Influência do fresamento em aços ferríticos

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Efeito do fresamento na microestrutura e na formação do cavaco de aços ferríticos com 
grãos ultrafinos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Cleiton Lazaro Fazolo de Assis 
Universidade de São Paulo 
Naiana Cristina Bazanini 
Maíra Cristina Gual Pimenta de Queiroz 
Alessandro Roger Rodrigues 
Juno Gallego 
Universidade Estadual Paulista 
Otávio Villar da Silva Neto 
Universidade Paulista 
 
 
 
Resumo 
Este trabalho visou avaliar a influência da usinagem de desbaste e de acabamento ( na 
microestrutura e na formação do cavaco de um aço ferrítico 0,15%C como recebido e submetido 
a tratamento termomecânico para obtenção de uma estrutura de grãos ultrafinos. Os ensaios foram 
realizados em um centro de usinagem vertical. Os insertos de metal duro e o suporte para mandril 
porta-fresa foram especificados pelo fabricante das ferramentas. Para análise da microestrutura e 
do cavaco recorreu-se à microscopia eletrônica de varredura. O fresamento de desbaste causou 
modificações sensíveis na morfologia da microestrutura nas regiões próximas às superfícies 
usinadas. Já o fresamento HSC, devido à alta taxa de cisalhamento a qual a peça é submetida, 
promoveu alterações perceptíveis no formato dos grãos localizados próximos à superfície 
usinada. Em ambas as condições de usinagem, e materiais ensaiados, não houve sinais de 
recristalização ou mudança de fase dos grãos. Os cavacos obtidos na usinagem de desbaste foram 
contínuos, apresentando clara justaposição das lamelas. A usinagem de acabamento (HSC) gerou 
cavacos segmentados nas amostras com “microgrão” (em início de formação) e nas amostras 
“como recebido” (completamente formados). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – Introdução 
 
Atualmente ainda não há um consenso na literatura sobre a definição da usinagem com 
alta velocidade de corte (HSC – High-Speed Cutting, em inglês). De acordo com Heisel e Gringel, 
Sckock e Schulz citados por Silva (2002), entende-se por usinagem HSC processos com 
velocidades de corte e taxas de avanço aumentadas por um fator de 5 até 8 vezes em relação às 
velocidades de corte (vc) e avanços (f) tradicionais. Entretanto, outros intervalos também têm sido 
mencionados na literatura, como de 7 a 10 vezes, por exemplo. Assim sendo, a usinagem HSC 
não pode ser definida exclusivamente pela velocidade de corte aplicada, de forma que o uso do 
termo depende do tipo de material usinado e do tipo de operação executada. Apesar da 
promissora expectativa que circunda a usinagem com altas velocidades de corte e de sua 
ascendente difusão no meio industrial, entende-se que ainda há necessidade de se buscar respostas 
para aspectos mais voltados ao material usinado sob HSC, tais como possíveis alterações na 
integridade superficial da peça. 
Além disso, inerente e anterior aos processos de usinagem existe o aspecto da concepção 
do material bruto por meio de seu projeto metalúrgico. Em geral, os materiais são concebidos por 
arranjo de elementos de liga e processos termomecânicos, como forjamento, laminação e extrusão 
para compor não apenas a forma do material bruto, mas também para obter uma microestrutura e 
propriedades mecânicas adequadas à sua aplicação. Essas duas frentes de pesquisa 
(processamento metalúrgico e usinagem) nem sempre têm sido exploradas de forma conjunta e 
estreita, embora estejam intimamente interligadas. 
Os aços com baixo teor de carbono ocupam hoje cerca de 70% da produção mundial, 
objetivando aplicações industriais das mais variadas, desde imensos componentes estruturais até 
pequenas peças e dispositivos mecânicos (Neves et al., 2006). O desenvolvimento de aços com 
alta resistência com grãos ultrafinos tem sido objeto de esforço considerável de pesquisa, 
principalmente em países asiáticos. O refino de grão é um método eficiente para o aumento da 
resistência mecânica sem que outras propriedades sejam afetadas, conjugando, em alguns casos, a 
melhoria de propriedades como a tenacidade (Ferreira, 2005). 
Existem técnicas variadas para obtenção de grãos ultrafinos em estruturas ferríticas, 
caracterizadas principalmente pelo baixo teor de elementos de liga e de carbono. Cada processo 
apresenta sua particularidade quanto ao mecanismo de gerar uma microestrutura refinada. Essas 
técnicas podem resultar grãos que variam de 1 a 5 µm de diâmetro médio. O que definirá qual a 
melhor metodologia a ser empregada serão a necessidade e a capacidade existentes para produzir 
esse material, e nesse know-how são levados em consideração os custos de produção, estrutura 
física e pesquisa intensificada. 
Recentemente muitos estudos em grãos ultrafinos têm sido conduzidos com o propósito de 
elaborar aços estruturais (Yokoda et al., 2005). Seu uso é também indicado na indústria 
automotiva e aeronáutica, como forma de reduzir custos de material, sem denegrir o fator de 
segurança da peça produzida. O Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão (NIMS) 
comenta que a estrutura de grãos ultrafinos mostra-se adequada para produção de peças 
normalmente obtidas a partir de aços com altos teores de liga, como parafusos e eixos submetidos 
a altas temperaturas. 
A maioria das falhas ocorre na superfície dos materiais, incluindo fratura por fadiga, 
desgaste, corrosão, entre outras, que sensibilizam a estrutura e as propriedades da superfície do 
material. De acordo com Tao et al., (2002) a otimização da estrutura superficial e demais 
propriedades podem efetivamente melhorar o comportamento global de um material. Como 
resultado, a modificação da superfície de materiais de engenharia por meio do refino de grão 
tende a gerar mais aplicações industriais. 
 
