Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Luís Guilherme Souza Parreiras Avaliação dos Esforços de Corte no Torneamento da Liga de Alumínio Silício (A356) com Diferentes Anteligas São João del-Rei/MG 2014 Luís Guilherme Souza Parreiras Avaliação dos Esforços de Corte no Torneamento da Liga de Alumínio Silício (A356) com Diferentes Anteligas Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João del-Rei como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de Concentração: Fabricação Mecânica dos Materiais Orientador: Prof. Dr. Durval Uchôas Braga São João del-Rei/MG 2014 Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ Parreiras, Luís Guilherme Souza P259a Avaliação dos esforços de corte no torneamento da liga de alumínio - silício (A356) com diferentes anteligas[manuscrito] / Luís Guilherme Souza Parreiras. – 2014. 117f. ; il. Orientador: Durval Uchôas Braga. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia Mecânica. Referências: f. 99-104. 1. Engenharia mecânica - Teses 2. Usinabilidade - Teses 3. Alumínio - Silício - Teses 4. Liga A356 - Teses 5. Modificador de grão - Teses 6. Refinador de grão - Teses 7. Esforços de corte - Teses 8. Anteliga - Teses I. Braga, Durval Uchôas (orientador) II. Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia Mecânica III. Título CDU: 621.9 Dedico este trabalho à minha esposa, Elisa, e aos meus pais, Nilce e Vander, que nunca desistiram de me apoiar. Agradecimentos Agradeço, primeiramente, a Deus. pela dádiva da vida e pelos dons concedidos, tornando possível chegar até aqui. Ao Prof. Dr. Durval Uchôas Braga, pela confiança, pelo companheirismo e pela orientação durante toda a realização deste trabalho. Aos professores do Departamento de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – PPMEC – da UFSJ, pelo conhecimento transmitido incondicionalmente, e aos técnicos- administrativos Mônica Jaques (secretária do PPMEC), Emílio Dias (técnico responsável pelo Laboratório de Corrosão e Materiais da UFSJ) e Camilo (técnico do Laboratório de Fabricação – DEMEC/UFSJ), pelo apoio e auxílio na solução de problemas. À LSM Brasil, por ter acreditado neste projeto, fornecendo equipamentos, alumínio e outros insumos, como também pela minha liberação do trabalho (quando necessário) para o desenvolvimento deste estudo. Aos amigos da LSM Brasil, em especial à equipe do Laboratório Metalográfico e ao estagiário Almilson, que, de alguma forma, contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho. E a todos aqueles que acreditaram em mim e me ajudaram para que este estudo pudesse ser concluído. “Mantenha seus pensamentos positivos, porque seus pensamentos tornam-se suas palavras. Mantenha suas palavras positivas, porque suas palavras tornam-se o seu comportamento. Mantenha o seu comportamento positivo, porque o seu comportamento torna-se seus hábitos. Mantenha seus hábitos positivos, porque seus hábitos tornam-se seus valores. Mantenha seus valores positivos porque seus valores tornam-se seu destino.” Mohandas Karamchand Gandhi (1869-1948) Parreiras, L.G.S. Avaliação dos Esforços de Corte no Torneamento da Liga de Alumínio Silício (A356) com Diferentes Anteligas. 2014. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de São João del-Rei, MG. Resumo Na última década, várias ações foram tomadas com o objetivo de se obterem veículos de alto desempenho, especialmente em relação ao volume de poluentes liberados para o ambiente. Neste contexto, a liga de alumínio silício A356 possui papel primordial, pois, devido às suas boas propriedades mecânicas e baixa densidade, ela é muito utilizada para substituição de partes e peças expressivas na composição do peso total do carro. A demanda dessa liga levou a indústria a aprimorar seus processos para a manufatura desse material com maior qualidade e menor custo. Com o objetivo de conhecer e aprimorar o processo de usinabilidade das ligas A356, este trabalho foi motivado mediante a avaliação dos esforços de corte no torneamento cilíndrico tangencial de acabamento da liga A356 tratada com diferentes anteligas. Para o tratamento da liga, foram selecionadas anteligas com função de refino de grão: o TiBAl5/1, o TiCAl315 e o TiAl10%, combinadas com a anteliga SrAl10%, que tem a função de modificadora de grão, e ligas combinadas, ou seja, refinadoras e modificadoras de grãos, o Strobloy5% e o SrTiBAl10%. Para o processo de torneamento, foram escolhidas duas ferramentas, uma com cobertura, 1005, e outra sem cobertura, H10. Um planejamento fatorial aleatorizado por níveis foi utilizado para organizar as variáveis de entrada e avaliar suas interferências nas variáveis de resposta: o momento torçor (Mt), a força de avanço (Ff), a força de corte (Fc) e a força passiva (Fp). Para análise dos resultados com 95% de confiabilidade tratados por meio de ferramenta estatística, ANOVA, para uma distribuição normal, foi possível verificar que houve tendência à menor força de corte (Fc) e momento torçor (Mt) para as peças tratadas com a anteliga combinada SrTiBAl10% e usinadas com ferramenta sem cobertura, resultados relacionados com a qualidade do refino de grão e a presença de partículas abrasivas, chamadas boretos. Conclui-se que, apesar de maior consumo específico de anteliga por tonelada de liga A356 tratada, o uso da anteliga SrTiBAl10% é a melhor opção dentre as anteligas utilizadas, pois sugere maior produtividade e redução de custos relacionados ao consumo de energia e utilização de ferramentas sem cobertura. Palavras-chave: Usinabilidade, Liga A356, Modificador de Grão, Refinador de Grão, Esforços de Corte, Anteliga. Parreiras, L.G.S. Evaluation of Cutting Efforts during Turning of Silicon Aluminum Alloy (A356) with Different Master Alloys. 2014. Masters Dissertation, Federal University of São João del-Rei, MG. Abstract In the last decades, many actions have been taken in order to obtain high performance on vehicles especially in terms of restricting emissions of pollutants to the environment. Within this context, the aluminium silicon alloy (A356) has a key role due to its mechanical properties as well as its low density. Many car parts can have their weight reduced if made from these alloys. The huge demand for this material lead the industry to improve the manufacturing processes so that goods quality and reduced production costs could be achieved. The present study was aimed tounderstand and enhance the process of machinability of A356 alloys. This work was motivated by evaluating the cutting forces in cylindrical finish turning of A356 alloy treated with different master alloys. The alloys were melt with three different kinds of grain refiners: the TiBA15/1, the TiAl10%, and the TiCAl315, combined with a grain modifier, the SrAl10%, and, on the final tests, master alloys with the role of grain refiner and modifier, the SrTiBAl10% and the Strobloy5%, were used. For this study two turning tools were selected: one with a coating, 1005, and antother uncoated, H10. A factorial design randomized level-by- level was used to organise the process input variables and evaluate their interference on the output variable: the `torçor`moment (Mt), the feed force (Ff), the cutting force (Fc) and radial force (Ff). The analysis were performed with 95% of condidence treated by the statistical tool, ANOVA, for a normal distribution. It could be verified that the A356 alloy treated with SrTiBAl10% master alloy and turning with uncoating tool shows cutting force (Fc) and torçor moment (Mt) smaller than the other combinations. These results can be associated with the grain refiner quality and the presence of insoluble particles, called borites, inside the alloys. The conclusion was that there was a higher specific consumption of the SrTiBAl10% master alloy per ton of A356 alloy treated. However, the A356 alloy treatement with SrTiBAl10% master alloy seems to be the best option because this combination suggested more productivity, more energy saving and uncoating tools use. Keywords: Machinability, A356 Alloy, Modifier, Grain Refiner, Cutting Efforts, Master Alloy. Lista de Figuras Figura 2.1 – Consumo aparente de alumínio no Brasil .................................................. 25 Figura 2.2 – ALTAB alumínio ferro com 90% de ferro contido .................................... 28 Figura 2.3 – Anteligas de alumínio em diversos formatos: A) vergalhão, B) vergalhão em varetas, C) barras e D) lingotes................................................................................. 29 Figura 2.4 – Ligas de alumínio silício: A) Diagrama de fases, B) Microestrutura ligas hipoeutéticas (1,65% a 12,6% de silício) aumento 150x, C) Microestrutura ligas eutéticas (12,6% de silício) aumento 400x e D) Microestrutura ligas hipereutéticas (maior que 12,6% de silício) aumento 150x ................................................................... 31 Figura 2.5 – Influência do teor de silício nas propriedades das ligas de alumínio ......... 32 Figura 2.6 – Bloco de motor em liga A356 Chevy LS7: big smallblock ....................... 