RESUMO

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1 1 VANTAGENS DAS FERRAMENTAS DE CORTE DE Si 3 N 4 NO TORNEAMENTO DO FERRO FUNDIDO CINZENTO J. V. C. Souza 2, S. J. Crnkovic 2, C. A. Kelly 1, M. V. Ribeiro 1, M. R. V. Moreira 1, E. A. Raymundo 1, O. M. M. Silva 3 1 FAENQUIL-DEMAR, Pólo Urbo-Industrial, Gleba AI-6, s/n, Lorena, Cep FEG-UNESP, Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333, Guaratinguetá-SP, Cep CTA-IAE/AMR, Pça Marechal do Ar Eduardo Gomes, 50, S. J. Campos-SP,Cep candido@feg.unesp.br RESUMO O desenvolvimento cientifico e tecnológico tem permitido surgimento e aplicação de novos materiais nos diversos ramos da engenharia, contribuindo para redução do custo dos produtos finais, e desta maneira agindo como um gerador de efeito multiplicador na economia mundial. Dentro deste contexto, esse trabalho foi desenvolvido com objetivo de produzir e aplicar ferramentas de nitreto de silício, Si 3 N 4, na usinagem do ferro fundido cinzento. Portanto, a mistura de pó composta por -Si 3 N 4, AlN e Y 2 O 3 foi homogeneizada, seca, compactada e sinterizada à 1850 o C durante 1,5 h sob atmosfera de nitrogênio. Após caracterização, as ferramentas apresentaram excelentes propriedades físicas e mecânicas apropriadas para testes de usinagem. Entretanto, os mesmos foram realizados sem fluido de corte em diferentes condições. Os resultados demonstraram que essas ferramentas podem ser aplicadas a condições mais severas, pois nenhum desgaste foi observado durante os testes de usinagem. Palavras-chaves: ferro fundido cinzento, Si 3 N 4, usinagem, ferramentas de corte, fase líquida.

2 2 1. INTRODUÇÃO Recentemente, a globalização da economia tem exigido do setor produtivo melhorias substanciais em termos de qualidade, custo, entre outros pré-requisitos necessários para o desenvolvimento científico e tecnológico. Devido a essa filosofia, novos conceitos têm se difundido no setor produtivo, como usinagem dos materiais de engenharia sem a presença de fluido de corte (usinagem a seco). Uma vez que, os fluidos de corte representam grande parcela do custo final da peça (cerca de 17 %), devido principalmente a necessidade de tratamento e descarte dos mesmos, sem desta forma infringir as leis ambientais. Além deste inconveniente, pode causar doenças ao trabalhador da indústria metal-mecânica, o qual se encontra em contato com fluido de corte, ocorrendo por meio de névoa, vapores ou subprodutos formados durante usinagem (1-4). É importante salientar que a usinagem a seco abrange um conjunto de fatores, como desenvolvimento de novas ferramentas. Nos últimos anos, as cerâmicas de nitreto de silício (Si 3 N 4 ), devido as suas excelentes propriedades físicas e mecânicas, têm despertado grande interesse do setor industrial na usinagem dos materiais de engenharia, especialmente do ferro fundido cinzento muito utilizado na industria automobilística, devido as suas excelentes propriedades físicas e mecânicas (Tabela I), que são creditadas aos tipos de morfologias de suas grafitas (Figura 1) (5,6). Tabela I - Propriedades e composição do ferro fundido cinzento (5). Propriedades Resistência a tração [MPa] Módulo de Elasticidade [GPa] Resistência a Fadiga [MPa] Condutividade Térmica [W/(m.K)] Dureza [HB] Composição química (%) C Si Mn P S Mg Cu 3,04 2,58 0,42 0,068 (max) 0,11-0,05 Além disso, as ferramentas a base de nitreto de silício podem contribuir para a diminuição do custo operacional com aumento do tempo de vida útil, e outro fato importante, sem a utilização de fluido de corte durante processo de usinagem, diminuindo desta maneira o impacto ambiental (6).

