IDENTIFICAÇÃO DA CAMADA AFETADA PELO CALOR (CAC): COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DA ANÁLISE DE IMAGEM E DA ANÁLISE DE MICRODUREZA

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1 IDENTIFICAÇÃO DA CAMADA AFETADA PELO CALOR (CAC): COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DA ANÁLISE DE IMAGEM E DA ANÁLISE DE MICRODUREZA André de Lima Universidade Metodista de Piracicaba Rod. Santa Bárbara - Iracemápolis, Km 01, Santa Bárbara D'Oeste-SP andre-lima@unimep.br Milton Vieira Junior Universidade Metodista de Piracicaba Rod. Santa Bárbara - Iracemápolis, Km 01, Santa Bárbara D'Oeste-SP mvieira@unimep.br RESUMO: O surgimento da Camada Afetada pelo Calor (CAC) em peças usinadas tem sido uma preocupação constante. Em determinadas situações as alterações da microestrutura do material usinado na camada superficial chega a atingir profundidades que comprometem a utilização das peças, podendo originar trincas, alterar o comportamento mecânico ou acelerar o processo de desgaste por fadiga. No presente trabalho apresenta-se um estudo da formação da CAC em peças de aço ABNT 4340, submetidas ao processo de furação realizado sob condições otimizadas e sem o uso de lubri-refrigeração. Para esse estudo foram utilizados dois métodos: análise de imagem da microestrutura e análise da microdureza medida na região sub-superficial das peças usinadas. Ao final é feita uma comparação entre os dois métodos, identificando a clara correlação existente entre ambos para a identificação da formação da CAC. Palavras-chave: Camada Afetada pelo Calor, integridade superficial, resistência mecânica. 1. INTRODUÇÃO Tendo em vista a importância da furação nos processos de fabricação, inúmeras pesquisas visando melhorias de processo foram desenvolvidas (geralmente através de novos materiais e tecnologias de fabricação de brocas, eliminação de fluidos de corte ou otimização de condições de usinagem) Sales et al (1998), mas estas pouco se atêm aos macro e micro determinantes de qualidade (MmdQ 1 ) dos produtos usinados, interessando-se mais em resultados otimizados (vida, tempo, etc.). 1 O termo MmdQ foi proposto em Lima (2002), como abreviação do conjunto dos macro e micro determinantes da qualidade de interesse.

