CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE USINADA DO AÇO ABNT 4340 ENDURECIDO POR MEIO DOS PROCESSOS DE TORNEAMENTO E RETIFICAÇÃO

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1 CARACTERIZAÇÃO DA SUPERFÍCIE USINADA DO AÇO ABNT 4340 ENDURECIDO POR MEIO DOS PROCESSOS DE TORNEAMENTO E RETIFICAÇÃO D. A. Couto; L. R. Silva; L. C. A. Couto; F. V. Santos; F. J. Duarte; D. A. Silva CEFET/MG - Departamento de Engenharia de Materiais, Av. Amazonas, 5253, Nova Suíça. Belo Horizonte/MG, Brasil, CEP: lrsilva@cefetmg.br RESUMO O desenvolvimento de novos materiais para ferramentas de corte tem favorecido o processo de torneamento de aços endurecidos, que vem substituindo em alguns casos o processo de retificação. Desta forma, este trabalho analisa a caracterização da superfície usinada por meio dos processos de torneamento e retificação do aço ABNT 4340 endurecido (52 HRc). A caracterização da superfície foi avaliada por meio do parâmetro de amplitude (Ra), parâmetros funcionais (Kp, Rk, Rpk, Rvk), parâmetro estatístico (Rku) e da tensão residual. No geral, foram encontrados menores valores para os parâmetros de rugosidade no processo de torneamento, obtendo uma superfície com melhor acabamento superficial. Com relação à tensão residual, a retificação e o torneamento utilizando ferramenta de corte de PcBN induziram tensões residuais compressivas sendo estas benéficas ao componente usinado. Baseado nos resultados obtidos, o torneamento apresentou-se como uma alternativa ao processo de retificação. Palavras-chave: retificação, usinagem de materiais endurecidos, ferramentas de corte, caracterização da superfície, tensão residual. 1. INTRODUÇÃO O mundo corporativo busca sempre por melhorias em seus processos, garantindo a sua competitividade e sustentabilidade. Neste sentido, Barbacki et al. (1) afirmaram que a usinagem dos aços endurecidos usando ferramentas de corte com geometria definida e a retificação tem sido utilizados como alternativas tecnológicas de acabamento. Segundo Luo et al. (2) as ferramentas de corte de PcBN e cerâmica tem sido amplamente utilizadas nas industrias para usinagem dos aços endurecidos, 4890

2 e em muitas aplicações o torneamento dos aços endurecidos tem substituído a retificação com significantes reduções de custos e aumento da produtividade. De acordo com Sedlacek et al. (3) para a elaboração de um projeto adequado de superfícies em contato é muito importante compreender os parâmetros funcionais de rugosidade de uma superfície com o intuito de verificar quais são as influências do atrito e do desgaste no desempenho final da peça em serviço. Conforme Martell et al. (4) as tensões residuais em superfícies de componentes é um fator importante em relação ao comportamento dos materiais em aplicações de engenharia. Quando tensões residuais estão presentes em um componente, elas podem impactar positivamente ou negativamente o comportamento do componente em serviço. Os impactos negativos da tensão residual podem incluir trincas ou distorções depois da têmpera e variação dimensional durante a usinagem. No entanto, tensões compressivas podem melhorar significativamente o desempenho em serviços tal como o aumento da vida em fadiga sobre condições cíclicas de carregamento e atuar como inibidora a nucleação e propagação de trincas. Este trabalho visa caracterizar e comparar as superfícies usinadas através dos processos de torneamento e retificação do aço endurecido ABNT 4340 (52 HRc). A caracterização da superfície foi avaliada por meio do parâmetro de amplitude (Ra), parâmetros funcionais (Kp, Rk, Rpk, Rvk), parâmetro estatístico (Rku) e da tensão residual. Foi utilizado diferentes parâmetros de corte, permitindo assim conhecer características comuns e específicas de cada processo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O material utilizado nos ensaios experimentais para ambos os processos foi o aço ABNT 4340 temperado e revenido, dureza de 52 HRc, com diâmetro inicial de 37mm e comprimento usinado de 42mm. A composição química do aço ABNT 4340 está apresentada na Tab. 1. Tabela 1 - Composição química (% em massa) do aço ABNT C Mn P Si S Cr Ni Mo Al Cu Co V Fe 0,4 0,7 0,0007 0,35 0,001 0,78 1,74 0,24 0,015 0,05 0,01 0,01 Balanço Para o processo de torneamento foi utilizado um Torno Horizontal CNC, Centur 35D, potência de 11kW, rotação máxima de rpm. As ferramentas utilizadas nos ensaios foram as pastilhas de cerâmica mista CC650 sem revestimento e CC6050 com revestimento de TiN (Al2O3 + 28% TiC) e PcBN CB7115 revestida com TiN, na geometria quadrada (SNGA ). As condições de corte utilizadas nos ensaios de torneamento estão demonstradas na Tab