2 – Objetivos 
 
Sabendo-se que a textura superficial da peça tem influência decisiva no desempenho, nas 
propriedades e na segurança do componente usinado, este trabalho de pesquisa visou avaliar o 
efeito da condição de usinagem tida como convencional e em alta velocidade de corte na 
microestrutura e na formação do cavaco de um aço ferrítico 0,15% C, processado 
termomecanicamente para refino de grão. 
 
3 – Procedimentos experimentais 
 
O planejamento experimental dos ensaios de fresamento foi executado segundo o conceito 
técnico sobre usinagem convencional e altas velocidades de corte, visando avaliar as possíveis 
variáveis de usinagem e suas respectivas influências na microestrutura e na formação do cavaco 
dos corpos de prova ensaiados. O ensaio estabelecido para a usinagem das peças foi o fresamento 
de topo em centro de usinagem CNC. 
Foram adotados como variáveis de entrada para a realização dos ensaios a velocidade de 
corte (vc), o avanço por dente (fz) e a profundidade de usinagem (ap). Para a caracterização 
microestrutural das peças, levou-se em consideração a possível deformação dos grãos de ferrita 
ao longo da seção transversal próximo à superfície usinada. O estudo do cavaco considerou a 
morfologia apresentada em cada condição. 
O ângulo de folga da ferramenta (21º) foi mantido constante ao longo dos ensaios, assim 
como o ângulo de posição (90º) e o raio de ponta do inserto (0,8 mm). Todos os testes foram 
realizados a seco, na condição de corte concordante, com largura de usinagem (ae) constante e 
igual a 2 mm. 
Devido ao formato geométrico das amostras, a fixação foi realizada recorrendo-se a uma 
morsa com mordentes em forma de cunha e calços retificados para o assentamento preciso das 
amostras. A faixa de exploração das variáveis de entrada foi determinada conforme dados de 
usinabilidade disponibilizados pela empresa fornecedora do material da peça, pelo fabricante da 
ferramenta de corte e pelo conceito de usinagem HSC. Sendo assim, a tabela 1 apresenta as 
variáveis de entrada e o número respectivo de variações (níveis).Tabela 1 – Variáveis de entrada e os níveis adotados nos ensaios de usinagem. 
Variáveis de Entrada Níveis 
Condições de Usinagem 
Convencional HSC 
Velocidade de corte [m/min] 2 250 700 
Profundidade de usinagem [mm] 2 3,0 0,5 
Avanço [mm/dente] 2 0,15 0,08 
 