2 Tal situação provocou o interesse de alguns grupos de pesquisa em estudar com maior atenção as relações existentes entre as melhorias introduzidas em busca da otimização do processo de furação (aumentos de velocidades de corte, eliminação da lubri-refrigeração), com os MmdQ. Vieira Et Al (1998), já apontaram que desvios de forma e/ou dimensionais e que a integridade da camada subsuperficial (Camada Afetada pelo Calor - CAC) podem sofrer alterações significativas em virtude da utilização de condições otimizadas em situações limite. Nesse contexto, o presente trabalho pretende analisar o comportamento da CAC a partir de resultados obtidos em um processo de furação sem fluido de corte e com os parâmetros de corte otimizado. Também se pretende comparar dois métodos de avaliação dessa camada: através da medição da microdureza e através do uso de análise de imagens. 2. INTEGRIDADE SUPERFICIAL A ocorrência de danos à integridade superficial da peça pode levar à aceleração do processo de fadiga da peça, alterar a resistência a abrasão e à corrosão, ou ainda provocar o surgimento e a propagação de trincas Vieira et al (1998). O comprometimento da integridade superficial das peças usinadas pode ser definido pelas alterações na superfície usinada e na camada sub-superficial resultantes das solicitações dos processos de usinagem utilizados para a obtenção destas peças Costa, apud Damasceno, (1993). Dentre os tipos de alterações superfícies associados ao trabalho de remoção de cavaco pode se citar: Micro dureza; Rugosidade superficial (que não é de interesse do presente trabalho); Alterações de superfície e subsuperfície (CAC); Tensões residuais. Os fatores de interesse (em destaque) para o presente trabalho são mais bem descritos a seguir. 3. CAMADA AFETADA PELO CALOR (CAC) Bastante conhecida nos processos de soldagem, a CAC vem se mostrando muito útil e eficaz como uma ferramenta de averiguação da qualidade de peças usinadas Vieira et al (1998). A dissipação do calor gerado na região de corte pode se dar através da ferramenta, da peça, do fluido de corte e da dissipação no ar; as duas primeiras formas são indesejáveis por acelerarem o processo de desgaste da ferramenta e por poderem promover a formação da CAC. Com a elevação da temperatura e o posterior resfriamento na peça, cria-se uma condição propícia para o surgimento de camadas de martensita pura (α'). Segundo Shaw (1994), apesar de não haver um longo tempo de exposição às temperaturas elevadas como é feito nos tratamentos térmicos, a mudança de fase ocorre devido às deformações plásticas a que o material é submetido em um mesmo momento em que ocorre o aumento de temperatura durante a formação do cavaco. Essas deformações aliadas ao aquecimento promovem mudança no arranjo cristalográfico do material em um curto espaço de tempo e resultam na formação de uma camada termicamente afetada (CAC). 4. MICRODUREZA A propriedade mecânica denominada dureza é largamente utilizada na especificação de materiais, nos estudos e pesquisas mecânicas e metalúrgicas e na comparação de diversos materiais. A dureza Vickers é muito utilizada para a determinação de profundidade de camadas de proteção superficial e de profundidade de descarbonetação nos aços Souza (1982); daí a adoção deste método para a realização das análises das Camadas Afetadas pelo Calor (CAC), pois muitas das aplicações da dureza Vickers são voltadas para o ensaio de microdureza tendo em vista o fato de produzir uma

3 impressão microscópica no material, proporcionada por cargas inferiores a 1kg Degarmo (1979); Souza (1982). 5. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS Os ensaios realizados tiveram como ponto de partida um corpo de prova já usinado, obtido em processo de furação otimizada (V mxp = 163 m/min; f = 0,18 mm/rev; profundidade do furo =3,2xφ, passante) sem o uso de fluidos de corte Miranda (2001). A usinagem foi realizada em um centro de usinagem Mori Seiki, e os furos foram executados até que se atingisse uma condição de fim de vida da broca (desgaste excessivo da aresta ou quebra da broca). A base para a análise da formação da CAC foi a utilização de recursos de aquisição e análise de imagem. Para tanto, foi utilizada uma câmera CCD Hitachi, monocromática, acoplada a um microscópio metalográfico. A imagem captada pela câmera foi analisada com o auxílio do "software Global-Lab Image View", segundo procedimento descrito por Lima (2002): calibração do sistema, captação da imagem e análise e medição da CAC identificada. A ferramenta utilizada, selecionada através de catálogo TITEX PLUS, foi à broca inteiriça de metal duro P40 com diâmetro nominal 10m 2, tipo ALPHA 2 versão direita, conforme a Norma DIN 6537K e DIN 6535HA para a haste, com cobertura TINAL FUTURA (modelo A3265 TFL). Para a medição da microdureza, o equipamento utilizado foi um micro-durometro da marca Micromet, modelo 2103, o qual foi aferido segundo o procedimento de aferição da MD 036/01- ASTM. Em ambos métodos de medição foram analisadas amostras selecionadas de 16 em 16 furos, até o fim da vida da broca. 6. RESULTADOS E DISCUSSÃO 6.1. MICRODUREZA A análise de microdureza foi realizada através do método de microdureza dureza Vickers, seguindo instruções da norma ASTM E Ao analisar-se os gráficos das Figuras 1 e 2, que mostram o comportamento da microdureza ao longo da superfície e subsuperficie das amostras, observa-se que a variação da microdureza nas regiões analisadas indica a existência de alteração das características mecânicas do material nas camadas superficial e subsuperficial das amostras, proveniente de solicitações ocorridas durante o processo de execução dos furos. Micro dureza da Amostra Furo Microdureza (HV) , , , , , , ,03500 Profundidade (mm) Figura 1 Análise de Microdureza da Amostra 16

