumentadas foi feita uma calibrao esttica

das mesmas com a utilizao de massas conhecidas. As curvas de calibrao foram

construdas e demonstraram ter comportamento linear (vide figura 9.3). Nas equaes

das retas foram aplicados os resultados obtidos nos experimentos transformando-os em

unidade de fora.

y = 0,1147x - 0,3161R2 = 0,9999

y = 0,1855x - 0,722R2 = 0,9979

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300

Resposta (mV)

Car

ga a

plic

ada

(kg)

Ferr. de carboneto e diamante

Ferr. de cermica

Figura 9.3 - Curvas de calibrao das ferramentas utilizadas nos experimentos, variao da cargaaplicada versus resposta em (mV).

36

As micro deformaes acusadas pelos strain gauges, foram convertidas em

milivolts por uma ponte de Wheatstone. Por um multmetro acoplado ao sistema os

valores foram enviados a um microcomputador por intermdio da interface de

comunicao RS 232, onde os mesmos foram armazenados por um software de registro

de dados para que fossem trabalhados posteriormente (vide figura 10.3).

Figura 10.3 Representao esquemtica do equipamento utilizado para medio de foras.

3.2.3 Usinabilidade

Para determinao do ndice de usinabilidade de cada material, foram utilizados

os resultados obtidos nos testes com ferramenta de carboneto. Foi aplicado o mtodo do

comprimento usinado citado por Ferraresi [10]. Este um mtodo de ensaio de curta

durao que no requer grandes quantidades de material, to pouco longos perodos de

ensaio. A escolha deste mtodo esteve relacionada principalmente limitao na

quantidade de material disponvel.

Mtodos de ensaio dessa natureza (curta durao) normalmente no apresentam

boa correspondncia com os equivalentes de longa durao. Entretanto, Ferraresi [10]

faz algumas consideraes quanto aos ensaios de curta durao, referindo-se a um

37

trabalho onde feita uma comparao estatstica de vrios ensaios de curta durao

baseados no desgaste da ferramenta, com o correspondente ensaio de longa durao.

Os resultados mostram que dentre todos os mtodos analisados apenas dois

apresentaram boa correlao com o correspondente de longa durao, dentre eles o

mtodo do comprimento usinado. O Metals Handbook [21], sugere um procedimento para

determinao da usinabilidade que na realidade est intimamente relacionado e

bastante similar ao mtodo do comprimento usinado a diferena que ao invs de fazer

uma relao do desgaste pelo comprimento usinado, faz uma relao do desgaste pelo

tempo, o que faz segundo Ferraresi com que o erro nos resultados no caso do mtodo do

comprimento usinado seja minimizado j que o comprimento de vrios metros. Os

valores encontrados nos experimentos foram ainda aplicados na equao de Taylor

(equao 1.4 pag. 62), e as constantes da equao para os materiais e condies de

ensaio foram determinadas.

3.3 Ensaios de desgaste

Foram feitos basicamente ensaios de desgaste por deslizamento do tipo pino

sobre disco sem lubrificao. Para estes ensaios que visam estabelecer uma relao

comparativa entre os materiais estudados, foram preparados oito corpos de prova (vide

figura 11.3), sendo dois de cada material.

Como contracorpo foram utilizados discos de ao SAE 1045 com espessura de 5

mm e dimetro de 63,5 mm, tratados trmicamente e retificados, atingindo dureza em

torno de 48 HRC e acabamento superficial de 0,14 Ra.

Dimenses em mm

Figura 11.3 - Detalhe dimensional do pino utilizado nos ensaios de desgaste.

38

O equipamento utilizado foi um tribmetro do tipo pino contra disco (figura 12.3).

Procedimentos de ensaio e nomenclaturas utilizadas foram baseados nas normas ASTM

G99 [22] e G118 [23]. Cada pino foi previamente pesado, em seguida foi ensaiado por um

perodo de quatro horas e meia com paradas regulares (a cada 45 minutos) para

determinao da perda de massa. Os valores totais de perda de massa encontrados,

foram aplicados na equao para a determinao do coeficiente de desgaste (equao

2.4 pag. 65). Tambm foi analisado em microscpio eletrnico de varredura o aspecto

das regies desgastadas. A perda de massa do contra corpo no foi considerada nos

ensaios e os parmetros de ensaio utilizados foram os seguintes:

- Velocidade (relativa do pino sobre o disco): 0,75 m/s

- Raio: 26 mm

- Carga: 5 N

Figura 12.3 - Equipamento utilizado nos ensaios de desgaste.

