6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6 th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 Caxias do Sul RS - Brasil April 11 th to 15 th, 2011 Caxias do Sul RS Brazil ESTUDO COMPARATIVO ENTRE A USINABILIDADE DAS LIGAS DE MAGNÉSIO AZ91 E ZAXLa05413 André Garcia, Gonçalves André Gonçalves, Garcia, andre.garcia460@gmail.com 1 1 Sérgio Bartex, Luiz Sérgio Telles Luiz Bartex, Telles, sergiobartex@yahoo.com.br 1 1 Vinicius Barcellos, Karlisnki Vinicius de Karlinski, Barcellos, e-mail viniciuskarlinski@yahoo.com.br 1 1 Jaime Spim, Alvares Jaime Spim, Alvares, spim@ufrgs.br spim@ufrgs.br 1 1 1 Universidade 1 Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Centro de Tecnologia (CT), Laboratório de Fundição (Lafun), UFRGS Av. Bento Gonçalves, 9500 Agronomia, CEP 91501-970, Porto Alegre/RS- Brasil Resumo: O presente trabalho tem como objetivo principal a comparação da usinabilidade de dois diferentes materiais: a liga AZ91, que é uma das ligas de magnésio mais utilizadas comercialmente, sendo muito empregada no processo de fundição die-casting e a liga ZAXLa05413, que foi desenvolvida pelo Laboratório de Fundição (Lafun) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), com o objetivo de minimizar os efeitos de fluência, que é um dos principais problemas apresentados pelas ligas de magnésio. As ligas foram solidificadas unidirecionalmente e com a mesma taxa de extração de calor. Corpos de prova de ambas as ligas foram extraídas e submetidas ao processo de fresamento utilizando ferramentas de metal duro e aço rápido em desbaste e acabamento. O parâmetro usado como comparação foi a rugosidade média (Ra), que foi correlacionada aos dados microestruturais e mecânicos das ligas. Os resultados se mostraram coerentes com a literatura, apresentando pequenas variações na rugosidade entre as duas ligas Palavras-chave: magnésio, usinagem, fresamento, rugosidade. 1. INTRODUÇÃO A demanda por aumento da eficiência energética vem obrigando empresas e centros de pesquisa a desenvolver e utilizar novos materiais buscando a redução de peso. Entre esses materiais, destaca-se o Magnésio e suas ligas, pois ele apresenta aproximadamente dois terços da densidade do alumínio e a melhor relação peso/resistência entre os metais. Isso gera um grande interesse da indústria automobilística, onde o Magnésio acaba substituindo muitas vezes o aço e o alumínio, o que traz uma redução no peso no veículo. Dentre as ligas metálicas, o magnésio, além de baixa densidade, é o que exibe a menor energia específica de corte, como está mostrado no gráfico da Fig. (1), para os processos de fresagem e furação. Figura 1. Energia utilizada para usinagem de diferentes materiais (adaptado de Society of Manufacturing Engineers,1983).
