View
277
Download
2
Category
Preview:
DESCRIPTION
Estudos do aço
Citation preview
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
JHONATAN PERES DE SOUSA
ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
São Luís
2014
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
JHONATAN PERES DE SOUSA
ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) apresentado ao Departamento de
Engenharia Mecânica e Produção, do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade
Estadual do Maranhão - UEMA, como requisito parcial para obtenção do título de
Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues
São Luís
2014
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMA
Sousa, Jhonatan Peres de.
Estudo da usinabilidade do aço inoxidável autenitico / Jhonatan Peres de Sousa.– São Luís, 2014.
74 f
Monografia (Graduação) – Curso de Engenharia Mecânica, Universidade
Estadual do Maranhão, 2014.
Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues.
1.Usinabilidade. 2.Parâmetros do processo. 3.Aço inoxidável austenitico.
I.Título
CDU: 624.014.2
JHONATAN PERES DE SOUSA
ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Departamento de Engenharia
Mecânica e Produção, do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade Estadual do
Maranhão como requisito parcial para obtenção do titulo de Bacharel em Engenharia
Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues
Aprovada em: ____/____/____
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues
Universidade Estadual do Maranhão - UEMA
Prof. Dr. Tiago do Espírito Santo Baldez Neves
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia – Campus Monte Castelo - IFMA
Prof. Dr. Adilto Pereira Andrade Cunha
Universidade Estadual do Maranhão - UEMA
Ao SENHOR Deus Eterno, Soberano e
Poderoso, por toda a sua graça maravilhosa e
infinita misericórdia que sempre me
acompanharam todos os dias da minha vida.
À minha preciosa família por me incentivar a
nunca desistir dos meus objetivos.
Aos meus amigos que sempre acreditaram em
mim.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, meu refúgio e fortaleza, por ter me dado toda
força necessária, coragem, perseverança e capacidade para chegar até aqui e nunca desistir,
mesmo em meio às grandes dificuldades que tive que enfrentar ao longo desta caminhada.
À minha querida família, especialmente a minha mãe Evandeny Peres, ao meu pai
Domingos Lopes, aos meus irmãos Jhemeson e Jheison Peres, a minha tia Francisca Almeida
e a minha vó Raimunda Peres por sempre terem me apoiado ao longo de toda a minha vida,
me ajudando em todas as minhas dificuldades acreditando no meu potencial e confiando no
meu sucesso.
Ao Professor Dr. Jean Robert, que sempre se dispôs a me ajudar, tirando todas as
minhas dúvidas com o desenvolvimento desse trabalho, desempenhando um excelente papel
de professor e orientador.
Ao Professor Dr. Adilto Pereira e ao Professor Dr. Tiago Baldez pelas
considerações de grande significância feitas neste trabalho.
A todos os meus amigos do curso de Engenharia Mecânica (2010.1), por todo o
apoio, incentivo e companheirismo, principalmente ao meu amigo José Carlos, sem a sua
ajuda nada disso seria possível. Agradeço também aos meus amigos João Carlos e Cássio
Daniel, aos quais considero verdadeiramente como meus irmãos.
Aos meus líderes e todos os amigos da IBT-CBN, em especial ao Pr. Rubem e Prª
Maria do Espírito Santo, ao Pr. Gilbert Carlos e Joseane Sousa, aos meus amigos Leonilton
Ribeiro, Ítalo Barros e Ribamar Lima por todas as suas orações.
Agradeço também ao meu querido amigo Helismar Medeiros da IBA que sempre
me ajudou com suas orações e sua preciosa amizade.
Os meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que contribuíram direta ou
indiretamente na elaboração deste trabalho.
“Deleita-te no SENHOR e Ele satisfará os desejos
do teu coração.”
Salmos 37:4
RESUMO
Este trabalho consiste numa fonte confiável de informações no que diz respeito à
usinagem do aço inoxidável austenítico. De acordo com as pesquisas apuradas, foi possível
avaliar a usinabilidade deste material mediante uma série de condições de corte. Sabendo que
a usinagem atualmente é um dos processos de fabricação altamente difundido e da dificuldade
que existe na usinagem deste material, este trabalho visa fornecer uma visão clara das
ferramentas indicadas para a usinagem, os principais métodos e técnicas, os fluidos de corte
empregados, os desgastes encontrados nas ferramentas de corte e os critérios de vida da
mesma. Além disso, este trabalho aborda desde o histórico do desenvolvimento deste aço,
explicando sobre sua abundância e obtenção, características principais, classificações,
importância e aplicações até um estudo criterioso sobre os efeitos da usinagem deste aço nos
parâmetros do processo (acabamento superficial, forças de corte, temperaturas de corte e etc.),
o que é de fundamental importância quando se deseja uma excelente operação de usinagem de
pequena, média ou grande escala.
Palavras - chave: Usinabilidade, aço inoxidável austenítico, parâmetros do processo.
ABSTRACT
This work is a reliable source of information regarding the machining of austenitic
stainless steel. According to the research determined it was possible to evaluate the
machinability of this material through a series of cutting conditions. Knowing that the
machining is currently one of the highly diffused and difficult manufacturing processes that
exist in the machining of this material, this work aims to provide a clear overview of the tools
suitable for machining, the main methods and techniques, cutting fluids employees, found
wear on cutting tools and criteria for life the same. Furthermore, this work covers everything
from the development history of this steel, explaining about their abundance and obtaining,
main characteristics, classifications, applications and importance to a careful study on the
effects of this steel in machining process parameters (surface finish of forces cutting, cutting
temperatures, etc.), which is crucial when you want an excellent machining operation of
small, medium or large scale.
Key words: Machinability, austenitic stainless steel, the process parameters.
Lista de Figuras
Fig. 2.1 - Processo de produção do aço da GERDAU BRASIL 23
Fig. 2.2 – Seção Vertical do Sistema Fr-Cr-Ni para 70% de Fr 25
Fig. 2.3 – Pseudo-binários para relações fixas definidas Cr/Ni 25
Fig. 2.4 - Caldeirão Industrial a gás construído em aço inox AISI 304 29
Fig. 2.5 - Utilização do aço inox AISI 316 no revestimento da fachada da Sede da
VIVO 30
Fig. 2.6 – Sistema de exaustão fabricado em aço inox AISI 304 30
Fig. 2.7 – Tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304 30
Fig. 2.8 - Aplicação do aço inox AISI 304, 304L ou 316/316L em vasos de
pressão 31
Fig. 2.9 - Fogão a gás 4 bocas com forno construído com aço inox AISI 304 31
Fig. 2.10 - Fixação Rígida 36
Fig. 2.11 - Pastilha T-Max® para torneamento, classe 2015 38
Fig. 2.12 - Escolha da classe das ferramentas 38
Fig. 2.13 – Escolha das classes em função de vários itens 39
Fig. 2.14 - Fresa CoroMill® 345 41
Fig. 2.15 - Broca CoroDrill® 860 42
Fig. 2.16 – Decomposição da Força de Usinagem 43
Fig. 2.17 - Forças de usinagem e suas decomposições no plano de cisalhamento,
na superfície de saída e nas direções de corte e avanço 44
Fig. 2.18 – Forças de Corte do aço AISI 303 mediante as condições de usinagem 46
Fig. 2.19 – Forças de Corte do aço AISI 304 mediante as condições de usinagem 46
Fig. 2.20 – Forças de Corte do aço AISI 310 mediante as condições de usinagem 46
Fig. 2.21 - Zonas de geração de calor em usinagem 47
Fig. 2.22 – Temperaturas máximas da interface cavaco-ferramenta em função da
velocidade de corte 48
Fig. 2.23 - Mira da posição de medida de temperatura do sensor infravermelho 50
Fig. 2.24 - Efeito do desgaste na temperatura do cavaco 51
Fig. 2.25- Efeito da velocidade de corte na temperatura do cavaco 51
Fig. 2.26 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte 52
Fig. 2.27 – Fotografias das três formas de desgaste. a) desgaste de flanco; b)
desgaste de cratera; c) desgaste de entalhe 53
Fig. 2.28– Parâmetros utilizados para medir os desgastes das ferramentas de corte 54
Fig. 2.29 – (a) Vbmax versus tempo de usinagem e (b) Vida de ferramenta versus
Vc na usinagem com ferramenta de metal duro 55
Fig. 2.30 – a) Aplicação do fluido de corte no torneamento; e b) Aplicação do
fluido de corte no fresamento 56
Fig. 2.31 – Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético 59
Fig. 2.32 - Quimatic 4-EP – Fluido de Corte integral de base mineral 59
Fig. 2.33 – Rugosidade média aritmética em função da velocidade de corte (f =
0,15mm/rev e ap = 1,0mm) 62
Fig. 2.34 – Rugosidade média aritmética em função do avanço (vc = 250m/min e
ap = 1,0mm) 62
Fig. 2.35 – Rugosidade média aritmética em função da profundidade de usinagem
(vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev) 62
Fig. 3.1 - Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos 64
Fig. 3.2 - Tipos de cavacos obtidos no processo de usinagem do aço ABNT 304 65
Fig. 3.3 - Variação do comprimento do cavaco em função da velocidade de corte e
avanço 65
Fig. 3.4 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. a) Quebra-cavaco fixado
mecanicamente; b) Quebra-cavaco usinado diretamente na ferramenta; c) Quebra-
cavaco em pastilha sinterizada 66
Lista de Tabelas
Tabela 2.1- Produção mundial de aço bruto e ferro – gusa 21
Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis 26
Tabela 2.3 - Coeficiente de dilatação entre 20 e 200 ºC para famílias de aços 27
Tabela 2.4 – Característica quanto à estampabilidade e soldabilidade de alguns
aços inoxidáveis austeníticos 27
Tabela 2.5 – Aços inoxidáveis austeníticos e suas principais aplicações 32
Tabela 2.6 - Equivalência de normas para aços inoxidáveis 33
Tabela 2.6 - Classificação dos aços inoxidáveis austeníticos e suas composições
químicas 34
Tabela 2.8 - Classificação dos metais duros segundo a Norma ISO 513 35
Tabela 2.9 – Indicações para a escolha de brocas 42
Tabela 2.10 - Parâmetros de usinagem utilizados nos ensaios 45
Tabela 2.11 – Resultados da força de corte em diferentes condições de usinagem 45
Tabela 3.1 - Condições de corte utilizadas nos ensaios obtenção de amostras de
cavaco 64
Lista de Siglas e Abreviaturas
Fu – Força de usinagem
Fc – Força de corte
Ff – Força de avanço
Fp – Força passiva
Vc – Velocidade de corte
Ff(x) – Componente vetorial de Ff no eixo x
Fp(y) - Componente vetorial de Fp no eixo y
Fc(z) – Componente vetorial de Fc no eixo z
Ft - Projeção da força principal de corte que atua na superfície de saída da ferramenta na sua
direção tangencial
FN – Força de compressão
Fs - Projeção da força principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção
tangencial
FNZ - Projeção principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção normal
Tc – Tempo de corte
Vb – Vibração mecânica
rn - Raio de ponta da ferramenta
ap - profundidade de corte
β - ângulo de cunha da ferramenta
α, αo - ângulo de folga da ferramenta
χr – ângulo de posição da ferramenta
εr – ângulo de ponta da ferramenta
χr – ângulo de posição da ferramenta
t - tempo
γo - ângulo de saída negativo
λs - ângulo de inclinação negativo
Ra - Rugosidade média aritmética
KT - Profundidade de cratera
VBB - Desgaste de flanco médio
Vbmáx - Desgaste de flanco máximo
VN e VC – Critérios para o desgaste de entalhe na usinagem de ligas de Ni com ferramentas
de metal duro.
APC – Aresta Postiça de Corte
PIB – Produto Interno Bruto
Cr - Cromo
Ni - Níquel
CFC – Cúbica de Face Centrada
Mo - Molibdênio
Ti - Titânio
Nb - Nióbio
Al - Alumínio
Cu - Cobre
Mn - Manganês
Si - Silício
P - fósforo
S – enxofre
Fe – Ferro
Al2O3 - Óxido de alumínio
TiN - Nitreto de titânio
TiAlN - Nitreto de titânio-alumínio
ISO - International Standard Organization
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
AISI - American Iron and Steel Institute – Instituto Americano do Ferro e Aço
UNS - Unified Numbering System (Sistema de Numeração Unificada)
UNI - Ente Nazionale Italiano di Unificazione (Norma italiana)
DIN - Deutsches Institut für Normung eV (Norma alemã)
JIS - Japanese Industrial Standards (Norma japonesa)
BS – Norma da Inglaterra
AFNOR - Association française de normalisation (Norma francesa)
SIS - Standardiseringen i Sverige (Norma sueca)
HRC - Ensaio de dureza Rockwell
HSS - High Speed Steel – Aço rápido
PVD - Deposição Física por Vapor
CVD - Deposição Química por Vapor
CV – Cavalo-vapor
mm - milímetros
mm/rot – milímetros por rotações
m/min – metros por minuto
ºC - Grau celsius
MPa - Megapascal
LE – Limite de escoamento
LR – Limite de resistência
t – toleladas
µm/m ºC – Dilatação térmica
rpm – rotações por minuto
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 16
1.1. OBJETIVO GERAL 17
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17
1.3. JUSTIFICATIVA 17
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19
2.1. GENERALIDADES 19
2.2. UM BREVE HISTÓRICO SOBRE OS AÇOS INOXIDÁVEIS 19
2.3. ABUNDÂNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS CONSTITUINTES 20
2.4. PROCESSOS PARA OBTENÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS 22
2.5. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS 24
2.6. IMPORTANCIA E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES 29
2.7. CLASSIFICAÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO 33
2.8. FERRAMENTAS DE CORTE EMPREGADAS NA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL
AUSTENÍTICO 35
2.9. EFEITOS DA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO NOS PARÂMETROS DO
PROCESSO 43
2.9.1. FORÇA DE USINAGEM 43
2.9.2. TEMPERATURA DE CORTE 47
2.9.3. DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE 52
2.9.4. FLUIDOS DE CORTE RECOMENDADOS 56
2.9.5. ACABAMENTO SUPERFICIAL DAS PEÇAS 60
3. FORMAÇÃO DOS CAVACOS 63
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 67
5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 69
16
1. INTRODUÇÃO
A grande variedade de matérias é que o tornam cada vez mais desconhecidos em
nossa cultura. Eles estão presentes em transportes, habitação, vestuário, comunicação,
recreação e produção de alimentos. Cada área de nossas vidas diárias é influenciado em maior
ou menor grau pelos materiais. Analisando, podemos constatar que o desenvolvimento e o
avanço da sociedade têm estado intimamente ligados à capacidade dos seus membros em
produzir e manipular matérias para satisfazer suas necessidades (Callister, 2006).