39

4 - RESULTADOS E DISCUSSO

Neste captulo sero mostrados e discutidos os resultados obtidos na

caracterizao dos materiais, testes de usinagem e usinabilidade e testes de desgaste,

procurando sempre que possvel estabelecer uma relao com o material sem reforo na

verificao da influncia da adio de partculas de reforo nas propriedades e

caractersticas de usinagem e desgaste dos compsitos Al/SiC.

4.1 - Caracterizao fsica, mecnica e microestrutural do material obtido

A tabela 1.4 fornece uma viso geral dos resultados de densidade, dureza e

resistncia mecnica encontrados durante a caracterizao fsica e mecnica dos

materiais obtidos. Estes resultados sero melhor evidenciados e discutidos nos itens

subsequentes.

Tabela 1.4 Aspecto geral das caractersticas fsicas e mecnicas dos materiais produzidos.

Material Densidade

terica

(g/cm3)

Densidade

hidrosttica

(g/cm3)

Valores de

dureza

(HB)

Limite de

escoamento

LE0,2 (MPa)

Limite de

resistncia

LR (MPa)

Alongamento

e (%)

Reduo em

rea

RA (%)

Al/SiC 0 % 2,702 2,687 0,003 32 1 88 1 120 1 32 2 64 4

Al/SiC 5 % 2,7277 2,713 0,002 39 1 84 3 128 2 26 2 47 5

Al/SiC 10 % 2,7535 2,718 0,001 44 1 93 4 135 2 22 3 32 5

Al/SiC 15 % 2,7793 2,729 0,001 49 1 94 3 138 4 15 2 20 3

4.1.1 Caracterizao fsica

Densidade hidrosttica

Pelo grfico (figura 1.4), possvel notar a diferena entre os valores de

densidade hidrosttica encontrados e os respectivos valores de densidade terica. Os

valores inferiores de densidade hidrosttica em relao terica, indicam a presena de

vazios em todos os materiais produzidos. Ainda com relao aos materiais contendo

partculas de reforo, a diferena tende a aumentar medida em que tambm aumenta a

frao volumtrica, indicando tambm que nesses materiais a formao de vazios

40

preferencial, nas regies de aglomerao de partculas de reforo e tambm nas regies

interfaciais.

2,64

2,66

2,68

2,7

2,72

2,74

2,76

2,78

Den

sida

de (g

/cm

3)

Al/SiC 0 % Al/SiC 5 % Al/SiC 10 % Al/SiC 15 %

Material

Densidade hidrosttica

Densidade terica

Figura 1.4 - Valores de densidade hidrosttica e terica para os materiais compsitos comdiferentes fraes volumtricas de SiC.

Mourisco [4] e Yoshimura [17], encontraram resultados similares em seus

trabalhos. Yoshimura, sugere que existe uma frao volumtrica mxima a partir da qual

deve ocorrer uma acentuada diminuio da densidade desses compsitos devido

formao de aglomerados; para uma diferena maior entre tamanho de partcula de

reforo e da matriz menor esta frao crtica. Neste caso a relao entre os tamanhos

de partculas igual 0,27. Al-Rubaie, Goldenstein e Mello [24], apontam como primeira

caracterstica importante no processamento via metalurgia do p, a RTP (relao

tamanho da partcula do p de alumnio/tamanho de partcula de p de SiC). Salientam

que quanto maior a relao maior a aglomerao de partculas de SiC e consequente

heterogeneidade da microestrutura; e que a aglomerao de SiC dependente tambm

da sua frao volumtrica, ou seja, aumenta com o aumento da quantidade de material

de reforo.

4.1.2 - Caracterizao mecnica

Dureza

Pela figura 2.4, possvel verificar o aumento do valor de dureza medida em

que a frao volumtrica de reforo aumentada. Esse comportamento esperado, j

que neste caso as partculas de reforo (material cermico) isoladamente tm dureza

41

muito mais elevada que o material da matriz. Ainda, pela linha de tendncia (linha

vermelha) possvel notar que o acrscimo nos valores de dureza tende a uma queda na

taxa de aumento medida em que a quantidade de reforo aumenta.

0

10

20

30

40

50

60

Al/SiC 0 % Al/SiC 5 % Al/SiC 10 % Al/SiC 15 %Material

Dur

eza

(HB

)

Figura 2.4 - Valores de dureza Brinell dos materiais compsitos com diferentes fraesvolumtricas de SiC.