Todos os ensaios de usinagem foram realizados em um centro de usinagem vertical, marca 
ROMI, modelo Discovery 560, com rotação máxima de 10.000 rpm e potência de 11 kW. A 
microscopia eletrônica de varredura (MEV) foi utilizada na análise do cavaco e na avaliação da 
microestrutura da seção transversal dos corpos de prova próxima à superfície fresada. Para tanto, 
recorreu-se ao microscópio Jeol, modelo JSM 5410. 
O material, fornecido pela Usiminas-Cubatão S/A na forma de chapa grossa laminada, 
denomina-se comercialmente como COS AR60. Parte dos corpos de prova foi submetida a um 
tratamento termomecânico para obtenção de uma estrutura de grãos ultrafinos. A especificação 
química do material pode ser visualizada na tabela 2. 
 
Tabela 2 – Especificação química do material utilizado nos testes de usinagem (% em peso). 
C Mn P S Si Al Cu Cr Ni Nb V Ti Ceq 
0,15 1,49 0,027 0,009 0,27 0,046 0,005 0,276 0,008 0,048 0,044 0,016 0,40 
 
As peças submetidas ao tratamento termomecânico, assim como as chapas grossas, foram 
recebidas na forma bruta, neste trabalho denominadas na condição “Como Recebido” (CR). 
Dessa maneira, antes de realizar os ensaios de usinagem principais, elas foram submetidas a uma 
pré-usinagem por meio de um processo de fresamento convencional, visando à obtenção de 
superfícies planas. Após a pré-usinagem, os corpos de prova apresentaram as dimensões 10 x 24 x 
100 mm. As amostras com grãos ultrafinos foram denominadas (GUF). Medidas de dureza 
Vickers foram feitas em ambas as condições de processamento metalúrgico (CR/GUF). Na tabela 
3 encontram-se os valores de dureza Vickers dos corpos de prova. 
 
Tabela 3 – Materiais dos corpos de prova caracterizados pela dureza e condição microestrutural. 
Condição do Material Dureza [HV] Identificação 
“Como Recebido” na forma de chapa grossa 198 ± 2,6 CR 
Submetido ao tratamento termomecânico 322 ± 7,3 GUF 
 
Os insetos de metal duro e o suporte para mandril porta-fresa empregados nos ensaios de 
fresamento foram especificados com auxílio da Sandvik Coromant, fabricante das ferramentas. 
As pastilhas R390-11 T3 08M-PM 4220, revestidas de Al2O3 para classe ISO entre P5 e P25, 
congregam boa tenacidade e resistência ao desgaste elevada. São ferramentas adequadas para 
operações de fresamento otimizado, sem refrigeração, na usinagem de aços com altas taxas de 
remoção de material e elevadas velocidades de corte. O suporte dos insertos R390-025A25-11L 
apresenta sistema de fixação tipo Weldon, permite usinagens de canto a 90° e operações de 
faceamento, faceamento de canais, interpolação helicoidal, fresamento em rampa, de mergulho e 
mandrilhamento helicoidal. 
Todos os corpos de prova fresados foram cortados em duas seções transversais 
direcionadas entre si de 90º, ou seja, foram analisadas a seção seccionada na mesma direção do 
avanço da ferramenta e a seção perpendicular à direção de avanço da fresa. 
 O embutimento das amostras metalográficas foi realizado a 
quente com o emprego de baquelite, em seguida passaram por um processo de lixamento manual, 
alternando a posição de trabalho em 90° a cada troca de lixa, com a seguinte sequência de 
granulação: 120, 220, 320, 400, 600 e 1000. Para espelhamento, foi feito o polimento das 
amostras com alumina, com tamanho de partículas de 1 µm e posteriormente 0,3 µm. Após a 
etapa de preparação, as amostras sofreram um ataque químico ordenado em duas fases. A 
primeira fase constituiu-se de ataque com Reagem de Marshall e a segunda fase de Nital 1%. 
 