3 3 Figure 1. Morfologia do ferro fundido cinzento (5). Devido ao seu forte caráter covalente e baixo coeficiente de autodifusão, cerâmicas densas de Si 3 N 4 são difíceis de serem obtidas pelo processo de sinterização via fase sólida, havendo a necessidade de sintetizá-las via fase líquida, pela adição de pequenas quantidades de aditivos de sinterização, que ativam os mecanismos difusionais, aumentando a densificação e consequentemente contribuindo para melhora das propriedades mecânicas (6). Os principais aditivos utilizados na sinterização via fase líquida do Si 3 N 4 são: SiO 2, Al 2 O 3, Y 2 O 3, AlN, CTR 2 O 3 (óxido misto de ítrio e terras raras) ou misturas destes (7-9). Quando da utilização de uma fase líquida rica em Al, Y e O durante a sinterização do Si 3 N 4, tem-se a formação de uma solução sólida denominada SiAlONs, os quais melhoram a resistência a oxidação, dureza e fluência das cerâmicas de Si 3 N 4 a altas temperaturas. Os SiAlONs apresentam duas fases cristalinas, e β, resultantes das fases e β-si 3 N 4, pela substituição do Si e N por Al e O, e ocupação dos vazios intersticiais por Y (9). Esse trabalho foi desenvolvido com objetivo de obter cerâmicas densas de Si 3 N 4 por sinterização via fase líquida de excelentes propriedades físicas e mecânicas, visando a aplicações tribológicas, como ferramenta de corte, na usinagem do ferro fundido cinzento. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais As matérias primas utilizadas foram: -Si 3 N 4 de alta pureza (H.C.Starck), AlN e Y 2 O 3 (Fine grade H. C. Starck), Al 2 O 3 (AS 250K Baikalox) e nitrogênio tipo B50, da Air liquid Bbrasil S/A.

4 Métodos A composição e a densidade a verde da mistura de pó preparada para o desenvolvimento deste trabalho, estão listados na Tabela II. Tabela II - Composição e densidade relativa a verde da mistura de pó utilizada. Composição (% em peso) Código das amostras -Si 3 N 4 AlN Y 2 O 3 verde (% D.T.) Densidade relativa a SNY 78,00 13,00 9,00 61,02 ± 0,20 A mistura de pós foi homogeneizada via úmida, em moinho planetária por 3h, a 1000 rpm, em meio álcool etílico. Em seguida a suspensão foi seca em filtro a vácuo e em estufa a 100 o C Posteriormente, os pós foram peneirados e compactados uniaxialmente (100 MPa), em matriz de aço inoxidável com dupla ação dos pistões, seguida de prensagem isostática a frio a 300 MPa. Após compactação as amostras em forma de pastilhas apresentavam dimensões de 16,36x16,36x7,5mm. Anterior a sinterização, as amostras, em um total de 12, foram envolvidas em leito de pó constituído de 70% Si 3 N % BN e acondicionadas em cadinho de grafite. As sinterizações foram realizadas à 1900 o C durante 1,5h sob atmosfera de nitrogênio num forno com elemento resistivo de grafite (ASTRO da Thermal Technology, tipo FP-20). Para tanto, uma taxa de aquecimento de 25 o C/min foi utilizada. As massas específicas das amostras sinterizadas foram determinadas pelo método de Arquimedes, segundo norma ASTM-C A perda de massa foi determinada por meio das medições das massas antes e após sinterização. Para caracterização microestrutural e mecânica, as amostras foram lixadas e polidas com pasta de diamante até granulometria de 1µm. O polimento das amostras foi realizado em politriz automática tipo IGAN WURTZ, mod. PHOENIX As observações microestruturais foram realizadas após ataque químico das superfícies, utilizando KOH:NaOH (na proporção 1:1) em temperatura de C, por 10 minutos. As análises das fases presentes foram determinadas por difração de raios X, usando radiação Cu-K. Foi utilizada velocidade de varredura de 0,05 o /segundo. Para realização dos ensaios de microdureza foram utilizadas um número mínimo de 6 amostras, e em cada uma um total de 20 indentações. Esses ensaios foram realizados em microdurometro tipo MICROMET 2004 da BUEHLER, conforme norma ASTM-C A tenacidade a fratura foi determinada pelo método da