3 Condição Tabela 2 - Condições de corte utilizadas no torneamento. vc (m/min) f (mm/rot) ap (mm) Sistema de lubrirefrigeração 1 A seco 150 0,05 0,15 2 Jorro (convencional) 3 A seco 225 0,05 0,15 4 Jorro (convencional) 5 A seco 300 0,05 0,15 6 Jorro (convencional) No processo de retificação por mergulho foi utilizado uma retificadora cilíndrica universal com potência de 9kW, e rebolo convencional de óxido de alumínio (Al2O3), com as seguintes dimensões e características: 355,6 x 50,8 x 127mm, FE 38A60KV. A operação de dressagem do rebolo foi realizada no inicio de cada ensaio. Utilizou-se um dressador conglomerado de diamante. Os parâmetros de dressagem utilizados foram: profundidade de dressagem (ad) de 0,05mm com 10 passes e velocidade de dressagem de 2,5mm/s. As variáveis do processo de retificação analisadas foram a velocidade de mergulho (vf) e volume de material removido (Zw). O fluido de corte utilizado foi o sintético com concentração de 3%. As condições de corte utilizadas nos ensaios de retificação estão demonstradas na Tab. 3. Tabela 3 - Condições de corte utilizadas na retificação Condição Parâmetros Velocidade de mergulho (v f ) - mm/min 0,3 0,6 0,9 Volume de material retificado (Z w ) mm 3 3,31 6,47 3,31 6,47 3,31 6,47 Velocidade do rebolo (v s ) - m/s 30 Tempo de centelhamento - (s) 8 Vazão do fluido de corte - L/min 13,5 Para a caracterização das tensões residuais induzidas, para ambos os processos, foi adotada a técnica de múltiplas exposições por difração de raio-x, utilizando o Difratômetro de Raios X (RDX-7000), com as seguintes especificações: tubo de raios X (Alvo de Cromo e comprimento de onda de aproximadamente 2,291 Angstron), tensão: 30 kv, corrente: 40,0 (ma). As sequências utilizadas foram: Faixas 2Ɵ de 140 a 160 graus para um plano (211) do plano ferrita-martensita, usando módulo de elasticidade (E) de 210GPa e coeficiente de Poisson (v) de 0,30. A 4892

