ESTUDO DO DESGASTE DE INSERTOS REVESTIDOS DURANTE A USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 304

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1 ESTUDO DO DESGASTE DE INSERTOS REVESTIDOS DURANTE A USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AISI 304 ¹F. M. UGIONI, ²F. M. MARQUES, ³A. S. ROCHA, 4 K. V. S. DAMIN, 5 K. B. SALVALAIO, 6 S. VENDRAME, 7 R. L. BERGAMO, 8 M. M. BONFANTE 1,3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS 2,4,6,7 Instituto Federal de Santa Catarina IFSC 5,8 Faculdade SATC Rua Nereu Ramos, 3450D, Seminário, , Chapecó, Santa Catarina, Brasil fernando.marques@ifsc.edu.br Resumo Atualmente na indústria cada classe de material possui uma ferramenta específica para a sua usinagem. Visando a praticidade de possuir ferramentas de corte que possibilitem a usinagem de mais de um tipo de material, analisamos a possibilidade de utilizar um insumo com revestimento de corte especifico para a unisagem de ferro fundido na usinagem de aço inoxidável AISI 304. Foram feitos testes em três ferramentas distintas, uma com revestimento de TiC, que é a indicada para a usinagem de aços inoxidáveis, e duas que são utilizadas na usinagem de ferro fundido que possuem revestimentos de TiAlN e AlCrN. Por meio de testes verificamos que a ferramenta com revestimento de TiAlN, apresenta um índice satisfatório para a usinagem do aço inoxidável AISI 304. Pois apesar desta ferramenta possuir uma vida útil 66,6% menor que o revestimento de TiC, ela deixa um acabamento superficial na peça usinada melhor que tal ferramenta Palavras Chaves inserto, aço inoxidável, desgaste, usinagem INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis são materiais de suma importância na indústria e têm grande emprego em equipamentos de processos, devido às suas excelentes propriedades químicas e mecânicas como alta resistência à corrosão e resistência à temperaturas elevadas, além de auto coeficiente de elasticidade (1). São bastante utilizados em transporte, indústria de alimentos e bebidas, indústria farmacêutica, na confecção de artigos cirúrgicos e de cozinha, entre outros (2). Os aços inoxidáveis austeníticos são utilizados em aplicações de altas e baixas temperaturas (criogênicas), onde o torna um material com propriedades que dificilmente são conseguidas em outros aços (3). 5664

2 Atualmente na indústria cada material possui uma ferramenta de corte específica para sua usinagem. Com a diversidade de materiais existentes no mercado comumente este fato gera um custo extra, as empresas têm a necessidade de manter uma variedade de ferramentas em estoque, fazendo com que as mesmas sejam por pouco utilizadas. Visando a praticidade de possuir um único inserto para a usinagem de materiais diversificados, este trabalho tem como objetivo verificar a possibilidade de utilizar um novo revestimento para a ferramenta de corte aplicada no torneamento do aço inoxidável austenítico AISI 304. Foi utilizado no desenvolvimento deste trabalho três ferramentas com revestimentos distintos, duas são atualmente utilizadas na usinagem de ferro fundido, e uma ferramenta específica para a usinagem de inox. Os revestimentos analisados foram: Nitreto de Cromo Alumínio (AlCrN) e Nitreto de Titânio Alumínio (TiAlN). Após a utilização destas ferramentas na usinagem do inox será analisado, por meio de comparação com os resultados obtidos na usinagem de uma ferramenta de Carboneto de Titânio (TiC), considerado o revestimento específico para a usinagem de aços inoxidáveis. Para esta usinagem foi avaliado a rugosidade pelo parâmetro de rugosidade médio [Ra] e o desgaste de flanco máximo [VBmax], gerado na ferramenta de corte, com essas informações foi possível diagnosticar se as ferramentas AlCrN e TiAlN possuem condições de serem utilizadas na usinagem do aço inoxidável MATERIAIS E MÉTODOS Para o ensaio de usinabilidade foram utilizadas barras trefiladas de aço inoxidável AISI 304 com dimensões de 100 mm de diâmetro e comprimento de 500 mm. A composição química das barras foi comprovada por espectrômetria de difração onde se pode observar pela tabela 1 sua composição química, confirmando a qualidade do material utilizado Tabela 1- Composição química do aço inoxidável AISI 304 Elemento C* Si* Mn* P* S* Cr* Mo* Ni* Fe* % 0,041 0,524 1,650 0,029 0,025 18,06 0,293 6,079 71,237 A caracterização do material foi realizada por microscopia óptica, utilizando o microscópio modelo Shimatzu. A figura 1 revela na amostra a presença de uma microestrutura austenítica que é representada pelo contorno de grão, característica dos aços inoxidáveis austeníticos. 5665