Com o passar dos tempos, a compreensão dos cientistas sobre as relações entre os
elementos estruturais deu-lhes as condições de moldar, em grande parte, as características dos
materiais. Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com
características relativamente específicas que atendem as necessidades de nossa moderna e
complexa sociedade; estes incluem variados tipos de materiais como: metais, plásticos, vidros
e fibras. O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam o nosso dia-a-dia tão
confortável tem estado diretamente ligado com a acessibilidade a materiais adequados
(Callister, 2006).
A usinagem é um dos mais importantes processos de produção de componentes
mecânicos. Ela está presente em diversas áreas da indústria, como a automotiva, a naval, a
aeroespacial, a eletrônica e de eletrodomésticos (Wilkipédia, 2014). Estima-se que nos
Estados Unidos aproximadamente 10% do PIB, estejam relacionados aos processos de
usinagem, com base nos aos gastos relacionados com ferramenta, mão-de-obra e com o
capital investido (Shaw, 2005).
Os aços inoxidáveis austeníticos são materiais de grande utilidade na indústria e
são muito bem aplicados em equipamentos de processo, devido às suas excelentes
propriedades químicas como alta resistência a corrosão e resistência a temperaturas elevadas,
no entanto são materiais de difícil usinabilidade (Pereira, 2008). Devido ao custo da corrosão,
que em alguns países é considerado cerca de 3% do PIB, os homens trabalham há muito
tempo com a intenção de diminuir os custos, através da criação de barreiras contra a corrosão
para, pelo menos, minimizar estes problemas (Carbó, 2008).
O material de estudo deste trabalho é o aço inoxidável austenítico que, em
comparação com as demais classificações, são os mais resistentes à corrosão, devido aos
elevados teores de cromo (Cr) e níquel (Ni) e eles são produzidos nas maiores quantidades
(Callister, 2006). Este material é amplamente utilizado nas indústrias químicas, petroquímica,
17
nuclear, alimentícia, de bebidas e laticínios, de papel e celulose e em baixelas e cutelaria. Eles
são fabricados nas mais diversas formas, tais como placas, chapas forjadas, barras e perfis
laminados, arames e tubos com costura ou sem costura (Padilha, 1994).
1.1. OBJETIVO GERAL
Estudar a usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos em diversas condições de corte.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estudar o efeito da usinagem nos parâmetros do processo;
Discutir os processos de usinagem que tornam estes materiais mais fáceis de serem
usinados, bem como as ferramentas mais adequadas para se empregar;
Buscar formas mais práticas, atuais, simples e econômicas de usinagem destes aços.
1.3. JUSTIFICATIVA
Os aços inoxidáveis austeníticos estão incluídos no grupo dos aços que
apresentam melhores propriedades de resistência mecânica em temperaturas elevadas, pois o
coeficiente de expansão térmica é, aproximadamente, 60% maior e a condutividade térmica é,
aproximadamente, 30% maior quando comparados com os aços inoxidáveis ferríticos. A sua
estrutura CFC tem grande influência, pois favorece ao material excelentes valores de
resistência ao impacto, além de também favorecer a não ocorrência do fenômeno de transição
dúctil-frágil (Gravalos, 2008).
A usinagem de um material é entendida como a facilidade ou a dificuldade de
remoção de um material durante a usinagem e pode ser avaliada através da força de usinagem
(Fu), da temperatura de corte (Tc), do acabamento superficial, do controle do cavaco, da taxa
de desgaste da ferramenta de corte (Childs, Trent & Diniz, 2003); e de outras análises,
dependendo da necessidade, disponibilidade de infraestrutura, facilidade, podemos levar em
conta também a vibração mecânica (Vb) do sistema peça-ferramenta, sinais de emissão
acústica, entre outros.
O tema usinabilidade tem sido investigado, não somente no Brasil, mas também,
em vários países ligados à ciência e tecnologia interessados em desenvolvimento em
18
usinagem (Coppini, 2013). A usinabilidade é de grande interesse não só dos fabricantes dos
metais e ferramentas, mais também dos consumidores e de todos os que se envolvem na
produção de peças, por meio da formação do cavaco. Esta propriedade está diretamente ligado
à interação entre o processo de fabricação e as características do material da peça. Tem uma
grande influência na produtividade de uma empresa, motivo pela qual existe um grande
interesse em desenvolver métodos de ensaio (Pesquisa em foco, 2014).
Como os aços inoxidáveis austeníticos são conhecidos como materiais de difícil
usinagem, o presente trabalho trata de sua usinabilidade abordando um estudo dos efeitos da
usinagem nos parâmetros do processo. Desta forma, contribuindo para o avanço e o
desenvolvimento de novas técnicas e procedimentos que, por sua vez, possam aperfeiçoar
conhecimentos e processos, possibilitando uma visão mais ampliada para a indústria da
usinagem (Campos, 2010).
19
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. GENERALIDADES
De acordo com Diniz e Coppini (2013), a usinabilidade geralmente é avaliada de
acordo com alguns critérios: vida da ferramenta, força de usinagem, qualidade superficial da
peça e forma dos cavacos. Outro importante fator de influência são os elementos de liga do
material, tratamento térmico realizado e processo de fabricação do material (forjado, fundido,
etc). Para avaliar a usinabilidade também existem outros critérios importantes, tais como o
estado metalúrgico da peça, dureza, composição química, condutividade térmica,
propriedades mecânicas e de eventual encruamento.
2.2. UM BREVE HISTÓRICO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
A história relata que o desenvolvimento dos aços inoxidáveis é atribuído ao inglês
Harry Brearly, em 1912. Ao realizar experimentos com uma liga ferro-cromo com
aproximadamente 13% de cromo, fez algumas observações metalográficas e constatou que a
liga fabricada resistia à maior parte dos reagentes frequentemente usados em metalografia; a
essa liga ele denominou “Stainless Steel”, ou seja, “aço sem manchas”. Brealy, na verdade
quis dizer que esse aço não era atacado ou “manchado” quando submetido aos ataques
metalográficos da época (Núcleo Inox, 2011).
Neste mesmo ano, na Alemanha, Eduard Maurer estava afirmando que a liga
ferro-cromo elaborada por Brenno Straus era altamente resistente aos vapores agressivos do
seu laboratório.
Os aços inoxidáveis descobertos por Brealy e Strauss são, basicamente, os tipos
que hoje conhecemos como ABNT 420 e ABNT 302. Naquela época, foram feitos
tratamentos térmicos a altíssimas temperaturas para se obter boa ductilidade (caso do tipo
ABNT 302) e alta dureza (caso do tipo ABNT 420), no primeiro caso o tratamento foi dado
por Maurer (Núcleo Inox, 2011).
Em 17 de outubro de 1912, afirma Krupp chefiado por Brenno Straus, deu entrada
no setor de patentes do império alemão, em Berlim, ao pedido de patente DRP 304126:
”Fabricação de objetos que exigem alta resistência à corrosão”. Esta patente foi pouco depois,
em 20 de Dezembro de 1912, complementada por outra: DRP 304159. Desta forma nasciam
os aços inoxidáveis austeníticos V2A (V de Versuch, que significa experiência, A de
Austenit) contendo 20% de cromo, 7% de níquel e 0,25% de carbono. A firma Krupp foi a
20
primeira a comercializar aços inoxidáveis. Em 1914, a firma já havia fornecido 18 toneladas
de V2A para fábrica de anilina e soda; imediatamente os aços inoxidáveis foram adotados nas
fábricas de amônia sintética do país (Padilha, 1994). As ligas ferro-cromo (17% cromo) e
ferro-cromo-níquel (18% cromo e 8% níquel) foram amplamente usados nos anos de
1920/1930 nos Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha, em fábricas de amônia e ácido nítrico
(Núcleo Inox, 2011).
A indústria química e as aplicações em altas temperaturas tinham então uma nova
classe de materiais adequadas para as suas instalações em meios agressivos. As pesquisas que
foram feitas indicavam claramente que o impacto que esses materiais representaram. Em 1934
produziram-se 56.000 toneladas e em 1953 a produção mundial ultrapassou um milhão de
toneladas. Entre 1950 e 1980, a produção de aços inoxidáveis aumentou 20 vezes; cerca de
2/3 desta produção eram de aços inoxidáveis autentico (Padilha, 1994).
Nessa época era um pouco difícil de compreender que, aquecendo duas ligas em
altas temperaturas, em torno de 1.000 ºC, e resfriando-as rapidamente, obtinham-se duas ligas
completamente diferentes, uma com alta dureza e outra com ótima ductilidade. Com o passar
dos tempos, os aços inoxidáveis muito evoluíram, principalmente em função das indústrias
petrolífera e aeronáutica, e até mesmo devido à 2 ª guerra mundial (Padilha, 1994).
O avanço obtido desde então nos processos de fabricação mecânica e refino de
ligas metálicas permitiram o desenvolvimento de aços inoxidáveis com diferentes
composições químicas, microestruturas e propriedades químicas e mecânicas que melhor se
enquadram em suas futuras aplicações. Estes aços são divididos em diferentes classes que
variam de acordo com os elementos químicos presentes nos mesmos, estes elementos são
responsáveis pela estabilização da microestrutura ferrítica, austenítica ou ambas. Alguns aços
inoxidáveis chegam a ter em sua composição uma quantidade de até 30% Cr, além de outros
elementos que podem ser adicionados tais como; Ni, N, Mo, Ti, Nb, Al e Cu (Sedriks &
Corrosion, 2003).
2.3. ABUNDÂNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS CONSTITUINTES
De acordo com o DNPM - Departamento Nacional de Produção Mineral, o Brasil
foi o nono produtor mundial de aço (2,3% da produção) e o maior produtor da América Latina
(52,2%). A produção mundial de ferro-gusa foi 1,6% maior que a registrada em 2011,
atingindo 1,1 bilhão de toneladas. O Brasil participou com 2,8% dessa produção como mostra
a Tabela 2.1 a seguir.
21
(p) preliminar; (r) revisado; produção de aço bruto = aço em lingotes + produtos de lingotamento contínuo + aço
para fundição.
Tabela 2.1- Produção mundial de aço bruto e ferro – gusa (DNPM, 2014).
Os aços inoxidáveis austeníticos geralmente são formados basicamente de Fe-Cr-
Ni. De acordo com a aplicação do produto final e do meio ao qual o material será exposto são
adicionados Mo (Molibdênio) e Mn (Manganês). Vale ressaltar que em todos os aços
inoxidáveis estão sempre presentes o carbono e outros elementos como o silício (Si),
manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S) em quantidades específicas de acordo com a sua
classificação (Carbó, 2008).
Segue algumas informações sobre a abundância dos principais elementos que
constituem estes aços na crosta terrestre (DNPM, 2014):
Ferro (Fe): As reservas mundiais de minério de ferro são da ordem de 170 bilhões de
toneladas. As reservas brasileiras totalizam 29,6 bilhões de toneladas (com um teor médio de
52,95% de ferro) e estão localizadas, em sua quase totalidade, nos estados de Minas Gerais
(79,7% das reservas e teor médio de 51,4% de Fe), Mato Grosso do Sul (9,9%) e Pará (9,1% e
teor médio de 67%). A produção mundial de minério de ferro em 2011 foi de cerca de 2,8
bilhões de toneladas. A produção brasileira representou 14,2% da produção mundial, sendo
Minas Gerais (69,1%) e Pará (27,7%) os principais estados produtores (DNPM, 2014).
Discriminação Aço Bruto (103t) Ferro-Gusa (103t)
Países 2011r 2012
r % 2011
r 2012
p %
Brasil 35.162 34.682 2,3 33.243 30.745 2,8
China 683.265 708.784 46,9 629.693 654.269 59,4
Japão 107.595 107.235 7,1 81.029 81.405 7,4
Índia 72.200 76.715 5,1 38.900 42.258 3,8
Russia 68.743 70.609 4,7 48.120 50.522 4,6
EUA 86.247 88.599 5,9 30.233 32.113 2,9
Coréia do Sul 68.471 69.321 4,6 42.218 41.718 3,8
Outros países 368.377 354.277 23,4 179.294 167.644 15,3
TOTAL 1.490.060 1.510.222 100 1.082.730 1.100.674 100,0
22
Cromo (Cr): Os líderes mundiais na produção deste elemento são: Cazaquistão, África do
Sul e a Índia. O Brasil é praticamente o único produtor de cromo no continente americano,
continua com uma participação modesta, tanto em reservas como produção. Os principais
estados produtores são: Bahia (89,7%), Amapá (7,2%) e Minas Gerais (3,1%) (DNPM, 2014).
Manganês (Mn): O Brasil tem a 2a maior reserva mundial (~5,7 x 108 t). Em 2010 foi o 2
o
produtor mundial (1,8 x 106 t de minério, 18% da produção mundial). As principais jazidas
estão em Minas Gerais (87,5%) e no Mato Grosso do Sul (6,5%). A África do Sul detém a
maior produção e as maiores reservas do elemento. Ucrânia, Gabão, Índia, Austrália e China
também têm importantes jazidas. No fundo dos oceanos (inclusive na costa brasileira), há
nódulos metálicos contendo manganês, com uma reserva estimada em 5 x 1011
t do elemento
(Rocha, 2009).
Níquel (Ni): Entre 2010 e 2011 a produção mundial cresceu 10,9% sendo a Rússia, Indonésia,
Filipinas, Canadá, Austrália e Nova Caledônia os países responsáveis por 68,8% da oferta
mundial de níquel. O Brasil ocupa a 7ª posição no ranking. A produção nacional de minério
de níquel totalizou 13.203.844 t em 2011, distribuída entre os Estados de Goiás (45,0%),
Bahia (36,3%), Pará (11,3%) e Minas Gerais (7,4%).