35 Figura 2.7 – Variação da morfologia Al-Si nas ligas de alumínio silício: A) Sem modificação e B) Completamente modificada ............................................................... 36 Figura 2.8 – Alongamento para diversos níveis de adição de Sr em uma liga A356 para três taxas de resfriamento: (1) taxa de resfriamento de 1,5 °C/s, (2) taxa de resfriamento de 0,5 °C/s e (3) taxa de resfriamento de 0,08 °C/s ........................................................ 38 Figura 2.9 – Liga A356 com ataque profundo (NaOH 20%) – MEV: (a) Liga não modificada (2000x) e (b) Liga modificada com 20 ppm de estrôncio (4000x) .............. 39 Figura 2.10 – Efeito do refinador de grão: (a) sem refino e (b) após refino. Ambos atacados utilizando solução de Poulton .......................................................................... 40 Figura 2.11 – Representação do processo de solidificação em corpos de provas de alumínio refinado com silício (“Os estágios do 1° ao 7° representam a progressão da solidificação durante o resfriamento”) ........................................................................... 42 Figura 2.12 – Eficiências de titânio e boro no refino de ligas de alumínio .................... 43 Figura 2.13 – Ângulos de folga (αo), de cunha (βo) e de saída (γo) ................................ 45 Figura 2.14 – Torneamento Cilíndrico Externo.............................................................. 46 Figura 2.15 – Esforços de Usinagem e suas componentes ............................................. 47 Figura 2.16 – Determinação da área de contato ferramenta-peça para o cálculo da pressão específica de corte ............................................................................................. 48 Figura 3.1 – Fluxograma seguido para o planejamento e realização dos experimentos 52 Figura 3.2 – Corpo de prova após processo de fundição ................................................ 53 Figura 3.3 – Estrutura utilizada para a fusão dos corpos de prova. Laboratório metalográfico da LSM Brasil: A- Forno Elétrico, B- Cadinho de vazamento, C- Tanque de resfriamento ............................................................................................................... 56 Figura 3.4 – Controlador de temperatura ligado ao termopar ........................................ 57 Figura 3.5 – Spectômetro de massa utilizado para análise química dos corpos de prova .. .................................................................................................................. 58 Figura 3.6 – Pastilhas utilizadas para o torneamento da liga A356 ................................ 59 Figura 3.7 – Geometria da ferramenta utilizada para os ensaios e montagem da pastilha no porta-ferramentas ....................................................................................................... 59 Figura 3.8 – Centro de torneamento Romi GL 240M .................................................... 60 Figura 3.9 – Equipamentos para monitoramento das componentes das forças de usinagem: (a) Dinamômetro Kistler 9272 e (b) amplificador de carga Kistler 5070A .. 62 Figura 3.10 – Sistema montado e preparado para iniciar os ensaios .............................. 63 Figura 3.11 – Direção das forças de usinagem ............................................................... 64 Figura 3.12 – Microscópio ótico .................................................................................... 66 Figura 4.1 – Padrão proposto por Kaufman e Rooy (2004) para os níveis de modificação do eutético do silício através de micrografia com aumento de 200X em microscópio ótico: a) estrutura não modificada de f) estrutura super modificada .............................. 70 Figura 4.2 – Modificação de grão, micrografia ótica 200x, corpos de prova tratados com as anteligas: a) TiBAl5/1+SrAl10%; b) TiAl10%+SrAl10%; c) TiCAl315+SrAl10%; d) Strobloy5%; e) SrTiBAl10%; e f) Padrão Kaufman e Rooy (2004). ............................. 72 Figura 4.3 – Padrão de refino AFE: 1) refino extremamente fino; 2) refino fino; 3) refino médio; 4) refino pobre, grãos grandes; 5) refino grosseiro; e 6) refino extremamente grosseiro .................................................................................................. 73 Figura 4.4 – Teste de refino liga A356 tratada com as anteligas SrAl10% + TiBAl 5/1(a) comparadas com padrão de refino 1(b) .......................................................................... 74 Figura 4.5 – Teste de refino liga A356 tratada com a anteliga SrTiBAl10%(a) comparada com padrão de refino 2(b) ............................................................................ 75 Figura 4.6 – Teste de refino liga A356 tratada com as anteligas SrAl10% + TiAl10% (a) comparadas com padrão de refino 3(b) .......................................................................... 76 Figura 4.8 –Teste de refino liga A356 tratada com a anteliga Strobloy 5%(a) comparada com padrão de refino 2(b) ..............................................................................................78 Figura 4.7 – Valores de momento torçor (Mt) para torneamento cilíndrico tangencial de acabamento quando analisada apenas a variação de tratamento de refino de grão ........ 82 Figura 4.8 – Valores de momento torçor (Mt) para torneamento cilíndrico tangencial de acabamento quando analisada apenas a variação da cobertura de ferramenta ............... 83 Figura 4.9 – Valores de força de corte (Fc) para torneamento cilíndrico tangencial de acabamento quando analisada apenas a variação de tratamento de refino de grão ........ 85 Figura 4.10 – Valores de força de corte (Fc) para torneamento cilíndrico tangencial de acabamento quando analisada apenas a variação da cobertura de ferramenta ............... 86 Figura 4.11 – Valores de momento torçor (Mt) para o torneamento cilíndrico tangencial de acabamento da liga A356 tratada com diferentes anteligas: SrTiBAl, Strobloy e TiCAl+SrAl e dois tipos de ferramenta: sem cobertura, H10, e com cobertura, 1005 .. 90 Figura 4.12 – Valores de momento torçor (Mt) para o torneamento cilíndrico tangencial de acabamento da liga A356 tratada com as anteligas: a) SrTiBAl10%; b) Strobloy 5%; c)TiCAl315 + SrAl 10% e usinadas com ferramentas com e sem recobrimento ........... 91 Figura 4.13 – Valores de força de corte (Fc) para o torneamento cilíndrico tangencial de acabamento da liga A356 tratada com diferentes anteligas: SrTiBAl, Strobloy e TiCAl+SrAl e dois tipos de ferramenta: sem cobertura, H10, e com cobertura, 1005 .. 93 Figura 4.14 – Valores de força de corte (Fc) para o torneamento cilíndrico tangencial de acabamento da liga A356 tratada com as anteligas: a) SrTiBAl10%; b) Strobloy5% e c) TiCAl315 + SrAl10% e usinadas com ferramentas com e sem recobrimento ............... 93 Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Comparativo entre as propriedades físicas do alumínio, aço e cobre ........ 25 Tabela 2.2 – Nomenclatura para Ligas Fundidas de Alumínio ...................................... 26 Tabela 2.3 – Composição da liga A356 .......................................................................... 33 Tabela 2.4 – Propriedades da liga 356 ............................................................................ 34 Tabela 2.5 – Comparativo entre agentes modificadores................................................. 37 Tabela 2.6 – Comparação das propriedades mecânicas e da resistência ao desgaste de algumas coberturas de ferramenta de corte .................................................................... 51 Tabela 3.1 – Composição da liga A356 utilizada nos corpos de prova .......................... 53 Tabela 3.2 – Composição química (%) principal das anteligas utilizada na fusão dos corpos de prova ............................................................................................................... 54 Tabela 3.3 – Consumo específico de anteliga por corpo de prova ................................. 54 Tabela 3.4 – Quantidade de alumínio contido na Anteliga de acordo com o consumo específico adotado .......................................................................................................... 55 Tabela 3.5 – Parâmetros de temperatura para cada corpo de prova fundido .................. 55 Tabela 3.6 – Análise química dos corpos de prova ........................................................ 57 Tabela 3.7 – Variáveis de influência para os ensaios preliminares ................................ 67 Tabela 3.8 – Variáveis de influência para os ensaios definitivos ................................... 68 Tabela 4.1 – Valores de dureza Brinell (HB) para Liga A356 com diferentes modificadores e refinadores de grão ............................................................................... 79 Tabela 4.2 – Análise estatística da dureza Brinell para a Liga A356 com diferentes modificadores e refinadores de grão ............................................................................... 79 Tabela 4.3 – Valores de Microdureza Vickers (HV) da Liga A356 para diferentes modificadores e refinadores de grão ............................................................................... 