TORNEAMENTO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS À BASE DE NITRETO DE SILÍCIO PRODUZIDAS POR SINTERIZAÇÃO NORMAL

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 TORNEAMENTO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO COM FERRAMENTAS CERÂMICAS À BASE DE NITRETO DE SILÍCIO PRODUZIDAS POR SINTERIZAÇÃO NORMAL M. A. Lanna, A. M. Abrão, C. R. M. da Silva, R. F. de Ávila, J. V. C. Souza. Centro Técnico Aeroespacial, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias CEP São José dos Campos - SP Brasil. RESUMO Com o desenvolvimento das indústrias e dos processos de usinagem, se torna cada vez mais necessário o desenvolvimento de novos materiais e novas ferramentas de corte que possibilitem trabalhar com velocidades cada vez mais altas e a um custo cada vez mais reduzido. No entanto as tecnologias de produção desses novos materiais são dominadas por um pequeno grupo de empresas, tornando difícil o acesso a essas tecnologias. No presente trabalho, ferramentas cerâmicas de nitreto de silício foram produzidas por sinterização normal em atmosfera de nitrogênio utilizando como aditivos de sinterização AlN, Al 2 O 3, CeO 2, e Y 2 O 3. Os materiais produzidos foram testados em operações de usinagem de ferro fundido cinzento, sem utilização de fluido de corte. A dureza e a tenacidade dos materiais foram medidas pelo método de indentação Vickers. A microestrutura foi analisada por MEV. Palavras-chave: ferramentas cerâmicas, sinterização, torneamento. INTRODUÇÃO. Buscando uma evolução do conhecimento científico e tecnológico, no país, com relação aos compósitos cerâmicos, este trabalho concentrou-se no desenvolvimento, processamento e caracterização de compósitos à base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ) sinterizados sem pressão com aditivos de sinterização com baixo custo visando à redução dos custos de processamento destes materiais

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 Para que um material seja utilizado em aplicações estruturais, sujeitas a rigorosas condições de uso, ele deve, em geral, apresentar algumas propriedades especiais, como por exemplo, elevada temperatura de fusão, elevada resistência mecânica, a qual deve ser mantida a altas temperaturas, elevada resistência à abrasão, alta resistência ao ataque químico, massa específica relativamente baixa e expansão térmica baixa. Os materiais cerâmicos covalentes têm despertado grande interesse em função de suas propriedades mecânicas e térmicas, dentre as quais destaca-se a resistência à fluência, fruto do forte caráter direcional das ligações presentes, que mantém a estabilidade estrutural a temperaturas elevadas [Dualibi, 1988]. O nitreto de silício apresenta um caráter covalente em suas ligações atômicas da ordem de 70% e dissocia-se em temperaturas superiores a 1900 C [Devezas, 1985]. Se, por um lado, a natureza covalente das ligações do Si 3 N 4 permitem-lhe vantajosas propriedades mecânicas, constituem-se, por outro lado, num sério obstáculo para uma plena densificação do material durante o processo de sinterização. Grande barreira de energia tem que ser superadas para a formação e movimento de defeitos estruturais que permitam a sinterização por difusão. Como a densificação de compactados a partir de um pó de Si 3 N 4 se realiza principalmente por mecanismos de difusão por contorno de grão e/ou volumétrica, aditivos químicos e altas temperaturas são necessários para elevar o coeficiente de difusão da espécie controladora do processo [Devezas, 1985]. Por esta razão, este material tem sido alvo de intensas pesquisas ao longo das última décadas e notáveis progressos vem sendo realizados na área de processamento, permitindo a obtenção de materiais bastante densos e resistentes. Em virtude de suas excelentes propriedades, tais como a alta dureza, resistência mecânica, condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e resistência à oxidação em altas temperaturas e ao choque térmico, o nitreto de silício tem sido empregado nas indústrias aeronáutica e espacial [Richerdson, 1992]. Outra aplicação bastante difundida é a sua utilização como ferramentas de corte, pois os valores relativamente elevados de dureza e tenacidade à fratura