3 Figura 1 - Microestrutura do aço inoxidável austenítico AISI 304 após ataque químico Para o processo efetivo de remoção de material, foram utilizados insertos de carboneto de tungstênio e revestidos, com o proposito de diminuir o coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta e para dissipação de calor. Os parâmetros utilizados durante o processo de usinagem foram baseados em informações obtidas por fabricantes de insertos. Definidos de forma que fossem obtidos valores confiáveis de desgaste e rugosidade em função da vida útil das ferramentas. Esses parâmetros podem ser visualizados na tabela 2. A utilização de meios refrigerantes (fluídos de corte) foram ignoradas para garantir que mais fatores (película lubrificante entre a interface cavaco ferramenta e choques térmicos) não viessem a interferir no processo de mensuração dos itens a serem avaliados. Tabela 2- Parâmetros de usinagem Parâmetros de corte Valor Velocidade de corte Vc [m/min.] 250 Velocidade de avanço fn [mm/rot.] 0,1 Profundidade de corte ap [mm] 0,5 O material utilizado para a usinagem, foi uma barra redonda de aço inoxidável AISI 304, no qual foi estabelecido um padrão de volume a ser removido para que os resultados pudessem ser comparados de forma adequada e sem diferença entre os mesmos. Foi observado que quando usado um padrão de usinagem que considera só 5666

4 o passe da ferramenta, o volume removido de material seria diferente, impossibilitando a análise adequada dos resultados obtidos. A definição dos pontos de parada da máquina afim de efetuar as medições de desgaste e rugosidade da peça e ferramenta, foi utilizada a equação (A), que determina o volume de material removido durante o processo de usinagem. Durante este procedimento foi considerado o volume de material removido constante velocidade de corte, rotação e velocidade de avanço. Os parâmetros que sofreram variações ao longo do processo foram os diâmetros inicial e final da usinagem e o comprimento usinado. V π = 2 2 ( D d ) 4 l (A) V: Volume de material removido [cm³]. D: Diâmetro maior da peça [cm]. d: Diâmetro menor da peça [cm]. l: Comprimento a ser usinado [cm]. A máquina utilizada para os ensaios de usinabilidade foi o torno CNC modelo CENTUR 30D, sendo justificada a utilização deste por garantir valores confiáveis de parâmetros de usinagem, possibilitando também paradas intermediárias para a verificação do desgaste da ferramenta. Para medição de rugosidade pelo parâmetro Ra foi utilizado o rugosímetro modelo TR10, para medições em pontos pré-determinados de comprimento usinado da barra de aço inoxidável. As medições foram realizadas com defasagem de 120 o (graus) uma em relação à outra com o intuito de gerar media aritmética através de três medições a cada parada de comprimento usinado. Para a avaliação dos dados encontrados neste trabalho, após todo o procedimento percebeu-se a necessidade de fazer uma análise superficial por meio de (MEV), investigando suas propriedades químicas das amostras para comprovar o desgaste das ferramentas e o acumulo de material envolvido na usinagem. RESULTADOS E DISCUSSÃO A primeira ferramenta utilizada foi a com revestimento carboneto de titânio (TiC), sendo recomendada para a usinagem do material em questão. Nesta etapa a cada