80 Tabela 4.4 – Análise estatística da microdureza Vickers para a Liga A356 com diferentes modificadores e refinadores de grão .............................................................. 80 Tabela 4.5 – Valores de momento torçor (Mt) para os ensaios preliminares ................. 81 Tabela 4.6 – Análise estatística do momento de corte (Mt) para os ensaios preliminares . .................................................................................................................. 81 Tabela 4.7 – Valores de força de corte (Fc) para os ensaios preliminares ..................... 84 Tabela 4.8 – Análise estatística da força de corte (Fc) para os ensaios preliminares ..... 84 Tabela 4.9 – Valores de força de avanço (Ff) para os ensaios preliminares .................. 86 Tabela 4.10 –Análise estatística do esforço de avanço (Ff) para os ensaios preliminares . .................................................................................................................. 87 Tabela 4.11 – Valores de força passiva (Fp) para os ensaios preliminares .................... 87 Tabela 4.12 – Análise estatística da força passiva (Fp) para os ensaios preliminares ... 88 Tabela 4.13 – Valores do momento torçor (Mt) para os ensaios definitivos.................. 88 Tabela 4.14 – Análise estatística do momento torçor (Mt) para os ensaios definitivos . 89 Tabela 4.14 – Valores da força de corte (Fc) para os ensaios definitivos ...................... 92 Tabela 4.15 – Análise estatística do esforço de corte (Fc) para os ensaios definitivos .. 92 Tabela 4.15 – Valores da força de avanço (Ff) para os ensaios definitivos ................... 94 Tabela 4.16 – Análise estatística do esforço de avanço (Ff) testes finais ...................... 94 Tabela 4.17 – Valores da força passiva (Fp) para os ensaios definitivos ....................... 94 Tabela 4.18 – Análise estatística da força passiva (Fo) para os ensaios definitivos ...... 95 Lista de Abreviaturas e Siglas A – área de corte [m2] A – amperes AA – Aluminum Association ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas AFE – American Foundry Society ap – profundidade de corte [mm] α –Al – fase primária liga alumínio silício αo – ângulo de folga [°] Al-Si – liga do grupo alumínio silício Al-Si-Mg – liga do grupo alumínio, silício e magnésio Al-Sr – anteligas de alumínio estrôncio Al2Si2Sr – partícula composta de alumínio, silício e estrôncio A356 – liga de alumínio com 7,5% de silício b – comprimento de corte [mm] B – elemento químico boro BAl – anteliga de alumínio boro β – fase secundária liga alumínio silício βo – ângulo de cunha C – elemento químico carbono Ca – elemento químico cálcio cal – caloria CO2 – dióxido de carbono Cu – elemento químico cobre cm 2 – centímetro quadrado cm 3 – centímetro cúbico cm – centímetro CNC – Controle Numérico Computadorizado Cr – elemento químico cromo DEMEC – Departamento de Engenharia Mecânica EAA – European Aluminum Association EDS – espectroscopia de energia dispersiva f – avanço [m/min] Fe – elemento químico ferro Fu – Força ativa [N] Fc – Força de corte [N] Ff – Força de avanço [N] Fp – Força passiva [N] Fx – componente da força de corte [N] Fz – componente da força de avanço [N] Fy – componente da força passiva [N] F – valor de Fcalculado para a distribuição de Fisher F 5%, (i-1), (ij(n-1)) – valor de F tabelado para a distribuição de Fisher com 95% de confiabilidade GB – giga bits GHz – giga hertz g – gramas g/cm³ – gramas por centímetro cúbico GL – graus de liberdade GC1005 – código para a cobertura de ferramenta GPa – giga Pascal h – Espessura de corte HV – dureza vickers HB – dureza Brinell H0 – hipótese em que as médias são iguais H1 – hipótese em que as médias são diferentes H2O – água HF – ácido fluorídrico HCl – ácido clorídrico H10 – código para ferramenta sem cobertura i – representa variável ferramenta j – representa variável anteliga J/kg/k – joules por quilograma por kelvin kV – quilovolt kg/t – quilograma por tonelada kg/mm 2 – quilograma por milímetro quadrado Ks – pressão específica de corte Ks1 – constante do material para teorema de Kienzle km – quilômetro kgf – quilograma força kW – quilowatt LPH – litros por hora mm – milímetros Mg – elemento químico magnésio Mn – elemento químico manganês mm/rot – milímetros por rotação m/min – metros por minuto Mt – momento torçor [Nm] MQ – média quadrada ml – mililitro MEV – microscópio eletrônico de varredura N – número total de amostras N – newton Nm – newton metro n – número de réplicas por variação Na – elemento químico sódio NBR – Norma Brasileira Regulamentadora NaOH – hidróxido de sódio ƞ – ângulo de direção efetiva de corte ppm – partes por milhão rpm – rotações por minuto Si – elemento químico silício Sr – elemento químico estrôncio sen – seno Sb – antimônio SrAl5% – anteliga de alumínio com 5% de estrôncio, modificador de grão SrAl10% – anteliga de alumínio com 10% de estrôncio, modificador de grão SrAl15% – anteliga de alumínio com 15% de estrôncio, modificador de grão SrAl20% – anteliga de alumínio com 20% de estrôncio, modificador de grão Strobloy5% – anteliga de alumínio com 5% de estrôncio, 1,6% de titânio e 1,4% de boro, atua como refinador de grão e modificador de grão. SrTiBAl10% – Anteliga de alumínio com 10% de estrôncio, 1% de titânio e 0,20% de boro, atua como refinador de grão e modificador de grão. SST – soma dos quadrados total SStrat – soma dos quadrados tratamento SSerro – soma dos quadrados erro SSi – soma dos quadrados variável “i” SSj – soma dos quadrados variável “j” SSij – soma dos quadrados variável “ij” Ti – elemento químico titânio TiB2 – diboreto de titânio TiAl3 – alumineto de titânio TiC – carbeto de titânio TiBAl5/1 – anteliga de alumínio com 5% de titânio e 1% de boro, refinador de grão TiAl10% – anteliga de alumínio com 10% de titânio, refinador de grão TiCAl315 – anteliga de alumínio com 3% de titânio e 0,15% de carbono, refinador de grão TiAlN – nitreto de titânio alumínio TiN – nitreto de titânio UFSJ – Universidade Federal de São João del-Rei V- vanádio vf – velocidade de avanço [m/min] vc – velocidade de corte [m/min] γo – ângulo de saída [°] χ r– ângulo de posição [°] Zr – zircônio Zn – zinco SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 21 2 REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................... 24 2.1 LIGAS DE ALUMÍNIO ....................................................................................... 24 2.2 ANTELIGAS DE ALUMÍNIO ............................................................................ 27 2.3 LIGAS DE Al-Si ................................................................................................... 29 2.4 LIGA A356 ........................................................................................................... 33 2.5 MODIFICADORES DE GRÃO ........................................................................... 35 2.6 REFINADORES DE GRÃO ................................................................................ 39 2.7 USINABILIDADE DAS LIGAS DE Al-Si .......................................................... 44 2.8 PROCESSO DE TORNEAMENTO .................................................................... 45 2.9 FORÇAS DE USINAGEM .................................................................................. 46 2.9.1 Material da Peça ............................................................................................. 49 2.9.2 Material da Ferramenta .................................................................................. 50 3 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................ 52 3.1 OBTENÇÃO DA PEÇA ....................................................................................... 53 3.2 ANÁLISE QUÍMICA ........................................................................................... 57 3.3 FERRAMETAS, PROCESSO DE USINAGEM E VARIÁVEIS .................. 58 3.3.1 Ferramentas .................................................................................................... 58 3.3.2 Máquina Ferramenta ...................................................................................... 60 3.3.3 Parâmetros de Corte ....................................................................................... 60 3.3.4 Variáveis de Resposta .................................................................................... 61 3.4 METALOGRAFIA E MICRODUREZA ............................................................. 64 3.4.1 Preparação das Amostras para Micrografia, Ensaios de Dureza e Ensaios de Microdureza ............................................................................................................ 64 3.4.2 Preparação das Amostras para Macrografia ................................................... 65 3.4.3 Análises Metalográficas ................................................................................. 65 3.4.4 Ensaios de Dureza e Microdureza .................................................................. 