Molibdênio (Mo): Os principais produtores em 2011 foram China e Estados Unidos da
América (EUA), com 94 mil e 64 mil de toneladas produzidas, respectivamente, ou 63% do
total produzido mundialmente. O Brasil não produz molibdênio, existem apenas projeto de
pesquisa em andamento, o último pedido data do ano de 2005 e está localizado no Rio Grande
do Norte.
Com base nesses dados pode-se dizer que os elementos que constituem os aços
inoxidáveis austeníticos estão dispostos de forma abundante na crosta terrestre.
2.4. PROCESSOS PARA OBTENÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS
De acordo com a Gerdau Brasil (2014), os aços inoxidáveis podem ser obtidos
tanto em usinas integradas, como em usinas semi-integradas. O princípio de operação das
usinas integradas está baseado em três etapas básicas: redução, refino e conformação
mecânica. Já as semi-integradas, são aquelas que trabalham utilizando apenas duas etapas:
refino e conformação mecânica. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata
metálica para fabricação de aço. A Figura 2.1 mostra as etapas para obtenção do aço:
23
Figura 2.1 - Processo de produção do aço da Gerdau Brasil (Gerdau, 2014).
Nas usinas integradas, há dois processos diferentes de redução: o alto forno que
produz o ferro gusa e a redução direta que produz o ferro-esponja. Nestas unidades a
produção do aço é feita a partir do minério de ferro encontrado na natureza em forma de
rochas que precisam ser processadas para a obtenção do ferro-gusa ou ferro-esponja.
Nestas usinas, a transformação da matéria prima em aço começa com o processo
de redução. No alto forno o minério em forma granulada é aquecido juntamente com o coque
ou carvão vegetal a mais de 1400ºC. O calcário, outro tipo de fundente, é adicionado para
ajudar na formação da escória responsável pela captura das impurezas do minério. O
resultado, após a passagem pelo alto forno, é o ferro em forma líquida chamado ferro gusa.
Após está etapa, o ferro gusa é transportado para o conversor da aciaria onde
ocorre o refino do metal que irá transformar o ferro gusa em aço. O aço é obtido através da
injeção do oxigênio no ferro gusa líquido e também é adicionado a cal para promover a
formação da escória. De acordo com o produto final pretendido, na panela o material poderá
receber outros elementos de liga para dar novas propriedades ao aço como cromo e níquel, em
quantidades corretas, no caso dos aços inoxidáveis austeníticos. O ferro-esponja é obtido
através de um processo alternativo. A redução direta é feita em um reator. O processo inicia
com a redução do minério de ferro que pode ser granulada ou na forma de pelotas. No reator,
24
com monóxido de carbono e hidrogênio o minério reage a temperatura de 950ºC e se
transforma em ferro-esponja que é altamente metalizado.
Nas usinas semi-integradas, a produção do aço começa quando o forno elétrico é
abastecido com a sucata, principal matéria prima, e insumos para o processo de fusão. O
metal é fundido no forno elétrico e atinge temperaturas acima de 1700˚ C, resultando no aço
em forma líquida.
Após a fusão, o aço é transportado ao forno panela. No forno panela, o aço passa
por um refino secundário para ajustar sua temperatura e composição química, nesta etapa o
aço recebe as adições de ligas (de cromo, níquel, molibdênio e outras). Essa etapa garante a
produção de um aço de qualidade que é constantemente avaliado através de testes químicos
definidos a partir de normas estabelecidas. O aço é então transportado ao lingotamento
contínuo, onde é distribuído em diversos veios, em moldes de resfriamento para solidificar-se
na forma de tarugos ou blocos que serão cortados em dimensões adequadas a laminação. A
partir da laminação são produzidas chapas, barras e perfis estruturais enquanto que arrames
recozidos, arrames para solda e eletrodos, arrame farpado, galvanizado e pregos são
produzidos através do processo de trefilação.
2.5. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Segundo Modenesi (2001), sabe-se que os aços inoxidáveis austeníticos compõem
o maior grupo de aços inoxidáveis utilizados atualmente, representando cerca de 65 a 70% do
total produzido. Sua estrutura é predominantemente austenítica, não sendo endurecíveis por
tratamento térmico. Contém entre 6 e 26% de níquel, 16 e 30% de cromo e menos de 0,30%
de carbono, com um teor total de elementos de liga de, pelo menos, 26%.
Essa classe de aços inclui, principalmente, ligas Fe-Cr-Ni, embora em algumas
ligas parte da porcentagem do níquel é substituída por manganês e nitrogênio. Apresentam um
baixo limite de escoamento e um elevado limite de resistência e ductilidade a temperatura
ambiente. Comparando com os demais aços inoxidáveis, estes materiais possuem melhor
soldabilidade e resistência à corrosão (Modenesi, 2001).
Estes aços são amplamente utilizados na indústria química, alimentícia, refino de
petróleo e em diversos outros setores onde condições de boa resistência à corrosão, facilidade
de limpeza e ótimas características de fabricação são extremamente importantes (Modenesi,
2001). A Figura 2.2 mostra a seção vertical do Sistema Fr-Cr-Ni para uma liga com 70% de
25
ferro e a Figura 2.3 mostra três diagramas pseudo-binários para relações fixas definidas de
Cr/Ni.
Figura 2.2 – Seção vertical do Sistema Fr- Cr- Ni, para 70% de Fr (Padilha, 1994).
Figura 2.3 - Pseudo-binários para relações fixas definidas Cr / Ni (Padilha, 1994).
Os aços inoxidáveis austeníticos mais utilizados são os 18-8 em que o teor médio
de cromo é 18% e o de níquel é 8% (Chiaverini, 1990). Através de ensaios, pode-se
26
comprovar que a adição do níquel melhora consideravelmente a resistência à corrosão e a
resistência à oxidação em altas temperaturas, sendo que, o níquel é mais nobre que o ferro e,
além disto, forma uma camada de óxido que protege o aço.
De acordo Chiaverini (1990), com as principais características dos aços
inoxidáveis austeníticos são:
Não endurecíveis, por serem austeníticos;
Alta resistência à corrosão;
Resistência mecânica elevada (pode ultrapassar 2000 MPa);
Facilidade de limpeza, devido à sua baixa rugosidade superficial;
Boa soldabilidade;
Mantém suas propriedades, mesmo quando submetido a elevadas temperaturas ou a baixas
Temperaturas (materiais criogênicos);
Acabamentos superficiais e formas variadas;
Versatilidade e Forte apelo visual (modernidade, leveza, e prestígio);
Relação custo/benefício favorável;
Baixo custo de manutenção;
Material 100% reciclável: não agride o meio ambiente;
Material inerte, ou seja, não deixa gosto, não tem cheiro e não desprende metais;
A Tabela 2.2 apresenta o limite de escoamento, limite de resistência e o
alongamento total alcançado pelos aços inoxidáveis 304 e 316 em comparação com outros
aços em temperatura ambiente.
A = Austenitico, F = Ferrítico, M = Martensítico
Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis (Metals Handbook, 1980).
A Tabela 2.3 mostra uma comparação entre o coeficiente de dilatação térmica,
demonstrando a dificuldade que o aço inox do tipo austenítico tem em manter as tolerâncias
de usinagem, principalmente em condições de refrigeração inadequada.
Tipo LE (N/mm2) LR (N/mm
2) Along. Total (%)
304 (A) 205 515 40
316 (A) 205 515 40
405 (F) 275 480 20
430 (F) 275 480 20
410 (M) 620 825 12
431 (M) 1030 1370 16
27
Tabela 2.3 - Coeficiente de dilatação entre 20 e 200 ºC para famílias de aços (Rios, 1992).
Uma característica importante a ser mencionada é a soldabilidade. Um material
que possui baixa soldabilidade requer, no processo de soldagem, uma série de cuidados e em
raríssimos casos significa que o material não pode ser soldado. A soldabilidade dos aços
inoxidáveis está diretamente relacionada com a classe que este pertence, sendo diferentes os
problemas encontrados na soldagem de aços inoxidáveis ferríticos, martensíticos e
austeníticos (Acesita, 2014).
É também de grande importância para as indústriais que trabalham com
conformação mecânica a avaliação da estampabilidade dos materiais. Isto se refere a
capacidade que uma chapa tem de adquirir a forma de uma matriz pelo processo de
estampagem sem romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou de
forma. A avaliação desta propriedade depende de muitos testes, tais como: ensaios
simulativos, ensaios de tração (do qual se obtém o limite de escoamento e de resistência, a
razão elástica, o alongamento total até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes
de anisotropia normal e planar), ensaios de dureza, medida de rugosidade do material e etc.
(CIMM, 2014).
A Tabela 2.4 apresenta uma breve avaliação de alguns aços inoxidáveis
austeníticos quanto a sua estampabilidade e soldabilidade.
Tabela 2.4 – Característica quanto à estampabilidade e soldabilidade de alguns aços inoxidáveis austeníticos.
(Manual Técnico, 2011)
Famílias dos aços Coeficiente de dilatação térmica (µm/m ºC)
Aços de construção mecânica 11
Aços inoxidáveis martensíticos (13% Cr) 11
Aços inoxidáveis austeníticos (10-18% Ni) 18,5
Tipo Estampabilidade Soldabilidade
301 Boa Boa
304 Ótima Ótima
304L Ótima Ótima
316 Boa Ótima
316L Boa Ótima
28
Os aços inoxidáveis austeníticos podem ser considerados como os materiais mais
difíceis de serem usinados. As pesquisas de Diniz, Marcondes e Coppini, (1999), revelam que
além dos fatores citados anteriormente, outras características que dificultam a usinagem
dessas ligas são:
Baixa condutividade térmica que dificulta a extração do calor da região de corte,
provocando maior desgaste na ferramenta;
Alto coeficiente de atrito, que como consequência gera aumento do esforço e do calor;
Alto coeficiente de dilatação térmica, o que torna difícil a manutenção de tolerâncias
apertadas;
Elevado tensão de ruptura.
A usinabilidade desses aços é tanto melhor quanto mais estável for a austenita e
quanto menor o teor das inclusões não metálicas. Um aço inoxidável austenítico com tamanho
de grão austenítico relativamente grande pode, na maioria dos casos, ser usinado com maiores
velocidades de corte do que o mesmo aço com tamanho de grão austenítico menor (CIMM,
2014).
Segundo Tessler e Barbosa, (1993), uma elevada força específica de corte surge
devido a grande resistência a deformação presente nesses aços. Assim, a máquina-ferramenta
deve ser suficientemente rígida para suportar o esforço. O desgaste da ferramenta aumenta
sensivelmente com o acréscimo de carbono nesses aços, pois adições maiores de carbono
favorecem a formação de carbonetos estáveis dificultando a usinagem.
As dificuldades de usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos normalmente
concentram-se em (Tessler & Barbosa, 1993):
Forte desgaste das ferramentas com baixa qualidade de acabamento superficial;
Péssima característica da saída de cavaco (quebra), causando congestionamento em centros
de usinagem;
Baixas velocidades de corte levando a baixa produtividade.
Durante o corte, observa-se a formação de uma camada encruada de alta
resistência que se opõe ao avanço da ferramenta. A formação de cavacos contínuos é causada
pela alta ductilidade do material e o atrito elevado na interface metal/ferramenta causa um
aquecimento na região de corte. Os aços inoxidáveis, não dissipam efetivamente o calor
gerado, por terem uma baixa condutibilidade térmica. O aquecimento excessivo compromete
a vida da ferramenta e conseqüentemente a qualidade superficial da peça usinada, havendo
necessidade de minimizar a velocidade de corte (Camargo, 2008).
29
2.6. IMPORTÂNCIA E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES
Logo no início de sua comercialização, os produtos inoxidáveis eram fabricados
para serem utilizados em aplicações cujo ambiente de trabalho exigia elevada resistência à
corrosão, porém devido as suas condições favoráveis à limpeza, higiene e sem relatar sua
incrível estética, o aço inoxidável passou a ser largamente empregado nas mais diversas
aplicações, como na construção arquitetônica, em instrumentos cirúrgicos, na indústria
farmacêutica, na fabricação de móveis, em objetos de uso doméstico e a outros semelhantes.
Os setores da indústria em que este material possui vasta aplicação são: automobilístico,
ferroviário, naval, agrícola, rodoviário, eletro-eletrônico, mecânico, construção civil,
utilidades domésticas, embalagens e recipientes (Oliveira, 2009).
A composição química associada ao processamento termomecânico, confere aos
aços inoxidáveis propriedades diferentes. Abaixo, temos algumas aplicações dos aços
inoxidáveis austeníticos juntamente com a justificativa de sua utilização nestes setores:
Cutelaria – Largamente empregado devido sua excelente resistência à corrosão conservando
assim as qualidades originais dos produtos por muito tempo. É o material ideal para
aplicações onde existe esse risco de contaminação (a retenção de microorganismos é dez
vezes inferior em relação ao plástico ou aço esmaltado), contribuindo para a assepsia e
higiene necessárias à saúde e ao trato correto dos alimentos (Acessita, 2014). A figura 2.4
mostra um caldeirão industrial a gás construído com o aço inox austenítico AISI 304.
Figura 2.4 - Caldeirão Industrial a gás construído em aço inox AISI 304. (Cozil, 2014).
Construção Civil – O aço inoxodável vem sendo empregado cada vez mais por arquitetos e
engenheiros em diferentes aplicações de interiores e exteriores na construção civil devido sua
aparência elegante e moderna que é excelente para projetos que exigem qualidade,
durabilidade e resistência, sem deixar de levar em consideração a estética. (Oliveira, 2009).
30
Figura 2.5 - Utilização do aço inox AISI 316 no revestimento da fachada da Sede da VIVO, Rio de Janeiro
(CBCA, 2006).
