INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE NAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA USINAGEM DE AÇO Cr-Mo

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1 INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE CORTE NAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA USINAGEM DE AÇO Cr-Mo Maria Cindra Fonseca, Marcel Freitas de Souza, Bernardo B. N. Moniz de Aragão, Leonardo V.Sgura, Raffaela A. Giglio, Mateus Campos Martins, Ítalo do Valle Tomaz UFF Universidade Federal Fluminense Departamento de Engenharia Mecânica/ PGMEC, Rua Passo da Pátria, 156, São Domingos, Niterói, RJ, Brasil, RESUMO Processos de usinagem são amplamente utilizados para obtenção de peças e componentes de geometrias variadas. Entretanto, a usinagem está associada à geração de tensões residuais, devido à presença de elevadas deformações plásticas e a geração de calor, inerentes à operação. Os aços Cr-Mo, usados em plantas de altas temperaturas, são ainda pouco estudados do ponto de vista da usinagem de componentes das instalações de geração de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo estudar a influência dos parâmetros de corte nas tensões residuais provocadas pelo fresamento de topo e retificação plana de amostras de aço ASTM A335 grau P91, por difração de raios-x usando a técnica do sen 2 ψ. Os resultados mostraram que o aumento do avanço implicou em tensões residuais com tendência mais trativa em ambas as direções analisadas, enquanto que a retificação gerou tensões residuais compressivas, as quais podem aumentar a vida em serviço dos componentes usinados. Palavras-Chave: aço P91, fresamento, retificação, tensões residuais, difração de raios-x. INTRODUÇÃO Os aços ferríticos Cr-Mo resistentes à fluência são muito utilizados em aplicações na indústria de geração de energia. O aço ASTM grau P91 (9% Cr 1% Mo) é usado principalmente em condições extremas em caldeiras e instalações petroquímicas, como superaquecedores e reaquecedores (1,2). A excelente 6184

2 resistência à fluência e à corrosão destes aços, quando comparadas a outras classes de aços para altas temperaturas, permitiu a redução da espessura de parede de equipamentos e tubulações e o seu uso em paredes d água de caldeiras, que usam combustíveis muito corrosivos (3). Na montagem de tubulações e conexões, bem como na fabricação de componentes para turbinas a gás de aço P91, os processos de usinagem são empregados. O aço P91 é considerado um material de difícil usinabilidade e, assim sendo, a seleção adequada das ferramentas de corte e dos parâmetros de corte é de grande importância (4,5). Durante a usinagem, a superfície gerada sofre os efeitos mecânicos e térmicos inerentes ao processo que podem alterar de forma significativa as características da superfície e da camada subsuperficial. A presença de tensões residuais em peças usinadas é um dos fatores que afetam diretamente o desempenho final do componente usinado, podendo ser benéficas ou deletérias ao material. Para compreender a presença das tensões residuais, é necessário avaliar os parâmetros de corte empregados na usinagem, pois estes impactam diretamente nas tensões geradas no processo (6). Poucos estudos foram encontrados na literatura científica sobre a usinagem do aço P91 apesar do crescente uso desse material na indústria, principalmente no setor petroquímico e de energia. Assim sendo, o presente trabalho pretende contribuir no preenchimento desta lacuna, tendo como objetivo analisar a influência dos parâmetros de corte nas tensões residuais no fresamento de topo e na retificação plana de amostras de aço P91. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização deste trabalho, foram utilizadas 8 amostras de aço ASTM A335 grau P91 com dimensões de 15 mm x 17 mm x 62 mm. O material foi recebido na condição normalizado a 1070 C e revenido a 770ºC, sendo ambos os tratamentos seguidos de resfriamento ao ar. A composição química e as propriedades mecânicas do material estão apresentadas nas Tabelas 1 e 2. A fim de possibilitar um estado inicial isento de tensões, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico de alívio de tensões, realizado em um forno de atmosfera controlada, com argônio, para evitar a descarbonetação do material. O 6185