66 3.5 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTO ........................................................... 67 4 RESULTADOS ........................................................................................................... 69 4.1 RESULTADO ANÁLISE QUALITATIVA DA MODIFICAÇÃO DE GRÃO .. 69 4.2 RESULTADO ANÁLISE QUALITATIVA DO REFINO DE GRÃO ............... 73 4.3 RESULTADO ANÁLISE ESTATÍSTICA DA DUREZA BRINELL ................ 78 4.4 RESULTADO ANÁLISE ESTATÍSTICA DA MICRODUREZA VICKERS ... 80 4.5 ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS ESFORÇOS DE USINAGEM NOS ENSAIOS PRELIMINARES ....................................................................................................... 81 5 CONCLUSÕES ........................................................................................................... 96 6 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ............................................................ 98 7 REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 99 8 ANEXOS ................................................................................................................ 105 21 1 INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, ligas de Al-Si-Mg ganharam espaço em aplicações automobilística e aeroespacial graças à excelente combinação entre alta fluidez e boas propriedades mecânicas, além da boa resistência à corrosão e soldabilidade, se comparadas a materiais como o aço (MAZLEE et al.,2009). Esse mercado vem crescendo a cada dia devido à grande exigência da sociedade moderna de desenvolver produtos mais sustentáveis e que provoquem menor impacto no meio ambiente. Prova disso são as políticas de redução de emissão de carbono citadas por Akashi (2013). De acordo com uma pesquisa realizada pela Ducker Worldwide, com importante participação da European Aluminum Association (EAA), citada por Akashi (2013), a legislação europeia tem a meta de atingir o valor médio de 95 g de CO2 por km até 2020, enquanto outros países, como Japão e China, para o mesmo período, pretendem atingir índices de 105 g de CO2/km e 117 g de CO2/km, respectivamente, assim como os Estados Unidos, que não estipularam uma meta de redução de CO2, mas sim de consumo, o que, no final das contas, resultaria em emissões médias estimadas de 107 g de CO2/km, mas apenas para 2025. O Brasil segue a mesma tendência com a criação do programa INOVAR-AUTO, segundo o Decreto-lei, nº 7.819, de 3 de outubro de 2012, que determina a produção de veículos mais eficientes, modernos e com menor emissão de carbono, melhorando a eficiência energética dos carros em 15% até 2017, para seguir os padrões internacionais. O alumínio tem papel importante nesse cenário. Seu uso em partes e peças dos automóveis pode gerar significativas reduções de peso nesses veículos, contribuindo, dentre outros aspectos, para a redução de consumo de combustível. Entre os exemplos de aplicação das ligas da série 300 na linha automobilística, estão: cilindros, válvulas, cabeçotes e blocos de motores. A obtenção das melhores combinações de propriedades mecânicas de uma liga metálica depende do controle de fatores envolvidos no tratamento do metal líquido e na solidificação, tais como: grau de modificação do eutético, velocidade de solidificação e refino de grãos, bem como etapas posteriores de processamentos, como tratamentos térmicos (FURLAN; FUOCO, 2008). 22 Geralmente, procura-se obter uma microestrutura homogênea, composta por grãos refinados e equiaxias, proporcionando ao material propriedades mecânicas melhoradas. Segundo Osório, Peixoto e Garcia (2009), esse tipo de estrutura caracteriza-se pela isotropia de suas propriedades mecânicas. Para o desenvolvimento de estruturas equiaxiais, é necessário impedir o crescimento colunar mediante o controle da nucleação e das condições de solidificação ou adição de agentes inoculantes. Conforme Araújo (2012), a utilização de modificadores químicos, como o estrôncio, resulta na mudança da morfologia do silício eutético. O estrôncio é o modificador mais utilizado na indústria por ser de fácil manuseio, não ser tóxico, ter boa taxa de modificação com adição de uma pequena quantidade de material em peso em relação à liga e ter bom tempo de atuação no banho. Para Arango (2009), a adição de inoculantes, conhecida como inoculação, é uma prática empregada para o refino do grão na macroestrutura bruta de solidificação. Esse processo de refino traz como benefícios o aumento da fluidez do metal líquido, a melhora da dispersão de partículas de segunda fase e porosidade na estrutura, como também a melhora do acabamento superficial, da usinabilidade e das propriedades mecânicas. A usinagem é um processo utilizado na fabricação de componentes nos mais diversos setores industriais. A indústria automobilística é um setor de fabricação comercial de grande escala, no qual a redução do impacto ambiental e os custos de fabricação são fatores importantes para a manutenção da competitividade (BORBA, 2013). O processo de torneamento por acabamento é a operação final; em alguns casos, é a única operação. A prioridade é a qualidade final da superfície e as tolerâncias dimensionais da peça. Para essa etapa do processo, a combinação de avanço e profundidades de cortes reduzidas com altas velocidades de corte, conforme Diniz, Marcondes e Coppini (2013), produz uma quantidade razoável de cavaco sem que haja influência da vibração na remoção do sobremetal da peça (AZAMBUJA, 2012). Na perspectiva de Santos Júnior et al. (2011), as ligas de alumínio são as mais utilizadas em processos de usinagem se comparadas a outras ligas de outros metais. A usinabilidade das ligas de alumínio é afetada por diversos fatores, como: presença de elementos de liga, impurezas, processos de obtenção da liga e tratamentos térmicos aplicados ao metal. 23 O entendimento das variáveis que influenciam os esforços de corte no processo de torneamento das ligas de alumínio silício tem grande importância para o desenvolvimento da indústria metal-mecânica, possibilitando que o processo se torne mais eficaz, agregando valor e reduzindo custos, tornando-se, então, mais competitiva. Nesse contexto, este trabalho objetivou avaliar o processo de torneamento cilíndrico de acabamento para a liga A356 automotiva tratada com diferentes tipos de anteligas, quais sejam: combinação do modificador de grão (SrAl10%) com três diferentes tipos de refinadores de grão: TiBAl5/1, TiAl10% e TiCAl315. As ferramentas utilizadas foram de Metal Duro, sem cobertura (H10) e outra com cobertura (GC1005). Posteriormente, repetiram-se os ensaios comparando o melhor resultado dos ensaios preliminares, caracterizado pelo menor esforço de corte, com a liga A356 tratada por outras duas anteligas combinadas, Strobloy5% e SrTiBAl10%, com características modificadoras e refinadoras de grão. Assim, esta dissertação está estruturada em cinco capítulos. No primeiro capítulo, faz-se uma breve introdução a respeito da importância das ligas de alumínio e de como o tratamento dessas ligas e a usinagem está correlacionado, apresentando o objetivo do trabalho. O segundo capítulo trata da revisão da literatura sobre o alumínio e suas ligas do grupo alumínio silício, refinadores e modificadores de grão, a usinabilidade dessas ligas, assim como o processo de torneamento e os esforços de usinagem nele envolvidos. No terceiro capítulo, são apresentados os materiais e métodos adotados para o desenvolvimento da dissertação. No quarto capítulo, são trazidos os resultados obtidos e a discussão destes. No quinto capítulo, são expostas as principais conclusões e sugestões para trabalhos futuros. Finalmente, são apresentadas as referências e os anexos utilizados durante a execução da pesquisa. 24 2 REVISÃO DA LITERATURA Este capítulo tem por objetivo fazer uma revisão da bibliografia pertinente às ligas de alumínio silício, sua aplicação e importância na economia. Mencionam-se as técnicas de modificação do eutético do silício e refino de grão para essas ligas, com foco na utilização de anteligas de alumínio para essa aplicação. E, por fim, revisam-se os estudos sobre a usinabilidade das ligas de alumínio silício e quais os fatores que influenciam nos esforços envolvidos no processo de torneamento desse material. 2.1 LIGAS DE ALUMÍNIO Segundo Ribeiro e Abrão (2007), devido à grande demanda da indústria do transporte, principalmente automobilística e aeronáutica, com o desenvolvimento de novos produtos, exige-se uma disponibilidade maior de novos materiais aos quais se tenha qualidade de informações suficientes para seu processamento. De acordo com Massarete et al. (2013), as vantagens da utilização do alumínio em substituição a materiais como o aço e o plástico foram sempre reconhecidas, porém a percepção de que o seu uso era caro demais impedia o crescimento do consumo no País. O aumento da renda e a maior conscientização sobre temas de sustentabilidade tornaram o crescimento da demanda de produtos em alumínio uma realidade no Brasil.Esse fato pode ser observado na Figura 2.1, quando, de 1998 até 2004, o consumo do metal oscilou de 650 a 750 mil toneladas sem crescimento expressivo. Em 2013, esse número dobrou para 1,4 milhões de toneladas. 