Equipamentos para caracterização

Neste item serão apresentados os equipamentos utilizados para avaliar os desgastes das ferramentas e para caracterizar as superfícies das brocas. Dos equipamentos descritos a seguir, os que não pertencem aos laboratórios da Unicamp, sua utilização foi gentilmente concedida pelos professores responsáveis dos laboratórios de diversas faculdades.

3.3.1 Corte das brocas

Para os ensaios de tensão residual, teste de riscamento e indentação Rockwell C, as brocas foram cortadas em uma máquina de eletroerosão a fio. Os cortes foram realizados de tal forma que a região entre o canal da broca e a aresta principal de folga (ver Figura 3.5), fosse paralela ao feixe laser e ao indentador.

Para análises de desgaste no microscópio eletrônico de varredura, as brocas também foram cortadas para que elas coubessem na câmara do microscópio. Assim, da mesma maneira as brocas foram cortadas por eletroerosão a fio, geralmente cinco milímetros da ponta da broca, de tal maneira que a aresta ficasse paralela ao detector do MEV.

Para o corte foi utilizada as máquinas de eletroerosão a fio pertences à Faculdade de Tecnologia Senai Roberto Mange de Campinas e à oficina mecânica do IEAv.

3.3.2 Desgastes

A evolução do desgaste da aresta de corte foi monitorada periodicamente durante a execução dos ensaios de furação, retirando a ferramenta juntamente com seu mandril hidráulico da máquina para medir o desgaste de flanco da broca. Para este monitoramento foi utilizado um microscópio óptico estereoscópico, da marca Leica equipado com câmera digital e computador com o software Motic Images Plus de captura e análise de imagens. A Figura 3.4 mostra as

regiões da broca em que foi medido o desgaste de flanco (aresta principal de corte). Esta figura mostra também a região em que foram medidas a rugosidade do substrato e da ferramenta com revestimento e realizado o teste de indentação (aresta secundária de folga). Estes dois últimos ensaios serão descritos nos itens subsequentes.

Figura 3.4 – Regiões de análise das brocas: desgaste, rugosidade e indentação.

Para analisar os mecanismos de desgaste presentes nas ferramentas desgastadas, as brocas já desgastadas (ao fim dos ensaios de furação) foram cortadas em uma máquina de eletroerosão a fio, de modo que uma das arestas principal de corte ficasse paralela ao detector do microscópio, conforme já citado. Posteriormente, as amostras foram submetidas à lavagem com ultrassom em água e detergente, enxaguadas em água corrente e em álcool etílico e, finalmente, secadas com soprador térmico. Depois do processo de limpeza as arestas das ferramentas foram analisadas no microscópio eletrônico de varredura (da sigla inglesa SEM - Scanning Electron Microscopy) da marca ZEISS modelo EVO MA15, do Departamento de Materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, para se conseguir imagens mais detalhadas da região de desgaste. Também foram identificados qualitativamente os elementos químicos presentes nestas regiões com o auxílio da espectrometria de energia dispersiva (da sigla inglêsa EDX ou EDS, Energy Dispersive X-Ray Detector). Esta análise foi feita em todas as ferramentas utilizadas nos ensaios, após a conclusão deles.

3.3.3 Rugosidade

Para avaliar e caracterizar as superfícies das brocas, denominadas como convencionais, modificada 1 e modificada 2, foram realizadas medições de rugosidade 3D nas superfícies antes e depois do processo de revestimento. Para a análise foi utilizado um perfilômetro óptico, da marca VEECO® e modelo 3D Wyko® NT1100, do Laboratório de Precisão da Escola de Engenharia de São Carlos, USP, e do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, do Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS).

Os parâmetros analisados foram Ra, Rq, Rt, Ssk, Sku, Rk, Rpk e Rvk, todos citados no item 2.5.

3.3.4 Tensão Residual

Para a medição das tensões residuais dos substratos das ferramentas e de seus revestimentos foi utilizado um difratômetro de raios-X da RIGAKU, modelo Ultima IV, com gerador de raios- X de 3 kW, voltagem máxima 60 kV, corrente máxima 60 mA, tubo de raios-X de cobre, variação do ângulo 2θ permitida de -3 a 162°, e profundidade do feixe laser de até 10 µm. Nos ensaios a variação máxima de voltagem foi de 40 kW e corrente máxima de 40 mA. Foi utilizada uma variação angular em 2θ de 20 a 120º na geometria Bragg-Brentano, em modo de varredura contínua com passo de varredura de 0,02° e tempo de leitura de 1 s. Estas condições de medidas foram escolhidas de forma a permitir uma varredura rápida, compatível com os tempos de ensaios disponíveis para se utilizar o equipamento. Com estas condições foi possível ter um padrão de difração de raios-X completo a cada 40 minutos, aproximadamente.

Com o objetivo de avaliar qualitativa e quantitativamente a adesão dos revestimentos foram realizados teste de indentação e riscamento. Porém, antes da realização destes ensaios verificou- se a espessura do revestimento, que é um dos requisitos para validar o teste de indentação Rockwell C para avaliar a adesão. As medições foram realizadas em equipamento de fluorescência de raios-X para medição de espessuras em revestimentos, da marca FISCHERCOPE®. O equipamento pertence ao Laboratório de Análises da empresa Oerlikon Balzers de Jundiaí e os resultados destas medições para as brocas utilizadas nos ensaios deste trabalho foram fornecidos pelos profissionais de empresa Balzers.

Vale ressaltar que, a medição de espessura dos revestimentos utilizando fluorescência de raois-X é dita como referência. Uma medida mais precisa poderia ser obtida pelo teste chamado

calowear. Porém, como a Faculdade de Engenharia Mecânica não possui o equipamento, optou-

se por utilizar um equipamento disponível no momento.

A dureza do substrato também foi medida utilizando um microdurômetro da marca Shimadzu, de carga máxima 2000 gramas, pertencente ao Laboratório de Biomateriais e Biomecânica (Labiomec), instalado na Faculdade de Engenharia Mecânica.

O ensaio de dureza Rockwell (indentação Rockwell) foi realizado nas três condições de textura das brocas revestidas com os revestimentos Helica e Futura. Tal ensaio foi realizado no Departamento de Materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp, utilizando um durômetro universal Wolpert. Após as indentações, as amostras foram lavadas no ultrassom e a caracterização das impressões, conforme citado no subitem 2.3.1, foi realizada no microscópio eletrônico de varredura.

O controle do risco foi realizado por um microcomputador utilizando o software UMT do fabricante do equipamento, cujo comprimento e velocidade foi de 3 mm e 0,05 mm/s, respectivamente. A carga normal (Fz) foi aumentada de 1 a 100 N progressivamente à medida que o penetrador aprofundava-se no substrato da ferramenta em um intervalo de tempo de 60 segundos. O indentador Rockwell C utilizado, que é a ferramenta que realiza o risco, possuía raio nominal de 200 µm e a fixação das amostras se deu em um suporte plano do equipamento com resina (éster de cianocrilato). A Figura 3.5 mostra a montagem de uma série de 12 ensaios realizados. Para melhor descrição deste teste, ver item 2.3.2 deste trabalho.

Durante o ensaio a temperatura ambiente variou de 21 a 24 ºC e a umidade relativa de 60 a 70%. Os dados adquiridos pelo programa foram a força normal (Fz), o coeficiente de atrito

(COF) e o comprimento do riscamento (x). Um tribômetro modelo UMT3 fabricado pela CETR, da Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) do Inmetro, do Laboratório de Biomateriais e Tribologia (Labit) foi utilizado seguindo como referência a norma ISO 20502: 2005 para realizar os ensaios.