4 velocidade de varredura foi de 2ºC/min com passos de 0,1 graus e tempos de exposição de 3 segundos. Nos ensaios utilizou-se 2Ɵ = 156,1º. Para a caracterização dos parâmetros de rugosidade 2D das superfícies usinadas foi utilizado o rugosímetro Mitutoyo (SJ-301), de acordo as normas JIS 2001 e DIN 4776, com comprimento de amostragem (cut-off) de 0,8mm. As medições foram feitas em oito posições radiais e equidistantes a 45º. Os parâmetros avaliados foram: (Ra, Rku, Rpk, Rk, Rvk, Kp). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Neste tópico são apresentados os resultados dos ensaios de caracterização das superfícies 2D e da tensão residual para ambos os processos de usinagem. 3.1 Desvio médio aritmético (Ra) O parâmetro Ra é o mais conhecido e também o mais utilizado no meio industrial, estando disponível nos instrumentos de medição de rugosidade mais simples. Porém, dependendo da aplicação e do processo é ideal que seja associado com outros parâmetros, visando uma melhor caracterização da superfície, pois ele não faz distinção entre vales e picos. Sedlacek et al. (5) afirmaram que o parâmetro Ra não é suficiente para determinar as propriedades tribológicas de contato superficial, caracterizando apenas o desvio médio aritmético da superfície. A Fig. 1(a) apresenta os valores para o desvio aritmético médio (Ra) para o processo de retificação utilizando as velocidades de mergulho de 0,3; 0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Fig. 1(b) apresenta os resultados de Ra para o processo de torneamento utilizando velocidades de corte de 150; 225 e 300m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050 e PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Figura 1. Desvio médio aritmético (Ra) - (a) retificação e (b) torneamento. 4893

5 Observando a Fig.1(a) nota-se que o menor valor para o parâmetro Ra no processo de retificação foi 0,22µm, enquanto para o torneamento Fig. 1(b) foi 0,18 µm. De forma geral, o torneamento gerou os menores valores para o parâmetro Ra, principalmente utilizando a velocidade de corte de 300m/min. Observa-se, também, que para a velocidade de corte de 300m/min, as ferramentas de cerâmica e PcBN apresentaram desempenho similar. 3.2 Altura Reduzida do Pico (Rpk) A Fig.2(a) apresenta os valores médios de Rpk para o processo de retificação utilizando as velocidades de mergulho de 0,3;0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Figura 2(b) apresenta os valores de Rpk para o processo de torneamento utilizando as velocidades de corte de 150;225 e 300m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050 e PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Figura 2. Altura reduzida do pico (Rpk) (a) retificação e (b) torneamento. Analisando a Fig. 2(a) relativo ao processo de retificação, observa-se que existe uma tendência de aumentar o valor médio do parâmetro Rpk com o aumento da velocidade de mergulho, e o menor valor médio obtido foi de 0,25µm quando foi utilizada a menor velocidade de mergulho. Já analisando a Fig. 2(b) relativo ao torneamento, a análise é contrária, ou seja, observa-se uma redução do valor de Rpk com o aumento da velocidade de corte, visto que maiores velocidades de corte proporcionam melhores acabamentos. De acordo com Oliveira (6) este parâmetro representa a quantidade de picos presentes na superfície que será desgastada durante a carga inicial, nos contatos relativos das superfícies em trabalho. Golchin et al. (7) observaram que menores valores de Rpk proporcionam melhor desempenho da superfície em contato quanto a 4894

6 fricção e taxa de desgaste. Conforme Bohm (8) processos de fabricação que produzem pequenos valores de Rpk são adequados para obter boas propriedades de amaciamento. Portanto, este parâmetro evidencia a importância do processo de geração da superfície quanto à possibilidade de transferir esta fase de amaciamento, em parte ou na totalidade, para o processo de manufatura. Baseado nos valores de Rpk obtidos para ambos os processos, observa-se que o torneamento apresentou os menores resultados, principalmente na maior velocidade de corte testada, uma vez que, nessa condição produzirá uma superfície com picos menos acentuados. 3.3 Profundidade da rugosidade do núcleo (Rk) A Fig.3(a) apresenta os resultados de Rk para o processo de retificação para as velocidades de mergulho de 0,3; 0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Figura 3(b) apresenta os resultados de Rk para o processo de torneamento para as velocidades de corte de 150; 225 e 300m/min, utilizando ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050 e PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Percebe-se na Fig. 3(a) que no processo de retificação ocorreu um aumento crescente do valor médio de Rk à medida que a velocidade de mergulho foi aumentada, sendo que o menor valor médio encontrado foi de 0,65µm. Já a Fig. 3(b) demonstra que no torneamento o valor médio do parâmetro Rk diminui quando a velocidade de corte é aumentada. Baixos valores de Rk indicam menor volume de vazios no que diz respeito ao contato entre duas superfícies, consequentemente, uma superfície com um perfil mais achatado. Conforme Stout (9) um valor pequeno de Rk apresenta uma alta resistência mecânica e uma alta capacidade de suportar carga em operações de contato. Figura 3. Profundidade de rugosidade do núcleo (Rk) - (a) retificação e (b) torneamento. 4895