Indústria automotiva – A maior aplicação dos aços inoxidáveis nos automóveis é no sistema
de exaustão dos gases de combustão provenientes do motor. Além disto, são utilizados na
fabricação de diversos componentes como: tanques e catalisadores, disco de freio, e
escapamentos. A figura 2.6 mostra um sistema de exaustão fabricado com aço austenítico
AISI 304 (Acesita, 2014).
Figura 2.6 – Sistema de exaustão fabricado em aço inox AISI 304 (Rudes, 2014).
Indústrias Alimentícia e farmacêutica – Nessas indústrias, os aços inoxidáveis oferecem
uma série de vantagens, pois permitem um alto grau de higiene sem falar na preservação das
características dos produtos como cor, sabor e cheiro (Acesita, 2014). Veja na figura 2.7 um
tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304.
Figura 2.7 – Tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304 (Japacomponentes, 2014).
31
Indústria de Componentes de máquinas e equipamentos – Tanto em temperatura ambiente
como a baixas temperaturas estes aços possuem resistência mecânica relativamente elevada,
motivo pelo qual são utilizados em componentes de máquinas e equipamentos nos quais se
exige alta confiabilidade de desempenho como, por exemplo, partes de aeronaves e mísseis,
vasos de pressão, e componentes menores como parafusos e hastes (Acesita, 2014). A figura 2.8
ilustra a aplicação de alguns dos aços empregados na fabricação de vasos de pressão.
Figura 2.8 - Aplicação do aço inox AISI 304, 304L ou 316/316L em vasos de pressão (Vasos de pressão, 2014).
Bens de consumo duráveis – Devido seu forte apelo estético, juntamente com sua alta
resistência mecânica e a corrosão, este material tornou-se uma excelente opção para produtos
presentes nos dia-a-dia como fogões, fornos micro-ondas, fornos elétricos, refrigeradores,
lavadoras de roupa e de louça e de outros bens de consumo duráveis sem falar no prestígio
referente a sua beleza, versatilidade e modernidade (Acesita, 2014). A figura 2.9 demonstra a
aplicação do aço inox AISI 304 na estrutura de um fogão.
Figura 2.9 - Fogão a gás 4 bocas com forno construído com aço inox AISI 304 (Tramontina, 2014).
32
A tabela 2.5 apresenta uma descrição mais detalhada das principais aplicações de
acordo com o tipo de aço.
AÇ
OS
IN
OX
IDÁ
VE
IS A
US
TE
NÍT
ICO
S
AISI PRINCIPAIS APLICAÇÕES
301
Utilizado para fins estruturais, em equipamentos para indústria alimentícia, aeronáutica,
ferroviária e petrolífera; na confecção de facas e lâminas, pias e cubas, frisos; na caldeiraria e na
estampagem geral e profunda.
301LN Indústria ferroviária: trens e metrô para transporte de passageiros
304
Construção civil e arquitetura; equipamentos para indústrias aeronáutica, ferroviária, naval,
petroquímica, de papel e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar, alimentícia, de laticínios,
farmacêutica, cosmética, química; utensílios domésticos, instalações criogênicas, destilarias,
destilaria de etanol, fotografias, tubos e tanques em geral, estampagem geral, profunda e de
precisão.
304L
Equipamentos para indústria aeronáutica, automotiva, ferroviária, naval, petroquímica, de papel
e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar, alimentícia, de laticínios, farmacêutica, cosmética,
química; utensílios domésticos, instalações criogênicas, destilarias, fotografia, tubos e tanques
em geral, estampagem geral e profunda.
304H
Equipamentos para indústria petroquímica, de papel e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar,
alimentícia, de laticínios, farmacêutica, cosmética, química; instalações criogênicas, destilarias,
fotografias, tubos e tanques em geral. Equipamentos em que se exige maior resistência em altas
temperaturas aliadas a maiores exigências de soldabilidade.
310S
Indústria de tratamento térmico para partes de forno, tais como suporte de refratários, partes dos
queimadores, correias transportadoras, forração de forno, ventiladores, ganchos de tubos etc. Na
indústria alimentícia, são usados em contato com o ácido cítrico e ácido acético aquecidos.
316/316L
Construção civil e arquitetura; equipamentos para indústrias aeronáutica, ferroviária, naval,
química e petroquímica, farmacêutica, cosmética, têxtil, de borracha, de tintas, de laticínios,
hospitalar; mineração e siderurgia; refrigeração, refinarias, fabricação de tubos e vasos de
pressão, destilarias de álcool, destilarias de etanol e caldeiraria.
317L Indústrias química e petroquímica, e indústrias produtoras de papel e celulose; como
condensadores em estações geradoras de energia à base de combustível fóssil e nuclear.
321 Componentes termorresistentes em indústria elétrica, componentes soldados, indústria
alimentícia, tubos e tanques em geral.
310S
Usado amplamente na indústria de tratamento térmico para partes de forno tais como suporte de
refratários, partes dos queimadores, correias transportadores, forração de forno, ventiladores,
ganchos de tubos, etc. na indústria alimentícia, são usados em contato com ácido cítrico e
acético aquecidos.
347/347H
Equipamentos para indústria aeronáutica, como anéis coletores de turbinas e sistemas de
exaustão, juntas de expansão e também para equipamentos de processos químicos em alta
temperatura. Também encontra aplicação na indústria petrolífera, especialmente
durante o refino, em forma de tubos, conexões ou chapas planas.
Tabela 2.5 – Aços inoxidáveis austeníticos e suas principais aplicações (Acesita, 2014).
33
2.7. CLASSIFICAÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENITICO
Os aços inoxidáveis são geralmente designados pelos sistemas de numeração do
American Iron and Steel Institute (AISI), Unified Numbering System (UNS) ou por adquirem
uma nomenclatura própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o mais
utilizado. Neste sistema, a maioria dos tipos de aços inoxidáveis possui uma classificação
com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que a série
400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos (Qualinox, 2014).
Em diversos livros e trabalhos brasileiros quando a sigla ABNT não antecede a
série do aço inox temos a sigla AISI. Segue uma equivalência de normas para aços
inoxidáveis (Sideracofitas, 2014):
ABNT AISI UNI DIN (Alemã) JIS BS AFNOR SIS
(Brasil) (EUA) (Itália) (Alemã) (Japão) (Inglatera) (França) (Suécia)
301 X12CrNi1707 X12CrNi177
1,4311 SUS 301 301 S 21 - -
302 X10CrNi1809 X12CrNi18.8 SUS 302 302 S 25 12 Ch 18N 2331
304 X5CrNi1810 X5CrNi189
1,4301 SUS 304 304 S 15 08 Ch 18N 2332
304L X2CrNi1811 X2CrNi189
1,4307
SUS
304L 304 S 12
03 Ch
18Ni 2352
316 X5NiCrMo1712 X5CrNiMo181
0 1,4401 SUS 316 316 S 16 - 2347
316L X2CrNiMo1712 X2CrNiTi1810
1,4404
SUS
316L 316 S 12 - 2348
321 X5CrNiTi1811 X10CrNiTi189
1,4541 SUS 321 321 S 12
08 Ch
18N10 2337
Tabela 2.6 - Equivalência de normas para aços inoxidáveis (Sideracofitas, 2014).
Através das pesquisas feitas por Chawla, Lula e seus colaboradores (1986), os
aços inoxidáveis são classificados de acordo com sua composição química e estrutura. Estas
ligas possuem na composição cromo e níquel para estabilizar e assegurar a estrutura
austenítica na temperatura ambiente e abaixo dela. Este grupo de aço inclui a série AISI 200,
ligas estabilizadas ao manganês e/ou nitrogênio e AISI 300, ligas estabilizadas ao níquel.
Desenvolvido inicialmente na Ásia, especificamente na China, o aço inoxidável
austenítico da série 200 tem sido amplamente utilizado no lugar de aços 300 para
34
determinados fins. Estes aços apresentam redução significativa de níquel e cromo. A adição
de manganês, combinada com nitrogênio, pode ter o mesmo efeito estabilizador da austenita
que o níquel. Além disso, certas classes (séries 201, 202 e 205) podem ter propriedades
mecânicas (tensão de escoamento) 30 % maior do que os aços 304. (Vieira, 2009).
De acordo com isso temos uma classificação detalhada na tabela 2.6 juntamente
com sua composição química destes aços:
Tabela 2.7 - Classificação dos aços inoxidáveis austeníticos e suas composições químicas (Abinox, 2014).
Tipo de Aço
ABNT C Mn Si P S Cr Ni Outros
201 0,15 5,50 1,00 0,06 0,03 16,00 3,50 N
7,50
18,00 5,50 0,25
202 0,15 7,5 1 0,06 0,03 17 4 N
10
19 6 0,25
205 0,12 14 1 0,06 0,03 16,5 1 N
0,25 15,5
18 1,75 0,32/0,40
301 0,15 2 1 0,045 0,03 16 6
18 8
302 0,15 2 1 0,045 0,03 17 8
19 10
303 0,15 2 1 0,2 0,15 17 5 Mo (A)
mín. 19 10 0,6
304 0,08 2 1 0,045 0,03 18 8
20 10,5
304 L 0,03 2 1 0,045 0,03 18 8
20 12
304 N 0,08 2 1 0,045 0,03 18 8 N
20 10,5 0,10/0,16
305 0,12 2 1 0,045 0,03 17 10,5
19 13
308 0,08 2 1 0,045 0,03 19 10
21 12
309 0,2 2 1 0,045 0,03 22 12
24 15
310 0,25 2 1,5 0,045 0,03 24 19
26 22
314 0,25 2 1,5 0,045 0,03 23 19
3
26 22
316 0,08 2 1 0,045 0,03 16 10 Mo
18 14 2,00/3,00
316 L 0,03 2 1 0,045 0,03 16 10 Mo
18 14 2,00/3,00
317 0,08 2 1 0,045 0,03 18 11 Mo
20 15 3,00/4,00
329 0,1 2 1 0,04 0,03 25 3 Mo
30 6 1,00/2,00
330 0,08 2 0,75 0,04 0,03 17 34
1,5
20 37
347 0,08 2 1 0,045 0,03 17 9 Nb + Ta >= 10 x C
19 13
35
2.8. FERRAMENTAS DE CORTE EMPREGADA NA USINAGEM DO AÇO
INOXIDÁVEL AUSTENITICO
De acordo com a Sandvik (2014), os critérios de seleção do material e da classe da
ferramenta de corte é um fator importante a ser considerado quando se deseja uma operação
de usinagem bem-sucedida.
O conhecimento básico de cada material para ferramenta de corte e seu
desempenho é, portanto, muito importante para a seleção correta de cada aplicação. As
considerações incluem o material da peça a ser usinado, o tipo de peça e o formato, as
condições de usinagem e o nível de qualidade superficial para cada operação.
Os materiais da ferramenta de corte devem possuir diferentes combinações de
dureza, tenacidade e resistência ao desgaste e são divididos em várias classes com
propriedades específicas.
O material das ferramentas de corte indicado na literatura e também pela Sandvik
Coromant, para usinagem do aço inoxidável austenítico é o metal duro de Classe M como
mostra a tabela 2.8.
Principais Classes Classes de aplicação
Letra de
identificação
Cor de
identificação Materiais a serem usinados
Metais
duros Parâmetros
P Azul
Aços: Todos os tipos de aços e aços
fundidos, exceto aços inoxidáveis
com estrutura austenítica.
P01
P10
P20
P30
P40
P50
P05
P15
P25
P35
P45
a
b
M Amarelo
Aço Inoxidável: aço inoxidável
austenítico e aço duplex
(austenítico/ferrítico) e aço fundido.
M01
M10
M20
M30
M40
M05
M15
M25
M35
a
b
a - aumento da velocidade de corte, aumento da resistência ao desgaste do material da ferramenta.
b - aumento do avanço, aumento da tenacidade do material da ferramenta.
Tabela 2.8 - Classificação dos metais duros segundo a Norma ISO 513/2004.
36
O metal duro é usado em cerca de 50% das aplicações devido ao custo e a
combinação da dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e
tenacidade, possível graças à variedade da sua composição. A ferramenta MD pode ser
aplicada em altas velocidades de corte (Machado, 2009).
O metal-duro é composto de carbonetos metálicos em forma de minúsculas
partículas que são incrustadas em metal ligante. Os componentes mais importantes são o
carboneto de tungstênio (WC) que determinam sua resistência ao desgaste e o metal ligante
cobalto (Co) que determina a sua tenacidade. Outros elementos podem ser adicionados a essa
composição básica como carbonetos de titânio (TiC) para aumentar a resistência à
craterização, de tântalo (TaC) e de nióbio (NbC), pois oferece maior tenacidade ao MD, pois
melhoram muito a performance das ferramentas de metal-duro quanto a prevenir desgastes
que se originam nos processos de formação de cavacos particulares a cada tipo de material
(Machado, 2009).
O metal duro é utilizado, normalmente, na forma de pastilhas intercambiáveis
(insertos) com fixação mecânica sobre um suporte como mostra a Figura 2.10.
Figura 2.10 - Fixação Rígida (Sandvik, 2014).
As ferramentas de metal duro podem usinar qualquer tipo de material, desde que
não ultrapasse a dureza de 45 HRC. Nas operações de usinagem como torneamento, as
ferramentas de metal duro podem trabalhar com velocidades de corte bem maiores se
comparadas com velocidades de corte de uma ferramenta de aço rápido. No entanto há uma
exigência de máquina de maiores velocidades e maior rigidez para prevenir vibrações, já que
37
o metal duro possui uma tenacidade menor se comparada com aço rápido, podendo, assim
chegar a uma avaria em um curto espaço de tempo de uso. Para melhorar as propriedades
mecânicas das ferramentas de metal duro foram desenvolvidas coberturas, que aumentam a
resistência ao desgaste da camada superior que entra em contato com o cavaco e com a peça
(Diniz, 2003).