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 (principalmente a altas temperaturas), bem como sua estabilidade química, o torna capaz de substituir as ligas metálicas ou de metal duro [Silva e Vieira, 1992]. O ferro fundido cinzentos são ligas ferro-carbono com percentagem de carbono 2ntre 2 e 4%, contendo ainda outros elementos [Diniz, 2000]. Esta liga de Fé-C-Si, pela sua fácil fusão e moldagem, excelente usinabilidade, boas resistências mecânica, ao desgaste e boa capacidade de amortecimento, são dentre os ferros fundidos, a mais usada. A faixa de composição dos ferros fundidos cinzentos está compreendida entre os valores apresentados na Tabela 1. Tabela 1: Composição dos ferros fundidos cinzentos, [Chiaverini, 1986]. Elemento C Si Mn P S Quantidade (%) 2,5-4 1,2-3 0,30-1,00 0,10-1,00 0,05-0,25 O carbono está presente nessas ligas como carbonetos (principalmente a cementita) e como carbono livre (grafite). O teor de cada uma destas formas depende principalmente da quantidade de outros elementos na liga. Um ferro fundido com alto teor de silício apresentará muito carbono livre e quase nenhuma cementita (o silício é um poderoso grafitizante). Este tipo de ferro fundido é chamado de cinzento. O teor de silício varia entre 1 e 3%. Os ferros fundidos brancos são duros e frágeis e possuem baixo teor de silício. Esse baixo teor de silício causará grande formação de carbonetos (cementita) e haverá pouco grafite na liga, [Diniz, 2000]. Existem também os ferros fundidos nodulares e os maleáveis. O ferro fundido maleável resulta de um ferro fundido branco, de composição adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial, de longa duração, chamado maleabilização. O ferro fundido nodular caracteriza-se por excelente resistência mecânica, tenacidade e ductilidade, O seu limite de escoamento é mais elevado do que os dos ferros fundidos cinzentos e maleável e mesmo do que nos aços carbono sem elementos de liga, [Chiaverini, 1986]. A usinabilidade varia muito entre o ferros fundidos, pois o ferro fundido branco (cheio de carbonetos duros e abrasivos) tem uma usinabilidade da ordem de dez vezes menor do que o cinzento. A Figura 1 compara a usinabilidade dos ferros fundidos, [Diniz, 2000].

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR Usinabilidade (%) CINZENTO MALEÁVEL NODULAR BRANCO Figura 1: Comparação da usinabilidade dos ferros fundidos. O ferro fundido forma cavacos de ruptura, enquanto os maleáveis e os nodulares formam cavacos longos. Geralmente a usinagem de ferro fundido cinzento é realizada a seco. Nos ferros fundidos existem alguns elementos que influenciam na sua usinabilidade, uns melhoram e outros prejudicam a usinabilidade destes materiais. Os elementos que formam carbonetos (cromo, cobalto, manganês, molibdênio e vanádio) prejudicam a usinabilidade enquanto os elementos grafitizantes (silício, níquel, alumínio e cobre) auxiliam na usinabilidade. MATERIAIS E MÉTODOS. Fabricação das ferramentas. Na produção dos materiais, foram utilizados pós comerciais de α-si 3 N 4 (H.C.Stark Alemanha), óxido de alumínio Al 2 O 3 (Alcoa-Brasil), óxido de cério Ce 2 O 3 (HCST), nitreto de alumínio AlN (HCST) e óxido de ítrio Y 2 O 3 (HCST). A composição da mistura usada no trabalho é apresentada na Tabela 2. Tabela 2: Composição química da mistura. Material Si 3 N 4 Y 2 O 3 Al 2 O 3 Ce 2 O 3 AlN Quantidade (% peso) 78,3 3,15 1,00 3,15 14,4 Os pós foram misturados e moídos em moinho de bolas do tipo planetário durante seis horas em meio líquido (álcool isopropílico) e recipiente de nylon. Após a

