Estudo Da Influência Do Teor De Níquel Na Usinabilidade De .
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICACOMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICAEstudo da influência do teor de níquel nausinabilidade de ligas Fe-Cr-NiAutor: Daniel Cirillo MarquesOrientador: Anselmo Eduardo Diniz14/2007
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICACOMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃOEstudo da influência do teor de níquel nausinabilidade de ligas Fe-Cr-NiAutor: Daniel Cirillo MarquesOrientador: Anselmo Eduardo DinizCurso: Engenharia MecânicaÁrea de Concentração: Materiais e Processos de FabricaçãoDissertação de mestrado acadêmico apresentada à Comissão de Pós Graduação daFaculdade de Engenharia Mecânica, como requisito para a obtenção do título de Mestre emEngenharia Mecânica.Campinas, 2007S.P. – Brasili
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELABIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMPM348eMarques, Daniel CirilloEstudo da influência do teor de níquel nausinabilidade de ligas Fe-Cr-Ni / Daniel Cirillo Marques.--Campinas, SP: [s.n.], 2007.Orientador: Anselmo Eduardo DinizDissertação (mestrado) - Universidade Estadual deCampinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.1. Metais - Usinabilidade. 2. Aço inoxidável. 3.Ligas de níquel. 4. Ferramentas para cortar metais. I.Diniz, Anselmo Eduardo. II. Universidade Estadual deCampinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III.Título.Título em Inglês: Study of the nickel content influence in the machinability of Fe-Cr-Nialloys.Palavras-chave em Inglês: Stainless steels, Tool wear, Machinability, Fe-Cr-Ni alloysÁrea de concentração: Materiais e Processos de FabricaçãoTitulação: Mestre em Engenharia MecânicaBanca examinadora: Paulo Roberto Mei e Álisson Rocha Machado.Data da defesa: 27/02/2007Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânicaii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICACOMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃODISSERTAÇÃO DE MESTRADOEstudo da influência do teor de níquel nausinabilidade de ligas Fe-Cr-NiAutor: Daniel Cirillo MarquesOrientador: Anselmo Eduardo DinizProf. Dr. Anselmo Eduardo Diniz, PresidenteUniversidade Estadual de Campinas – UNICAMPProf. Dr. Paulo Roberto MeiUniversidade Estadual de Campinas – UNICAMPProf. Dr. Álisson Rocha MachadoUniversidade Federal de Uberlândia - UFUCampinas, 27 de fevereiro de 2007iii
Dedicatória:Dedico este trabalho aos meus pais.iv
AgradecimentosEste trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais prestominha homenagem:-Aos meus pais pelo incentivo em todos os momentos da minha vida.-Ao meu orientador Anselmo Eduardo Diniz pela oportunidade e dedicação para arealização desta pesquisa.-Aos professores Paulo Roberto Mei e Célia Cristina Moretti Decarli e ao mestrandoFranco de Castro Bubani, pela parceria na realização dos ensaios de caracterização dosmateriais.-Aos técnicos Aristides Magri e Claudenete Vieira Leal pelo auxílio direto nos ensaios.-A todos os professores, alunos, técnicos e secretárias do Departamento de Engenharia deFabricação que sempre estiveram prontos para ajudar.-Aos amigos da Faculdade de Tecnologia de São Paulo, que me incentivaram em todos osmomentos.-As empresas Sandvik e Villares Metals pela parceria que tornou possível a realizaçãodeste projeto.-E especialmente a Robert Bosch e ao CNPq, pelo auxílio financeiro.v
"Não tenha medo de seguir devagar, mas sim de permanecer parado. "vi
ResumoMARQUES, Daniel Cirillo, Estudo da influência do teor de níquel na usinabilidade de ligas FeCr-Ni, Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual deCampinas, 2007. 95 p. Dissertação (Mestrado)O objetivo deste trabalho foi estudar a influência do teor de níquel de ligas Fe-Cr-Ni navida da ferramenta de metal duro em processo de torneamento em acabamento. Para este estudoforam preparadas ligas com composição básica 18%Cr-0,01%C-0,2%Si-0,4%Mn e com teores deníquel variados (0, 10, 20, 30, 40, 50 e 60%). A medida que o teor de níquel subia, o teor de ferrodiminuía na mesma proporção. Os ensaios foram realizados com pastilhas de metal duro classeM15 revestidas com TiC/Al2O3/TiN. Todos os materiais foram usinados nas mesmas condições(vc 230 m/min, ap 0,6 mm e f 0,1 mm/volta), garantindo assim, como única fonte devariação, o teor de níquel. Os resultados mostram que a vida da ferramenta diminui com oaumento do teor de níquel e que o principal mecanismo de desgaste da ferramenta é a adesão earrancamento de partículas da ferramenta. Uma exceção se deu com o material com 30% deníquel, que apesar de apresentar o mesmo mecanismo de desgaste, mostrou-se mais fácil deusinar, gerando maior tempo de vida da ferramenta.Palavras chave:- aços inoxidáveis, desgaste da ferramenta, usinabilidade, ligas Fe-Cr-Ni.vii