3 tratamento foi realizado à temperatura de 600ºC, por 1 hora, com posterior resfriamento no forno. Tabela 1 Composição química do aço P91 (% em peso). C Si Mn P S Cr Ni Cu 0,108 0,33 0,53 0,013 0,002 8,560 0,300 0,190 Mo V N Al Nb Ti As Sn 0,870 0,221 0,053 0,012 0,067 0,003 0,006 0,150 Tabela 2 Propriedades mecânicas do aço P91. σle (MPa) σlr (MPa) Alongamento (%) O fresamento de topo das amostras foi realizado em um centro de fresamento por comando numérico modelo MV 760 ECO, da marca VEKER. Foram usados 2 insertos de metal duro KC725M com recobrimento de alto desempenho de PVD- TiAlN, do fabricante Kennametal, com comprimento de 9,82 mm, largura de 6,70 mm e raio da ferramenta Re de 0,77mm, montados em um suporte de 16 mm de diâmetro. O fresamento foi realizado com fluido de corte em abundância. As tensões residuais foram avaliadas utilizando o analisador de tensões Stressrad (Figura 1a). Foi utilizado o método do sen²ψ, usando radiação CrKα (λcrkα = 2,291 Å) para difratar o plano (211) da ferrita. Foram fresados 8 canais utilizando 4 condições de corte replicadas 2 vezes, compreendendo dessa forma, os movimentos discordante e concordante. A profundidade de corte foi mantida constante e os demais parâmetros (rotação, velocidade de corte (Vc) e avanço por dente (a)) variaram conforme apresentado na Tabela 3. As tensões residuais foram avaliadas nas direções longitudinal (L) e transversal (T) em um ponto da amostra, tanto na região discordante quanto na concordante, a 20 mm do início da operação de fresamento. O ponto 1 representa uma parte do canal que foi fresada como movimento de corte (rotação da fresa) em oposição ao avanço da mesa (discordante), enquanto o ponto 2 é um representante da parcela do canal fresada com movimento de corte no mesmo sentido do avanço da mesa (concordante), conforme apresentado na Figura 1b. 6186

4 Figura 1: (a) Analisador de tensões Stressrad; (b) Indicação na amostra das áreas com movimento concordante e discordante e locais das medições de tensões residuais. Tabela 3 Parâmetros de corte para o fresamento de canais. Amostras Profundidade de corte(mm) Rotação (rpm) Velocidade de Corte (m/min) Avanço por dente (mm/dente) 0, ,15 0, , ,15 Após o fresamento e a análise das tensões residuais oriundas deste processo de usinagem, as amostras com 10 mm de espessura foram submetidas a um novo tratamento térmico de alívio de tensões com os mesmos parâmetros adotados previamente ao fresamento e posteriormente retificadas utilizando uma retificadora tangencial Benner modelo RVK Para esta operação, foi utilizado um rebolo de óxido de alumínio (Al2O3), com 205 mm de diâmetro externo, furo interno com 31,8 mm e de largura 13,5 mm. Durante a operação foi aplicado fluido de corte óleo solúvel Hydria EP, fabricado pela Amphora Química, sendo indicado para variados operações de corte, incluindo a retificação em aços de alto, média e baixa dureza. O método de aplicação de fluído de corte foi o de jorro abundante, com vazão constante de 6 L/min. O rebolo foi dressado a cada três operações de retificação, com uma ponta de diamante, a fim de minimizar as influências relacionadas ao desgaste da ferramenta. Foi utilizado durante o experimento um fatorial completo 2 2 (somente dois fatores), com duas réplicas e quatro combinação de parâmetros de corte, totalizando 6187

5 8 amostras. Como parâmetros foi utilizada uma velocidade de corte (Vc) constante de 30 m/s, velocidades de avanço (Vf) de 16 m/min e 25 m/min, profundidades de corte (ap) de 0,050 mm e 0,100 mm, conforme apresentado na Tabela 4. Tabela 4 Parâmetros de corte na retificação plana. Amostras Profundidade de corte (mm) Velocidade de avanço (m/min) 1-2 0, , , ,1 25 As tensões foram medidas e analisadas nas direções longitudinal (L) e transversal (T) em um único ponto no centro de cada superfície retificada, como exemplificado na Figura 2. As tensões longitudinais foram medidas na direção da retificação e as tensões transversal foram medidas na direção do avanço transversal da operação. Figura 2: Direções de medição das tensões residuais na superfície das amostras retificadas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Analisando graficamente os resultados de tensões residuais encontrados nas amostras fresadas 1 a 4 (Figuras 3a e 3b), percebe-se uma coerência entre os resultados dos pares de amostras com os mesmos parâmetros de corte (1-2 e 3-4), tanto para as medições na direção longitudinal quanto na direção transversal. As amostras 3 e 4 apresentaram tensões residuais trativas em ambas as direções nas duas regiões analisadas, enquanto que nas amostras 1 e 2 as tensões residuais foram compressivas, com exceção da direção transversal relativa ao movimento discordante, contudo essas tensões são de baixa magnitude comparadas ao limite de escoamento do material. No fresamento das amostras 1 a 4 percebe-se a influência do aumento do avanço por dente (fz) nos resultados das tensões residuais. O aumento de fz de 0,