Essa característica é extremamente interessante para as empresas que buscam a redução do consumo de energia e a busca de processos mais amigáveis ao meio ambiente. Outra vantagem desse metal é o bom acabamento superficial obtido após o processo de usinagem. Entretanto, devido ao seu baixo módulo de elasticidade, deve-se ter o cuidado na fixação da peça na máquina, pois pode haver distorções nas partes finas durante o trabalho. Outros cuidados relativos à segurança durante a operação devem ser tomados, pois o cavaco gerado durante o processo pode, devido à força de corte ou a velocidade de operação, entrar em combustão espontânea uma vez que esse material é extremamente reativo com o Oxigênio quando está a elevadas temperaturas (NFPA, 1987). Tradicionalmente, as ligas de Magnésio são usinadas sem a utilização de lubrificantes, pois além da pequena força de corte necessária, esse material tem uma boa dissipação de calor, o que ajuda a manter a superfície usinada relativamente fria (Metals Handbook,1989). Entretanto, utilizam-se fluidos de corte principalmente para evitar o risco de incêndio, para facilitar a remoção de cavaco e para aumentar a vida da ferramenta. Entre os fluidos utilizados podemse citar os óleos minerais, sendo preferíveis os que tenham maior ponto de ebulição, e as emulsões de água-óleo, tomando apenas cuidado durante o processo na máquina, pois pode haver a liberação de Hidrogênio e esse gás misturado com o ar torna-se inflamável (Spicer et al, 1991). Com o intuito de estudar novos materiais foi desenvolvida pelo Lafun/UFRGS uma liga de Magnésio reforçada com Cálcio e Lantânio, para a aplicação na fabricação de motores para equipamentos portáteis. Esses elementos visam à melhoria das propriedades em elevadas temperaturas e o principal processo de fabricação de peças com essa liga é o die-casting. Embora esse processo tenha dimensões bem próximas a final (near net shape), em algumas situações pode ser necessária a utilização de usinagem para acabamento final. Analisando a microestrutura dessa nova liga e levando em consideração o exposto acima, decidiu-se realizar esse trabalho com o objetivo de verificar o comportamento do novo material e compará-lo com a liga comercial AZ91, amplamente utilizada no processo de die-casting. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Descrições das Ligas As ligas de Magnésio utilizadas no experimento são AZ91 e ZAXLa 05413 obtidas através de lingote solidificado unidirecional vertical ascendente, as composições químicas dos corpos de provas são descritas na Tab. (1). Tabela 1. Composição Química das Ligas. Elemento AZ91** ZAXLa05413* % Al 8,5 9,5 4-5 %Ca - 0,8 1,0 % Mn 0,17 0,40 - %Zn 0,45 0,90 0,5 (Max.) %Si 0,05 (Máx.) - %Cu 0,025 (Máx.) - %Ni 0,001 (Máx.) - %Fe 0,004 (Máx.) - % La - 3,2 3,9 % Mg Balanço Balanço *Resultados de análise química fornecidos pela RIMA (Empresa Brasileira) ** Resultados retirados da ASTM B94-07
Os corpos de prova utilizados no ensaio tem as seguintes dimensões: 18x40x25mm (A,P,L) conforme mostra Fig.(2). Figura 2. Corpos de prova utilizados no ensaio. 2.2 Descrições da Máquina, ferramentas e instrumentos Para a confecção dos corpos de prova foi utilizado uma Máquina Fresadora Ferramenteira com as seguintes características: Viagem (X,Y,Z)(mm): 820x300x450; Eixo Taper:NO,40; Velocidade (RPM): 75~3600 Eixo do motor: (kw): 2,0 Peso(kg):2100 As ferramentas utilizadas no experimento foram: - 01 fresa de 04 arestas com 20mm de diâmetro em aço rápido, Fig.(4); - 01 suporte ferramenta para cinco pastilhas modelo: R200 064Q27 16M da Sandvik com pastilhas em forma redonda de metal duro GC4240, Fig.(5). Figura 4. Fresa de aço rápido. Figura 5. Suporte ferramenta para pastilhas de metal duro.