4 Microdureza da Amostra F480 Microdureza (HV) , , , , , ,05000 Profundidade (mm) Figura 2 Análise de Microdureza da Amostra 480 Ambos gráficos consolidam a hipótese de ocorrência do surgimento de uma camada que apresenta alterações possivelmente advindas de uma solicitação gerada no processo de obtenção do furo. O que difere nestas amostras é a proporção de variação do comportamento de microdureza e a propagação da camada em direção ao núcleo da peça. Confirmando a existência da camada afetada pelo processo de furação, o gráfico da Figura 3 apresenta o comportamento geral das amostras analisadas no que diz respeito à profundidade em que se dá a estabilização dos valores medidos das microdurezas, região em que se atinge o valor de referência medido em regiões não afetadas (310 HV), ou seja, o ponto em que se obteve a mesma leitura de microdureza do material sem ser usinado; a Figura 3 mostra, então, a profundidade em que as diferentes amostras atingem a tal ponto. Nota-se que em todos os casos os valores da profundidade da camada em que houve alteração na microdureza são realmente significativos, indicando que de fato há a ocorrência de uma camada afetada, supostamente pelo calor, na superfície e subsuperficie das amostras analisadas. Posições de Estabilização da Microdureza Profundidade (mm) 0,070 0,065 0,060 0,055 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0, Vida da Broca (n furos) Figura 3 Posições de Estabilização da Microdureza 6.2. ANÁLISE DE FORMAÇÃO DA CAMADA AFETADA PELO CALOR (CAC) No que se refere à integridade da camada superficial e subsuperficial das amostras, foram feitas avaliações do surgimento de CAC através da análise de imagens. Essas imagens mostram o valor da profundidade da CAC, medido em mm, registrado nas próprias imagens, como facilitador para o leitor interpretar os resultados. Essas imagens podem ser observadas nas Figuras de 4 à 6.

5 Figura 4 Cac dos Furos 16 E 144 Respectivamente Figura 5 Cac dos Furos 272 E 336 Figura 6 Cac dos Furos 464 E 496 Respectivamente Os valores medidos da CAC no método da análise de imagens mostram-se próximos àqueles obtidos na medição da microdureza COMPARAÇÃO ENTRE OS DOIS MÉTODOS Para efeito de comparação entre os dois métodos utilizados, o gráfico da Figura 7 apresenta simultaneamente as duas seqüências de dados com as profundidades de camadas identificadas nos dois métodos de análise.

6 Análise de Imagem X Microdureza 0,08 0,07 Profundidade da CAC (mm) 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 CAC Microdureza Vida da Broca (n furos) Figura 7 Análise de Imagem X Análise de Microdureza No gráfico da Figura 7, o que se percebe é o comportamento similar em ambas análises (microdureza e análise de Imagens). Os resultados sustentam a confirmação de que ocorreu de fato alguma espécie de transformação na microestrutura do material do corpo de prova, após a execução do ensaio de furação. A figura 8 apresenta uma sobreposição de uma imagem da CAC e de seu respectivo gráfico de microdureza. É possível observar como se comporta a característica mecânica de microdureza ao longo da superfície e subsuperfície da amostra, inclusive mostrando que a estabilização tende a ocorrer quando a camada afetada deixa de existir. Sobreposição de dados CAC Microdureza (HV) , , , , , ,07000 Profundidade (mm) Figura 8 Composição de Análises Observa-se claramente que na região mais clara da imagem, onde ocorreu a formação da CAC, a microdureza tem maior valor. Na região em que a imagem mostra a microestrutura sem deformação (a partir de 0,05mm de profundidade), a microdureza sofre um decréscimo significativo, até chegar ao valor de referência (310 HV). E na região intermediária (entre 0,045 e 0,05 mm), a microdureza tem um pequeno decréscimo, mas ainda mantém-se com valores elevados devido à deformação dos grãos da estrutura do material (um provável encruamento do material).