6 (amostras 1 e 2) para 0,15 (amostras 3 e 4) representou um comportamento consideravelmente mais trativo nestes resultados (ou mudou a natureza das tensões de compressiva para trativa), tanto para as medições na direção longitudinal quanto para aquelas feitas na direção transversal. Avaliando graficamente os resultados de tensões encontrados nas amostras 5 a 8, que foram fresados com velocidade de corte 150 m/min (Figuras 3c e 3d), não consegue-se fazer análises coerentes nestes valores sobre a variação do avanço por dente (fz) e variação do tipo de movimento de corte em relação ao avanço da mesa (concordante e discordante), pois o aumento do avanço por dente não provocou o aumento da magnitude das tensões residuais trativas ou a alteração da natureza de compressiva para trativas nestas amostras, como pode ser constatado pela heterogeneidade dos resultados. (a) (b) (c) (d) Figura 3: Tensões residuais: (a) Longitudinais nas amostras 1 a 4; (b) Transversais nas amostras 1 a 4; (c) Longitudinais nas amostras 5 a 8; (b) Transversais nas amostras 5 a

7 Em virtude da heterogeneidade das tensões residuais geradas no fresamento, as amostras foram retificadas a fim de obter um estado de tensões residuais compressivo e um melhor acabamento em peças. As tensões residuais encontradas em peças após a operação de acabamento serão as mesmas que serão apresentadas em operação e devem ser de tal sorte que não representem riscos ao funcionamento de um equipamento ou mecanismo da qual elas pertencem. A Figura 4 apresenta as tensões residuais longitudinais e transversais nas amostras de 1 a 4 para uma mesma velocidade de avanço (16 m/min), podendo assim verificar a influência da profundidade nas tensões residuais encontradas. As amostras 1 e 2 foram retificadas com uma profundidade de corte de 0,05 mm, enquanto as amostras 3 e 4 foram retificadas com 0,1 mm. Foi observado que, para ambos os casos, as tensões foram compressivas, o que era esperado, dado a natureza do processo de retificação. As tensões transversais (perpendiculares a direção de corte) se mostraram de maiores magnitudes que as longitudinais, o que também já era esperado, uma vez que estão na direção de retificação (7). Nesse sentido, pode ser observado que a variação de profundidade, de 0,05 mm para 0,1 mm, não influenciou na natureza das tensões, apenas em sua magnitude. As amostras 3 e 4 apresentaram valores de tensões longitudinais menores em relação às amostras 1 e 2, enquanto as tensões transversais se mantiveram constantes, o que é compatível com os resultados encontrados por Chen et al. (2014). Figura 4: Tensões residuais longitudinais e transversais com avanço de 16 m/min 6190

8 Figura 5, assim como a Figura 4, comparam, para uma mesma velocidade de avanço (Vf), a influência da profundidade de corte, como para as amostras de 1 a 4, não demonstrou grandes diferenças. Porém vale frisar que, as amostras 7 e 8 apresentaram valores de tensões transversais de maior magnitude que as amostras 5 e 6. Esse fato pode ser atribuído a algum erro de operação na usinagem das amostras 5 e 6. A tensão longitudinal da amostra 7 mostrou ser trativa, o que pode ser atribuído a algum erro na medição. Figura 5: Tensões residuais longitudinais e transversais com avanço de 25 m/min. Para compreender a influência da velocidade de avanço sobre as tensões residuais longitudinais e transversais foram comparadas as velocidades de avanço considerando constante a profundidade de corte de 0,05 mm, conforme apresentado na Figura 4.3, para as amostras 1e 2, e 5 e 6, com velocidade de avanço de 16 e 25 m/min, respectivamente. É possível ver graficamente que, tanto as amostras 1 e 2, que foram retificadas a velocidades de avanço menores (16 m/min) obtiveram resultados de menor magnitude que as tensões encontradas nas amostras 5 e 6 em ambas as direções, longitudinal e transversal. Este resultado está incoerente com a literatura, que estabelece que quanto maior a velocidade de avanço, maior o nível de compressão das tensões residuais (9,10,11). Uma possível explicação para essa inconsistência está relacionada ao número de passes necessários para a realização da usinagem completa da superfície, sendo que para as amostras 1 a 4, foi feito um maior número de passes, de mesma profundidade, para obter uma superfície 6191

9 completamente usinada. Zoei et al. (2016) concluíram que quanto maior o número de passes para a retificação, maior é o nível de compressão obtido. Portanto, fica evidente que o número de passes impactou nos resultados. Figura 6: Influência da velocidade de avanço nas tensões residuais para as amostras com profundidade constante igual a 0,05 mm. O mesmo problema ocorre, também, para as amostras 3, 4, 7 e 8, como mostrado pela Figura 7. Para esse segundo caso, as amostras 3 e 4 foram usinadas a uma velocidade de avanço de 16 m/min, enquanto as amostras 7 e 8 foram usinadas a 25 m/min, ambas com profundidade de 0,1 mm. Figura 7: Influência das velocidades de avanço nas tensões residuais com profundidade constante igual a 0,1 mm. 6192