25 Figura 2.1 – Consumo aparente de alumínio no Brasil Fonte: adaptado de Massarete et al. (2013). Para Silva Junior (2008), o alumínio segue o ferro e o aço entre os metais de maior consumo anual, sendo o mais importante dos metais não-ferrosos. Esse consumo está ligado à versatilidade do metal devido a algumas características, como: baixa densidade de 2,7 kg/m³ e ótima condutividade térmica e elétrica, sendo largamente utilizado em trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores automotivos. Um comparativo entre as propriedades físicas do alumínio, aço e cobre pode ser observado na Tabela2.1. Tabela 2.1 – Comparativo entre as propriedades físicas do alumínio, aço e cobre Propriedades físicas Alumínio Aço Cobre Densidade (g/cm 3 ) 2,71 7,86 8,90 Temperatura de fusão (°C) 657 1500 1083 Módulo de elasticidade (kg/mm 2 ) 7.000 20.000 12.000 Coeficiente de expansão térmica (20 °C a 100 °C) 24 x 10 -6 11,7 x 10 -6 17 x 10 -6 Condutibilidade térmica a 25 °C (cal/cm/cm 2 /seg °C) 0,53 0,12 0,94 Condutibilidade elétrica a 20 °C (%IACS) 59 14,5 100 Fonte: ALFA (2014). O alumínio apresenta ainda boa resistência à oxidação progressiva, já que os átomos da sua superfície se combinam com o oxigênio da atmosfera, formando uma 26 camada de óxido protetora, que impede a progressão da deterioração do material, o que permite sua utilização em ambientes salgados (ASM, 1992). De acordo com Haskel (2009), as ligas de alumínio são agrupadas de acordo com seus principais elementos de liga e seu processo de fabricação. Suas propriedades físicas, influenciadas principalmente pela composição química, definem seu uso como materiais estruturais, assim como suas propriedades mecânicas, induzidas pela composição química e microestrutura. A NBR ISO 209 (ABNT, 2010) determina a composição química do alumínio e suas ligas expressas em forma percentual em peso de seus elementos de liga. Essa Norma abrange sistemas de classificação das ligas trabalháveis, das ligas para fundição, peças, lingotes e de alumínio primário, além da densidade nominal das ligas trabalháveis de alumínio. As ligas de alumínio para fundição, descritas por normas internacionais, são conhecidas e apresentadas pela Aluminium Association (AA) com nomenclatura própria composta por quatro dígitos. O último dígito é separado dos primeiros por um ponto, e o primeiro número indica o elemento principal, conforme observado na Tabela2.2 Tabela 2.2 – Nomenclatura para Ligas Fundidas de Alumínio Série Elemento Principal 1XX.X alumínio puro (99% min.) 2XX.X ligas alumínio – cobre 3XX.X ligas alumínio – silício – magnésio ligas alumínio – silício – cobre ligas alumínio – silício – cobre – magnésio 4XX.X ligas alumínio – silício 5XX.X ligas alumínio – magnésio 7XX.X ligas alumínio – zinco 8XX.X ligas alumínio – estanho Fonte: Borba (2013). Os próximos dígitos indicam a liga dentro do grupo, sendo o último dígito referente à forma de fornecimento: xxx.0 – Peças fundidas 27 xxx.1 – Lingotes fundidos xxx.2 – Lingotes fabricados a partir de alumínio primário As ligas nomeadas com uma letra antes do número significam alguma diferenciação em algum elemento químico. Por exemplo, a liga A356 se diferencia da liga 356 devido ao menor teor de ferro contido. As ligas de alumínio para fundição ainda podem ser identificadas por letra de acordo com o processo utilizado para a geração das peças, sendo: D – Die casting (Fundição sob pressão) P – Permanent mold (Fundição por gravidade ou baixa pressão) S – Sandcasting (Fundição em areia) 2.2 ANTELIGAS DE ALUMÍNIO Para que o metal alumínio se transforme em uma liga, com características físicas e mecânicas próprias, é necessário que se adicionem elementos químicos durante o seu processo de fabricação. A maneira mais usual de se fazer esse processo é mediante o uso de anteligas de alumínio devido ao seu alto rendimento metálico e fácil adição. Anteligas de alumínio são composições de elementos químicos ligados a uma matriz de alumínio. Essas anteligas podem ser encontradas no mercado como pastilhas prensadas de alumínio e outros metais de adição, ambos em pó. Esse material é comercialmente conhecido como ALTAB ou alumínio tablets. Na Figua2.2 é possível verificar as pastilhas de alumínio antes e após a embalagem: 28 Figura 2.2 – ALTAB alumínio ferro com 90% de ferro contido Fonte: autoria própria. Anteligas de alumínio também são encontradas na forma de lingotes, vergalhões e barras de alumínio, conforme mostrado na Figura2.3. Estas, além de serem aplicadas na produção de ligas como elementos de adição, podem também ser utilizadas como modificadores do eutético do silício em ligas de alumínio silício e/ou refinador de grão nas mais diversas ligas de alumínio. 29 Figura 2.3 – Anteligas de alumínio em diversos formatos: A) vergalhão, B) vergalhão em varetas, C) barras e D) lingotes Fonte: autoria própria. A escolha do tipo de anteligas e do formato a ser utilizado é conduzida de acordo com a liga a ser produzida e o processo utilizado para sua fabricação. Já a composição química das anteligas, assim como seu código de identificação por cor, é normatizada pela NBR 14330 (ABNT, 2008). Mesmo com essa norma de referência, os diversos produtores de anteligas têm desenvolvido produtos para aplicações especiais que, por motivo de exclusividade ou não revisão do documento normalizador, podem não estar citadas. 2.3 LIGAS DE Al-Si O alumínio e suas ligas são uma alternativa atrativa para a substituição de materiais utilizados atualmente na indústria como uma solução para a crescente demanda por produtos de maior qualidade e durabilidade, sendo substituto principal para o aço e o ferro fundido, pois permite a redução de peso do componente, a redução das perdas por corrosão e o aumento do potencial de reciclagem. O considerável crescimento do consumo desses materiais ao longo dos últimos anos é um bom indicador dessa tendência. 30 As principais limitações do alumínio referem-se à resistência mecânica e dureza, que são relativamente baixas, mas que podem ser melhoradas pela adição de elementos de liga e por meio de tratamentos térmicos específicos. Assim, justifica-se o crescimento do emprego das ligas de alumínio em um grande número de aplicações, inclusive naquelas sujeitas a severas solicitações mecânicas (MOREIRA, 2011). De acordo com Couto et al. (2010), as ligas do sistema Al-Si são as mais importantes entre as ligas fundidas de alumínio, principalmente por sua alta fluidez, baixa contração nos fundidos, elevada resistência à corrosão, boa soldabilidade, fácil brasagem e baixo coeficiente de expansão térmica. Segundo Moraes (2006), as ligas para fundição em que o silício é o principal elemento de liga são comercialmente as mais relevantes, especialmente em virtude da superioridade com relação às características de fundição. A adição de magnésio às ligas alumínio silício fornece ligas com propriedades mecânicas semelhantes às das ligas alumínio cobre, além de apresentarem melhor resistência à corrosão, menor densidade e características defundição superiores. O binário Al-Si é um sistema simples eutético, que ocorre a 580 ºC. A essa temperatura, o silício forma soluções sólidas com 1,65% em peso de silício e 0,5% em peso de alumínio de acordo com o diagrama de fase da Figura2.4. As ligas do sistema Al-Si são divididas de acordo com o seu teor de silício, sendo as ligas hipereutéticas, com teores entre 13 e 20% em peso de silício, liga eutética com 12,6% em peso de silício e ligas hipoeutéticas com teor de silício menores que 12,6%. 31 Figura 2.4 – Ligas de alumínio silício: A) Diagrama de fases, B) Microestrutura ligas hipoeutéticas (1,65% a 12,6% de silício) aumento 150x, C) Microestrutura ligas eutéticas (12,6% de silício) aumento 400x e D) Microestrutura ligas hipereutéticas (maior que 12,6% de silício) aumento 150x Fonte: Warmuzek (2004). Os sistemas eutéticos são caracterizados pela reação eutética, isto é, pela decomposição isotérmica de uma fase líquida em duas sólidas durante a solidificação e reação inversa na fusão. Ligas eutéticas são utilizadas em aplicações em que a resistência não é um critério, como, por exemplo: utensílios domésticos e carcaças de bombas hidráulicas, pois apresentam alto grau de fluidez e baixa contração na solidificação. As ligas hipoeutéticas e hipereutéticas são utilizadas comercialmente em aplicações como: 32 rotores, corpos de válvulas, pás para ventiladores náuticos, pistões, cilindros e blocos automotivos (CRIADO; MARTINÉZ; CALABRÉS, 2003). Para Silva Junior (2008), as ligas binárias Al-Si combinam alta resistência à corrosão, boa soldabilidade e baixa densidade, além de apresentarem grande gama de propriedades físicas e mecânicas que dependem da microestrutura e do teor de silício. A Figura2.5 mostra a influência do teor de silício nas propriedades das ligas Al-Si: Figura 2.5 – Influência do teor de silício nas propriedades das ligas de alumínio Fonte: Mondolfo (1976). De acordo com Araújo (2012), a baixa solubilidade do silício em alumínio provoca sua precipitação como silício puro, motivo pelo qual o mesmo apresenta boa resistência à abrasão. A morfologia do silício precipitado, presente em ligas para fundição, é prejudicial às propriedades mecânicas como a ductilidade e a tenacidade. 