4 – Resultados e discussão 
 
 As imagens apresentadas nas figuras 1 e 2, 
referentes respectivamente às amostras CR e GUF, procuram retratar mais propriamente a região 
próxima à superfície usinada, cada qual segundo as condições de usinagem de desbaste e 
acabamento (HSC). As imagens com denominação “longitudinal” foram obtidas das seções 
transversais seccionadas na mesma direção do avanço da ferramenta. Ao contrário, as fotos com 
identificação “transversal” indicam que a seção de análise é perpendicular à direção de avanço da 
fresa. 
 
 
 
 
(a) Desbaste, seção longitudinal (b) Desbaste, seção transversal 
 
 
(c) HSC, seção longitudinal (d) HSC, seção transversal 
Figura 1 – Imagens de MEV das amostras CR (ataque Marshall seguido de Nital 1%). 
 
 
(a) Desbaste, seção longitudinal (b) Desbaste, seção transversal 
 
(c) HSC, seção longitudinal (d) HSC, seção transversal 
Figura 2 – Imagens de MEV da amostra GUF (ataque de Marshall seguindo de Nital 1%). 
Resina 
Peça 
Superfície fresada Resina 
Peça 
Superfície fresada 
Deformação acentuada 
Deformação sensível 
Resina 
Peça 
Superfície fresada 
Resina 
Peça 
Superfície fresada 
Deformação acentuada 
Deformação sensível 
Peça 
Superfície fresada 
Peça 
Deformação Sensível 
Deformação Sensível 
Resina Resina Superfície fresada 
Resina 
Peça 
Superfície fresada Resina 
Peça 
Superfície fresada 
Deformação Sensível Deformação Sensível 
 As imagens de MEV das figuras 1a e 1b mostram que a usinagem de desbaste 
causou uma deformação sensível na microestrutura do material CR próxima à superfície usinada. 
É possível constatar que os grãos adjacentes à superfície fresada, localizados logo abaixo da 
divisão peça-resina, foram pouco afetados pela ação da ferramenta de corte, isto é, tanto a região 
intragranular como a intergranular apresentaram uma pequena faixa de deformação (~5µm), via 
análise por microscopia eletrônica de varredura. 
 As figuras 1c e 1d, por sua vez, mostram claramente que a microestrutura do material foi 
deformada de maneira acentuada na seção longitudinal e sensível na direção transversal à do 
avanço (as linhas de escoamento estão orientadas para a esquerda das imagens). A diferença de 
níveis de deformação (longitudinal ou transversal) está relacionada ao movimento de avanço da 
ferramenta, já que as deformações mais acentuadas ocorreram na direção do avanço. Por fim, pela 
análise visual e morfológica dos constituintes, não é possível afirmar, mesmo na usinagem HSC, 
se houve recristalização ou mudança de fase da estrutura próxima à superfície fresada. 
 De forma análoga ao constatado nas amostras CR, a usinagem de desbaste causou uma 
deformação sensível, via análise das imagens de MEV, na microestrutura das amostras GUF. 
Pode ser visto claramente nas figuras 2a e 2b que a estrutura refinada dos grãos sofreu pouca 
modificação na região próxima à superfície fresada. Os contornos das colônias de perlita (em alto 
relevo nas fotos) fora tenuamente alterados. 
 No entanto, as amostras GUF usinadas na condição HSC apresentaram o mesmo 
comportamento das amostras CR, ou seja, níveis de deformação dos grãos na região próxima à 
superfície fresada, sendo mais acentuada na direção do avanço e mais sensível na direção 
perpendicular à do avanço. Dessa forma, considerando o conceito de usinagem HSC, 
especialmente sob o prisma tecnológico, relevante e cada vez mais difundido nas indústrias do 
ramo metal-mecânico, em se tratando da integridade superficial do produto, a usinagem com altas 
velocidade de corte pode influir de forma significativa na peça, sobretudo em componentes que 
demandem alta confiabilidade em serviço. 
 Quanto ao processo de formação de cavaco, observa-se nas figuras 3a e 3b que 
os cavacos gerados na usinagem de desbaste foram contínuos, com as justaposições das lamelas 
bem definidas. Uma diferença considerada importante está na condição microestrutural da 
amostra usinada, pois o tamanho de grão pode ter ditado a espessuradas lamelas dos cavacos. 
Nota-se que as lamelas dos cavacos CR são maiores que as dos cavacos GUF. 
 Os cavacos gerados pela usinagem HSC também figuraram diferenças 
importantes quanto ao mecanismo de formação. As figuras 3c e 3d mostram as faces laterais dos 
cavacos CR e GUF, respectivamente. Pode-se constatar que a menor dureza das amostras CR 
provavelmente limitou o processo de segmentação das lamelas, sendo possível apenas visualizar o 
início da segmentação do cavaco. O cavaco GUF, de fato, representa o típico cavaco segmentado, 
validando, inclusive, o valor de velocidade de corte escolhido para compor o conceito HSC 
adotado na operação de acabamento. É possível verificar que o grau de segmentação do cavaco é 
bastante elevado, devido à maior dureza da peça e velocidade de corte. 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) Amostra CR, Desbaste (b) Amostra GUF, Desbaste 
 