- Resistncia mecnica

Pelo grfico (figura 3.4), possvel verificar que o limite de resistncia aumenta

medida em que aumenta tambm a quantidade de SiC, entretanto, pela linha de

tendncia (linha verde) a taxa de crescimento vai gradativamente diminuindo. Esta

tendncia indica que a adio de partculas de reforo deixa de ser interessante a partir

de certo ponto, se o objetivo principal for a melhoria do limite de resistncia mecnica do

material. O aumento no valor de resistncia com o aumento da quantidade de reforo,

pode ser explicado pelo aumento no nmero de barreiras para movimentao de

discordncias.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Al/SiC 0 % Al/SiC 5 % Al/SiC 10 % Al/SiC 15 %Material

LR (M

Pa)

LE (M

Pa)

0

5

10

15

20

25

30

35

Alo

ngam

ento

- e

(%)

LRLEe

Figura 3.4 - Valores obtidos nos ensaios de trao para o material sem reforo e compsitos comdiferentes fraes volumtricas de SiC.

42

Quanto ao limite de escoamento verificada uma certa instabilidade nos valores

obtidos (vide figura 3.4).

De qualquer forma, no possvel fazer qualquer tipo de correlao entre os

materiais, j que dentre todos os parmetros, o limite de escoamento aquele que est

mais associado ao grau de encruamento imposto durante o processo de produo dos

mesmos. Seria necessria uma homogeneizao entre os materiais, atravs de um

controle rgido de alguns parmetros durante o processo de produo, dentre eles

principalmente a temperatura. Ento, uma tentativa de associao teria maior

confiabilidade.

4.1.3 - Caracterizao microestrutural

4.1.3.1- Fractografia

As regies fraturadas nos ensaios de trao foram observadas e avaliadas em

microscpio eletrnico de varredura. Pelas imagens possvel verificar que em relao

ao material sem reforo que apresentou fratura dctil (figura 4.4 (d)), predomina nos

materiais com 5 %, 10 % e 15% de reforo, fratura com caractersticas de maior

fragilidade (figuras 4.4 (a-c)).

(a) (b)

43

(c) (d)Figura 4.4 Micrografia eletrnica de varredura mostrando o aspecto das regies fraturadas nosensaios de trao para o material sem reforo e para o material compsito com diferentes fraesvolumtricas de SiC. (a) Al/SiC 5 %, (b) Al/SiC 10 %, (c) Al/SiC 15%, (d) Al/SiC 0 %.

4.1.3.2 - Metalografia

Pelas figuras 5.4 (c-h) possvel verificar para os materiais com 5 %, 10 % e 15

% de reforo, a existncia de aglomerados de material de reforo no material da matriz.

fcil imaginar o porque dessa tendncia, j que existe uma diferena significativa entre os

tamanhos das partculas de p de alumnio e SiC utilizados na produo do material. As

partculas de SiC tm em mdia tamanho 4 vezes menor e, por isso tendem a se

concentrar nos interstcios do p de alumnio. Mais uma vez verificada a influncia da

relao entre tamanho de partculas na formao de aglomerados, neste caso conforme

foi visto anteriormente (item 4.1.1) essa relao igual a 0,27. O ideal que este valor

esteja muito prximo de 1.

Ainda, para os materiais compsitos no to evidente pelas figuras a diferena

entre eles na quantidade de material de reforo presente no material da matriz, tambm a

quantidade de reforo em cada material aparenta ser maior do que a que realmente

deveria haver. A explicao para estas observaes pode estar associada a impregnao

de partculas de SiC no material da matriz dos compsitos, oriundas das lixas utilizadas

na etapa de lixamento das amostras destes materiais (conforme visto no tem 3.1.3 pg.

27). Este impasse culminou com a dissoluo qumica de amostras dos compsitos,

objetivando a extrao do reforo para a determinao da quantidade real de partculas

de reforo presente em cada um.

44

Para o material sem reforo (figuras 5.4 (a-b)), o que se verifica a presena de

vazios e incluses homogeneamente distribudos, proveniente provavelmente da etapa

de mistura durante o processamento do material.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

45

(g) (h)

Figura 5.4 Micrografias pticas mostrando o aspecto microestrutural do material sem reforo edo material com diferentes fraes volumtricas de SiC (sem ataque). (a) Al/SiC 0 % - secotransversal; (b) Al/SiC 0 % - seco longitudinal; (c) Al/SiC 5 % - seco transversal; (d) Al/SiC 5% - seco longitudinal; (e) Al/SiC 10 % - seco transversal; (f) Al/SiC 10 % - secolongitudinal; (g) Al/SiC 15 % - seco transversal; (h) Al/SiC 15 % - seco longitudinal.

4.1.3.3 Extrao de reforo.

Os valores encontrados com a dissoluo de amostras, mostraram que os

materiais obtidos estavam com as quantidades corretas de reforo. Embora o processo

de dissoluo tenha sido feito em apenas uma amostra de cada material, os valores

encontrados sugerem que a distribuio do reforo homognea; j que as amostras

foram retiradas em regies aleatrias da barra em cada um dos materiais (tabela. 2.4).