33 2.4 LIGA A356 Segundo Angeloni (2011), 90% das ligas para fundição de alumínio são da série 300, pois são ligas binárias que possuem excelente ductilidade, resistência à corrosão e boa resistência à tração. De acordo com a ASM (2004), sua composição é dada de acordo com a Tabela2.3. Tabela 2.3 – Composição da liga A356 Elementos (%) Si Mg Cu Mn Fe Zn Ti Outros (cada) Outros (Total) A356.0 6,5- 7,5 0,25- 0,45 0,20 0,10 0,20 0,10 0,20 0,05 0,15 Fonte: (ASM, 2004). A presença do cobre nessas ligas melhora a usinabilidade e aumenta a resistência mecânica, mas reduz a ductilidade. A presença do magnésio permite que essas ligas possam passar por tratamento térmico, aumentando, assim, a sua resistência mecânica. Na Tabela2.4, pode-se verificar as propriedades da liga A356 de acordo com a ASM (2004): 34 Tabela 2.4 – Propriedades da liga 356 Características Massa Térmica Fabricação Densidade 2,685 g/cm³ a 20⁰C - - Calor Específico - 963 J/kg.k a 100 ⁰C - Calor Específico - 389 kJ/Kg - Calor Latente de Fusão - 615 ⁰C - Temperatura em estado sólido - 555 ⁰C - Temperatura de Fusão - - 675 ⁰C a 815 ⁰C Temperatura de Vazamento - - 675 ⁰C a 790 ⁰C Fonte: ASM (2004). A liga A356 é uma liga hipoeutética do binário alumínio silício, usualmente aplicada em componentes de manufatura para a indústria automotiva e aeroespacial devido às suas propriedades físicas e mecânicas. São utilizadas em muitas aplicações estruturais que requerem alta resistência mecânica a baixo peso, tenacidade ao impacto, baixo coeficiente de expansão térmica e boa resistência à corrosão. As principais características da liga A356 são: boa resistência mecânica, alta resistência à corrosão e pode ser submetida a tratamento térmico e soldabilidade. Entretanto, de acordo com Mallapur, Udupa e Kori (2010), para a obtenção de melhores propriedades físicas e mecânicas, as ligas de alumínio precisam passar por tratamentos, sejam eles antes da solidificação, isto é, no banho de metal líquido, sendo eles: refino de grão e modificação do eutético do silício, ou após a solidificação por meio do tratamento térmico. A liga A356 é uma das ligas mais fáceis de serem fundidas. Por esse motivo, ela apresenta diversas aplicações: componentes de uso geral, coletores de admissão, cilindros, blocos e cabeçotes, conforme exemplo da Figura2.6, pistões de automóveis e rodas, componentes aeroespaciais estruturais, de combustível do motor e bombas de água, habitação e componentes da suspensão: 35 Figura 2.6 – Bloco de motor em liga A356 Chevy LS7: big smallblock Fonte: Hernandes (2014). 2.5 MODIFICADORES DE GRÃO Segundo Dinnis, Taylor e Dahle (2005), em ligas de alumínio silício não modificadas, o silício eutético é a fase que primeiro nucleia e cresce. Ainda de acordo com Lourençato (2008), as ligas de alumínio silício apresentam morfologia em forma de agulhas grosseiras e não-uniformes, conforme apresentado na micrografia da Figura2.7(A), característica que afeta diretamente propriedades físicas da peça, como: a ductilidade, a fadiga e a resistência à tração. Porém, a morfologia dessas ligas pode ser transformada em uma estrutura fibrosa e fina, como a mostrada na Figura2.7(B), através da modificação do eutético do silício. Essa modificação pode ser realizada de duas maneiras: por adição química ou por têmpera. 36 Figura 2.7 – Variação da morfologia Al-Si nas ligas de alumínio silício: A) Sem modificação e B) Completamente modificada Fonte: Kaufman e Rooy (2004). A modificação química consiste em tratar a liga de alumínio silício por adição de agentes modificadores do eutético do silício. De acordo com Lourençato (2008), os modificadores mais usuais são: o sódio, o estrôncio, o cálcio e o antimônio. Em conformidade com Peres et al. (2005), após a adição de modificadores químicos na produção da liga de alumínio silício, acontece uma diminuição da temperatura de nucleação e de crescimento na interface sólido/líquido, em razão do refino da estrutura eutética, o que força a fase de silício a adotar uma morfologia fibrosa e irregular. Adições desses elementos (entre 0,005 e 0,02% em peso) promovem fortes alterações no crescimento da fase β (silício) do eutético: a fase β passa a exibir uma morfologia mais refinada, aumentando a ductilidade e outras propriedades mecânicas das ligas do binário alumínio silício fundida (ALMEIDA et al., 2008). Segundo Araújo (2012), a modificação com a adição de estrôncio é realizada por meio da adição de estrôncio metálico ou na forma da anteliga Al-Sr, enquanto a modificação por sódio é feita por meio de adições de sódio metálico ou de fluxos contendo esse elemento. O sódio é um modificador mais eficiente que o estrôncio, pois promove modificação completamais facilmente. Entretanto, devido à sua maior tendência à vaporização, o seu efeito modificador perde-se com mais rapidez do que o do estrôncio. Em banhos modificados com sódio, o efeito modificador permanece por cerca de 30 minutos. 37 Sathyapal e Prabhu (2008) afirmam que, no caso do estrôncio, o efeito permanece por mais de duas horas. Outro ponto negativo do sódio é o ataque aos cadinhos de fusão. Ainda segundo Fuoco et al. (1991), o tratamento de modificação com sódio é também apontado como causador de redução da fluidez das ligas alumínio silício, o que inviabiliza mais ainda a utilização desse agente modificador. Na perspectiva de Pereira (2011), para a escolha dos modificadores de grão, a opção entre a modificação por sódio ou estrôncio é determinada por vários fatores. A modificação por sódio é considerada a mais eficiente. No entanto, o rápido desvanecimento, a grande quantidade de fumo e o difícil controle da operação de adição têm conduzido a maioria das fundições a optar pela modificação por estrôncio. Araújo (2012) mostra de maneira resumida, na Tabela2.5, as vantagens e desvantagens entre a utilização dos seguintes agentes modificadores: o estrôncio, o sódio e o antimônio. Tabela 2.5 – Comparativo entre agentes modificadores Agente modificador Vantagens Desvantagens sódio (Na) baixo custo volátil perda rápida do efeito na fundição (desvanecimento) antimônio (Sb) desvanecimento permanente alto custo tóxico estrôncio (Sr) custo médio bom desvanecimento rápido favorece a solubilidade do hidrogênio e a formação de porosidade Fonte: Araújo (2012). Devido à alta reatividade do estrôncio com o ar, sua adição em ligas de alumínio silício é usualmente realizada na forma de anteliga Al-Sr, com composições comerciais comuns de SrAl5%, SrAl10%, SrAl15% e SrAl20%, em que o valor numérico em percentual significa o percentual de estrôncio contido em cada anteliga. Segundo Furlan e Fuoco (2008), a adição do estrôncio está intimamente ligada à modificação das propriedades mecânicas da liga A356, especificamente no alongamento. Os experimentos realizados por Closset e Gruzleski (1982) demonstram que a condição de modificação completa da liga ocorre com níveis de adição de estrôncio 38 entre 0,010 e 0,012% conforme curvas de alongamento da liga A356 para três condições de taxa de resfriamento mostradas por Furlan e Fuoco (2008) na Figura2.8. O estrôncio, quando em porções maiores que a necessária para a modificação do eutético, pode formar partículas Al2Si2Sr que diminuem a eficiência da anteliga e o super resfriamento para a nucleação. Figura 2.8 – Alongamento para diversos níveis de adição de Sr em uma liga A356 para três taxas de resfriamento: (1) taxa de resfriamento de 1,5 °C/s, (2) taxa de resfriamento de 0,5 °C/s e (3) taxa de resfriamento de 0,08 °C/s Fonte: Closset e Gruzleski (1982 apud FURLAN; FUOCO, 2008). Ainda segundo Lourençato (2008), a adição de tais elementos promove grandes alterações no crescimento da fase β eutética do silício, que começa a mostrar uma morfologia mais refinada, aumentando, assim, a ductilidade em ligas de Al-Si fundidas. Essa modificação na estrutura pode ser observada conforme a imagem obtida em microscópio eletrônico de varedura (Figura2.9). 39 Figura 2.9 – Liga A356 com ataque profundo (NaOH 20%) – MEV: (a) Liga não modificada (2000x) e (b) Liga modificada com 20 ppm de estrôncio (4000x) Fonte: Furlan e Fuoco (2008). 2.6 REFINADORES DE GRÃO Segundo Kori, Murty e Chakraborty (2000), as ligas hipoeutéticas de alumínio silício têm grande porção da fase α-Al em sua microestrutura. A redução dessa fase pela utilização de refinadores de grão pode melhorar a qualidade das peças fundidas. Li Bao et al. (2009) citam que a melhoria da qualidade é devida à existência de uma estrutura fina de grãos aquixiais, pois essa microestrutura provoca uma melhoria na dispersão das partículas de segunda fase e reduz a porosidade na estrutura, aumenta a fluidez do metal líquido e melhora o acabamento superficial da peça, a usinabilidade e as propriedades mecânicas da peça final. Na maioria das situações práticas, é desejável que a estrutura de solidificação se apresente na forma de grãos equiaxiais, conforme ilustrado na Figura2.10, já que esse tipo de microestrutura caracteriza-se pela isotropia de suas propriedades mecânicas. O tipo e o tamanho dos grãos formados são determinados pela composição química da liga, pela taxa de resfriamento e por interferências de natureza química na composição do líquido ou na mecânica durante o processo de solidificação (MOREIRA, 2011). 