(c) Amostra CR, Acabamento (HSC) (d) Amostra GUF, Acabamento (HSC) 
Figura 3 – Cavacos gerados a partir dos ensaios de fresamento. 
 
5 – Conclusões 
 
 O fresamento de desbaste causou modificações sensíveis, via microscopia eletrônica de 
varredura, na morfologia da microestrutura nas regiões próximas às superfícies usinadas, seja na 
amostra CR ou GUF. Já o fresamento HSC, devido à alta taxa de cisalhamento a qual a peça é 
submetida, promoveu alterações perceptíveis no formato dos grãos localizados próximos à 
superfície usinada, independentemente da amostra usinada. As linhas de deformação se 
orientaram na direção do movimento de avanço da ferramenta de corte. Os cavacos obtidos da 
usinagem de desbaste foram contínuos, apresentando clara justaposição das lamelas. As amostras 
GUF geraram lamelas mais finas devido ao tamanho de grão reduzido. A usinagem de 
acabamento (HSC) gerou cavacos segmentados nas amostras GUF, que podem ter um papel 
decisivo sobre as deformações microestruturais da camada superficial da peça. 
 
6 – Referências bibliográficas 
 
1] Ferreira, J. L., “Avaliação de mecanismos de refino de grão para a obtenção de granulometria 
ultrafina em aços C-Mn e C-Mn-Nb”, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia 
Metalúrgica, Universidade Federal Fluminense, Volta Redonda-RJ, 2005. 
2] Neves, E. G.; Braga, L. H. R., Azevedo, G., Santos, D. B., “Comportamento Mecânico de um 
Aço C-Mn de Grão Ultra-Fino Produzido por Torção a Quente e Recozimento Intercrítico”, Anais 
do 58º Reunião Anual da SBPC, Florianópolis, SC, 2006. 
3] Silva, L. R., “Estudo da geometria da aresta de corte de ferramentas aplicadas ao torneamento 
de superligas à base de níquel com alta taxa de velocidade de corte”, Tese de Doutorado, Escola 
de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos-SP, 211p., 2002. 
4] Tao, N. R., Wang, Z. B., Tong, W. P., Sui, M. L., Lu, J., Lu, K., “An investigation of surface 
nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment”, Acta 
Materialia, Vol.50, pp.4603-4616, Oxford, EUA, 2002. 
5] Yokoda, T., Fujioka, M., Niikura, M., “Grain structure of Fe-0,3mass%C-9mass%Ni steel 
processed through a→γ→a’ transformation caused by spontaneous reverse transformation”, ISIJ 
International, Vol.45, pp.736-742, Tokio, JP, 2005. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Autores 
 
