1 DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DE FERRAMENTAS DE CORTE A BASE DE SiAlONs NA USINAGEM DA LIGA Ti-6Al-4V J. V. C. Souza 1, S. J. Crnkovic 1, C. A. Kelly 2, M. V. Ribeiro 2, M. R. V. Moreira 2, O. M. M. Silva 3, V. D. Santos 4. 1 FEG-UNESP, Av. Dr. Ariberto Ferreira da Cunha, 333, Guaratinguetá-SP, Cep. 12516-410 2 FAENQUIL-DEMAR, Pólo Urbo-Industrial, Gleba AI-6, s/n, Lorena, Cep. 12600-000 3 CTA-IAE/AMR, Pça Marechal do Ar Eduardo Gomes, 50, S. J. Campos-SP, Cep. 12228-904 4 SENAI, Avenida independência, 846, Taubaté-SP e-mail: candido@feg.unesp.br RESUMO Recentemente, os materiais cerâmicos vêm sendo explorados como ferramentas de corte, na tentativa de melhorar os parâmetros de usinagem de várias ligas, conseqüentemente reduzindo os custos do produto final. Este trabalho foi desenvolvido com objetivo de produzir e aplicar ferramentas de nitreto de silício, Si 3 N 4, na usinagem da liga Ti-6Al-4V. Portanto, uma mistura de pós composta de α-si 3 N 4, AlN e Y 2 O 3 foi homogeneizada, seca, prensada uniaxialmente e isostaticamente a frio e sinterizadas à 1900 o C durante 1h sob atmosfera de nitrogênio. Após sinterização, as ferramentas foram caracterizadas quanto as suas propriedades físicas e mecânicas, apresentando 100 % α-sialon, densidade relativa de 98 % D.T., dureza de 19,76 GPa e tenacidade a fratura de 5,42 MPa.m 1/2, respectivamente. Os testes de usinagem foram realizados sem fluido de corte em diferentes condições. Os resultados obtidos foram superiores aos encontrados na literatura, mostrando a boa eficiência dessa ferramenta quanto ao processo de usinagem da liga Ti- 6Al-4V. Palavras-chaves: Ti-6Al-4V, usinagem, ferramentas de corte, desgaste, fase líquida.
2 INTRODUÇÃO O desenvolvimento cientifico e tecnológico tem permitido o surgimento ou aperfeiçoamento dos materiais de engenharia, amplamente empregado nos diversos ramos industriais, como automobilístico, aeroespacial, entre outros. Dentre esses materiais destaque para as ligas a base de titânio, especialmente a liga Ti-6Al-4V muito utilizada na indústria aeronáutica, naval, entre outras, devido as suas excelentes propriedades, como boa resistência à fluência, fadiga, corrosão entre outras. Tais propriedades são decorrentes de sua microestrutura, composta por grãos α circundados por β, que compõe a fase intergranular, conforme Figura 1. No entanto, é um material de difícil usinabilidade em função de sua reatividade com os elementos que compõem as ferramentas de corte. Figura 1. Fotomicrografias da liga Ti-6Al-4V. Normalmente, as ferramentas utilizadas na usinagem da liga Ti-6Al-4V são a base de metal duro, como carbeto de tungstênio (WC). Devido as suas excelentes propriedades, as cerâmicas a base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ) tem se tornado um material promissor na usinagem da liga Ti-6Al-4V, contribuindo para 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 (1). No entanto, seu forte caráter covalente e baixo coeficiente de autodifusão, dificultam a obtenção de cerâmicas densas de Si 3 N 4 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 (1).