40 Figura 2.10 – Efeito do refinador de grão: (a) sem refino e (b) após refino. Ambos atacados utilizando solução de Poulton Fonte: Kaufaman e Rooy (2004). De acordo com Shabestari e Malekan (2010), a adição de inoculantes, conhecida como inoculação, é uma das práticas mais efetivas para o refino do grão na macroestrutura bruta de solidificação. Essa adição é realizada por meio da utilização de anteligas que garantem a formação de uma estrutura fina de grãos equiaxiais, eliminando o crescimento de grãos colunares (ARANGO; MARTORANO, 2011) Conforme Pereira (2011), existem vários tipos de refinadores utilizados no tratamento de refino de grão das ligas do grupo de alumínio silício. Entre esses refinadores, estão anteligas como: o TiAl, o TiBAl, o TiCAl e o BAl, todas constituídas de composição variável, cuja escolha depende do maior ou menor grau de refino que se pretende e da composição do metal líquido. As quantidades de anteliga utilizadas para refino de grão devem ser suficientes para refinar a estrutura, porém não devem exceder os limites máximos de cada liga, a fim de que não interfiram nas propriedades químicas das mesmas. Assim como os modificadores de grão, os refinadores de grão também possuem um tempo de ação. Para Kramel (2009), o efeito máximo dos refinadores de grão é obtido após cinco a dez minutos da adição no banho. Esse efeito, após 45 minutos, começa a diminuir. Para que seja reativado, são necessárias novas adições. Os mecanismos de refinamento de grão podem ser expressos como a introdução de potentes núcleos de nucleação heterogênea em grande quantidade dentro do metal. 41 Posteriormente, algumas condições devem ser criadas, seja de forma constitucional, no aquecimento ou fluxo de metal, de forma a forçar a ativação do maior número dos núcleos formados e, assim, nuclear o sólido. Na visão de Lourençato (2008), o crescimento e a nucleação dos grãos não devem ser tão rápidos. Caso contrário, os primeiros núcleos formados crescerão rapidamente e irão consumir os outros núcleos, não promovendo, então, a desejável nucleação de novos grãos. Para Sigworth e Kuhn (2007), a melhor explicação dos mecanismos de refino de grão foi dada em 1983 por Backerud. Segundo essa teoria, a adição de titânio é realizada por meio de anteligas de alumínio, que contêm entre cinco e dez por cento de titânio contendo numerosos cristais do composto de alumineto de titânio, o TiAl3. Quando essa anteliga é adicionada, normalmente alguns minutos antes do vazamento, milhões de TiAl3 são liberados para a fusão. Ao entrar em contato com o alumínio líquido, o TiAl3 começa a se dissolver. Isso significa que o metal líquido na superfície da partícula torna-se enriquecido em titânio. Então, esse composto começa a solidificar a uma temperatura que está acima do ponto de fusão da liga base. Por esse motivo, a primeira nucleação sólida estará na superfície dapartícula de TiAl3. O cristal de alumínio cresce em seguida, em torno da superfície da partícula de TiAl3, no processo que consome o titânio na periferia e o crescimento da dendrita. À medida que a liga se resfria, inicia-se novamente o crescimento da dendrita. Na Figura2.11, é possível verificar a representação do processo de solidificação em corpos de provas de alumínio refinado com silício pelo esquema proposto por Guzowski, Sigworth e Sentrener (1987): 42 Figura 2.11 – Representação do processo de solidificação em corpos de provas de alumínio refinado com silício (“Os estágios do 1° ao 7° representam a progressão da solidificação durante o resfriamento”) Fonte: Guzowski, Sigworth e Sentrener (1987). Outra teoria para o refino de grão a partir da adição de Ti, citada por Lourençato (2008), é a Teoria do Carboneto TiC, na qual Cibula (1951-1952), ao encontrar grande número de partículas de carboneto TiC, principalmente para teores de titânio no líquido abaixo da composição peritética, sugere que tais carbonetos são os agentes nucleantes. O cristal TiC possui características semelhantes ao alumínio. Tais semelhanças sugerem a possibilidade de epitaxia entre esses dois tipos de estruturas cristalinas. Portanto, ocorre a possibilidade de nucleação de alumínio por TiC. Além disso, tais 43 carbonetos apresentam alto ponto de fusão e alta estabilidade no alumínio líquido à alta temperatura. Segundo Lim (2010), as ligas TiBAl contendo TiAl3 solúvel e partículas de TiB2 insolúveis têm sido amplamente utilizadas em fundições de alumínio com diferentes proporções de titânio e boro para refino de grão por diferentes processos. De acordo com Quested e Greer (2005), as partículas dissolvidas de TiAl3 servem para aumentar o teor de titânio na liga e para restringir o crescimento dos grãos de fase α –Al após a nucleação, enquanto as partículas de TiB2 insolúveis permanecem estáveis e funcionando como nucleantes ativos para promover a nucleação heterogênea de grãos α –Al. Para Garcia (2001), o titânio é visto como elemento universal para o refino de grão. Porém, na última década, a utilização do boro, como refinador de grão, tem se mostrado muito mais eficiente para ligas de alumínio silício, conforme apresentado na Figura2.12: Figura 2.12 – Eficiências de titânio e boro no refino de ligas de alumínio Fonte: Garcia (2001). Segundo Lim (2010), quando são utilizadas anteligas de titânio boro alumínio (TiBAl), alguns problemas tendem a aparecer, como: aglomeração dos boretos, saturação de filtros e defeitos causados pelo envenenamento de certos elementos como zircônio, vanádio e cromo. Sebaie et al. (2008) citam que esses problemas levaram ao desenvolvimento de alternativa ao refinador do grão de ligas de titânio carbono alumínio (TiCAl). 44 Partículas TiC nessa nova classe de refinadores de grão são menores do que as partículas de TiB2 e menos propensas à aglomeração. Os refinadores de grão TiCAl contêm TiAl3 e TiC, partículas que não são afetadas pelos elementos zircônio, vanádio e cromo. Também, é importante ressaltar que as partículas de TiB2 são mais duras que as partículas de TiC, as quais, segundo Tedpella (2014), têm suas durezas expressas em Knoop, 4400 e 2470, respectivamente. Boot et al. (2002) estudaram o efeito da adição de diferentes refinadores de grão e da adição do estrôncio em uma liga Al-Si do tipo A356 (com 0,1% do peso de titânio) produzida em uma fundição. Esses autores observaram a susceptibilidade de defeitos, tais como: trincamento a quente, casca de fundição, porosidade e trinca de contração. Eles observaram ainda um efeito negativo sobre o refino de grão, quando adicionaram mais 0,1% de titânio na liga fundida A356. Essa liga, que já possui 0,016% em peso de Ti, mostra ter o titânio em excesso suficientemente, capaz de se promover um bom desempenho referente ao refino de grão (LOURENÇATO, 2008). 2.7 USINABILIDADE DAS LIGAS DE Al-Si Conforme Maia et al. (2010), devido à baixa temperatura de fusão do alumínio, o contato ferramenta-peça produzirá sempre menos calor, se comparado com aços, e poderia comprometer as dimensões da peça usinada, a vida da ferramenta ou até mesmo promover mecanismos termicamente ativos. Por esse motivo, o alumínio é um material considerado de fácil usinagem. De acordo com Diniz et al. (2013), ligas de alumínio podem ser facilmente usinadas. Por que há baixa resistência mecânica e a energia consumida por unidade de metal removida é muito baixa. A exceção são as ligas que contêm silício, pois as partículas de silício são abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro. Segundo Santos (2006), existem diversas dificuldades de se usinarem ligas de alumínio silício se comparadas com outros grupos de ligas de alumínio. Porém, o uso de ferramentas de metal duro e o uso apropriado de fluidos lubri refrigerantes são opções para esses processos. Ferramentas de diamante policristalino, quando utilizadas em processos de usinagem dessas ligas, podem aumentar a vida de ferramenta. É sabido que, em condições normais de usinagem, as ligas de alumínio apresentam cavaco com formato longo e acabamento superficial ruim devido à sua alta 45 ductilidade, além do aparecimento de arestas postiças de corte por causa da sua alta condutividade térmica. De acordo com Diniz et al. (2013), a seleção correta da ferramenta de corte, com ângulo de corte bastante positivo, conforme mostrado na Figura2.13, pode garantir um cisalhamento perfeito do cavaco eliminando os problemas acima descritos: Figura 2.13 – Ângulos de folga (αo), de cunha (βo) e de saída (γo) Fonte: Suarez (2008). 