Cleiton Lazaro Fazolo de Assis fazolocla@usp.br 
Engenheiro Mecânico pela Universidade Estadual Paulista (Unesp). Mestre em Engenharia 
Mecânica na Área de Materiais e Processos de Fabricação, pela mesma universidade. Atualmente, 
é Doutorando em Engenharia Mecânica na Área de Processos de Fabricação, pela Universidade 
de São Paulo (USP). Tem experiência na Área de Materiais e Processos de Fabricação, com 
ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte, Usinagem de Alto Desempenho e 
Precisão, Integridade Superficial e Refino de Grão em Aços. 
 
Naiana Cristina Bazanini naianabazanini@yahoo.com.br 
Aluna do curso de Engenharia Mecânica pela Unesp. Realiza trabalho de Iniciação Científica 
junto ao Grupo de Pesquisa em Usinagem do Departamento de Engenharia Mecânica, na área de 
Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte e 
Refino de Grão em Aços. 
 
Maíra Cristina Gual Pimenta de Queiroz mairaque@aluno.feis.unesp.br 
Aluna do curso de Engenharia Mecânica pela Unesp. Realiza trabalho de Iniciação Científica 
junto ao Grupo de Pesquisa em Usinagem do Departamento de Engenharia Mecânica, na área de 
Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades de Corte e 
Refino de Grão em Aços. 
 
Alessandro Roger Rodrigues roger@mat.feis.unesp.br 
Engenheiro Mecânico pela Unesp. Mestre em Engenharia Mecânica na Área de Materiais e 
Processos de Fabricação, pela mesma universidade. Doutor em Engenharia Mecânica, na Área de 
Processos de Fabricação, pela USP, com doutorado sanduíche pela Technische Universität 
Darmstadt – TUD (Alemanha). Atualmente é Professor Assistente Doutor da Unesp, campus de 
Ilha Solteira, e Coordenador do Grupo de Pesquisa em Usinagem – GPU. Tem experiência na 
Área de Materiais e Processos de Fabricação, com ênfase em Usinagem com Altas Velocidades 
de Corte, Usinabilidade dos Materiais e Integridade Superficial. 
 
Juno Gallego gallego@dem.feis.unesp.br 
Pesquisador CNPq – nível 2, é Engenheiro Mecânico pela Unesp, mestre em Ciência e 
Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos e doutorado em Ciência e 
Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos. É professor Adjunto da 
Unesp, campus de Ilha Solteira. Colabora na revisão de artigos científicos dos periódicos 
Materials Research, tecnologia em Metalurgia e Materiais, Soldagem e Inspeção e do Journal of 
Aerospace Technology and Management. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e 
Metalúrgica, com ênfase em Metalurgia Física, atuando principalmente na área de caracterização 
microestrutural e mecânica. Atualmente realiza estágio de Pós-Doutorado junto a EESC/USP – 
São Carlos na área de engenharia de superfícies. 
 
Otávio Villar da Silva Neto osvillar@bol.com.br 
Engenheiro Mecânico pela Unesp. Mestre em Engenharia Mecânica pela Unesp e Doutor em 
Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos. Atualmente é 
Professor Titular da Universidade Paulista (Unip). Tem experiência na área de Engenharia de 
Materiais, atuando principalmente nos seguintes temas: aços baixo carbono, grão ultrafino, campo 
subcrítico e torção a quente.