3 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 (2-4). 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, α e β, resultantes das fases α e β-si 3 N 4, pela substituição do Si e N por Al e O, e ocupação dos vazios intersticiais por Y (4). Esse trabalho foi desenvolvido com objetivo de desenvolver, caracterizar e aplicar ferramentas a base de nitreto de silício no processo de usinagem da liga Ti-6Al-4V, visando futuramente a implantação de novas ferramentas cerâmicas no sistema produtivo. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1. Materiais As matérias primas utilizadas foram: α-si 3 N 4 de alta pureza (H.C.Starck), AlN e Y 2 O 3 (Fine grade H. C. Starck) e nitrogênio tipo B50, da Air liquid Bbrasil S/A. 2.2. Métodos A composição e a densidade a verde da mistura de pó preparada para o desenvolvimento deste trabalho, estão listados na Tabela I. Tabela I - Composição e densidade relativa a verde da mistura de pó utilizada. Composição (% em peso) Código da amostra α-si 3 N 4 AlN Y 2 O 3 (% D.T.) Densidade relativa a verde SY 79,40 11,60 9,00 60,03 ± 0,21 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
4 compactação as amostras em forma de pastilhas apresentavam dimensões de 16,36x16,36x7,5mm. Anterior a sinterização, as amostras foram envolvidas em leito de pó constituído de 70% Si 3 N 4 + 30 % BN e acondicionadas em cadinho de grafite. As sinterizações foram realizadas à 1900 o C durante 1h sob atmosfera de nitrogênio num forno com elemento resistivo de grafite (ASTRO da Thermal Technology, tipo 1000-4560-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-C744-74. 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 4000. As observações microestruturais foram realizadas após ataque químico das superfícies, utilizando KOH:NaOH (na proporção 1:1) em temperatura de 500 0 C, por 10 minutos. Uma análise aproximada do percentual de transformação α β-si 3 N 4 das amostras sinterizadas foram efetuadas por meio da comparação das intensidades relativas dos picos nos planos 210 (hkl), considerando as reflexões mais intensas (100%) das respectivas fases, utilizando-se a relação I β /(Iβ+Iα), segundo procedimento recomendado por Gazzara e Messier (5). 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-C1327-99. A tenacidade a fratura foi determinada pelo método da impressão Vickers (carga de 20N e tempo de indentação 30 seg), utilizando-se as informações extraídas dos ensaios de microdureza e equação de ANSTIS (6). 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 1832. Barras de
5 Ti-6Al-4V na forma cilíndrica de 87 mm de comprimento e diâmetro de 88,30 mm foram utilizadas. Os testes de usinagem da liga Ti-6Al-4V 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 II. 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 portaferramenta 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 B0601-1994). 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 II - 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 85 0,1 1 215 Aresta B 100 0,05 477 0,50 Aresta C 180 0,1 443 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Densidade relativa e análise de fases das amostras sinterizadas Após sinterização as amostras apresentaram densidade relativa próximo a 98 % D.T., mostrando a eficácia dos parâmetros e do sistema de aditivo adotados quanto à ativação dos mecanismos de sinterização via fase líquida, como rearranjo de partículas e solução reprecipitação.
6 As estruturas cristalinas das fases presentes e os valores aproximados das quantidades de fase α-sialon e β-si3n4 são mostrados na Tabela III. Analisando os resultados contidos nesta tabela, observa-se somente a presença da fase α-sialon, mostrando a eficácia do sistema de aditivo quanto a estabilização da fase α-si 3 N 4 e transformação à α-sialon. Comportamento similar também tem sido observado no trabalho desenvolvido por Lanna e coautores (7). Os resultados de parâmetro de rede da fase α-sialon são ligeiramente superiores quando comparados aos da fase β-si 3 N 4, podendo resultar em grãos com alta razão de aspecto (comprimento/diâmetro). Amostra SY Tabela III. Percentual aproximado de fases α- SiAlON e β-si 3 N 4, para a mistura utilizada neste trabalho. α-sialon Estrutura: Hexagonal Parâmetros de rede: a=7,8412 ± 0,0002 c=5,7105 ± 0,0002 Fases cristalinas β-si 3 N 4 Estrutura: Hexagonal Parâmetros de rede: a=7,7554 ± 0,0003 c=5,6220 ± 0,0001 Relação α-sialon:β-si 3 N 4 (%) 100:00 3.2. Microscopia eletrônica de varredura A fotomicrografia da amostra sinterizada é mostrado na Figura 2. Uma microestrutura homogênea composta por grãos, característico da fase α- SiAlON, tem sido observado. Microestrutura semelhante tem sido mostrado no trabalho desenvolvido por Santos e outros (4). Figura 2. Fotomicrografia da amostra sinterizada à 1900 o C. 3.3. Propriedades Mecânicas Após sinterização, as amostras apresentaram microdureza e tenacidade a fratura iguais a 19,76 GPa e 5,42 MPa.m 1/2, respectivamente. Os valores de microdureza estão diretamente relacionados a presença da fase alfa-sialon,