De acordo com Machado e Silva (2004), a utilização de ferramentas de metal duro
com cobertura nas indústrias atinge cerca de 90%. Este número é consequência do maior
domínio das técnicas de revestimento, apresentando custo mais acessível do produto e,
também, aumentando a concorrência dos fabricantes e ferramentas. Os revestimentos são
aplicados em substratos de quaisquer classes de metal duro. Os metais duros podem receber o
revestimento pelo processo PVD (Deposição Física por Vapor) e também pelo processo CVD
(Deposição Química por Vapor). Os fabricantes de ferramentas possuem em suas linhas de
produtos ferramentas revestidas pelos dois processos. O processo por PVD garante a mesma
tenacidade do substrato e isso não ocorre com o processo CVD.
Segue as principais características das camadas de revestimentos (Espanhol,
2008):
Carbonetos de titânio (TiC): possui excelente resistência ao desgaste por abrasão;
funciona como elemento que promove a adesão das camadas de cobertura com o metal
duro no núcleo. Possui baixa tendência de soldagem com o material da peça, dificultando o
desgaste por adesão e a formação da aresta postiça de corte e baixo coeficiente de dilatação
térmica. É o revestimento mais utilizado como primeira camada.
Óxido de alumínio (Al2O3): garante a estabilidade térmica necessária em temperaturas
elevadas por ser um material cerâmico refratário e por possuir alta resistência ao desgaste
por abrasão, além de alta resistência a ataques químicos e à oxidação.
Nitreto de titânio (TiN): reduz o coeficiente de atrito entre a pastilha e o cavaco. É
quimicamente mais estável que o TiC por possuir menor tendência à difusão em aços.
Nitreto de titânio-alumínio (TiAlN) e nitreto de alumínio-titânio (AlTiN): maior
resistência à oxidação, permitindo o uso de temperaturas mais altas; baixa condutividade
térmica. Protege a aresta de corte e aumenta a remoção de calor através do cavaco; alta
dureza a frio e a quente; alta estabilidade química que reduz bastante o desgaste de cratera.
Relembrando que a classe da pastilha é selecionada principalmente de acordo com
(Sandvik, 2014):
O material da peça (ISO P, M, K, N, S, H);
38
Tipo de método (acabamento, usinagem média, desbaste);
Condições de usinagem (boa, média, difícil).
As ferramentas recomendadas para uso nas operações de torneamento são da
classe 2000.
Figura 2.11 - Pastilha T-Max® para torneamento, classe 2015 (Sandvik, 2014).
Para cortes intermitentes ou quando o martelamento ou entupimento de cavacos
for o principal mecanismo de desgaste, use as classes GC1100. As classes GC1100 também
são a primeira escolha quando for necessária uma aresta viva (por ex.: com baixos avanços ou
com uma profundidade de corte pequena).
F = Acabamento, M = Usinagem Média, R = Desbaste.
Figura 2.12 - Escolha da classe das ferramentas (Sandvik, 2014).
A Figura 2.13 demonstra a escolha das classes bem como o material de corte, o
tipo de metal duro, o procedimento e composição da cobertura, a cor e a espessura da
cobertura.
39
Figura 2.13 – Escolha das classes em função de vários itens (Sandvik, 2014).
Segue a descrição detalhada de algumas classes de ferramentas ideais para o
torneamento dos aços inoxidáveis austeníticos (Sandvik, 2014):
GC2015 - M15 (M05-M25)
Classe com cobertura CVD para acabamento e desbaste leve.
A classe pode lidar com altas temperaturas, combinada com uma cobertura resistente ao
desgaste, é uma escolha para cortes contínuos em velocidades de corte moderadas a altas.
GC2025 - M25 (M15-M35)
A classe de primeira escolha.
Classe de metal duro com cobertura CVD otimizada para semiacabamento ao desbaste.
A boa resistência a choques térmicos e mecânicos fornece excelente segurança da aresta
também em cortes interrompidos.
GC2035 - M35 (M25-M40)
Metal duro com cobertura PVD.
Deve ser usado para semiacabamento ao desbaste em velocidades de corte baixas a
moderadas.
A excelente resistência a choques térmicos faz com que seja ideal para aplicações com
cortes intermitentes rápidos.
40
GC1115 - M15 (M05-M25)
Classe de metal duro com cobertura PVD.
Com boa segurança da aresta de corte, a cobertura proporciona excelente resistência
quando materiais abrasivos são usinados.
Combinada com uma geometria de aresta viva, a classe oferece bom desempenho com
desgaste uniforme.
GC1125 - M25 (M10-M30)
Classe de metal duro com cobertura PVD.
Deve ser usada para acabamento usando velocidades de corte médias a baixas.
Excelente quando for necessária ação de corte vivo combinada com acabamento superficial
ou tenacidade da aresta superiores.
Ótima resistência a choques térmicos também a torna adequada para cortes levemente
interrompidos.
GC235 - M40 (M25-M40)
Uma classe de metal duro com cobertura CVD para desbaste de materiais com casca
difícil.
A classe tenaz fornece excelente segurança da aresta, o que permite que a classe lide com
cortes interrompidos pesados com velocidades baixas a moderadas.
GC1105 - M15 (M05 - M20)
Classe de metal duro com cobertura PVD que tem alta dureza e boa resistência contra
deformação plástica.
Propicia desgaste uniforme e alto desempenho previsível.
Adequado para acabamento com altas velocidades.
GC1515 - M20 (M10-M25)
Classe de metal duro com cobertura CVD.
Adequada para acabamento quando for necessária alta resistência ao desgaste da aresta de
corte.
41
Para operações de fresamento, a Sandvik (2014), faz algumas indicações para a
escolha correta de fresas e pastilhas:
A maioria das fresas CoroMill podem ser usadas em aços inoxidáveis austeníticos e duplex
simplesmente escolhendo uma geometria da pastilha e classe dedicadas.
No faceamento, a CoroMill 245 e CoroMill 300 são mais apropriadas do que a CoroMill
345 e a CoroMill 200, devido à geometria de fresa mais positiva.
Use fresas com pastilhas redondas ou com pequenos ângulos de posição para minimizar o
desgaste por entalhe.
Figura-
Figura 2.14 - Fresa CoroMill® 345 (Sandvik, 2014).
Para operações de furação, a ferramenta ideal é CoroDrill® 860. A ferramenta
apresenta uma série de benefícios:
Baixo custo por furo;
Confiabilidade de desempenho melhorada;
Escoamento de cavacos sem problemas;
Vida útil da ferramenta longa, formação de desgaste controlada;
Tolerância do furo consistente.
O uso dessa ferramenta é indicado para materiais com codificação 860-MM, que
compreende os aços inoxidáveis com cavacos longos como aços inoxidáveis austeníticos,
dentre outros. A figura 2.15 ilustra esta ferramenta.
42
Figura 2.15 - Broca CoroDrill® 860 (Sandvik, 2014).
Seguem na Tabela 2.9 algumas indicações e especificações para a escolha da
broca:
Geometria Tipo de
broca
Proporção
comprimento/diâmetro
Diâmetro
da broca
(mm)
Refrigeração Tipo de
haste Classe
MM
Broca
standard com
diâmetro
simples
(2-3) (3-16) Interna Cilíndrica* GC
2214
(4-5) (3-16) Interna Cilíndrica* GC
2215
(7-8) (3-16) Interna Cilíndrica* GC
2216
MM
Broca para
furos
escalonados e chanfros
(2-3) (3,35-17,5) Interna Cilíndrica* GC
2217
*Padronizado na Norma (DIN 6535 HA).
Tabela 2.9 – Indicações para a escolha de brocas (Sandvik, 2014).
43
2.9. EFEITO DA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENITICO NOS
PARÂMETROS DO PROCESSO
2.9.1. FORÇA DE USINAGEM
O conhecimento da força de usinagem Fu ou de suas componentes: força de corte
Fc, força de avanço Ff e da força passiva Fp, é a base:
Para o projeto de uma máquina ferramenta (dimensionamento das estruturas,
acionamentos, fixações, etc.);
Para a determinação das condições de corte em condições de trabalho;
Para a avaliação da precisão de uma máquina ferramenta, em certas condições de trabalho
(deformação da ferramenta, máquina e peça);
Para a explicação de mecanismos de desgaste.
A força de usinagem é também um critério para a determinação da usinabilidade
de um material de peça. Os componentes da força de usinagem (Fc, Ff e Fp) diminuem com o
aumento da velocidade de corte Vc devido à diminuição da resistência do material com o
aumento da temperatura (Ferraresi, Stemmer & König, 1990).
A força de usinagem é por ventura uma soma vetorial (Fu = Ff(x) + Fp(y) + Fc(z)) de
todas as forças que são propiciadas durante o processo de usinagem, ela depende diretamente
das forças de avanço (Ff), passiva (Fp) e de corte (Fc), as quais atuam consideravelmente na
ferramenta de corte, nas direções de avanço, ortogonal ao plano de trabalho e de corte,
respectivamente. A decomposição da força de usinagem está ilustrada na Figura 2.16
(Sánchez & Trent, 2002).
Figura 2.16 – Decomposição da Força de Usinagem (Stoeterau, 2007).
44
De acordo com Ferraresi (1977), à proporção que a ferramenta se movimenta em
direção a peça que irá ser usinada, uma parte do material da peça sofre tensão até que as
tensões de cisalhamento se tornem grandes o suficiente para provocar um deslizamento, que
acontece na região de cisalhamento, entre a parte tensionada do material e a peça. Para melhor
compreensão das forças de usinagem (Fu), a Figura 2.17 ilustra as mesmas atuando sobre a
cunha cortante e sua decomposição em diversas direções.
Desta forma, a força de corte (Fc), a projeção da força principal de corte que atua
na superfície de saída da ferramenta na sua direção tangencial (Ft), a força de compressão
(FN), a projeção da força principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção
tangencial (Fs), a projeção principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção
normal (FNZ), a força de (Ff), o ângulo de cunha da ferramenta (β), a razão entre as forças
tangencial e normal sobre a superfície de saída da ferramenta e o ângulo de folga da
ferramenta (α) podem ser vistos na Figura 2.17.
Figura 2.17 - Forças de usinagem e suas decomposições no plano de cisalhamento, na superfície de saída e nas
direções de corte e avanço (Ferraresi, 1977).
No artigo apresentado por F. N. Macari e I. F. Machado cujo tema é o “Efeito dos
parâmetros de usinagem na força de corte e no acabamento superficial de três aços
inoxidáveis austeníticos” foram trabalhados os aços AISI 303, AISI 304 e AISI 310 (ver
composição química na Tabela 2.7) com o objetivo de determinar a força de corte dentre
outros parâmetros.
45
Durante o torneamento, a força de corte foi avaliada utilizando um dispositivo
composto de um porta-ferramentas instrumentado com extensômetros (dinamômetro) para
medição da força de corte. Para a aquisição dos dados foi utilizado o sistema ADS 2000 da
Linux e um microcomputador para armazenamento e tratamento dos dados.
Os corpos de prova foram usinados em um torno convencional. No processo de
torneamento foram utilizadas 2 velocidades de corte (Vc), e duas relações entre avanço (f) e
profundidade de corte (d).
Os parâmetros de usinagem utilizados estão apresentados na Tabela 2.10.
Tabela 2.10 - Parâmetros de usinagem utilizados nos ensaios (Macari & Machado, 2005).
Os resultados das forças de corte medidas durante o processo de usinagem estão
apresentados na Tabela 2.11, a qual relaciona a usinagem dos aços AISI 303, 304 e 310 com
diferentes condições de usinagem.
Condição utilizada
Aço A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
AISI
303 27,81 138,74 90,96 736,54 21 123,56 87,88 642,36
AISI
304 26,93 141,42 96,72 784,65 20,34 108,65 86,21 677,71
AISI
310 47,44 153,34 133,71 815,91 25,53 141,08 97,47 724,21
Tabela 2.11 – Resultados da força de corte em diferentes condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).
Para melhor visualização, segue a magnitude das forças de corte demonstradas
graficamente:
Vc
(m/min)
Relação
f/d
f (mm/volta)
e d (mm) Condição
Vc
(m/min)
Relação
f/d
f (mm/volta)
e d(mm) Condição
22
f/d=1
f=0,104 d=0,1 A1
88
f/d=1
f=0,104 d=0,1 B1
f=0,327 d=0,3 A2 f=0,327 d=0,3 B2
f/d=0,2
f=0,104 d=0,5 A3
f/d=0,2
f=0,104 d=0,5 B3
f=0,327 d=1,6 A4 f=0,327 d=1,6 B4
46
Figura 2.18 – Forças de Corte do aço AISI 303 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).
Figura 2.19 – Forças de Corte do aço AISI 304 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).
Figura 2.20 – Forças de Corte do aço AISI 310 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).
27,81
138,74 90,96
736,54
21
123,56 87,88
642,36
0
100
200
300
400
500
600
700
800
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
Forç
a d
e C
ort
e (
N)
Condição
AISI 303
26,93 141,42 96,72
784,65
20,34 108,65 86,21
677,71
0
200
400
600
800
1000
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
Forç
a d
e C
ort
e (N
)
Condição
AISI 304
47,44 153,34 133,71
815,91
25,53
141,08 97,47
724,21
0
200
400
600
800
1000
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
Forç
a d
e C
ort
e (N
)
Condição AISI 310
47
Foi observado que ao utilizar menor velocidade de corte, as forças obtidas foram
maiores em todos os casos. Vale destacar também que o aço AISI 310 apresentou maiores
forças, a explicação provável para esse comportamento é o alto grau de encruamento desse
material.
Segundo a Revista “O mundo da usinagem” na publicação trimestral da Divisão
Coromant da Sandvik do Brasil, a maioria dos aços inoxidáveis tem tradicionalmente sido
associada à noção de que este é um material “viscoso” cuja usinagem é um tanto
problemática, gerando muito calor e proporcionando uma condução térmica ruim. Este
raciocínio, no entanto, em geral está fundamentado no corte de metais com um processo
contínuo — torneamento ou furação —, pois quando o processo é intermitente, como o
fresamento, a usinagem do aço inoxidável é realizada em condições muito melhores. Com os
avanços recentes na tecnologia de fresas, o argumento de que este material é de difícil
usinabilidade e que acarreta a produtividade no sentido de que a vida útil da ferramenta fica
insatisfatória foi definitivamente banido das indústrias.