5 cm³ (7, m³) de material removido foi retirada a ferramenta na qual foram feitas medições de desgaste além de rugosidade superficial da peça. Até o fim da vida desta pastilha foram retirados 324 cm³ (3, m³) de material. A segunda e a terceira ferramentas utilizadas na usinagem são os insertos com revestimentos de TiAlN e AlCrN e obtiveram sua vida de 108 cm³ (1, m³), com o valor de desgaste conforme a norma ISO 3865 sendo de 0,3 mm ( m). Como os revestimentos em questão não eram os apropriados para essa usinagem resolveuse fazer medições a cada 36 cm³ (3, m³) de material removido, tendo controle mais detalhado da vida destes insertos. Os valores de volume de material removido foram determinados em função de pré-testes realizados anteriores à realização final dos ensaios descritos. A figura 2a, mostra a ferramenta com revestimento de TiAlN, onde os valores descritos são das medições da ferramenta nova e desgastada. Ao analisarmos a figura 2a, podemos verificar a presença de desgaste por entalhe, possivelmente oriundo do desgaste por oxidação, comprovando a definição de que o aço inoxidável gerou aquecimento durante a usinagem. A ferramenta foi utilizada até apresentar um desgaste de 1,413 mm (1, m), este valor extrapolou o limite de 0,3 mm, sendo estabelecido na norma pois a ferramenta desgastou de maneira excessiva no seu último passe. a b c Figura 2- Desgaste de flanco nos insertos revestidos: a-tialn, b-alcrn, c-tic, respectivamente A figura 2b, representa a ferramenta com revestimento de AlCrN, e a figura 2c, o inserto revestido com TiC onde os valores descritos são valores obtidos com as medições de ferramenta nova e após o término de sua vida. 5668

6 Para os revestimentos de TiC e AlCrN temos o mesmo caso do revestimento anterior, a ferramenta de corte possui um indicio de desgaste pelo mecanismo de oxidação, sendo claramente identificado a fratura da ferramenta durante a usinagem. A ferramenta com revestimento AlCrN representada na figura 2b obteve um desgaste de 1,392 mm (1, m), e a ferramenta com revestimento de TiC, representada na fig. 1c apresenta um desgaste de 1,136mm (1, m), os limites de 0,03 mm foram ultrapassados após a última etapa do processo de usinagem. Com os dados coletados podemos analisar por meio da figura 3 no qual está exposto o desgaste de flanco, que a ferramenta sofreu ao longo do processo. Como podemos analisar as ferramentas com revestimento TiAlN e AlCrN possuem curvas de desgastes semelhantes, ambas apresentaram desempenho satisfatório em sua usinagem até ser removido 72 cm³ (7, m³) de material, após passar este ponto, a ferramenta sofre um desgaste excessivo e chega ao desgaste máximo permitido pela norma ISO 3865, que é de 0,3 mm ( m) no total, a usinagem é finalizada após a retirada de 108 cm³ (1, m³) de material. A ferramenta com revestimento de TiC possui vida maior, o inserto se mantém com um desgaste estável até a retirada de 252 cm³ (2, m³) de material, sua curva de desgaste começa a se acentuar a partir deste ponto, sendo possível acrescentar apenas 72 cm³ (7, m³) de material, chegando a um total de 324 cm³ (3, m³) de material removido. Figura 3 - Desgaste de Flanco 5669

7 Ao observar a figura 3 notamos que o limite de 0,3 mm ( m) (representado pela linha tracejada) das três ferramentas foi ultrapassado, como já mencionado anteriormente a justificativa do acontecimento está nas subdivisões utilizadas na medição da ferramenta, após extrapolar o limite a usinagem foi finalizada. Comparando os três revestimentos e avaliando apenas a vida útil da ferramenta, detectamos que as ferramentas com revestimento de TiAlN e AlCrN possuem uma vida 66,6% inferior as revestidas indicadas pelo fabricante. Mas ao analisarmos a figura 4, podemos verificar que a curva de acabamento superficial possui um melhor desempenho para o revestimento de TiAlN. A figura 4 mostra que a qualidade do acabamento superficial da peça até a retirada de 72 cm³ (7, m³) de material é melhor para o revestimento de TiAlN, mas a partir deste ponto a rugosidade aumenta substancialmente diminuindo drasticamente a qualidade do acabamento. Figura 4 Acabamento superficial do material usinado O inserto revestido com AlCrN possui uma curva crescente para a rugosidade do material, entre os três insertos utilizados é a que possui um pior desempenho, pois desde o começo até o fim de sua vida ela mostra uma rugosidade mais elevada que as demais ferramentas. A ferramenta de corte com revestimento de TiC apresenta maior estabilidade numérica em sua curva de acabamento superficial até ser retirado 108 cm³ de material dentre as amostras analisadas. No entanto, a partir deste ponto surge oscilação de valores de rugosidade, deduzido pela presença de cavacos contínuos durante o 5670