10 Vale ressaltar, porém, que as condições testadas resultaram em valores de tensões residuais compressivas, sendo tais condições benéficas às propriedades mecânicas do material, proporcionando, assim, uma melhoria na integridade superficial. Os valores de tensões residuais de compressão demonstram que a refrigeração foi feita corretamente, com o jato de fluido penetrando de maneira eficiente na região de corte, proporcionando uma boa lubrificação, reduzindo o atrito e a manutenção da afiação do rebolo. O resultado encontrado está de acordo com a expectativa, como mostrou Alves et al. (2009). CONCLUSÕES O presente trabalho, que teve como objetivo estudar o comportamento das tensões residuais no fresamento e na retificação plana de aço P91, permite as seguintes conclusões: 1. Para as amostras fresadas com condições favoráveis de usinagem, o aumento do avanço implicou em um caráter mais trativo nas tensões residuais geradas em ambas as direções de medição. 2. A variação da velocidade de avanço não provocou alterações na natureza das tensões residuais, que se mantiveram compressivas tanto para altas quanto para baixas velocidades. 3. A influência da velocidade de avanço nas tensões residuais foi significantemente mais relevante do que as alterações causadas pela variação da profundidade de corte. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho, e à ZAF Sistemas Analíticos por ter cedido o analisador de ruído magnético Barkhausen. 6193

11 REFERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS 1) CHRISTOPHER, J.; CHOUDHARY, B.K. Constitutive modelling of stressrelaxation behaviour of tempered martensitic P91 steel using sine hyperbolic rate law. Materials Chemistry and Physics, v. 205, p , ) XUEHUA ZHANG; YANPING ZENG; WENHE CAI; ZHICHUN WANG; WEILI LI. Study on the softening mechanism of P91 steel. Materials Science & Engineering A, v. 728, p , ) KUMAR, H., MOHAPATRA, J., ROY, K.: Evaluation of tempering behavior in modified 9Cr-1Mo steel by magnetic non-destructive techniques. Journal of Materials Processing Technology, v. 210, p , ) JANDA, Z.; FULEMOVA, J.; REHOR, J. Machining of ferritic-martensitic steel in power industry. In: International DAAAM Symposium, 22, Anais Viena: DAAAM International, p ) JANDA, Z.; FULEMOVA, J. Machining of ferritic-martensitic steel in power industry in light of load of cutting process. In: International DAAAM Symposium, 23, Anais Viena: DAAAM International, p ) KUN HUANG; WENYU YANG; XIAOMING YE. Adjustment of machining-induced residual stress based on parameter inversion. International Journal of Mechanical Sciences. International Journal of Mechanical Sciences, v. 135, p , ) ZHOU, N.; PENG, R. L.; PETTERSSON, R. Surface integrity of 2304 duplex stainless steel after different grinding operations. Journal of Materials Processing Tech, v. 229, p , ) CHEN, J.; FANG, ZHANG, L. Investigate on distribution and scatter of surface residual stress in ultra-high speed grinding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, v. 75, p , ) MAJERIK, J.; BAJCIK, S. Residual stresses measurement after high strength steels grinding by high cutting speeds application. Annals of DAAAM & Proceedings, v. 20, p , ) ZOEI, S. M.; SADEGHI, M. H.; SALEHI, M. Effect of grinding parameters on the wear resistance and residual stress of HVOF-deposited WC 10Co 4Cr coating. Surface & Coatings Technology, v. 307, p , ) LIU, M.; NGUYEN, T.; ZHANG, L.; WU, Q.; SUN, D. Effect of grinding-induced cyclic heating on the hardened layer generation in the plunge grinding of a cylindrical 6194

12 component. International Journal of Machine Tools & Manufacture, v. 89, p , ) ALVES, M. C. S.; BIANCHI, E. C.; AGUIAR, P. R.; CATAI, R. E. Variable feedrate influence on the final quality of metal grinding. Revista Escola de Minas, v. 62, p , INFLUENCE OF CUTTING PARAMETERS IN RESIDUAL STRESSES GENERATED IN MACHINING OF Cr-Mo STEEL ABSTRACT Machining processes are widely used to obtain parts and components of varied geometries. However, machining is associated with the generation of residual stress due to the presence of high plastic deformations and the generation of heat inherent to the operation. Cr-Mo steels, used in high temperature plants, are still poorly studied from the point of view of the machined components of the power generation facilities. In this context, the present work aims to study the influence of cutting parameters on residual stresses caused by top milling and flat grinding of ASTM A335 grade P91 steel samples by X-ray diffraction using the sin 2 ψ technique. The results showed that the increase of the feed implied residual stresses with a more tensile tendency in both directions analyzed, whereas the grinding generated compressive residual stresses, which can increase the service life of the machined components. Key-words: P91 steel, milling, grinding, residual stresses, X-ray diffraction. 6195