CARACTERIZAÇÃO DA INTEGRIDADE SUPERFICIAL DO AÇO ABNT 4340 ENDURECIDO NO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO COM FLUIDOS DE CORTE DE BASE BIODEGRADÁVEL C. Braga (1) ; L. R. Silva (1) ; E. J. A. Barbosa (2) ; I. S. Bicalho (1) ; F. A. Oliveira (1) ; H. L. O. Morais (1) ; C. R. Calado (1) ; E. C. S. Corrêa (1) (1) CEFET/MG; (2) IFMG CEFET/MG - Departamento de Engenharia de Materiais, Av. Amazonas 5253 - Nova Suíça - Belo Horizonte - MG, Brasil, CEP: 30.421-169 E-mail: lrsilva@deii.cefetmg.br RESUMO A integridade superficial de peças retificadas depende fortemente das condições de lubri-refrigeração produzidas pelos fluidos de corte, que são utilizados para amenizar danos microestruturais no processo. Entretanto, os fluidos de corte são produtos nocivos ao meio ambiente e à saúde humana, e aparecem como elemento determinante para a otimização do processo de fabricação. Este trabalho analisou a integridade superficial do aço ABNT 4340 endurecido no processo de retificação cilíndrica externa de mergulho com a utilização de seis diferentes formulações biodegradáveis de fluidos de corte (com óleos de soja, milho, mineral e aditivos). O desempenho da aplicação dos fluidos de corte foi avaliado através da caracterização da rugosidade, microestrutura (Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV) e medições de microdureza. Os resultados mostram que a integridade superficial das peças não foi significativamente alterada, o que comprova a eficiência dos fluidos de corte biodegradáveis e viabilidade do uso no processo de retificação. Palavras-chave: fluidos de corte biodegradáveis, processo de retificação, integridade superficial, caracterização de materiais, rugosidade. 4675
INTRODUÇÃO A retificação é um processo de usinagem de elevada criticidade para a integridade superficial dos componentes e é aplicado na obtenção de peças com tolerância dimensional rigorosa e baixa rugosidade. É utilizado como ferramenta um rebolo com grãos abrasivos sem geometria definida, de material cerâmico. A interação entre o rebolo e a peça, somada às altas velocidades de corte envolvidas, ocasiona elevação da temperatura na interface peça/rebolo, o que pode comprometer a microestrutura superficial das peças usinadas devido à ocorrência de danos térmicos e tensões residuais (1). Com o objetivo de reduzir os danos térmicos e os problemas que afetam a qualidade superficial das peças, são empregados os fluidos de corte, cujo objetivo é a lubrificação e refrigeração (2). Os fluidos de corte permitem a dissipação do calor gerado no processo e a redução do atrito na interface peça/rebolo, possibilitando a produção de peças dentro dos padrões desejados e sem alterações microestruturais que possam comprometer seu uso (3). Devido à toxicidade dos fluidos de corte de base mineral, amplamente utilizados na indústria metalmecânica, existe uma tendência mundial de reduzir a utilização desses óleos utilizando como alternativa os fluidos de corte ambientalmente corretos, como os óleos de origem vegetal (4). O objetivo deste trabalho é, portanto, a caracterização microestrutural da superfície de peças de aço ABNT 4340 endurecido, retificadas com diferentes formulações biodegradáveis de fluido de corte, avaliando a integridade superficial dos componentes. Essa avaliação consistiu em medições de rugosidade, análise microestrutural em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e medições de perfil de microdureza para complementar os resultados observados nas micrografias. MATERIAIS E MÉTODOS Para o desenvolvimento do trabalho foram confeccionados corpos de prova cilíndricos de aço ABNT 4340 temperado e revenido, com dureza média de52 HRc, com diâmetro de 37mm e comprimento usinado de 42mm. Os ensaios foram realizados em uma retificadora cilíndrica universal, marca TosHostivar, com potência equivalente a 9kW, e rebolo convencional de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ). A condição de usinagem foi escolhida de maneira a simular as 4676
condições reais de uma operação de retificação. A Tab. 1 apresenta as especificações dos parâmetros das condição utilizadas. Tabela 1 - Condições de usinagem utilizada. Ao final da retificação foi possível obter uma redução de 7,2mm no diâmetro dos corpos de prova. Os fluidos de corte utilizados na retificação foram o óleo mineral Mecafluid 14SC da marca Petronas Lubrificantes do Brasil de base parafínica contendo aditivos sulfoclorados inativos indicados para operações de corte em geral, e os óleos vegetais soja e milho do fabricante Campestre S/A. Os aditivos utilizados foram os de extrema pressão Liovac 580, Liovac 200 e Liovac 90, o agente refrigerante o Liovac PLO (Miracema-Nuodex), e os antioxidantes Lowinox HD98-LA PW e Naugalube 438-L, todos da empresa Chemtura. A Tab. 2 apresenta as formulações de fluido de corte utilizadas na retificação. Tabela 2 - Formulações de fluidos de corte utilizadas. Foram retificados 3 corpos de prova para cada formulação de fluido de corte apresentada na Tab. 2, totalizando 21 peças usinadas ao final dos ensaios. A rugosidade foi definida pelo parâmetro de amplitude Ra de acordo com a norma JIS B 0601-2001 (5), e o comprimento de amostragem cut-off utilizado foi de 4677