5 5 impressão Vickers (carga de 20N e tempo de indentação 30 seg), utilizando-se as informações extraídas dos ensaios de microdureza e equação de ANSTIS (10). Após caracterização, as amostras foram retificadas em rebolo de diamante nas dimensões de 13x13x4,8 mm, com chanfro negativo de 20 o e espessura do chanfro igual a 0,08 mm, conforme norma ISO Os testes de usinagem do ferro fundido cinzento foram realizados sem fluido de corte num torno CNC (Romi, mod. Centur 30D). Para medir a temperatura da interface peça-ferramenta foi utilizado um pirômetro de radiação infravermelho (mod. Cyclops-52 Minolta-Land), a uma distância mínima de 300 mm da ponta da ferramenta. Os dados utilizados nos ensaios de usinagem estão apresentados na Tabela III. As análises de desgaste da ferramenta foram determinados por Ra, Ry e desgaste de flanco máximo (VBmax), respectivamente. As medidas de rugosidade foram realizadas com a peça ainda presa a máquina através do rugosímetro Surftest SJ-201 da Mitutoyo (portátil) acoplado a um suporte de base magnética fixado no carro porta-ferramenta do torno CNC. Foram executadas três medições defasadas em 120 o no sentido axial, após um certo número de passes que a ferramenta executava na peça. Para realização das medidas de rugosidade foram utilizados perfil periódico e cutoff de 2,5 mm. Portanto, anterior as medições de rugosidade, foi executada a calibração do aparelho conforme a recomendação do fabricante (Nova JIS JIS B ). Como critério de fim de vida da ferramenta foi utilizado um VBmax de 0,6 mm e variação brusca de Ry. Para analisar as superfícies das ferramentas de corte após ensaios de usinagem, foi utilizado microscópio eletrônico de varredura (LEO-1450VP). Tabela III - Condições e parâmetros de corte utilizados nos ensaios de usinagem. Parâmetros de corte utilizados Condições de usinagem Vc (m/min) f (mm/rot) ap (mm) Lcmax (m) Aresta A Aresta B 400 0, Aresta C RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Densidade relativa e perda de massa Após sinterização as amostras apresentaram densidade relativa próximo a 98 % D.T e perda de massa inferior a 2,5 %, mostrando a eficácia do sistema de aditivo

6 6 adotado quanto à ativação dos mecanismos de sinterização via fase líquida, como rearranjo de partículas e solução reprecipitação Difração de raios X Os resultados de difração de raios X da amostra sinterizada são mostrados na Figura 2. Nesta figura é observada somente a presença da fase -SiAlON, mostrando a grande influência dos parâmetros de sinterização (como sistema de aditivos, isoterma e temperatura de sinterização) quanto à estabilização da fase - Si 3 N 4 e transformação a -SiAlON. Esses resultados foram também alcançados por Santos e outros (9). Intensidade (cps) ( SiAlON) Ângulo de incidência (2θ) Figura 2. Difratograma de raios X da amostra sinterizada Microscopia eletrônica de varredura A fotomicrografia da amostra sinterizada é mostrado na Figura 3. Uma microestrutura homogênea composta por grãos alongados, característico da fase - SiAlON, tem sido observado. Microestrutura semelhante tem sido mostrado no trabalho desenvolvido por Santos e outros (9).

7 7 Figura 3. Fotomicrografia da amostra sinterizada à 1850 o C. 3.4 Propriedades mecânicas Após sinterização as amostras apresentam microdureza e tenacidade a fratura próximas de 20 GPa e 6 MPa.m 1/2, respectivamente. A microdureza é justificada pela presença da fase -SiAlON, enquanto que a tenacidade é justificada pela presença de uma morfologia de grãos alongados, a qual provavelmente intensificou os mecanismos de tenacificação. Outro fato que também pode ser utilizado para justificar o aumento destas propriedades seria altos valores de densificação aliado à baixa perda de massa Influência dos parâmetros de usinagem no desgaste da ferramenta e na superfície da peça Na Figura 4 é mostrado o comportamento do desgaste de flanco da ferramenta a base de nitreto de silício em função do comprimento de corte, para as diferentes condições avaliadas. Analisando os resultados presentes nesta figura nota-se uma boa performance da ferramenta cerâmica durante usinagem do ferro fundido cinzento, não havendo desgaste da mesma em nenhuma das condições analisadas. Desgaste de Flanco-Vb (mm) 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 0 Vc=500m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=400m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=300m/min, a p =1,00mm, f=0,32mm/rot Comprimento de Corte-Lc (x 10 2 m) Figura 4. Influência do comprimento de corte e das diferentes condições de usinagem no desgaste de flanco da ferramenta de Si3N