7 Petropoulos et al. (10) afirmaram que quanto menor o valor de Rk, menor será o valor de Rpk, indicando que o desgaste na fase inicial de contato entre duas superfícies será menor. Baseado nos menores valores médios de Rk encontrados para ambos os processos, o torneamento apresentou uma superfície com maior resistência mecânica e maior capacidade de suportar cargas em operações de contato. Outro fator a ser considerado é que os melhores resultados no torneamento foram obtidos utilizando a maior velocidade de corte, resultando menores valores de Rk. 3.4 Profundidade reduzida do vale (Rvk) A Fig.4(a) apresenta os resultados de Rvk para a retificação utilizando velocidades de mergulho de 0,3;0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Na Fig.5(b) é apresentado os resultados de Rvk para o torneamento utilizando velocidades de corte de 150; 225 e 300m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050 e PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Conforme Oliveira (6), o parâmetro Rvk indica a capacidade de retenção de fluido, portanto valores baixos de Rvk indicam que a superfície apresenta poucos vales e menor capacidade de retenção de lubrificante. Já Sedlacek et al. (3) descobriram que quanto maior for o valor de Rvk em relação ao Rpk, menor será a fricção, o atrito e o desgaste entre duas superfícies em contato. Figura 4. Altura reduzida do pico (Rvk) (a) retificação e (b) torneamento. Percebe-se na Fig. 4(a) que na retificação houve um aumento crescente do valor médio de Rvk à medida que se aumenta a velocidade de mergulho, indicando que altas taxas de material removido proporcionam uma superfície com mais vales. No 4896

8 geral os valores de Rvk são maiores que todos os valores de Rpk, tanto nas velocidades de mergulho, quanto nos volumes de material retificado. Baseado nos valores obtidos para o parâmetro Rvk observa-se que o processo de torneamento gerou vales mais profundos, apenas quando foi utilizada a ferramenta de cerâmica CC650 com lubrirefrigeração. Nas demais condições do torneamento todos os valores de Rvk foram menores que os valores do processo de retificação, resultando superfícies com menor capacidade de retenção de fluido. 3.5 Coeficiente de vazio (Kp) A Fig. 5(a) apresenta os resultados do coeficiente de vazio (Kp) para a retificação utilizando as velocidades de mergulho de 0,3;0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Fig.6(b) apresenta os resultados de Kp para o torneamento utilizando as velocidades de corte de 150; 225 e 300m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050, PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Segundo Pawlus e Michalsli (11) o coeficiente de vazio Kp fornece informações importantes sobre o desgaste linear e acabamento, sendo considerado um importante parâmetro tribológico usado para avaliar o desgaste ocorrido na superfície. Quanto menor for o Kp menor será o desgaste na superfície da peça e melhor acabamento. Figura 5. Coeficiente de vazio Kp (a) retificação e (b) torneamento. De acordo com a Fig. 5(a), o valor do parâmetro Kp aumentou quanto à velocidade de mergulho foi aumentada, consequentemente, gerou uma superfície com acabamento pior em relação às baixas velocidades de mergulho. Observa-se na Fig. 5(b) que no torneamento os valores médios de Kp tenderam a diminuir quando a velocidade de corte foi aumentada, indicando uma melhoria na qualidade da superfície. No geral, as amostras retificadas apresentaram menores valores para Kp 4897