2.9.2. TEMPERATURA DE CORTE
A temperatura de corte é uma informação de grande importância na usinagem,
pois contribui diretamente para o desgaste das ferramentas de corte. Conhecer esta
temperatura é ter um dado bastante relevante em mãos. E, devido a este fato, existem várias
maneiras para tentar estima-la.
De acordo com Trent (2000), o calor gerado afeta três zonas distintas. Estas três
zonas estão mostradas na Figura 2.19.
Figura 2.21- Zonas de geração de calor em usinagem (Machado, 2009).
48
A – Zona de Cisalhamento Primária;
B e C – Zona de Cisalhamento Secundária;
D – Interface entre a peça e a superfície de folga da ferramenta.
É importante esclarecer que a geração de calor na região C da Figura 2.21
somente apresentará um diferencial na temperatura quando a aresta de corte já estiver
desgastada ou se o ângulo de folga for pequeno.
A temperatura da interface cavaco-ferramenta aumenta com a velocidade de corte.
Haverá, portanto um limite prático na velocidade de corte para cada par ferramenta-peça. As
altas temperaturas nas ferramentas de corte não só aceleram os mecanismos de desgaste
termicamente ativados, mas também reduzem o limite de escoamento dessas ferramentas.
Assim a temperatura na zona de fluxo, e portanto, a temperatura da ferramenta depende da
quantidade realizado para cisalhar o material e da quantidade de material que passa pela zona
de fluxo, e isto varia com o material da peça (Trent, 2000).
Observa-se na Figura 2.22, a relação entre a temperatura e velocidade de corte
para os aços inoxidáveis austeníticos, dentre outros. O gráfico mostra a temperatura máxima
da interface cavaco-ferramenta (e portanto a temperatura máxima na superfície de saída da
ferramenta) na usinagem de vários materiais com ferramentas de aço rápido, em função da
velocidade de corte.
Figura 2.22 – Temperaturas máximas da interface cavaco-ferramenta em função da velocidade de corte
(Trent, 2000).
49
Sabe-se que uma variação nos parâmetros de corte contribui significativamente na
alteração de temperatura de corte. A seguir, é mostrado o efeito desses parâmetros na
temperatura.
• Velocidade de Corte: Com o aumento da velocidade de corte, consequentemente temos um
aumento na temperatura de corte, pois aumenta a geração de calor. Esse aumento de
temperatura acelera juntamente com o aumento do desgaste da ferramenta, o que faz aumentar
o atrito entre a peça e a ferramenta, e isso resulta num aumento da força de corte.
• Avanço: O efeito do avanço é analisado paralelamente com a velocidade de corte. Para
pequenos valores de avanço e baixas velocidades de corte, em geral, há a presença da APC, e
quando esta se faz presente, a principal fonte de calor está afastada da superfície da
ferramenta, entretanto, com o aumento da velocidade de corte, a aresta postiça de corte perde
estabilidade e a temperatura da ferramenta volta a aumentar significativamente com o
aumento da velocidade.
• Profundidade de Corte: Com o aumento da profundidade de corte, assim como o avanço,
temos uma alteração nas áreas dos planos de cisalhamento primário e secundário, e isso
resulta num aumento da força de corte. A quantidade de calor gerado é consequência da força
de corte. Conclui-se que o aumento da profundidade de corte implica num aumento da
temperatura.
• Ângulo de Folga: As evidências indicam que as interações entre o efeito do ângulo de folga
α, a velocidade de corte e o avanço podem ser muito significativas, trazendo resultados ótimos
para a redução da temperatura de corte.
Um artigo apresentado no 17º Simpósio do Programa de Pós-graduação em
Engenharia Mecânica desenvolvido pelos alunos da Universidade Federal de Uberlândia
tratava da “Análise do torneamento do aço inoxidável ABNT 304 através da temperatura do
cavaco”.
Nesse trabalho foi utilizada uma barra cilíndrica de aço inoxidável ABNT 304 de
70,9 milímetros de diâmetro e 500 milímetros de comprimento. As ferramentas de corte
utilizadas nos ensaios foram insertos de metal duro revestido SNMG 120404 MF 431, da
Sandvik Coromant juntamente com suporte PSSNR 2020 K12, também da Sandvik.
50
Para os testes utilizou-se o torno com variação contínua de velocidade, Revolution
220, da Deb’Maq, com 7,5 CV de potência. Para avaliar o desgaste da ferramenta as medidas
foram feitas utilizando-se microscópio com o software de análise de imagem Image Pro. Para
a medição de temperatura foi utilizado um sensor infravermelho Raytek e para a análise dos
sinais de temperatura foi utilizado o programa Data Temp Multidrop.
Para melhor avaliação e interpretação dos resultados, os parâmetros de corte
trabalhos foram os seguintes: profundidade de corte (ap) com o valor de 1 milímetro e o
avanço (f) de 0,15 milímetros por revolução juntamente com velocidades de corte de 120
m/min, 130 m/min, 150 m/min, 160 m/min e 170 m/min. O teste de torneamento cilíndrico
externo foi realizado a seco.
O sensor infravermelho foi montado de forma que a superfície da sua lente ficasse
a 76 milímetros da superfície de saída da ferramenta, a fim de ajustar o foco de maneira que a
leitura fosse mais precisa. Fez-se a mira do local onde o sensor captaria as temperaturas
através de um feixe luminoso que se encontrava num suporte adaptado ao sensor, como é
mostrado na Figura 2.23.
Figura 2.23 - Mira da posição de medida de temperatura do sensor infravermelho. (Pereira, 2009).
As Figuras 2.24 e 2.25 ilustram uma análise dos valores da temperatura máxima
dos cavacos obtidos nos ensaios realizados e as variações de velocidade de corte juntamente
com o desgaste de flanco da ferramenta utilizada na usinagem.
De acordo com o gráfico da Figura 2.24 percebe-se que, para qualquer velocidade
de corte escolhida, a temperatura máxima que os cavacos, geralmente, aumenta com o
aumento do desgaste.
A maior parte do calor gerado na zona de cisalhamento primária é dissipada no
cavaco. Sabe-se que com o aumento do desgaste, aumenta-se também a quantidade de
51
deformações na zona de cisalhamento primária, consequentemente, o calor nela gerado e a
temperatura do cavaco aumentam significativamente.
Figura 2.24 - Efeito do desgaste na temperatura do cavaco (Pereira, 2009).
De acordo com o gráfico da Figura 2.25, percebe-se que apenas para os desgastes
mais elevados, de 0,4 mm e 0,5 mm é que o acréscimo da velocidade de corte é significativo
no aumento da temperatura máxima atingida pelo cavaco, entretanto, para os outros níveis de
desgaste não ocorre esse efeito. Ao contrário, observa-se um ligeiro decréscimo nos valores
da temperatura do cavaco.
Figura 2.25- Efeito da velocidade de corte na temperatura do cavaco (Pereira, 2009).
52
2.9.3. DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE
O desgaste das ferramentas de corte é um tema bastante discutido no setor da
usinagem e está diretamente relacionado a vida de uma ferramenta que pode ser definido
como sendo o tempo em que esta trabalha efetivamente, de certa forma que ela não perca suas
características de corte. Sua vida esta relacionada com o tempo em que a ferramenta alcança o
seu fim precisamente estabelecido, levando em consideração o cuidado com a alteração na sua
geometria, pois ela pode comprometer o acabamento superficial da peça gerando assim um
aumento nas forças de corte podendo resultar em vibrações, quebra e etc (Trent, 2000).
A Figura 2.26 apresenta as principais áreas de desgaste de uma ferramenta de
corte.
a – desgaste de cratera;
b – desgaste de flanco;
c – desgaste de entalhe.
Figura 2.26 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte (Trent, 2000).
A Figura 2.27 apresenta exemplos de ferramentas desgastadas onde se pode
identificar claramente as três formas básicas de desgaste definidas anteriormente. Na Figura
2.27(a), a seta indica a área onde há a formação do desgaste de flanco. Normalmente, esta
forma de desgaste é a principal na avaliação da vida de uma ferramenta de corte. No desgaste
de flanco há uma perda do ângulo de folga, promovendo um aumento dos níveis de contato
entre a ferramenta e a peça e consequentemente, crescimento nos níveis de atrito e todos os
problemas por ele causados. Na Figura 2.27(b), a seta indica a área onde há a formação do
desgaste de cratera. Na Figura 2.27(c), a seta indica a área onde há a formação do desgaste de
53
entalhe. O desgaste de entalhe ocorre principalmente na usinagem de materiais resistentes a
altas temperaturas. Normalmente ocorre na aresta principal de corte, mas também pode
aparecer na aresta secundária de corte com dimensões mais reduzidas. Pode ocorrer tanto em
ferramentas de MD como em ferramentas de material cerâmico, que são as mais indicadas
para a usinagem das ligas de níquel, sofrendo forte influência das condições de corte.
Figura 2.27 – Fotografias das três formas de desgaste. a) desgaste de flanco; b) desgaste de cratera; c) desgaste
de entalhe (Editado da Sandvik, 1999)
Para fresamento frontal as ferramentas de metal duro revestidas são normalmente
as ferramentas mais solicitadas. Quando estas ferramentas são revestidos de TiC na última
camada se tornam mais resistentes ao desgaste de flanco, pois são mais resistentes à abrasão.
Se estas possuem o TiN como última camada, adquirem maior resistência ao desgaste de
cratera pois o coeficientes de atrito é relativamente pequeno, diminuindo assim as faixas de
temperatura e dificultando a difusão (Da Silva, 2009).
Para se avaliar bem a vida de uma ferramenta, é necessário quantificar o nível de
desgaste. Quando isto é possível deve-se seguir os parâmetros mostrados na Figura 2.28 que
são os principais indicativos e utilizados para quantificar o desgaste de uma ferramenta de
usinagem de acordo com a Norma ISO 3685 de 1977. Antes que um desses desgastes atinga
grandes proporções, de maneira a colocar o processo de corte em risco, a ferramenta deverá
ser reafiada ou substituída.
A Figura 2.28 mostra os parâmetros utilizados pela norma ISO 3685 para
quantificar esses desgastes. Os principais são KT, VBB e VbMax :
54
Figura 2.28– Parâmetros utilizados para medir os desgastes das ferramentas de corte (Norma ISO 3685, 1977).
O critério recomendado pela ISO para ferramentas de aço-rápido, metal duro e
cerâmicos é (Trent, 2000):
Desgaste de flanco médio, VBB = 0,3 mm;
Desgaste de flanco máximo, Vbmáx = 0,6 mm;
Profundidade de cratera, KT = 0,06 + 0,3f, onde f é o avanço em mm/rev;
Falha catastrófica.
No caso da usinagem de ligas de Ni com metal duro ou cerâmicas onde o desgaste
de entalhe predomina, a norma recomenda usar valores de VN e VC = 1,0 mm como critérios
também. Da mesma forma, quando qualquer um destes limites for ultrapassado, recomenda-se
a reafiação ou substituição da ferramenta de corte.
Na avaliação feita por Marcio Casagranda (2004) com o aço inoxidável AISI 303
é possível observar o nível do desgaste da ferramenta em função de velocidade de corte. Nos
ensaios realizados com ferramenta de metal duro adotou-se velocidade de corte de 200, 236 e
280 m/min, com profundidade de corte de 1.5mm e quatro avanços diferentes (0,1, 0,2, 0,3 e
0,4 mm/rot).
Para realização dos ensaios utilizou-se um torno marca Romi modelo Centur 30
RV que possui como características potência de 10 CV e rotação máxima de 3500 rpm. O
microscópio ótico de ferramentaria Mitutoyo, modelo toolmakers TM-201 foi utilizado para
as devidas medições do desgaste de flanco das ferramentas de corte. Este microscópio possui
dois nônios, com resolução de 0,01mm, que permitem a medição em x e y.
55
Os resultados deste ensaio estão ilustrados na Figura 2.29. O gráfico da Figura
2.29(a) demonstra a evolução do desgaste de flanco da ferramenta de metal duro para
diferentes velocidades de corte. Percebe-se que, quanto maior a velocidade de corte, mais
rapidamente a ferramenta irá atingir o critério de fim de vida. O gráfico da Figura 2.29(b)
mostra a curva de vida da ferramenta, que caracteriza a equação de Taylor.
Figura 2.29 – (a) Vbmax versus tempo de usinagem e (b) Vida de ferramenta versus Vc na
usinagem com ferramenta de metal duro. (Casagranda, 2004)
Nos ensaios, aço apresentou comportamento esperado e estável ao longo da vida
da ferramenta. A forte linearidade Vbmax x t, representada na Figura 2.29(a) facilita a
obtenção, via regressão linear, da equação de Taylor para este par ferramenta-peça, figura
56
2.29(b). Seguindo todos os cuidados e prevenções de segurança, nenhuma ferramenta
apresentou falha catastrófica em serviço, de modo que todas elas atingiram o critério de fim
de vida estabelecido.
2.9.4. FLUIDOS DE CORTE RECOMENDADOS
De acordo com a CIMM (2014), atualmente, com o avanço da produção aumenta
a exigência de alta qualidade dos produtos e das técnicas cada vez mais avançadas e
inovadoras nos processos de fabricação. Um dos itens de grande preocupação e que tem
gerado diversas pesquisas nesse meio é a utilização do fluido de corte a fim de minimizar o
uso do mesmo em vista da poluição que pode ocasionar ao meio ambiente bem como os danos
gerados à saúde do ser humano. Com base nisto, tem-se concluído que o fluido de corte deve
ser utilizado somente em ocasiões onde seus benefícios são nitidamente percebidos e mesmo
assim quando utilizados deve-se buscar aquele tipo de fluido que será menos poluente e
menos prejudicial à saúde do operador. Veja na Figura 2.30 a aplicação dos fluidos de corte
no processo de torneamento e fresamento.
Figura 2.30 – a) Aplicação do fluido de corte no torneamento (De Ávila, 2004); e b) Aplicação do fluido de corte
no fresamento (Sandvik, 2014).