8 8 A influência do comprimento de corte, sob diferentes condições de usinagem, na temperatura da interface peça-ferramenta é mostrado na Figura 5. Analisando os resultados presentes nesta figura nota-se menor temperatura da interface peçaferramenta, e maior comprimento de corte com aumento da velocidade e profundidade de corte. Além disso, também é possível presenciar o aumento da temperatura até um comprimento de corte entre 200 a 300 mm, em que acima desta a mesma tende-se estabilizar, principalmente em condições de menor velocidade. Pois, provavelmente o aumento da velocidade e profundidade de corte facilitaram o aparecimento de possíveis partículas duras, proveniente provavelmente do material usinado, aumentando o atrito entre a interface peça-ferramenta e consequentemente a temperatura. Temperatura ( o C) Vc=500m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=400m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=300m/min, a p =1,00mm, f=0,32mm/rot Comprimento de Corte-Lc (x 10 2 m) Figura 5. Influência do comprimento de corte e das diferentes condições de usinagem no desgaste de flanco da ferramenta cerâmica. 22 Na Figura 6 é mostrado a influência dos parâmetros de corte nos resultados de rugosidades (Ra e Ry) do ferro fundido cinzento. A diminuição da rugosidade com aumento do comprimento de corte tem sido notado, devido provavelmente ao processo de acomodação natural da ferramenta na peça, ocorrido principalmente em condições de alta velocidade associados a maior profundidade de corte. Ao longo do comprimento de corte, variações bruscas de rugosidade tem sido notado, fato que pode estar associado à morfologia do ferro fundido cinzento e aos parâmetros de usinagem abordados neste trabalho.

9 9 Rugosidade - Ra (µm) 10 9 (a) Vc=500m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=400m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rot Vc=300m/min, a p =1,00mm, f=0,32mm/rot Comprimento de Corte-Lc (x 10 2 m) Rugosidade-Ry (µm) 40 (b) Vc=500m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rev Vc=400m/min, a p =3,00mm, f=0,32mm/rev Vc=300m/min, a p =1,00mm, f=0,32mm/rev Comprimento de Corte-Lc (x 10 2 m) Figura 6. Influência do comprimento de corte e das diferentes condições de usinagem nas rugosidades: (a) Ra e (b) Ry. CONCLUSÕES As ferramentas cerâmicas apresentaram boas propriedades físicas e mecânicas, que durante processo de usinagem do ferro fundido cinzento produziram bons resultados, como não desgaste da ferramenta e excelente acabamento superficial da peça, sem o uso de fluido de corte, contribuindo com importantes informações tecnológicas ao processo de torneamento dessa liga, para redução dos custos, preservação da saúde humana e do meio ambiente. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer às Instituições que deram suporte técnico e financeiro a esse trabalho: FAPESP, CAPES, FAENQUIL, CTA-IAE/AMR, UNESP- FEG e TUPY FUNDIÇÕES LTDA. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 1. M. A. Lanna, J. V.C. Souza, C. Santos, C. R.M. Silva, O.M.M. Silva, Anais do 48 o Congresso Brasileiro de Cerâmicas, Curitiba, PR, 28/06/ /07/2004, H. W. Rossmore, Journal of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, (1995) J. Kopac, Journal of Materials Processing Technology 78, (1998) L. N. López de Lacalle, J. I. Liorente, J. A. Sánchez, Annals of the CIRP, 1998, vol. 47 CD-ROM. 5. Dawson, S. In: International Conference on Latest and Best in Melting and Metal Treatment in Ferrous and Non-Ferrous Foundries, Conventry, England, abr W. Dressler, R. Riedel, International of Refractory Metals & Hard Materials 15, (1997) 13.

10 10 7. I. M. Law, X. S. Li, Advanced Ceramic Tools for Machinning Application-II, Key Engineering Materials, v. 14, A. Rosenflanz, I. W. Chen, Journal of the European Ceramic Society, 19, (1999) C. Santos, J. V. C. Souza, K. Strecker, S. Ribeiro, O. M. M. Silva, C. R. M. Silva, Materials Letters, 58, (2004) R. R. F.Silva, Cinética de sinterização e desgaste de pastilhas de corte do sistema Si 3 N 4 -CeO 2 -AlN Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Universidade de Aveiro, Aveiro, ADVANTAGES OF THE Si 3 N 4 CUTTING TOOLS IN TURNING OF GRAY CAST IRON ABSTRACT The development scentific and technological has been allowing appearance and application of new materials in several fields of the engineering, contributing for cost reduction of finish produts, and of this way acting as multiplier effect generator in the worldwide economy. Inside of this context, that work was developed with objective of to produze and apply silicon nitride cutting tools, Si 3 N 4, in machining of the gray cast iron. Therefore, a powder mixture composed by -Si 3 N 4, AlN and Y 2 O 3 was homogenized, dried, compacted and sintered at 1850 o C for 1.5h in nitrogen atmosphere. After characterization, cutting tools showed excellent physical and mechanical properties appropriate for machining tests, that it were realized no cutting fluid in different conditions. The results demonstrated that such cutting tools can be applied to more severe conditions, because none wear was observed during machining tests. Key-words: gray cast iron, Si 3 N 4, machining, cutting tools, liquid phase.