8 processo de usinagem, onde os mesmos circunscreveram o entorno da peça (enrolaram), e danificaram a superfície já usinada. Após a análise dos dados obtidos no processo de usinagem, as ferramentas de corte foram analisadas através de imagens via MEV para melhor verificação dos resultados que encontramos anteriormente. A figura 5a detalha a superfície da ferramenta com revestimento de TiAlN, podemos observar que a ferramenta possui material aderido em sua superfície. Acontecimento que ocorre possivelmente pelo aquecimento da ferramenta e da saída irregular do cavaco durante o processo de torneamento. É possível também a observação do mecanismo de desgaste por entalhe, pelo formato de escorregamento em único sentido do substrato da ferramenta utilizada. A figura 5b é referente ao inserto com revestimento de AlCrN, podemos observar que o acúmulo de material neste revestimento foi elevado, gerando um desgaste por adesão. É possível identificar também nesta ferramenta que ela possui um desgaste do tipo entalhe, e é precedido de outro tipo de desgaste, que é o de adesão. a b c Figura 5 Revestimento: a:tialn, b:alcrn e c:tic 5671

9 A figura 5c é referente à análise via MEV da ferramenta de corte com revestimento de TiC, podemos observar que houve um acumulo de material na usinagem comprovando que possui adesão no processo, podemos novamente observar que o inserto apresentou o desgaste do tipo entalhe. Foi verificado nos três revestimentos a ocorrência do mesmo tipo de desgaste, no qual foi comprovado anteriormente com a revisão bibliográfica que são desgastes característicos na usinagem em aços inoxidáveis. Os desgastes que ocorreram nas três ferramentas de corte utilizadas é o desgaste por entalhe, que ocorre pela oxidação, esse fenômeno ocorre na extremidade da ferramenta de corte, e ocasionado pelo contado entre o cavaco e a própria ferramenta, tambem proveniente pelo aquecimento gerado entre o inserto e o material usinado. Outro desgaste encontrado nos insertos foi por adesão, que possui como característica baixas temperaturas e saídas de cavacos irregulares. Desgastes gerados em uma ferramenta não ocorrem isolados, a adesão foi o primeiro desgaste a aparecer na ferramenta de corte, após o acúmulo de material na ponta do inserto o material aderido escoa para a lateral da ferramenta de corte. Neste mesmo momento com o escoamento dos cavacos, partículas (pedaços) da ferramenta são arrancados, ocasionando o segundo desgaste que é o de oxidação. O fenômeno de escoamento é chamado de arraste, e precedido pelo processo de entalhe que remove partes da ferramenta de corte. Além do comportamento do desgaste dos insumos foi feita uma análise da composição química das ferramentas utilizadas (mapeamento). a b Figura 6 a: Composição química superficial da ferramenta com revestimento AlCrN e 3- b: imagem da superfície mapeada via MEV do revestimento AlCrN. Na figura 6a temos a comprovação de que o revestimento AlCrN possui em sua composição alumínio (Al) e cromo (Cr) provenientes de seu revestimento, no qual o 5672

10 substrato da ferramenta fica em evidência. A presença de tungstênio (W), está presente na composição química do aço inoxidável austenítico AISI 304, podendo ser proveniente de material aderido na ferramenta. Entretanto, levando em consideração o fato do tungstênio ser parte integrante do substrato do inserto, torna a análise deste composto subjetiva. A figura 6b serve como referência para uma melhor compreensão da superfície a ser analisada, representada na figura 6a. Novamente faz-se valer a presença de uma imagem, figura 7a, de referência para facilitar a compreensão do mapeamento realizado na superfície da ferramenta com revestimento de TiAlN. a b Figura 7-a: Imagem da superfície mapeada via MEV do revestimento TiAlN, e 4-b: Composição química superficial da ferramenta com revestimento TiAlN. Na figura 7 temos a descrição da composição química do revestimento TiAlN provando que sua composição possui titânio (Ti) e cromo (Cr) provenientes de seu revestimento. Podemos observar ainda que este insumo possui tungstênio (W) que está presente na composição do aço inoxidável AISI 304, assim como está presente no composto da própria ferramenta de corte. A figura 8 a, segue o mesmo padrão de compreensão das imagens anteriores, a imagem é referente ao mapeamento onde indica a região a ser analisada do inserto revestido com TIC. 5673