7 enquanto que, a tenacidade é justificada pela presença de grãos alongados, que tendem a intensificar os mecanismos de tenacificação. 3.4. Influência dos parâmetros de usinagem no desgaste da ferramenta e na superfície da peça Na Figura 3 é mostrado o comportamento do desgaste de flanco da ferramenta a base de SiAlONs em função do comprimento de corte, para as diferentes condições avaliadas. Analisando os resultados presentes nesta figura nota-se desgaste da ferramenta, que está relacionada às propriedades da Liga Ti-6Al-4V, principalmente quanto ao uso em temperaturas elevadas. Mesmo com os desgastes ocorrendo de maneira intensa, as ferramentas apresentaram boa performance de corte, evidenciando as propriedades da ferramenta, que não exibiram falhas catastróficas, suportando as cargas intensas durante execução dos ensaios. Desgaste de Flanco-Vb (mm) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5 Vc=180m/min, f=0,10mm/rev, a p =0,50mm Vc=100m/min, f=0,05mm/rev, a p =0,50mm Vc=85m/min, f=0,10mm/rev, a p =1mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Comprimento de Corte-Lc (x 10 2 m) Figura 3. Influência do comprimento de corte e das diferentes condições de usinagem no desgaste de flanco da ferramenta de Si3N4. 5 A influência do comprimento de corte, sob diferentes condições de usinagem, na temperatura da interface peça-ferramenta é mostrado na Figura 4. Nesta figura é possível notar que a temperatura da interface superou 1100 o C, sendo talvez o principal responsável pela ativação dos mecanismos de desgaste ocorridos na ferramenta. O aumento desta temperatura foi ainda mais agravado pelo aumento da velocidade de corte e do avanço, que provavelmente contribuíram para aumento da taxa de deformação do material e da geração de calor na zona de fluxo. Ainda, por meio dos resultados contidos na Figura 4, pode-se concluir que a condição critica de ensaio ocorreu com Vc=85 m/min, f=0,1 mm e ap=1,0 mm, que conduziu a ferramenta a uma temperatura de 1400 o C, diminuindo desta maneira o comprimento de corte. No entanto, mesmo diante dessas
8 adversidades foi possível notar para velocidade de 180 m/min, um comprimento de corte igual a 443 m, com Vb=2,2 mm, numa faixa de temperatura entre 1200 o C a 1300 o C. 1600 1400 1200 Temperatura ( o C) 1000 800 600 400 200 0 Vc=180m/min, f=0,10mm/rev, a p =0,50mm Vc=100m/min, f=0,05mm/rev, a p =0,50mm Vc=85m/min, f=0,10mm/rev, a p =1mm 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Comprimento de Corte Lc (x 10 2 m) 4 4.5 5 Figura 4. Influência do comprimento de corte e das diferentes condições de usinagem no desgaste de flanco da ferramenta cerâmica. As fotomicrografias das ferramentas de corte a base de nitreto de silício são mostrados na Figura 5. Em todas as condições analisadas foi possível notar a predominância de desgaste por abrasão, que durante processo de usinagem resultaram em outros tipos de desgaste como lascamento e cratera, conforme mostrada Figura 5b. Tais mecanismos estão diretamente relacionados às condições de usinagem, que proporcionaram o aparecimento de temperaturas elevadas na interface peça-ferramenta, contribuindo desta maneira para ativação dos mesmos, por meio provavelmente da interação química existente entre os materiais da ferramenta cerâmica e da peça usinada (Ti-6Al-4V). Figura 5. Fotomicrografias das ferramentas a base de SiAlONs: (a) Vc=85 m/min, Lc max =215, ap max =1,9 mm; (b) Vc=100 m/min, Lc max =477, ap max =4,0 mm; (c) Vc=180 m/min, Lc max =443, ap max =2,2 mm
9 CONCLUSÕES As ferramentas cerâmicas a base de SiAlONs apresentaram boas propriedades físicas e mecânicas, que durante processo de usinagem da liga Ti-6Al-4V produziram resultados consideráveis, como comprimento de corte igual a 443 m, mesmo com altos valores de desgaste de flanco. Tais resultados superaram aos encontrados na literatura, vindo desta maneira reforçar as informações cientificas e tecnológicas referentes ao processo de usinagem dessa liga. 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. W. Dressler, R. Riedel, International of Refractory Metals & Hard Materials 15, (1997) 13. 2. I. M. Law, X. S. Li, Advanced Ceramic Tools for Machinning Application-II, Key Engineering Materials, v. 14, 1996. 3. A. Rosenflanz, I. W. Chen, Journal of the European Ceramic Society, 19, (1999) 2337. 4. C. Santos, J. V. C. Souza, K. Strecker, S. Ribeiro, O. M. M. Silva, C. R. M. Silva, Materials Letters, 58, (2004) 1792. 5. C. D. Gazarra and D. R. Messier, Ceram. Bulletin, 56 [9] (1977). 6. R. R. F.Silva, Cinética de sinterização e desgaste de pastilhas de corte do sistema Si 3 N 4 -CeO 2 -AlN. 1992. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais) - Universidade de Aveiro, Aveiro, 1992. 7 Lanna, M.A., Silva, C.R.M., Souza, J.V.C., Properties of Silicon Nitride Sintered at Normal Pressure In: XIX Congresso da Sociedade Brasileira de Microscopia e Microanalise Caxambu-MG, 2003, Anais do XIX CSBMM.
10 SiAlONs CUTTING TOOLS DEVELOPMENT AND APPLICATION IN MACHINING OF THE Ti-6Al-4V ALLOY ABSTRACT Recently, ceramic materials have been searched as cutting tools, in the attempt of improving machining parameters of several alloys, consequently reducing costs of the final product. This work was developed with objective of to produze and apply SiAlONs cutting tools in machining of the Ti-6Al-4V alloy. Therefore, a powder mixture composed by α-si 3 N 4, AlN and Y 2 O 3 was homogenized, dried, compacted and sintered at 1900 o C for 1h in nitrogen atmosphere. After sintering, cutting tools were characterized with relationship to its physical and mechanical properties, showing only α-sialon phase, densification of 98 % of theoretical, microhardness and fracture toughness equal to 19.76 GPa and 5.42 MPa.m 1/2, respectively. Machining tests were higher to the found in literature, showing good efficiency of this cutting during machining of the Ti-6Al-4V alloy. Key-words: Ti-6Al-4V, machining, cutting tools, wear, liquid phase.