O uso correto dos fluidos de corte nos processos de usinagem pode trazer vários
benefícios, que são observados na qualidade e na produtividade. Por outro lado, se não forem
manipulados e tratados corretamente, eles podem ser prejudiciais à saúde e ao meio
ambiente. Assim, a escolha do fluido de corte influi diretamente na qualidade do acabamento
a) b)
57
superficial das peças, na produtividade, nos custos operacionais e também na saúde dos
operadores e no meio-ambiente.
Eles são utilizados quando as condições de trabalho são desfavoráveis, podendo
trazer os seguintes benefícios (CIMM, 2014):
Redução da Força e Potência necessárias ao corte;
Redução do consumo de Energia;
Diminuição da Temperatura da peça e da ferramenta em trabalho;
Desobstrução da região de corte;
Aumento da Vida da ferramenta;
Melhor Acabamento da superfície usinada.
Conforme a CIMM, em operações com baixas velocidades de corte, a refrigeração
é relativamente sem importância, enquanto que a lubrificação é importante para minimizar o
atrito e evitar a formação da APC. Um fluido de corte a base de óleo deve, então ser usado.
Em operações a altas velocidades de corte, as condições são desfavoráveis para a penetração
do fluido de corte na interface para que ele exerça o seu papel. Nestas condições a
refrigeração se torna mais importante, e um fluido de corte a base de água deve ser utilizado.
O fluido de corte com ação lubrificante age para reduzir a área de contato cavaco-
ferramenta, e sua eficiência vai depender da sua habilidade de penetração do fluido na
interface cavaco-ferramenta no pequeno espaço de tempo disponível. A eficiência da
lubrificação dependerá também das propriedades do fluido, tais como: características de
molhabilidade, viscosidade, oleosidade e resistência do filme. Estas propriedades podem ser
conseguidas com a mistura certa de aditivos (Modenesi, 2001).
Atuando como refrigerantes, os fluidos de corte diminuem a temperatura de corte,
tanto pelo aumento da dissipação de calor (refrigeração), como também pela redução da
geração de calor (lubrificação). Quando se usa fluidos de corte a base da água, a dissipação de
calor (refrigeração) é mais importante que a redução da geração de calor (lubrificação). Com
ensaios feitos neste sentido é possível concluir que a eficiência do fluido de corte em reduzir a
temperatura diminui com o aumento da velocidade de corte e da profundidade de corte
(Modenesi, 2001).
Sabe-se que a capacidade do fluido de corte em tirar os cavacos da zona de corte,
depende da viscosidade e da vazão do fluido de corte, além, é claro, da operação de usinagem
e do tipo de cavaco que está sendo produzido. Em algumas operações, tais como furação e
58
serramento, esta função é de suma importância, pois ele pode evitar a obstrução do cavaco na
zona de corte e, consequentemente, a quebra da ferramenta (Modenesi, 2001).
Os fluidos de corte além de refrigerar e de lubrificar, devem ainda possuir outras
propriedades que produzirá a níveis operacionais os melhores resultados. Estas propriedades
podem ser descritas como seguem (Modenesi, 2001):
Anti – espumantes;
Anticorrosivas e antioxidantes;
Antidesgaste e antisolda (EP);
Transparência;
Inodor;
Não formar névoa;
Não provocar irritações na pele;
Compatibilidade com o meio ambiente;
Baixa variação da viscosidade quando em trabalho;
Quanto aos métodos de aplicação do fluido, existem basicamente três (Machado,
2009):
Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à pressão normal);
Pulverização;
Sistema à alta pressão.
A Figura 2.31 mostra um sistema de aplicação de fluido de corte por jorro a baixa
pressão.
Sabe-se que o grupo dos aços concentra o maior volume de material usado
industrialmente e existe uma grande variedade de composições disponíveis. Assim, todos os
tipos de fluido de corte podem ser usados, e a escolha depende da severidade da operação e da
resistência do aço (CIMM, 2014).
O aço inoxidável austenítico e aços resistentes ao calor tendem a encruar de
maneira idêntica às ligas de níquel e a escolha do fluído de corte também obedecerá a critérios
similares. Para aço inox austenítico recomenda-se óleos EP (Extrema Pressão) para dificultar
o empastamento do cavaco na ferramenta. A Figura 2.32 mostra o Quimatic 4-EP, um fluido
de corte integral de base mineral excelente para usinagem de aços inoxidáveis austeníticos
(CIMM, 2014).
59
Figura 2.31 – Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético (Fernandes, 2010)
Figura 2.32 - Quimatic 4-EP – Fluido de Corte integral de base mineral (Quimatic, 2014).
Este fluido de corte é ideal para rosqueamento, mandrilhamento, brochamento,
furação profunda e outras operações que exigem máxima lubrificação e pode ser utilizado
para usinagem contínua de todos os tipos de metais e suas ligas, inclusive em metais de
elevada dureza (Quimatic, 2014).
Segundo Ferraresi (1977), este fluido apresenta como vantagens:
Contém aditivos EP, que garantem máxima lubrificação em operações pesadas.
Facilita a retirada do cavaco evitando que ele fique aderido à ferramenta.
Não evapora. Pode ser usado em reservatórios de máquinas operatrizes que operam com
fluido de corte recirculante. Não produz névoa que possa causar irritabilidade.
60
Excelente proteção anticorrosiva. Não ataca componentes de máquinas ou peças usinadas.
De acordo com Bianchi (2004), algumas providências e cuidados devem ser
tomados no manuseio de fluidos de corte, bem como dicas de higiene no uso dos mesmos:
• Armazenamento: devem ser armazenados em locais adequados sem variações de
temperaturas, limpos e livres de contaminação;
• Alimentação: deve-se aplicar diretamente sobre a aresta de corte, a alimentação deve ser
iniciada antes do início do corte;
• Purificação e recuperação: por meio de decantação e filtragem;
• Controle de odor: contornado por meio de limpeza do local e pelo uso de bactericida da
emulsão;
• Contato e higiene: deve-se tomar cuidado, pois essas substâncias entopem os poros e os
folículos capilares, impedindo a formação normal do suor e a ação da limpeza natural da pele,
o que causa a dermatite. O controle desse problema é mais uma questão de higiene pessoal
(vestir um avental a prova de óleo, lavar as áreas da pele que entram em contato com o fluido,
sujeiras e partículas metálicas ao menos duas vezes ao dia. Também deve-se tratar e proteger
imediatamente os cortes e arranhões, aplicando cremes adequados as mãos e aos braços antes
do início do trabalho e depois de lavá-los, instalar nas máquinas protetores contra salpicos,
etc.).
2.9.5. ACABAMENTO SUPERFICIAL DAS PEÇAS.
Quando se específica um aço inoxidável, o acabamento é um dos aspectos de
grande relevância que deve ser considerado. O acabamento possui uma forte influência em
algumas características do material como, por exemplo, a facilidade ou dificuldade na limpeza
e na resistência à corrosão. Em algumas aplicações, a polidez de uma superfície transmitirá a
ideia de que os aços inoxidáveis são materiais “limpos” e que não apresentam dificuldades em
sua limpeza. Em outras, um acabamento com rugosidade relativamente maior poderá ter um
impacto estético que favorecerá as vendas de um determinado produto (Ferraresi, 1977).
O mesmo acabamento tem um aspecto diferente para cada tipo de aço (o aspecto
superficial de um 430 e de um 304 é diferente, mesmo tendo o mesmo acabamento). E mesmo
sendo o mesmo tipo de aço, o acabamento pode ser diferente, dependendo da espessura
(materiais mais finos são sempre mais brilhantes) (Carbó, 2008). Geralmente especificado em
projetos mecânicos, o acabamento superficial é representado principalmente pela rugosidade e
61
consiste em um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular, que juntos
formam um padrão ou uma textura característica das superfícies usinadas. Estas
irregularidades estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que estas
sejam, e existem independente do processo para obtenção da superfície (torneamento,
fresamento, furação e etc.) (Machado & Silva, 2009).
Segundo Nakayama e Shouckry (1966), o acabamento superficial é influenciado
por vários parâmetros de usinagem como: a geometria da ferramenta de corte, geometria da
peça, rigidez da máquina-ferramenta, material da peça, condições de corte e materiais da
ferramenta.
Em geral a rugosidade é menor (ou o acabamento é melhor) quando:
Deflexões geradas por esforços de usinagem ou vibrações são pequenas;
Corte sem aresta postiça de corte (APC);
O eixo principal da máquina ferramenta está corretamente alinhado e as guias sem
desgaste;
O material da peça e inerentemente puro, ou seja, isento de defeitos (bolhas, trincas e
inclusões);
Um artigo apresentado no VII Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável tratava da
“Influência do fluido de corte sobre a força de usinagem e o acabamento do aço inoxidável
austenítico ABNT 304”. Neste trabalho, os testes foram feitos utilizando uma ferramenta de
metal duro revestido no processo de torneamento contínuo, também foram realizados a seco e
com fluidos de corte sintéticos com uma concentração de 5%.
O metal duro revestido da classe ISO M05-M20 foi a ferramenta escolhida para
este estudo. Esta escolha foi baseada na ampla utilização, versatilidade e custos desta, se
comparada às demais. Os principais ângulos do conjunto ferramenta/suporte foram: ângulo de
posição χr = 95°, ângulo de ponta εr=80o, ângulo de folga αo=6
o, ângulo de saída negativo γo =
-6° e ângulo de inclinação negativo λs = -6°.
Os fluidos de corte utilizados foram especificados da seguinte maneira:
Formulação F1 = produto de linha (fluido sintético com aditivo cloro);
Formulação F2 = fluido sintético com aditivo enxofre; e
Formulação F3 = fluido sintético com aditivo cloro e base lubrificante de cadeia longa.
Os equipamentos utilizados nos experimentos foram: torno CNC (3500rpm e
5,5kW), plataforma dinamométrica piezelétrica com amplificador de sinais e “software” para
aquisição de dados e um rugosímetro portátil.
62
Realizando os testes foram obtidos resultados significativos que estão
demonstrados graficamente a seguir.
Figura 2.33 – Rugosidade média aritmética em função da velocidade de corte
(f = 0,15mm/rev e ap = 1,0mm) (De Ávila, 2004).
Figura 2.34 – Rugosidade média aritmética em função do avanço
(vc = 250m/min e ap = 1,0mm) (De Ávila, 2004).
Figura 2.35 – Rugosidade média aritmética em função da profundidade de usinagem
(vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev) (De Ávila, 2004).
63
As Figuras 2.33 a 2.35 apresentam, os valores de rugosidade média aritmética (Ra)
em função da velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem. Analisando
graficamente é notório que, em quase todas as situações, o uso de fluido de corte garante um
acabamento superior ao corte a seco. Observando a Figura 2.33 não se nota uma alteração
considerável nos valores de Ra quando a velocidade de corte é aumentada, entretanto, de um
modo geral, o fluido F1 é que proporciona valores mais baixos de rugosidade.
A Figura 2.34 mostra que um aumento considerável do avanço possibilita um
aumento de Ra bastante acentuado, em virtude da maior profundidade das marcas de avanço.
De um modo geral, os fluidos F3 e F1 apresentam melhores resultados. Para comparar, foram
calculados os valores teóricos de rugosidade média aritmética para o processo de
torneamento. Os valores calculados foram de 0,90 μm, 1,76μm e 3,61 μm para os avanços de
0,15 mm/rev, 0,21 mm/rev e 0,30 mm/rev, respectivamente. Comparando-se estes valores
com aqueles obtidos experimentalmente (Figura 2.35), observa-se que o fluido F3 é o que
proporciona valores de rugosidade mais próximos dos teóricos, sendo desta forma o mais
indicado se considerado o quesito acabamento da peça.
Foi observado que a variação da profundidade de usinagem pouco afeta o
acabamento dos corpos de prova (Figura 2.35), sendo o fluido F1 o responsável por valores
menores de Ra, entretanto, as diferenças entre os fluidos de corte, ou mesmo se comparados
ao corte a seco, são pouco representativas. Os valores ligeiramente menores de Ra são obtidos
usinando com ap=1 mm, o que pode ser explicado pela maior rigidez do cavaco formado, e
consequentemente, pela maior facilidade de sua quebra, o que evitaria a formação de cavacos
emaranhados típicos do torneamento de aços inoxidáveis, que por sua vez prejudicam o
acabamento da peça (De Ávila, 2004).
3. FORMAÇÃO DOS CAVACOS
De acordo com a CIMM (2014), a classificação dos tipos de cavaco depende
muito da ductilidade (ou fragilidade) do material da peça e das condições de corte. Quanto aos
tipos existem pelo menos três possibilidades: cavacos contínuos, descontínuos e segmentados.
Quanto a forma, os cavacos podem ser classificados: cavaco em fita, helicoidal,
espiral, cavaco em lascas ou em pedaços.
Quanto às condições de corte, em geral, um aumento da velocidade de corte, uma
redução no avanço ou um aumento no ângulo de saída, tende a produzir cavacos em fita (ou
contínuos, quanto ao tipo). O avanço é o parâmetro que mais influência e a profundidade de
64
corte o que menos influência na formação de cavacos. A Figura 3.1 mostra como as formas
dos cavacos são afetadas pelo avanço e pela profundidade de corte.
Figura 3.1 - Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos (Machado, 2009).
No trabalho apresentado por um grupo de alunos do Centro Universitário de Volta
Redonda no VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação que tinha como título
“Análise dos parâmetros de usinagem do aço inox austenítico ABNT 304 como recebido via
microscopia eletrônica de varredura”, foi avaliado o tipo e a forma do cavaco bem como
uma relação entre o comprimento do cavaco com a velocidade e profundidade de corte.
Para a realização deste trabalho, utilizaram-se duas barras cilíndricas de aço
inoxidável ABNT 304, de 38 mm de diâmetro e 120 mm de comprimento. As mesmas foram
usinadas em um torno CNC, Fagor modelo TR-2, utilizando ferramentas de metal duro com
cobertura e especificação TNMG 16 04 04L-K 4025, da Sandvik Coromant. O suporte usado
tem especificação MT JNR 2525 – M16, também da Sandvik. Sendo assim, para cada
velocidade de corte foram obtidos amostras de cavaco para análises posteriores.