0,8mm. As medições foram feitas com um rugosímetro Mitutoyo, modelo SJ-301. A rugosidade foi medida em quatro posições radiais e equidistantes a 90 aproximadamente. Posteriormente foram calculados a média e o desvio padrão dos resultados obtidos. Para caracterizar a microestrutura da superfície das peças retificadas, e verificar os possíveis danos na superfície causados pelas solicitações térmicas e mecânicas ocorridas para cada condição de lubri-refrigeração investigada, foi feita uma análise microestrutural utilizando microscopia eletrônica de varredura. A amostra tratada e sem retificação também foi analisada. As amostras foram retiradas por meio de um corte na seção transversal do corpo de prova e posteriormente embutidas em acrílico auto polimerizante de maneira que a seção transversal ficasse exposta para o lixamento. Após o embutimento as amostras foram lixadas com lixas de diferentes granulometrias (220, 320, 400 e 600mesh), e polidas em uma máquina politriz com pasta de diamante para polimento metalográfico com tamanhos de partículas de 3µm e 9µm. Todas as amostras foram atacadas quimicamente utilizando Nital 3%. O microscópio eletrônico de varredura utilizado foi o modelo SSX 550 Superscan, da marca Shimadzu, onde foram realizadas ampliações de 1000X. Com o objetivo de complementar a avaliação microestrutural da superfície das peças, foram feitas medições de microdureza Vickers para obter o perfil de microdureza das amostras. As medições foram realizadas com o auxílio do Microdurômetro Vickers da marca Shimadzu, modelo HMV2, seguindo a norma ASTM E-384-99 (6). As amostras avaliadas nos ensaios de microdureza foram retiradas dos mesmos corpos de prova avaliados no MEV. A preparação metalográfica consistiu no lixamento em lixas de granulometrias de 400 e 600mesh e posteriormente polimento em máquina politriz com pasta de diamante para polimento metalográfico com tamanhos de partículas 3µm e 9µm. Após o polimento a superfície das amostras apresentava um plano com comprimento entre 3,5mm e 4,5mm. A carga aplicada em cada teste foi de 300 gf por um período de 15s. Durante os ensaios foram realizadas 10 medições em duas regiões distintas das amostras, de forma a obter valores de microdureza em diferentes profundidades na sub-superfície da peça, ou seja, a profundidade das medições variou de 13,0µm a 100,3µm. 4678
RESULTADOSE DISCUSSÃO A Fig. 1 apresenta os valores médios de rugosidade, avaliada pelo parâmetro Ra nas condições de usinagem utilizadas. Figura 1 - Rugosidade nas diferentes condições de usinagem e de lubri-refrigeração. Percebe-se que os valores de rugosidade encontrados nas peças usinadas com diferentes condições de lubri-refrigeração foram próximos, com exceção da retificação com óleo de milho 100% que apresentou valores de rugosidade elevados. Os fluidos de corte que proporcionaram peças com menor rugosidade foram o Mix 1 e o Milho 5. As Fig. 2 a 4 representam as microestruturas das amostras analisadas em MEV, com o intuito de verificar possíveis alterações microestruturais decorrentes de danos causados na sub-superfície do material devido às solicitações térmicas e mecânicas inerentes ao processo de retificação. A B Figura 2 - Micrografias da amostra não retificada (A) e retificada com óleo Mineral (B). 4679
A B Figura 3 - Micrografias das amostras retificadas com Soja 100% (A) e Soja 5 (B). A B Figura 4 - Micrografias das amostras retificadas com Mix 1 (A) e Mix 2 (B). Observa-se a presença de martensita dispersa na superfície de todas as amostras retificadas. A amostra não retificada, além de apresentar algumas trincas superficiais, se mostra com menor quantidade de martensita, sendo a microestrutura observada nessa amostra mais difusa do que nas demais. Todas as formulações de fluido de corte utilizadas se comportaram de maneira eficaz uma vez que as alterações ocorridas na microestrutura (formação de martensita na superfície) já são esperadas para o processo de retificação e não levam ao comprometimento da integridade superficial das peças. A Fig. 5 apresenta os valores de Microdureza x Profundidade para as amostras retificadas nas diferentes condições de lubri-refrigeração e para a amostra sem retificação. Os valores de microdureza encontrados estão associados à capacidade de dissipação de calor e velocidade de resfriamento dos corpos de prova, pois a temperatura e modo de resfriamento são fatores determinantes na definição da microestrutura obtida. 4680