7 7. CONCLUSÃO As análises realizadas mostram que ao longo do processo ocorre a formação de uma Camada Afetada pelo Calor (CAC) e também que ocorrem outros tipos de influências sobre a camada subsuperficial das amostras (deformações, por exemplo). Essas ocorrências são possíveis de serem detectadas tanto através da medição da microdureza, quanto através da análise de imagens. No primeiro método identifica-se a profundidade da camada afetada através dos valores de dureza medidos até que se identifique a estabilização em um valor de referência. No outro método, a medição é feita diretamente sobre a imagem, identificando-se qual é o limite em que ocorre a alteração significativa na microestrutura da camada. Ambos métodos mostraram-se viáveis de serem utilizados para a identificação da CAC ou de outro tipo de alteração na camada subsuperficial das amostras, com resultados próximos e facilmente comparáveis. 8. REFERÊNCIAS DAMASCENO, D. Análise Das Tensões Residuais Após Torneamento e Retificação Do Aço ABNT Endurecido. Dissertação de Mestrado, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, dezembro 1993, 97p. DEGARMO, P. E. Material And Processes In Manufacturing. Ed. Macmillan Publishing. Printed in the United States Of America, Fifth edition, 857p LIMA, A. Estudo Dos Macro E Micro Determinantes De Qualidade (MmdQ) De Peças Obtidas Através Do Processo De Furação Otimizado. Dissertação de Mestrado, PPGEP-UNIMEP, 2002, 144p. MIRANDA, G. W. A.; COPPINI, N. L.; BRAGA, D. U.; DINIZ, A. E., Contribuição ao Processo de Furação com Brocas de Metal Duro Revestidas. Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação COBEF 01, abril de 2001, Curitiba Paraná. CD dos Anais do COBEF 01 SALES, W. F., Machado, A. R., Mello, J. D. B. Influência Do Fluído de Corte no Desgaste de Brocas de Aço Rápido. In: IV Seminário de Desgaste. Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, São Paulo/SP, Ed: Édile, Julho de p. 641 a 658. SHAW, M. C. Heat-Affected Zones in Grinding Steel. Annals of the CIRP vol. 43/1/1994, pp SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. Fundamentos Teóricos e Práticos. São Paulo Ed: Edgard Blucher, 1982, 286p. VIEIRA, M. J. LIMA, A. LIBARDI, R., CANCILIERI, H. A. Análise da Camada Afetada pelo Calor na Superfície de Peças Retificadas. In: IV Seminário de Desgaste. Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, São Paulo/SP, Ed: Édile, Julho de 1998.p. 183 a 206. IDENTIFICATION OF HEAT AFFECTED ZONE (HAZ): A COMPARISION BETWEEN IMAGE ANALISYS AND MICROHARDNES André de Lima Universidade Metodista de Piracicaba Rod. Santa Bárbara - Iracemápolis, Km 01, Santa Bárbara D'Oeste-SP andre-lima@unimep.br

8 Milton Vieira Junior Universidade Metodista de Piracicaba Rod. Santa Bárbara - Iracemápolis, Km 01, Santa Bárbara D'Oeste-SP mvieira@unimep.br Abstract: The occurrence of Heat Affected Zone (HAZ) on machined pieces has been a great and constant worry. In some situations the damage of the microstructure of the material achieves a depth that compromises the use of the piece. In such cases, the damage can induce mechanical faillures, changes of the mechanical behavior of the piece or even the accelaration of fatigue process. The present issue proposes the study of HAZ occurrence of HAZ on drilled pieces of SAE4340 steel obtained in optimized drilling process with dry cutting. For such a study, two methods are used for the analisys of HAZ: image analisys and microhardness analisys of the subsurface of drilled pieces. After this study, a comparision of both methods is carried out with the aim of identify the correlation between the results. Keywords: Heat affected zone, surface integrity, mechanical resistance.