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 moagem, o material foi secado em estufa durante cinco horas a 120 C e depois desagregados em almofariz de ágata, para posterior peneiramento em malha de 100 mesh. Os corpos à verde forma produzidos em duas etapas de prensagem: 1) prensagem uniaxial a frio usando pressão de 50 MPa durante 5 segundos; 2) prensagem isostática a frio com pressão de 300 MPa durante 60 segundos. Após prensagem, os corpos foram sinterizados sem aplicação de pressão em forno com atmosfera de nitrogênio com patamar de 30 minutos a 1750 C e 30 min a 1850 C, com taxa de aquecimento de 15 C/min e resfriamento de 25 C/min. As amostras foram colocadas em um cadinho de grafite, imersas em uma mistura de 70 % de nitreto de silício e 30 % de nitreto de boro, para que se evite a perda de nitreto de silício por dissociação e oxidação. Propr. HV (GPa) K 1C Tabela 3: Propriedades do material. Densidade Densidade Retração Perda de aparente (g/cm 3 ) relativa (%) linear (%) massa (%) Valor 20 6,45 3,21 98,54 16,32 5,31 Após sinterização os corpos foram lapidados na forma de ferramentas de corte quadradas de acordo com a norma ISO A Figura 2 apresente o corpo sinterizado e as ferramentas lapidadas em dimensões padronizadas. a b Figura 2: Corpo sinterizado (a) e ferramenta lapidada (b). Metodologia dos ensaios de usinagem. Os corpos de prova utilizados no processo de usinagem foram barras de ferro fundido cinzento FC-250, cilíndricas de 105 mm de diâmetro por 300 mm de

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 comprimento. As características do ferro fundido cinzento FC-250 e suas propriedades estão apresentadas na Tabela 4. Os ensaios de usinagem foram realizados em um torno de comando numérico computadorizado com potência de 6,5 Kw e rotação máxima de 3500 rpm, equipado com um dinamômetro para aquisição das forças de corte através de suas três componentes. Tabela 4: Propriedades do ferro fundido cinzento utilizado. Propriedades Parâmetros de Forma da Teor de perlita Dureza Classe fabricação grafita (%) (HB) Padrão FC-25, 8h 100 % lamelar Composição química (%) C Si Mn P S Mg Cu 3,4-3,6 2,3-2,5 0,50-0,60 0,065 (max) 0,5-0, ,7-0,9 A Figura 3 apresenta a microestrutura do ferro fundido cinzento, mostrando os veios de grafite no material. a b Figura 2: Microestrutura do material. Sem ataque (a) e com ataque de nital 2% (b). Aumento de 100x. Para uma melhor avaliação da influência dos parâmetros de corte no comportamento da usinagem com as ferramentas produzidas foram utilizados quatro velocidades de corte e quatro avanços diferentes. Os parâmetros de corte utilizados nos ensaios de usinagem estão apresentados na Tabela 5. Foi utilizada uma única condição de usinagem para os ensaios de desgaste e de acabamento superficial.

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Para a realização das medições o processo foi interrompido em intervalos de corte de 1500 m. Tabela 5: Parâmetros dos ensaios de usinagem. Teste Vc f a p (mm) Teste f (m/min) (mm/rot) (mm/rot) Vc (m/min) a p (mm) ,12 1, ,00 3* Vc= velocidade de corte, f= avanço e a p = profundidade de corte. * = condição de corte dos ensaios de desgaste. RESULTADOS E DISCUSSÃO. A princípio, nem a direção, nem o sentido da força de usinagem são conhecidos, tornando-se impossível medi-la e conhecer melhor as influências de diversos parâmetros em seu valor. Então, não se trabalha com a força de usinagem propriamente, mas com suas componentes segundo as direções conhecidas, [Diniz, 2000]. A Figura 4 ilustra a influência do avanço e da velocidade de corte nas três componentes da força de usinagem para as condições de corte testadas. Na Figura 4a podemos avaliar a evolução das forças de usinagem com a variação do avanço. De uma forma geral, o aumento do avanço causa um aumento nas forças de usinagem. A força de corte aumenta de forma quase que direta com o aumento do avanço. A força passiva aumenta com o avanço, porém tende a se estabilizar em valores maiores de avanço. O aumento desses valores com o aumento do avanço é justificado pelo aumento da seção de corte, exigindo assim mais potência para cisalhar o material na zona de corte. Porém, quando o avanço cresce, o aumento da força de corte não é diretamente proporcional ao aumento do avanço, já que ocorre uma redução na pressão específica de corte. Avaliando a Figura 4b, percebemos um ligeiro aumento das forças de usinagem com o aumento da velocidade de corte para valores até 300 m/min. A partir desse valor, as forças de usinagem começam a cair com o aumento da