Figura 5 - Microdureza nas diferentes condições de lubri-refrigeração e amostra não retificada. Analisando o gráfico observa-se variações de microdureza entre a superfície e a sub-superfície de todas as amostras. As variações na sub-superfície são muito pequenas e não apresentam um padrão de alteração com a profundidade, dessa forma as variações podem ser associadas à presença de algum carboneto no local da identação causando alterações nos valores. A variação mais acentuada entre a superfície e a sub-superfície foi observada na amostra retificada com óleo de milho, o que mostra que possivelmente a refrigeração não foi completamente eficaz. Os menores valores de microdureza na superfície do que na sub-superfície, observados nas amostras retificadas com as formulações Soja 5, Milho 5, Mix 1 e Mix 2, e na amostra não retificada, podem estar associados a medições imprecisas da superfície devido à sua curvatura. Os valores de microdureza das amostras retificadas foram bem maiores do que os valores da amostra não retificada, o que condiz com a análise microestrutural, que mostrou maior quantidade de martensita nas amostras retificadas em comparação com a amostra não retificada. CONCLUSÕES As medições de rugosidade mostraram que a retificação com os formulações de fluido de corte Soja 100%, Soja, 5, Mix 1, Milho 5 e Mix 2 foram eficazes e não prejudicaram a qualidade superficial das peças, uma vez que os valores de rugosidade Ra encontrados foram próximos aos valores com o uso do óleo mineral. Os resultados de microscopia eletrônica de varredura e microdureza foram condizentes e demonstraram que não ocorreram alterações microestruturais diferentes das já esperadas no processo de retificação quanto ao emprego dos 4681
fluidos de corte. A análise microestrutural mostrou que o emprego de formulações biodegradáveis de fluido de corte não altera negativamente a superfície das peças retificadas. De maneira geral observa-se, com os resultados obtidos, que o óleo de soja e a formulação Mix 1 apresenta elevado potencial como fluido de corte no processo, uma vez que as avaliações de rugosidade, microestrutura e microdureza foram compatíveis com os resultados observados na amostra retificada com óleo mineral. AGRADECIMENTOS Ao CNPq pela bolsa de Produtividade em Pesquisa e à FAPEMIG pelo auxílio referente ao Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica. Ao CEFET-MG e ao Departamento de Engenharia de Materiais DEMAT. REFERÊNCIAS 1. MALKIN, S. Grinding Technology: Theory and applications of machining with abrasives, 1 ed. Chichester. Ellis Horwood Limited, 1989. 2. OLIVEIRA, J. F. G. de; ALVES, S. M. Adequação dos processos de usinagem utilizando produção mais limpa como estratégia de gestão ambiental. Produção, v.17, n.1, p. 129-138, 2007. 3. REDDY, N.S.K; RAO, P.V. Experimental investigation to study the effect of solid lubricants on cutting forces and surface quality in end milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, v.46: p. 189-198, 2006. 4. OLIVEIRA, J. F. G. de; ALVES, S. M. Novos fluidos de corte adequado ao desempenho mecânico da retificadora e ao meio ambiente. Maquinas e Metais, jan., p. 28-43, 2006. 5. JAPANESE INDUSTRIAL STANDARDS. JIS B 0601: Surface roughness 6. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS. ASTME-384-99: Standard test for knoop and vickers hardness of materials. SURFACE INTEGRITY CHARACTERIZATION OF HARDENED AISI 4340 STEEL IN GRINDING PROCESS WITH BIODEGRADABLE FORMULATIONS OF CUTTINGFLUIDS ABSTRACT The surface integrity of parts submitted to grinding process depends on the conditions of lubrication and cooling produced by cutting fluids, which are used to avoid microstructural damage in the process. However, cutting fluids are harmful to the environment and human health, and appear as crucial element to the optimization of the manufacturing process. This study analyzed the surface integrity of AISI 4340 steel, quenched and tempered, in the external cylindrical plunge grinding process with the use of six different formulations of biodegradable cutting fluids (with oils of soybeans, corn, and mineral pure and with additives). The performance of the application of cutting fluids was evaluated by characterizing the microstructure by Scanning Electron Microscopy - SEM and microhardness and roughness measurements. The results showed that the surface integrity of the components was not significantly changed, which proves the efficiency of biodegradable cutting fluids and feasibility of use in the grinding process. Key-words: biodegradable cutting fluids, grinding process, surface integrity, materials characterization, roughness 4682