9 em relação ao torneamento, indicando ser a melhor opção de processo para garantir melhores acabamentos superficiais e menor desgaste entre superfícies. 3.6 Fator de achatamento do perfil - Curtose (Rku) A Fig.6(a) apresenta os valores médios obtidos para o parâmetro Rku para o processo de retificação utilizando as velocidades de mergulho de 0,3;0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Fig.7(b) apresenta os resultados médios de Rku para o processo de torneamento utilizando as velocidades de corte de 150; 225 e 300 m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050, e PcBN CB7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Relacionando os resultados obtidos do parâmetro estatístico Rku e do parâmetro funcional Rpk, os quais avaliam a presença de picos na superfície, observamos que o torneamento obteve menores resultados tanto para Rku, quanto para Rpk, principalmente na velocidade de corte de 300m/min. Figura 6. Fator de achatamento do perfil Rku (a) retificação e (b) torneamento. Na Fig. 6(a) nota-se que no processo de retificação houve um aumento discreto de Rku para o maior volume de material retificado (Zw). Percebe-se, também, que os valores de Rku em geral estão bem próximos de 3 (três), o que é compatível com o processo de retificação. De acordo Sedlacek et al. (5), superfícies retificadas teriam um Rku igual a 3, indicando um perfil com uma gaussiana balanceada, ou seja, teríamos uma superfície não áspera com poucos picos. Já valores elevados do coeficiente de simetria, Rku>3, indicam que as irregularidades são pontiagudas e mais passives ao desgaste da superfície. Por outro lado, Rku<3 indicam superfícies não pontiagudas, com um perfil mais achatado. De acordo com a Fig. 6(b) percebe-se que no 4898

10 torneamento a maioria dos valores de Rku estão abaixo 3, indicando uma superfície com perfil mais achatado. 3.7 Tensão residual A Fig. 7(a) apresenta os valores da tensão residual para o processo de retificação utilizando as velocidades de mergulho de 0,3;0,6 e 0,9mm/min e volumes de material retificado de 3,31x10 3 e 6,47x10 3 mm 3. Já a Fig. 7(b) apresenta os resultados da tensão residual para o processo de torneamento utilizando as velocidades de corte de 150; 225 e 300m/min, ferramentas de corte de cerâmica CC650 e CC6050, PcBN CB 7115, com lubrirefrigeração (C/R) e à seco (S/R). Figura 8. Tensão residual (a) retificação e (b) torneamento. Observando a Fig. 7(a) nota-se que no processo de retificação todas as tensões residuais foram de compressão, com valor máximo de -220 MPa. Tensões residuais de compressão são benéficas, pois atuam como inibidoras a nucleação e propagação de trincas, eliminando o modo de falha do componente, e consequentemente, aumentando a sua resistência à fadiga e vida útil. De acordo com a Fig. 7(b) no torneamento as ferramentas de cerâmica CC650 e CC6050 induziram tensões de tração, as quais são maléficas, pois diminuem a resistência a fadiga e a resistência mecânica do material. Navas et al. (12), também encontraram tensões residuais de tração no torneamento de um aço AISI Já a ferramenta de PcBN induziu tensões de compressão, conforme estudos realizados por Machado et al. (13), cujos valores médios foram maiores que na retificação. 4. CONCLUSÃO Baseado nos resultados de caracterização das superfícies, conclui-se: 4899