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 velocidade de corte. O aumento do calor gerado na zona de cisalhamento promove uma redução na resistência do material, facilitando assim o processo de usinagem desses materiais Força (N) a Força (N) b 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Avanço f (mm/rot) Força de corte Força passiva Força de avanço Velocidade de corte (m/min) Força de corte Força passiva Força de avanço Figura 4: Influência do avanço (a) e da velocidade de corte (b) nas forças de usinagem. A Figura 5a lustra o comportamento do acabamento superficial com o comprimento de usinagem, apresentando os valores para a rugosidade (Ra, Rq e Rt). Os valores da rugosidade média (ra) apresentaram pequenas variações durante a usinagem, com valores mais altos no início do processo e depois estabilizando e se mantendo praticamente constante no intervalo de corte entre 4500 e 7500m. A rugosidade média é o parâmetro mais utilizado na avaliação da qualidade das superfícies finais nos processos de usinagem. Rugosidade a Comprimento de usinagem Lc (m) Ra Rq Rt Desgaste de flanco VBb (mm) 0,26 0,22 0,18 0,14 0, b Comprimento de usinagem Lc (m) Figura 5: Rugosidade (a) e desgaste de flanco (b) em função do comprimento de usinagem.

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 O desgaste de flanco da ferramenta em função do comprimento de usinagem é apresentado na Figura 5b. O aumento do desgaste de flanco (no intervalo estudado) aumenta diretamente com aumento do comprimento de usinagem, apresentando um comportamento quase que linear. Vale ressaltar que as ferramentas testadas não atingiram o critério de fim de vida recomendado pela norma ISSO 3685/93, que estabelece que se utilize como fim de vida um desgaste de flanco médio de 0,3 mm. CONCLUSÕES. O comportamento do processo de usinagem depene diretamente dos parâmetros de usinagem, o que torna de suma importância um melhor entendimento do processo. A utilização de altas velocidades de corte é indicada no sentido de promover a redução dos esforços de corte, porém aumenta sensivelmente o desgaste da ferramenta. Os aditivos de sinterização usados para a formação de fase líquida Mostramse eficientes, resultando em um material com ótima propriedades para aplicações estruturais. A ferramenta produzida no laboratório por sinterização sem a aplicação de pressão apresenta-se como uma ótima opção no torneamento de ferro fundido cinzento, pelo seu excelente desempenho aliado a um baixo custo se comparada com uma ferramenta comercial. AGRADECIMENTOS. À CAPES pelo apoio financeiro. Ao Centro Técnico Aeroespacial pela disponibilização dos laboratórios de sinterização. À Universidade Federal de Minas Gerais pela disponibilização do laboratório de usinagem. REFERÊNCIAS. 1. J. Duailibi, Cerâmicas especiais para fins estruturais, Cerâmica, 34 (227), 1988, 191.

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR T. Devezas, Cerâmicos especiais estruturais: 2 o Parte: cerâmicos covalentes, ITA Engenharia, 6(4), 1985, D.W. Richerdson, Modern Ceramic Engineering, 2 a ed., New York, 1992, R.F. Silva, J.M. Vieira, Cutting performance and hot hardness of Si 3 N 4 based ceramic inserts, J. Hard Mater., 3(1), 1992, A. E. Diniz, F. C. Marcondes,e N. L. Coppini, Tecnologia da Usinagem dos Metais, segunda edição, Artliber, C. Chiaverini, Tecnologia Mecânica, Materiais de Construção Mecânica, vol III, segunda edição, 1986, MAKRON Books. GRAY CAST IRON TURNING WITH SILICON NITRIDE CERAMIC TOOLS PRODUCED BY NORMAL SINTERING ABSTRACT In the last years the machining process has developed and to come necessary the development of new materials and new cutting tools for work in the high speed and low costs. The production of these materials is secret and difficult access. In this work, the silicon nitride ceramic tools were produced by normal sintering. The sintering additives where AlN, Al 2 O 3, CeO 2 and Y 2 O 3. The produced materials where tested in the machining of gray cast iron. The hardness and fracture toughness was measured by Vickers method. KEY-WORDS: ceramic cutting tools, sintering, turning.

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