AbstractMARQUES, Daniel Cirillo, Study of the nickel content influence in the machinability of Fe-CrNi alloys, Campinas: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual deCampinas, 2007. 95 p. Dissertação (Mestrado)The aim of this work was to study the influence of nickel content in Fe-Cr-Ni alloys onthe coated cemented carbide tool life during the finish turning process. For this purpose 18%Cr0,01%C-0,2%Si-0,4%Mn base composition and variable nickel content (0, 10, 20, 30, 40, 50 and60 weight %) alloys were prepared. As the nickel content increased, the iron content decreased inthe same proportion. Tests were carried out with coated cemented carbide inserts, M15 class withTiC/Al2O3/TiN coating. All alloys were machined on the same cutting conditions (vc 230m/min, ap 0,6 mm and f 0,1 mm/rev), in order to set nickel content as the only input variable.Results indicate that tool life decreases with the growth of nickel content, and the mainly toolwear mechanism is attrition. An exception was the material with 30% of nickel, that presented thesame tool wear mechanism but showed out higher machinability, allowing longer tool life.Keywords:- stainless steels, tool wear, machinability, Fe-Cr-Ni alloys.viii
SumárioLista de Figuras . xiiLista de Tabelas . xvNomenclatura. xvi1 - Introdução. 12 - Ligas Austeníticas . 32.1 - Aços Inoxidáveis Austeníticos . 42.1.1 – Classificação dos aços inoxidáveis. 42.1.2 – Propriedades mecânicas. 62.1.3 – Resistência à corrosão e à oxidação . 62.1.3.1 – Efeito dos elementos de liga. 72.1.4 – Aplicações dos aços inoxidáveis . 92.1.5 – Usinabilidade dos aços inoxidáveis. 112.1.5.1 – Aços inoxidáveis com usinabilidade melhorada . 142.1.5.2 – Ferramentas e condições de usinagem. 162.1.5.3 – Alguns fenômenos que ocorrem na região de corte . 202.2 - Ligas austeníticas à base de níquel. 24ix
2.2.1 – Classificação das ligas de níquel . 242.2.2 – Propriedades mecânicas e físicas das superligas de níquel . 272.2.3 – Usinabilidade das ligas a base de níquel . 292.2.3.1 – Usinagem com metal duro. 312.2.3.2 – Outros materiais de ferramenta. 363 - Materiais e Métodos . 393.1 – Introdução . 393.2 – Material. 393.3 – Ferramentas de corte. 413.4 – Fluido de corte . 423.5 – Máquina-ferramenta . 423.6 – Monitoramento do processo . 433.7 – Planejamento experimental. 444 - Resultados e discussões. 464.1 – Ensaios de usinagem. 464.1.1 – Vida da ferramenta . 464.1.2 – Análise do desgaste ao final da vida da ferramenta. 494.1.3 – Comparação dos resultados de usinagem com as propriedades dos materiais . 644.1.4 – Ensaio para verificação do desgaste ao longo da vida da ferramenta . 694.1.5 – Rugosidade . 754.2 – Ensaios complementares. 77x
4.2.1 – Vida da ferramenta . 774.2.2 – Mecanismos de desgaste. 794.2.3 – Rugosidade . 855 - Conclusões e sugestões para trabalhos futuros . 87REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . 90xi
Lista de FigurasFigura 2.1 – Relação entre as composições e propriedades das ligas nas famílias dos açosinoxidáveis . 9Figura 2.2 – Relação entre a resistência à corrosão e a dificuldade de usinagem dos açosinoxidáveis em função do aumento da resistência mecânica. . 13Figura 2.3 – Condutividades térmicas dos aços inoxidáveis comparadas a do aço carbono. 22Figura 3.1 – Corpo de prova para torneamento externo. . 41Figura 4.1 – Vida da ferramenta em tempo efetivo de corte em função do teor de níquel. . 47Figura 4.2 – Desgaste de Flanco em função do tempo para as 7 ligas. . 48Figura 4.3 – Identificação das regiões da ferramenta analisadas no MEV. 49Figura 4.4 - Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 0%Ni - e valoresobtidos na análise EDS . 51Figura 4.5 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 10%Ni - e valoresobtidos na análise EDS . 53Figura 4.6 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 20%Ni e valoresobtidos na análise EDS . 55Figura 4.7 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 30%Ni e valoresxii
obtidos na análise EDS . 57Figura 4.8 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 40%Ni e valoresobtidos na análise EDS . 59Figura 4.9 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 50%Ni e valoresobtidos na análise EDS . 61Figura 4.10 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 60%Ni e valoresobtidos na análise EDS . 63Figura 4.11 - Valores da tensão máxima à tração em função do teor de níquel para as ligasestudadas. 65Figura 4.12 - Valores médios de potência de máquina em função do teor de níquel durante osprimeiros 5 minutos de corte para as 7 ligas . 67Figura 4.13 - Valores médios de ductilidade em função do teor de níquel para as 7 ligas . 68Figura 4.14 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 40%Ni e valoresobtidos na análise EDS – após 5 minutos de usinagem. 71Figura 4.15 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 40%Ni e valoresobtidos na análise EDS – após 10 minutos de usinagem. 72Figura 4.16 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 40%Ni e valoresobtidos na análise EDS – após 15 minutos de usinagem. 73Figura 4.17 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura – material 40%Ni e valoresobtidos na análise EDS – após 20 minutos de usinagem. 74Figura 4.18 – Rugosidade média Ra em função do tempo para as 7 ligas. . 76Figura 4.19 – Rugosidade máxima Ry em função do tempo para as 7 ligas. 76Figura 4.20 – Vida da ferramenta em volume de cavaco removido. 78xiii