11 No geral, os menores valores de rugosidade foram obtidos através do processo de torneamento, principalmente na velocidade de corte de 300m/min. O torneamento de aço endurecido utilizando ferramenta de PcBN apresentou melhores resultados em relação as ferramentas de cerâmica, tanto para os parâmetros de rugosidade quanto para as tensões residuais; Os menores valores para Rpk foram obtidos pelo torneamento, os quais são mais apropriados para a fase de amaciamento. Comportamento similar também foi obtido para o parâmetro Rk; Os maiores valores de Rvk foram obtidos no torneamento, utilizando a ferramenta de corte de cerâmica, propiciando uma superfície com maior capacidade de retenção de lubrificante, reduzindo o atrito e o desgaste; No geral, a retificação apresentou menores valores para Kp em relação ao torneamento, caracterizando melhores acabamentos superficiais e menor desgaste superficial; O processo de retificação induziu tensões de compressão em todas as condições de testes, enquanto o torneamento induziu tensões de tração (ferramentas de cerâmica) e compressivas (ferramenta de PcBN). Os resultados mostraram que o processo de torneamento de aço endurecido apresentou-se como uma alternativa ao processo de retificação. 5. REFERÊNCIAS 1. BARBACKI, A.; KAEALEC, M.; HAMROL, A., Turning and grinding as a source of microstructural changes in the surface layer of hardened steel, Journal of Materials Processing Technology, 5795, Luo, S.Y., Liao, Y.S. e Tsai, Y.Y, 1999, Wear characteristics in turning high hardness alloy steel by ceramic and CBN tools, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 88, pp Sedlacek, M., Podgornik, B., Vizintin, J., 2009, Influence of surface preparation on roughness parameters, friction and wear, Wear, Vol. 266, pp Martell, J.J., LIU, C.R., SHI, J., 2014, Experimental investigation on variation of machined residual stresses by turning and grinding of hardened AISI 1053 steel, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 74, No. 9-12, pp Sedlacek, M., Podgornik, B., Vizintin, J., 2012, Correlation between standard roughness parameters skewness and kurtosis and tribologicalbehaviour of contact surfaces, Tribology International, Vol. 48, pp OLIVEIRA, C. J. de. Avaliação da influência de sistemas de filtragem aplicados a topografia de superfície em usinagens p. Trabalho de Conclusão de Curso (Mestrado) - Curso de Engenharia Mecânica, Departamento de Engenharia Mecânica, Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Belo Horizonte,

12 7. GOLCHIN, A.; FRIEDRICH, K..; NOLL, A.; PRAKASH, B. Influence of Counter Surface Topography on the Tribological Behaviour of Carbon-filled PPS Composites in Water. InternationalTribologyConference, Tokyo, BOHM, H. J., 1992, "Parameters for evaluating the wearing behaviour of surfaces", International Journal Machining Tools Manufacturing, vol. 32, n. 1/2, p , Stout, K. J., 2000, Developments of methods of the characterization of roughness in three-dimensions, Penton press, London. 10. Petropoulos, G., Dasic. P., Vodolazskaya, N., Dramalis, D., 2003, Is the Rk group of roughness parameters suitable to describe turned surfaces, International Scientific Conference, Gabrovo. 11. PAWLUS, P., MICHALSKI, J.; Characterization of the shape of the roughness profile ordinate distribution of honed cylinder surfaces. Wear; Vol. 161, pp Navas, V.G., Gonzalo, O., Bengoetxea, 2012, Ion. Effect of cutting parameters in the surface residual stresses generated by turning in AISI 4340 steel, International Journal Of Machine Tools & Manufacture. Guipuzcoa, pp MACHADO, A. R. et. al. Teoria da usinagem dos materiais. 3. ed. rev. e atual. São Paulo: Blucher, p. CHARACTERIZATION OF THE MACHINED SURFACE OF HARDENED AISI 4340 STEEL THROUGH THE TURNING AND GRINDING PROCESSES ABSTRACT The development of new materials for cutting tools has favored the process of turning hardened steels, which in some cases has been replacing the grinding process. In this way, this work analyzes the characterization of the machined surface by means of the turning and grinding processes of hardened ABNT 4340 steel (52 HRc). The surface characterization was evaluated by means of the parameters of amplitude (Ra), functional parameters (Kp, Rk, Rpk, Rvk), statistical parameter (Rku) and residual stress. In general, smaller values were found for the roughness parameters in the turning process, obtaining a surface with better surface finishing. With respect to the residual stress, the grinding and turning using PcBN cutting tool induced residual compressive stresses being these beneficial to the machined component. Based on the obtained results the turning was presented as an alternative to the grinding process. Keywords: grinding, machining of hardened materials, cutting tools, surface characterization, residual stress. 4901