11 a b Figura 8 - a: imagem da superfície mapeada via MEV do revestimento TiC. Figura 5- b: Composição química superficial da ferramenta com revestimento TiC. No insumo com revestimento TiC foi detectado a presença de titânio e carbono provenientes do revestimento. O que comprova que a ferramenta utilizada possui um revestimento condizente com sua especificação. O cromo e tungstênio presentes na amostra são partículas de aço inoxidável que ficaram aderidas na superfície da ferramenta após sua usinagem, porém estes mesmos materiais estão presentes no composto do substrato da ferramenta. A região escura, não indica representação de composição de material algum, isso se deve a não incidência do leitor da máquina que foi realizado os ensaios, para que fosse realizado a leitura desta superfície seria necessário à movimentação da mesma em direção ao leitor de sinais da máquina, gerando assim custos desnecessários para o ensaio, já que o objeto de análise para uma caracterização dos ensaios é a superfície desgastada. CONCLUSÃO Após os testes realizados e a análise de dados coletados, comparando as três ferramentas de corte utilizadas nos procedimentos expressos, foi possível concluir diferentes resultados. Se relacionarmos a qualidade da ferramenta levando em consideração apenas sua capacidade de usinagem até que ocorra o desgaste total do revestimento, as ferramentas com o revestimento de TiAlN e AlCrN não são viáveis na usinagem do aço inoxidável AISI 304. Pois as duas possuem uma vida útil 66,6% menor que a ferramenta com revestimento TiC. Mas levando em consideração a rugosidade superficial da peça a ferramenta com revestimento de TiAlN representa um melhor desempenho para a rugosidade superficial da peça usinada sendo assim ela é melhor mesmo possuindo uma vida menor que o inserto com revestimento 5674

12 específico para a usinagem do aço inoxidável que está representado pela ferramenta com revestimento TiC. As literaturas comprovadas através deste estudo atestam a existência de mecanismos de desgaste conjuntos, ou seja, o desgaste adesivo precedeu o desgaste por oxidação evidenciado pelo entalhe gerado na superfície das ferramentas. Por fim, pode-se concluir que o conhecimento prévio do uso de ferramentas revestidas adequadamente a cada material traz ganhos inquestionáveis em uma indústria. REFERENCIAS (1) SILVA, F. C. S.; et al. Análise do torneamento do aço inoxidável abnt 304 através da temperatura do cavaco. In: 17º Simpósio do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Uberlândia, MG, Anais 17º Simpósio do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Uberlândia, ABC, 2007, p Ref (2) SILVA, D. W. S. Análise da Influência de Corrosão do Aço Inoxidável 316L por Hipoclorito de Sódio no Processo de Assepsia Externa de Tubulações Cervejeiras. Universidade do Vale do Paraíba UNIVAP. Vale do Paraíba, (3) CARBÓ, H. M. Núcleo inox. Aço Inoxidável - Aplicações e Específicação. ArcelorMittal. [S. l.] COATED INSERTS WEAR STUDY DURING STEEL MACHINABILITY STAINLESS AISI 304 Abstract Currently the industry each class of material has a specific tool for your machining. Aiming at the practicality of owning cutting to enable the machining of more than one type of material tools, we analyze the possibility of using an input-coated unisagem specific cut for cast iron machining in stainless steel AISI 304.Foram made tests three separate tools, one with TiC coating which is suitable for machining stainless steels, and two used in the machining of cast iron that have coatings TiAlN and AlCrN. Through tests and measurements verified that the TiAlN coated tool, presents a satisfactory index for the machining of stainless steel AISI 304. For although this tool has a lifetime 66.6% less than the TiC coating, it leaves a surface finish on the workpiece better than this tool. Keywords insert, stainless steel, wear, machining. 5675