As velocidades de corte foram variadas de um ensaio para outro e todas as outras
condições foram mantidas constantes, como mostrado na Tabela 3.1. Vale resaltar que os
valores de velocidade de corte e avanço foram escolhidos baseados nas instruções do
fabricante da ferramenta.
Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/rot) Profundidade de corte (mm)
Passe 1 160 0,1 2
Passe 2 160 0,15 2
Passe 3 175 0,1 2
Passe 4 175 0,15 2
Tabela 3.1 - Condições de corte utilizadas nos ensaios obtenção de amostras de cavaco (Dias, 2011).
65
Através da Figura 3.2 pode-se observar as características resultantes do processo
de usinagem. Os cavacos obtidos foram do tipo contínuo, como já era esperado para aços
inoxidáveis austeníticos, devido à alta ductilidade do material, as velocidades de corte
adotadas na usinagem (superiores a 60 m/min). A forma dos mesmos foi helicoidal, pois os
cavacos se dobraram lateralmente, formando um cavaco que não se quebra com facilidade,
provavelmente isto ocorreu devido à pequena relação entre profundidade de corte e raio de
ponta da ferramenta (Diniz, 2003).
Figura 3.2 - Tipos de cavacos obtidos no processo de usinagem do aço ABNT 304 (Dias, 2011).
Outro aspecto observado na usinagem foi o comprimento dos cavacos, a medição
foi feita com uma trena. Nesta análise verificamos que ao compararmos diferentes
velocidades de corte e mesmo avanço, os comprimentos dos cavacos tiveram pequenas
variações. Porém, com velocidade constante e avanço variável de 0,10 para 0,15 mm/r, houve
uma redução no comprimento dos mesmos. Este fato pode ser observado pela Figura 3.3 a
seguir:
Figura 3.3 - Variação do comprimento do cavaco em função da velocidade de corte e avanço (Dias, 2011).
66
Apesar das condições de corte poderem ser escolhidas para evitar, ou pelo menos
reduzir a tendência de formação de cavacos longos em fita (contínuos ou segmentados), até o
momento, o método mais efetivo e popular para produzir cavacos curtos, é o caso de
dispositivos que promovem a quebra mecânica deles. Estes dispositivos são popularmente
conhecidos como “quebra-cavacos”. Veja na Figura 3.4 a seguir os tipos mais comuns de
quebra-cavacos.
Figura 3.4 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. a) Quebra-cavaco fixado mecanicamente;
b) Quebra-cavaco usinado diretamente na ferramenta; c) Quebra-cavaco em pastilha
sinterizada. (Machado, 2009).
67
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
4.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conclui-se que a usinabilidade de um aço inoxidável austenítico é fortemente
influenciada pelo tipo de ferramenta utilizada, a escolha e o uso correto do fluido de corte e a
determinação dos ângulos de posição da ferramenta.
Vale ressaltar que a usinagem desses aços é realizada em condições muito
melhores no processo de fresamento, pois se trata de um processo intermitente e que com o
desenvolvimento recente de novas classes de ferramentas o argumento da dificuldade de
usinar este material tem sido retirado das indústrias.
Percebe-se que na usinagem dos aços AISI 303, 304 e 310, as forças obtidas são
maiores em todos os testes em que as velocidades são maiores. O ângulo de folga (α) é de
grande importância neste sentido, pois evita o atrito a peça e superfície de folga da
ferramenta. Se α for pequeno, a ferramenta perde o corte rapidamente, o que ocasiona grande
geração de calor e prejudica o acabamento superficial, caso este ângulo seja grande, a
ferramenta acaba perdendo resistência podendo soltar pequenas lascas ou quebrar.
A velocidade de corte (Vc), o avanço (f), a profundidade de corte (ap) e ângulo de
folga (α) contribuem significativamente na alteração da temperatura de corte. É possível
observar no ensaio com o aço AISI 304 que, para qualquer velocidade de corte, a temperatura
máxima que os cavacos atingem, geralmente, aumenta com o aumento do desgaste.
Na usinagem do aço inoxidável AISI 303 utilizando ferramenta de metal duro,
velocidades de corte de 200, 236 e 280 m/min, com profundidade de corte de 1.5mm e quatro
avanços diferentes (0,1 0,2, 0,3 e 0,4 mm/rot) é possível observar o nível do desgaste da
ferramenta em função de velocidade de corte. Quanto maior a velocidade de corte, mais
rapidamente a ferramenta irá atingir o critério de fim de vida o que é um comportamento
esperado de acordo com a literatura.
Na usinagem com ferramentas de metal duro revestido, adotando o ângulo de
posição χr = 95°, ângulo de ponta εr=80o, ângulo de folga αo=6
o, ângulo de saída negativo γo =
-6° e ângulo de inclinação negativo λs = -6° nota-se que todas as situações, o uso do fluido de
corte permite um acabamento superior comparado com o corte a seco. De acordo com o
ensaio, não se nota uma alteração considerável nos valores de Ra quando a velocidade de corte
é aumentada, entretanto, de um modo geral, o fluido sintético com aditivo cloro é que
proporciona valores mais baixos de rugosidade.
68
4.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Estudar o efeito das ligas na usinabilidade do aço inoxidável austenítico;
Avaliar a influência dos parâmetros na formação de cavacos;
Analisar os resultados aplicando MQF;
Estudar a integridade superficial para outros processos de usinagem, como por exemplo:
retificação, fresamento e furação.
69
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Abinox: www.abinox.org.br. Acessado em 14/03/14.
Acesita: http://www.acesita.com.br , acessado em 05/03/2014.
CALLISTER, William D. Fundamentos da ciência e engenharia de materiais: uma
abordagem integrada. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
CARBÓ, Eng Héctor Mario. Aços Inoxidáveis: aplicações e especificações. 2008.
Campos Filho, Vicente Antonio Mangabeira. Usinagem de materiais não metálicos. / Vicente
Antonio Mangabeira Campos Filho. Salvador: VAMCAMPOSFILHO, 2010.
CAMARGO, Robson de, Verificação da Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis Austeníticos
através do Processo de Furação. Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade
Estadual de Campinas, 2008. 118 p. (Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica).
COPPINI, Nivaldo Lemos et al. MEDIDA DA RESISTÊNCIA À USINAGEM EM AÇO
AISI 316. 2013.
CHILDS, Thomas. Metal machining theory and applications. 1th ed. New York: John
Wiley & Sons Inc, 2000.
CIMM – Centro de Informação Metal Mecânica: http://www.cimm.com.br/, acessado em
05/03/2014.
CORROSION, A. Fundamentals, Testing, and Protection. 9. ed. USA: ASM International:
The Materials Information Society, v. 13, 2003. 1135 p
Cozil: www.cozil.com.br. Acessado em 22/04/14.
CBCA: www.cbca-iabr.org.br. Acessado em 27/04/14.
70
CHAWLA, S. L.; GRUPTA. R. K. Materials Selection for corrosion control. Metals Park,
O.H. American Society for Metals. 1995.
CASAGRANDA, M. V. Estudo da Usinabilidade do Aço Inoxidável Austenítico AISI
303. 2004. 25f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) –
Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto
Alegre, 2004.
DA ROCHA, Renan Azevedo; AFONSO, Júlio Carlos. MANGANÊS. 2009.
DE BRITO, Tarcísio Gonçalves. OTIMIZAÇÃO DO FRESAMENTO DE TOPO DO
AÇO ABNT 1045 UTILIZANDO PROJETO DE PARÂMETRO ROBUSTO. 2012. Tese
de Doutorado. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ.
DE ÁVILA, Renato Françoso et al. INFLUÊNCIA DO FLUIDO DE CORTE SOBRE A
FORÇA DE USINAGEM EO ACABAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
ABNT 304. 2004
DA SILVA, Rodrigo Henriques Lopes et al. ANÁLISE DO DESGASTE DE
FERRAMENTAS VIA EMISSÃO ACÚSTICA NA USINAGEM DE UM AÇO
INOXIDÁVEL. 2009.
DIAS, Aline Pires et al. ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE USINAGEM DO AÇO INOX
AUSTENÍTICO ABNT 304 COMO RECEBIDO VIA MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE
VARREDURA. 2011.
DINIZ, Anselmo Eduardo; MARCONDES, Francisco Carlos; COPPINI, Nivaldo Lemos.
Tecnologia da usinagem dos materiais. 3° ed. São Paulo: Artliber Editora, 2003.
DNPM - DEPARTAMENTO NACIONAL DE PRODUÇÃO MINERAL. Disponível em: <
www.dnpm.gov.br>. Acesso em: 26 fev.2014
ESPANHOL, Victor. Análise dos esforços de corte e acabamento superficial no
torneamento de aço com ferramenta de superfície lisa e com quebra-cavaco. 2008.
71
FERRARESI, D. Fundamentos da Usinagem dos Metais. 4 ed. São Paulo: Edgard Blücher,
1977. 751p / ANSELMO, E. D., et al. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. 1 ed. São
Paulo: Art Liber, 2000. 244p.
FERNANDES, João Candido. ÓLEOS DE USINAGEM: TIPOS, CLASSIFICAÇÃO E
DESEMPENHO. 2010.
GERDAU: http://www.gerdau.com, acessado em 06/03/2014.
Gravalos, Márcio Tadeu Efeitos da usinagem na integridade superficial de um aço inoxidável
superaustenítico / Márcio Tadeu Gravalos. --Campinas, SP: [s.n.], 2008.
Japacomponentes: www.japacomponentes.com.br. Acessado em 23/04/14.
KÖNIG, W. Fertigunsverfahren – Band 1. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1990. 416p)
LULA, R. A. Stainless Steel. Metals Park, O.H. American Society for Metals. 1986.
Manual Técnico de Aço Inoxidável. Rev. 09 – 05/2011. Disponível em: <
http://www.kloecknermetals.com.br<. Acesso em 15/05/2014.
MACHADO, A. R.; SILVA, M. B. Usinagem dos Metais. Apostila didática, 7ª versão. UFU,
Uberlândia, 2009.
Macari, F. N; Machado, I. F. Efeito dos parâmetros de usinagem na força de corte e no
acabamento superficial de três aços inoxidáveis austeníticos. Escola Politecnica da
Universidade de São Paulo - USP. 2005
MODENESI, P. J. Soldabilidade dos Aços Inoxidáveis. Vol 1 Tecnologia da Soldagem.
Escola SENAI “Nadir Dias de Figueiredo”, Cap. 2 e 5. p. 3-36, 2001.
Metal Handbook Ninth Edition, vol. 3: Properties and Selection, ASMA, p. 17, 1980.
NAKAYAMA, K.; M.C.; BREWER, R.C. “Relationship Between Cutting Forces,
Temperature, Built-up Edge and Surface Finish”, Annals of CIRP, vol. 14, 1966, pp. 211-223.
72
NÚCLEO, INOX. Coletânea de Informações Técnicas-Aço Inoxidável. 2011.
OLIVEIRA, Raphael Guimarães. Produção e Reciclagem de Aços Inoxidáveis. Rio de
Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2009.
PADILHA, A. F., GUEDES, L. C, Aços Inoxidáveis Austeníticos: Microestrutura e
Propriedades, Editora Hemus, 1994.
PESQUISA EM FOCO: INVESTIGAÇÃO DA USINABILIDADE DE AÇOS E LIGAS
NÃO-FERROSAS. Vol. 17, n.2, p. 53-59, 2009. Disponível em <
http://ppg.revistas.uema.br/>. Acesso em: 20 fev. 2014.
PEREIRA, Janaína Aparecida; FERREIRA, Camila Corrêa Martins; DA SILVA, Márcio
Bacci. ANÁLISE DO TORNEAMENTO DO AÇO INOXIDÁVEL ABNT 304 ATRAVÉS
DA TEMPERATURA DO CAVACO. 2009
Qualinox: www.qualinox.com.br. Acessado em 21/06/14.
Quimatic: www.quimatic.com.br. Acessado em 25/06/14.
RIOS, M.R.S. Estudo do Comportamento do Fluído Sintético na Furação de Aço Inoxidável.
Tese de Mestrado. FEM/Unicamp, 2002.
Revista – O mundo da usinagem. Sandvik Coromant do Brasil - 1. 2001. Disponível em:
>www.omundodausinagem.com.br<. Acesso em 19/06/14.
RUDES: www. rudes.com.ua. Acessado em 20/04/04.
SÁNCHEZ CARRILERO, Manuel. Estudo da rugosidade da usinagem da liga Al-Cu AA
2024. p. 283- 288, 2002.
Sandvik: www.sandvik.coromant.com. Acessado em 28/05/14.
SHAW, M. C. Metal Cutting Principles. Oxford: Oxford Science Publications, Claredon
Press, 2005.
73
SEDRIKS, A. J. Corrosion of stainless steel. John Wiley Sons Inc, USA, n. 2, p. 47-53, 1996.
Stoeterau, R. L. “Processos de Usinagem”. Disponível em:
(http://www.lmp.ufsc.br/disciplinas/emc5240/Aula-10-U-2007-1-Forcas.pdf). - acessado em
14 de maio de 2014.
STEMMER, C. E. Ferramentas de Corte I e II. Florianópolis: Editora da UFSC, 1989. 295p. /
SHOUCKRY, A.S. “The Effect of Cutting Conditions on Dimensional Accuracy”, Wear, vol.
80, 1982, pp. 197-205.
Sideracofitas: www.sideracofitas.com.br. Acessado em 25/04/14.
TESSLER, M.B.; BARBOSA, C.A. Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis. Metalurgia &
Materiais- ABM, v.49, No. 413. p. 32-41, 1993.
TRENT, Edward Moor. Metal cutting. 4ª edition. London: Butterworths, 2000.
Tramontina: www.tramontina.com.br. Acessado em 27/04/14.
VASOS DE PRESSÃO: www.vasosdepressao.com.br. Acessado em 21/04/14.
Vieira, Vânia da Silva. Otimização das propriedades do aço inoxidável AISI 298 a partir da
engenharia de contorno de grão / Vânia da Silva Vieira Rio de Janeiro : Instituto Militar de
Engenharia, 2009.
WIKIPÉDIA: a enciclopédia livre. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Usinagem>.
Acesso em: 15 fev. 2014.
Recommended