Figura 4.21 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura - ferramenta positiva comvelocidade 230 m/min . 80Figura 4.22 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura - ferramenta negativa comvelocidade 300 m/min . 82Figura 4.23 – Imagem de Microscopia Eletrônica de Varredura - ferramenta positiva comvelocidade 300 m/min . 84Figura 4.24 – Rugosidade média Ra para todas as réplicas. 86Figura 4.25 – Rugosidade máxima Ry para todas as réplicas . 86xiv
Lista de TabelasTabela 3.1 – Composição química das ligas estudadas (% em peso). 40Tabela 3.2 – Geometrias efetivas das ferramentas. . 42Tabela 3.3 – Condições de usinagem usadas na primeira fase de ensaios . 45Tabela 3.4 – Condições de usinagem usadas nos ensaios complementares. . 45xv
NomenclaturaLetras LatinasABNT– Associação Brasileira de Normas TécnicasAISI– American Iron and Steel Institute – Instituto Americano do Ferro e Açoap– Profundidade de usinagem[mm]ae– Penetração de trabalho[mm]APC– Aresta postiça de corteCCC– Estrutura cúbica de corpo centradoCFC– Estrutura cúbica de face centradaCVD– Chemical Vapor Deposition - Deposição Química a VaporD– DiâmetroEDS– Energy Dispersive Spectroscopy – Espectroscopia de Energia Dispersivaf– AvançoHV– Hardness Vickers – Dureza VickersMEV– Microscópio Eletrônico de VarreduraPVD– Physical Vapor Deposition – Deposição Física a Vapor[mm][mm/rot]xvi
Ra– Rugosidade média[µm]Ry– Rugosidade máxima[µm]VBB– Desgaste de flanco médio da ferramenta[mm]vc– Velocidade de corteVC– Carboneto de vanádioWC– Carboneto de tungstênio[m/min]Letras Gregasαo– Ângulo de folga[graus]γo– Ângulo de saída[graus]εr– Ângulo de ponta[graus]χr– Ângulo de posição[graus]λs– Ângulo de inclinação[graus]xvii
Capítulo 1IntroduçãoOs aços inoxidáveis a cada dia conquistam maior destaque no mercado de materiais, pelassuas propriedades mecânicas aliadas à elevada resistência à corrosão que, junto com suaspropriedades higiênicas e estéticas, fazem destas ligas um material muito atrativo para satisfazerdiversos tipos de aplicações. São muito utilizados nas indústrias de eletrodomésticos,automotores, construção civil e indústrias alimentícias e de produtos químicos.Os aços inoxidáveis são aqueles que contém um mínimo de 10,5% Cr como principalelemento de liga; são aços em que não ocorre oxidação em ambientes normais. Suascaracterísticas de resistência são obtidas graças à formação de um óxido protetor que impede ocontato do metal base com a atmosfera agressiva. Alguns outros elementos como níquel,molibdênio, cobre, titânio, alumínio, silício, nióbio, nitrogênio e selênio podem ser adicionadospara a obtenção de características mecânicas particulares.As superligas são ligas resistentes ao calor à base de níquel, níquel-ferro ou cobalto paraque apresentem uma combinação de resistência mecânica e resistência à corrosão. As principaisaplicações destas ligas estão em turbinas a gás de aviões, válvulas de exaustão, processamento demetais como ferramenta para trabalho a quente, aplicações médicas como dispositivos paradentistas e protéticos, veículos espaciais, equipamentos para tratamento térmico, sistemas deenergia nuclear, indústrias químicas e petroquímicas. São considerados ligas à base de níquelaqueles materiais que possuem pelo menos 50% Ni. Elementos como silício, fósforo, enxofre,oxigênio e nitrogênio devem ser controlados com práticas de fundição apropriadas. O cromo e o1
alumínio são também necessários para melhorar a resistência à corrosão (CHOUDHURY e ELBARADIE, 1998).Além das propriedades como resistência mecânica e à corrosão, deve-se levar emconsideração as propriedades de fabricação, como a usinabilidade, na escolha do material a serutilizado para determinada aplicação, pois produtos não planos, como barras, freqüentementepassam por operações de usinagem.A utilização da operação de usinagem está relacionada com a obtenção de componentescom as dimensões desejadas e qualidade superficial satisfatória. As vantagens econômicas daescolha certa do mate
(v c 230 m/min, ap 0,6 mm e f 0,1 mm/volta), garantindo assim, como única fonte de variação, o teor de níquel. Os resultados mostram que a vida da ferramenta diminui com o aumento do teor de níquel e que o principal mecanismo de desgaste da f
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