As Figuras (6) e (7) mostram o processo de fresamento, utilizado para o ensaio, com as ferramentas de aço rápido e com suporte ferramenta para pastilhas de metal duro respectivamente. Figura 6. Processo de Fresamento com ferramenta de aço rápido. Figura 7. Processo de Fresamento com suporte ferramenta para pastilhas de metal duro. O instrumento utilizado para executar as análises de rugosidade superficial dos corpos de prova foi um rugosímetro portátil com apalpador mecânico tipo stylus e raio de ponta de 5 m. 2.3 Parâmetros de Usinagem Os parâmetros de velocidade de corte, profundidade de corte e avanço utilizados na máquina para executar os experimentos estão descritos na Tab. (2): Tabela 2. Parâmetros de Máquina. Acabamento Desbaste Profundidade de corte (mm) 1 Profundidade (mm) 5 Avanço (mm/min) 160 Avanço (mm/min) 428 Velocidade de corte (RPM) 1100 Velocidade (RPM) 1100 Durante a execução dos testes não foi utilizado nenhum tipo de lubrificante. 2.4 Procedimento Metalográfico Os corpos de prova de ambas as ligas passaram pelo processo de análise metalográfica para investigação microestrutural que consistiu de lixamento, polimento e ataque químico. As lixas utilizadas no processo de lixamento foram de granulometria # 200, 400, 600 e 1200, o pano para polimento utilizado foi de 1 m, como abrasivo usou-se alumina de 1 m e as amostras foram atacadas quimicamente com Nital 2%. 2.5 Ensaios Mecânicos Foram realizados ensaios de dureza e micro dureza nas amostras para comparação de parâmetros metalúrgicos das ligas. 2.5.1 Ensaio de Dureza Para os ensaios de dureza foi utilizado uma Máquina de Ensaio Universal, as amostras foram ensaiadas pelo método de dureza Brinell com carga de 62,5 kg e identador esférico com diâmetro de 2,5 mm. 2.5.2 Ensaio de Microdureza Para os ensaios de micro dureza foi utilizado uma Máquina para ensaios de Microdureza Vickers com capacidade de 25 gf a 1000 gf, as cargas utilizadas no ensaio com as amostras variaram de 25 gf a 100 gf e o tempo utilizado foi de 15 s.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Primeiramente, procedeu-se aos ensaios de dureza no material bruto de fusão. Os resultados são mostrados na Tab.(3). Nota-se uma equivalência na medida de dureza de ambas as ligas como mostrado na tabela. Tabela 3. Medidas de dureza de ambos os materiais (valores em HB). ZAXLa05413 AZ91 74,8 4,4 70,4 3,4 A análise metalográfica das amostras é mostrada na Fig. (9). Observa-se a matriz formada pela fase -Magnésio (fase clara) com a fase -Mg 17 Al 12 nos contornos de grão (fase escura) para a liga AZ91. Na liga ZAXLa pode-se ver a matriz -Magnésio (fase clara), o eutético formado por Al 2 Ca e a formação de agulhas de Alumínio - Lantânio (Al 11 La 3 ), formando uma espécie de grampo nos contornos de grão, diminuindo assim os problemas relacionados a elevadas temperaturas, conforme descrito por Figueiredo (2008). (a) (b) Figura 9. Análise metalográfica: (a) ZAXLa05413. (b) AZ91. Aumento 200x. As medidas de microdureza mostram uma diferença significativa entre as fases presentes nas ligas em estudo como mostra a Tab. (4). Para ambos os materiais a matriz, composta basicamente por Magnésio, apresenta resultados de microdureza muito próximos. Entretanto, para a fase presente na AZ91 e para o eutético presente na liga com Cálcio e Lantânio os valores de dureza são maiores e diferem entre si. Tabela 4. Microdureza das fases (gf carga utilizada em gramas-força. Valores medidos em HV). AZ91 ZAXLa05413 Matriz (100 gf) Fase (50 gf) Matriz (100 gf) Eutético (25 gf) 68,15 7,2 89,73 9,81 54,52 5,79 120,07 7,22 Esses resultados são coerentes com a literatura (Arne,2001, Yang,2008, Zhu,2010), uma vez que esses elementos durante a solidificação segregam para os contornos de grão, gerando microconstituintes de elevada dureza. Devido à fina espessura das agulhas formadas por Alumínio e Lantânio, não foi possível medir a microdureza desse constituinte; mas, devido à forma facetada, pode-se afirmar que trata-se de um material duro, pois além do alto ponto de fusão do composto Al 11 La 3 (1050ºC) indicado no diagrama de fase Al-La descrita por Figueiredo (2008), a forma facetada desse composto é típica de um crescimento cerâmico durante a solidificação (Amauri, 2001).