Tabela 2.4 - Valores de frao em volume encontrados em cada material aps a dissoluo deamostras.

% em volume de SiC encontrado no materialaps procedimento de extrao

Al/SiC 5 % 5,05%Al/SiC 10 % 9,91%Al/SiC 15 % 14,77%

4.2 - Ensaios de usinagem e usinabilidade

4.2.1 - Desgaste da ferramenta

Os aspectos aqui avaliados, levam em conta a anlise da extenso do desgaste

bem como os mecanismos e os tipos de desgaste que puderam ser detectados nos

experimentos.

46

Para que se possa identificar melhor os locais de desgaste, bem como visualizar

a extenso do desgaste gerado em cada um dos materiais de ferramenta utilizados nos

experimentos, segue um esquema indicativo dos locais de desgaste (figura 6.4) e

tambm ilustraes das condies de cada material de ferramenta antes de serem

utilizadas (figuras 7.4 (a-f)).

Fig. 6.4 Esquema indicativo dos locais de desgaste A Desgaste de flanco (superfcie lateral de folga) B Desgaste de cratera (superfcie de sada)

(a) (b)

(c) (d)

47

(e) (f)Figura 7.4 Macrografias pticas (microscpio estreo) mostrando o aspecto das ferramentas deusinagem antes de serem utilizadas (novas). (a) ferramenta de carboneto (superfcie lateral defolga); (b) ferramenta de carboneto (superfcie de sada); (c) ferramenta de cermica (superfcielateral de folga); (d) ferramenta de cermica (superfcie de sada); (e) ferramenta de diamante(superfcie lateral de folga); (f) ferramenta de diamante (superfcie de sada).

Pela anlise da evoluo do desgaste em cada um dos materiais de ferramenta

utilizadas nos experimentos, foi possvel notar que a ferramenta de carboneto foi a mais

agredida em termos de desgaste, seguida pela ferramenta de cermica e por fim a de

diamante cujos valores de desgaste encontrados durante os experimentos, podem ser

considerados desprezveis .

A figura 8.4 representa de modo geral, o comportamento ao desgaste de cada

material de ferramenta, em todos os materiais usinados e para todas as velocidades de

corte utilizadas durante os experimentos. Sempre com a ferramenta de carboneto sendo

a mais agredida, seguida pela de cermica e por ltimo a de diamante

0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5 6N passe

Desg

aste

( m

)

Carboneto

Cermica

Diamante

Figura 8.4 - Grfico da evoluo do desgaste de flanco (VB) para cada material de ferramenta(material usinado: Al/SiC 5 % - Vc 273 m/min).

48

Embora o desgaste da ferramenta ocorra mais rapidamente na usinagem de

compsitos reforados com partculas de SiC, possvel verificar que as curvas de

desgaste (figura 8.4) tm um comportamento similar s curvas originadas com a

usinagem de materiais convencionais. No nicio ocorre um desgaste mais acentuado

seguido por uma certa estabilidade, e por ltimo novamente um acrscimo acentuado

levando ao fim de vida da ferramenta.

O desempenho superior apresentado pela ferramenta de diamante em todos os

materiais usinados e para todas as velocidades de corte utilizadas, demonstra que este

o nico material de ferramenta capaz de suportar, a contento, a ao abrasiva provocada

pelas partculas de reforo durante a usinagem. Em alguns casos (Al/SiC 15 %), chegou

a ter rendimento 22 vezes superior se comparado ferramenta de carboneto, ou seja,

uma extenso total de desgaste de flanco 22 vezes menor. Vrios pesquisadores [25-30],

chegaram a concluses semelhantes quando da usinagem de diversos tipos de

compsitos de matriz metlica, e, so unnimes em apontar o diamante como o material

mais indicado para a usinagem de materiais deste tipo.

O mecanismo de desgaste predominante na ferramenta de carboneto, na verdade

uma associao de dois fenmenos: abraso provocada pela presena de partculas de

carboneto de silcio extremamente duras e abrasivas no material da pea, e adeso

oriunda da formao de aresta postia de corte durante os ensaios. Bergman e Jacobson

[31], na usinagem de CMM tambm verificaram uma forte adeso entre o material da

pea e a superfcie de sada da ferramenta de carboneto, culminando com o

arrancamento de partculas (gros) dessa regio da ferramenta.

Os tipos de desgaste ocorridos foram basicamente de flanco (medido), e de

cratera (observado) (Figuras 9.4 (a-c)). importante verificar que na usinagem do

material sem reforo (Al/SiC 0 %) com ferramenta de carboneto, o desgaste gerado na

ferramenta imperceptvel, realando o efeito d