2.8 PROCESSO DE TORNEAMENTO Conforme Kawi (2011), as operações de usinagem representam a maior classe de operações de manufatura atualmente, em que o torneamento é o processo de remoção de material mais comumente empregado. Na perspectiva de Trent e Wright (2000), o torneamento é a operação de usinagem na qual o material a ser cortado é fixado ao mandril de um torno e rotacionado, enquanto a ferramenta, presa firmemente em um porta-ferramentas, move-se em um plano que, idealmente, contém o eixo de rotação da peça. Para Ferraresi (1977), o processo de torneamento pode ser definido quanto à forma da trajetória, sendo retilíneo: cilíndrico externo, mostrado na Figura2.14, interno ou sangramento axial e ainda cônico ou radial: 46 Figura 2.14 – Torneamento Cilíndrico Externo Fonte: Sandvik (2012). Machado et al. (2009) classificam a operação de torneamento em desbaste e acabamento. Na operação de desbaste, não há preocupação com a qualidade superficial, pois a prioridade é a elevada taxa de remoção do material, enquanto que na operação de acabamento é considerada a operação final, observando a qualidade final da superfície e as tolerâncias dimensionais da peça. 2.9 FORÇAS DE USINAGEM Na ótica de Amorim (2002) e de Trent e Wright (2000), as forças envolvidas no processo de usinagem são de extrema relevância para a determinação dos parâmetros do processo, sendo elas: potência requerida e para o projeto de máquinas operatrizes, suportes e fixação de ferramentas, com rigidez adequada e livre de vibração. Porém, a força de corte pode ser um importante indicador da usinabilidade, constituindo um parâmetro crucial na tomada de decisões sobre o material a ser usado em determinada operação. As forças de usinagem influenciam o desenvolvimento de mecanismos de desgaste que podemdeterminar o colapso da ferramenta de corte. Por esse motivo, o monitoramento desses esforços pode ser um valioso instrumento de controle do desgaste das ferramentas. Para Rodrigues et al. (2007), as forças de usinagem podem ainda 47 representar um índice de usinabilidade e atuam como parâmetro para controle adaptativo de processo. A força de usinagem é a força total resultante sobre a cunha cortante da ferramenta durante o processo de usinagem. Esta pode ser composta por duas componentes: estando uma delas presente no plano de trabalho, chamada força ativa; (Fu) e uma segunda componente perpendicular ao plano de trabalho, chamada força passiva (Fp). Segundo Diniz et al. (2013), a força ativa (Fu) é a componente que contribui para a potência de usinagem, pois ela se encontra no plano de trabalho, no qual os movimentos de usinagem são realizados. Essa força pode ser decomposta em outras duas: a força de corte (Fc) e a força de avanço (Ff) conforme a Figura2.15: Figura 2.15 – Esforços de Usinagem e suas componentes Fonte: adaptado de Ferraresi (1977). De acordo com Trent e Wright (2000) e Zerbetto, Peixoto e Barros (2014), o conhecimento da força de corte pode nos auxiliar a estimar a potência requerida para o projeto da máquina operatriz, o projeto do suporte de fixação de ferramenta e a rigidez adequada da máquina. 48 Uma forma prática de determinar a força de corte (Fc) em um processo de usinagem é por meio da equação 1: Fc = Ks x A (1), onde Ks é a pressão específica de corte e A é a área da seção de corte, mostrada na Figura2.16 e definida pela equação 2: A = b x h = ap x f (2), onde b é referente ao comprimento de corte e h a espessura de corte, definidos pelas equações 3 e 4: b = ap / sen (χr) (3) e ap = f x sen (χr) (4). Figura 2.16 – Determinação da área de contato ferramenta-peça para o cálculo da pressão específica de corte Fonte: Amorim (2002). Adaptado de Ferraresi (1977). 49 Uma das maneiras, mais próximas dos valores medidos, de se calcular a pressão específica de corte (Ks) foi definida por Kienzle em 1951 mediante a medição direta das forças em usinagem, motivo pelo qual é bastante usada de acordo com Amorim (2002). Dessa forma, o Ks é calculado em função da espessura de corte (h), enquanto as constantes Ks1 e z são determinadas pelo material, conforme equação 5: Ks = Ks1 / h z (5). A força de corte pode ser afetada por vários fatores, que podem servir como variáveis importantes para a determinação da vida da ferramenta em um processo de usinagem, sendo eles: material da peça, material da ferramenta, geometria da ferramenta, velocidade de corte e uso ou não de fluido de corte, entre outros. 2.9.1 Material da Peça Na visão de Santos (2006), quando o material da peça tem afinidade química com o material da ferramenta, uma zona de aderência estável e forte será formada na área da seção de corte, aumentando o coeficiente de atrito na interface da ferramenta com a peça e, consequentemente, aumentando a força de corte. Entretanto, se não houver afinidade metalúrgica, não existirão fortes ligações de aderência, o coeficiente de atrito será baixo e a força de usinagem reduzida. O alumínio apresenta módulo de elasticidade de 69 GPa, enquanto aços de baixo carbono apresentam módulo de elasticidade da ordem de 200 GPa. Isso significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma três vezes mais que o aço. Essa propriedade do metal alumínio provoca consequências negativas na obtenção de boas superfícies usinadas e pode gerar deformações indesejadas durante os processos de usinagem. Segundo Diniz et al. (2013), a alta condutividade térmica do alumínio faz com que o calor gerado durante o processo de usinagem seja atraído para a peça. Esse fato favorece a redução dos esforços de usinagem. Quando da usinagem de ligas do grupo alumínio silício, o silício endurece o alumínio por solução sólida e acelera o desgaste por abrasão. Ele ainda possui maior ponto de fusão. Por esse motivo, o aumento da fase rica em silício aumenta as tensões e temperatura presentes na interface entre ferramenta e peça durante o processo de 50 usinagem. Ou seja, o teor de silício da liga pode proporcionar partículas primárias mais duras que ocasionam desgaste por abrasão da ferramenta (BORBA, 2013). 2.9.2 Material da Ferramenta De acordo com Amorim (2002), a ação do material da ferramenta sobre a força de corte é representativa se existe afinidade deste com o material da peça. Neste caso, pode-se observar a ocorrência de uma zona de aderência estável e forte que promove um aumento da força de corte. Caso não ocorra essa interação, a diminuição do atrito na interface cavaco-ferramenta, a força de corte tende a diminuir. Ferramentas de metal duro são amplamente utilizadas no processo de usinagem. O desenvolvimento de coberturas para essas ferramentas ampliou a utilização das mesmas, por garantir maior dureza e tenacidade, aumentando o desempenho dessas ferramentas. Segundo González et al. (2012), o uso de revestimento nas ferramentas de corte tem como vantagens: - aumentar a dureza: apesar de o alumínio puro ser de fácil usinagem, ligas de alumínio silício apresentam pontos de alta dureza, onde o alumínio se encontra livre; neste caso, quanto maior a dureza da ferramenta, mais resistente a essas partículas duras. - aumentar a resistência ao desgaste: devido ao baixo coeficiente de atrito e à estabilidade das partículas inseridas no metal duro. - diminuir o coeficiente de atrito para facilitar a saída do cavaco: reduzindo as forças de corte, evitando a aderência em superfícies de contato e reduzindo o calor gerado. - reduzir a energia térmica que flui pela ferramenta: após a aplicação de cobertura, as ferramentas apresentam baixa condutividade térmica, que protege a aresta de corte e aumenta a remoção de calor através do cavaco, facilitando o corte e reduzindo as variações dimensionais por dilatação da peça usinada. A Tabela2.6 apresenta uma comparação entre as propriedades mecânicas de ferramentas com diferentes recobrimentos e sua resistência a desgastes, onde o símbolo (++) representa melhor propriedade mecânica ou melhor resistividade a desgaste que quando apresentado o símbolo (+). 51 Tabela 2.6 – Comparação das propriedades mecânicas e da resistência ao desgaste de algumas coberturas de ferramenta de corte Recobrimento Efeito Barreira Térmica Capacidade de União com Substrato Coeficiente Fricção Desgaste de Flanco Desgaste de Cratera Tenacidade TiC + ++ ++ ++ + ++ Al2O3 ++ + + + ++ + TiN ++ ++ ++ + + ++ TiCN + ++ + ++ + ++ Fonte: adaptado de González et al. (2012). Segundo Viana e Machado (2003), diversas pesquisas vêm sendo desenvolvidas com ferramentas revestidas, tendo maior aplicação os revestimentos a partir de nitreto de titânio (TiN). Esse composto possui grande gama de aplicação devido ao fato de possuir um bom balanço entre propriedades como: dureza, tenacidade, aderência (sobre o aço rápido e o metal duro), estabilidade química, estabilidade térmica e reduzido coeficiente de atrito. Ele apresenta um contínuo sucesso pelo seu ótimo desempenho em diversos trabalhos científicos. O carbonitreto de titânio (TiCN) e o nitreto de titânio alumínio (TiAlN) podem ser utilizados em ferramentas de metal duro como mono ou multicamadas. Boa resistência à oxidação, baixa condutividade térmica,
Compartilhar