Após a caracterização mecânica e metalúrgica da liga, partiu-se para os ensaios de fresamento. A Figura (10) mostra os resultados do processo na etapa de desbaste. Como se pode notar o acabamento superficial utilizando a ferramenta com pastilhas de metal duro apresentou um melhor resultado (menor rugosidade - Ra) quando comparado com a utilização da ferramenta de aço rápido. Já ao comparar o acabamento superficial entre as diferentes ligas, pode-se verificar que não houve uma diferença significativa na rugosidade apresentada. Figura 10. Comparação da rugosidade média e desvio padrão no processo de desbaste. Assim como no processo de desbaste, o processo de acabamento mostrou um melhor desempenho do ferramental de metal duro quando comparado com o de aço rápido, como mostra a Fig. (11) (a rugosidade apresentada é menor). Ainda pode-se ver nessa figura que não houve diferença significativa do acabamento superficial quando comparadas as diferentes ligas. Figura 11. Rugosidade média e desvio padrão no processo de acabamento. Apesar das diferenças apresentadas na microestrutura dos materiais, tanto pela forma dos microconstituintes quanto pelas propriedades apresentadas (microdureza), os valores medidos de rugosidade mostraram-se muito próximos. Isso se deve aos valores apresentados na dureza das fases que apesar de diferirem bastante da matriz podem ser considerados valores muito baixos, comparados, por exemplo, a dureza apresentada pela ferrita (fase ) no aço (material de boa usinabilidade). Essa baixa dureza torna a usinagem fácil, explicando a baixa energia necessária para efetuar o processo. Apesar das diferentes estruturas apresentadas, os valores de dureza mostram-se bem próximos (em torno de 70 HB), o que reforça essa teoria.
4. CONCLUSÃO A comparação entre a usinabilidade de duas diferentes ligas de Magnésio foi realizada. Pode-se afirmar que apesar da diferença na forma dos microconstituintes, a liga desenvolvida mostra-se com excelente acabamento superficial, podendo ser utilizada no processo de fresamento. Durante o processo de usinagem observou-se que não houve a necessidade de utilizar fluido de corte, comprovando o bom desempenho do material no processo de fresamento. O acabamento com pastilhas de metal duro mostrou-se com melhor desempenho quando comparado com o ferramental de aço rápido. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao suporte financeiro provido pelo CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico). 6. REFERÊNCIAS Arne K. Dahle, Young C. Lee, Mark D. Nave, Paul L. Schafer, David H. StJohn, 2001, Development of the As-Cast Microstructure in Magnesium ± Aluminium Alloys, Journal of Light Metals 1, pp. 61-72. Figueiredo, Arlan., 2008, Análise da Solidificação de Ligas de Magnésio para a Aplicação na Fabricação de Motores, Dissertação de mestrado, PPGEM/UFRGS. Garcia, A., 2001, Solidificação: Fundamentos e Aplicações. Campinas SP, Editora Unicamp. NFPA 651, 1987, Standard for the Manufacture of Aluminium and Magnesium Powder. Ed., National Fire Protection Association. Sandvik Coromant., 2010, Catálogo de Produtos On line. Disponível em: www.coromant.sandvik.com/br. Acesso em 15 out. 2010. Society of Manufacturing Engineers, Forces at the Cutting Tool, Tooling and manufacturing Engineers Handbook, Vol. 1, Machining, pp 1-19. Spicer, A., Kosi, J., Bullups, C. and Pajek, J., 1991, Machining Magnesium With Water Base Coolants, SAE Paper 910415. Yang,Z., Li, J.P., Zhang, J.X., Lorimer,G.W. and J. Robson, 2008, Review on Research and Development of Magnesium Alloys, Acta Metall. Sin.(Engl. Lett.)Vol.21, No.5, pp. 313-328. Zhu,S.M., Gibson,M.A., Easton, M.A. and Nie, J.F., 2010, The Relationship Between Microstructure and Creep Resistance in Die-cast Magnesium Rare Earth Alloys, Scripta Materialia Vol.63, pp. 698 703. 7. DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.