Fatorial multinível

Para usinagem da liga de cobalto foi aplicado um planejamento experimental denominado fatorial multinível. A aplicação da técnica multinível possibilitou explorar de maneira satisfatória algumas condições na usinagem da liga ASTM F75. O experimento fatorial multinível serviu para determinar os fatores significativos do processo, tomando como resposta o desgaste da ferramenta de corte, a rugosidade gerada durante o processo e as alterações de microdureza causadas no torneamento da liga biomédica.

Foram considerados dois fatores na usinagem da liga de cobalto: os parâmetros de velocidade de corte (𝑣_𝑐) e avanço (𝑓). O parâmetro de profundidade de usinagem (𝑎_𝑝) foi fixado em um valor constante e não foi considerado como fator significativo. O experimento considerou três níveis para cada fator ensaiado, além de réplicas nas condições experimentadas. Além disso, a sequência dos ensaios foi aleatorizada a fim de diminuir possíveis confusões entre os efeitos dos fatores presentes no estudo com os efeitos de fatores que não estão no estudo. Na Tabela 5.2 é resumido o planejamento fatorial multinível aplicado. O software utilizado na construção do planejamento experimental foi o Minitab® 18. Para todas as análises estatísticas, o nível de significância adotado foi de 𝛼 = 5%. O embasamento do planejamento experimental foi dado pela literatura HAIR et al (2009).

Tabela 5.2 – Resumo do planejamento experimental

Configuração Valor Fatores 2 Níveis 3 Ensaios Base 9 Réplicas 2 Total de Ensaios 18 5.2.3 Parâmetros de processamento

Para o processamento dos corpos de prova é necessário considerar a ferramenta de corte, as condições de usinagem e no processo de torneamento. Os parâmetros ligados à ferramenta de corte são: (i) geometria e dimensões do inserto, (ii) classe da ferramenta de corte, (iii) tipo

de revestimento aplicado no substrato da ferramenta. Esses parâmetros estão ligados à escolha da ferramenta mais adequada ao processo de torneamento da liga. No Quadro 5.1 são apresentadas as informações gerais dos insertos usados no torneamento da liga biomédica de cobalto. As condições de usinagem estão relacionadas ao tipo de fluido de corte e o tipo de operação usada nos ensaios. Já os parâmetros de corte referentes ao processamento da liga de cobalto são basicamente três, a velocidade de corte (𝑣_𝑐), avanço (𝑓) e profundidade de usinagem (𝑎𝑝).

As condições de usinagem experimentadas foram determinadas a partir das características do processo. Os corpos de prova foram usinados em condição de acabamento (característica dos fornecedores de próteses), pois se pretendia obter como resposta o desgaste das ferramentas e a rugosidade das superfícies usinadas a partir da combinação de alguns parâmetros de corte. Para tal condição, optou-se por usar fluido de corte durante o torneamento, pois a usinagem em uma liga resistente ao calor sem fluido traria um desgaste prematuro à ferramenta (DINIZ; MARCONDES; COPPINI, 2014). Portanto, o fluido de corte usado foi uma emulsão de 10% de óleo em água com aditivos da linha VASCO 6000, da fabricante Blaser®. A quantidade do fluido no processo foi de 8 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠/𝑚𝑖𝑛 em vazão constante.

A determinação dos parâmetros de corte baseou-se na recomendação do fabricante para ferramenta de corte CNMG 120404 EN-F34. A Ceratizit recomenda, na usinagem de ligas resistente ao calor, valores iniciais de velocidade de corte (𝑣𝑐) de 40 − 70 𝑚/𝑚𝑖𝑛, avanço (𝑓) de 0,08 − 0,22 𝑚𝑚 e profundidade de usinagem (𝑎_𝑝) de 0,24 − 2,00 𝑚𝑚. Na Tabela 5.3 são apresentados os valores de velocidade de corte (𝑣_𝑐), avanço (𝑓) e profundidade de usinagem que foram utilizados. Pode ser visto que o parâmetro de profundidade de usinagem foi fixado no valor mínimo indicado pelo fabricante (𝑎𝑝) = 0,24 𝑚𝑚 em razão das limitações de matéria- prima, no entanto a velocidade de corte foi excedida para estudar o desempenho da ferramenta.

Tabela 5.3 – Ordem dos ensaios com os valores a serem usados Ordem 𝒗𝒄 (𝒎/𝒎𝒊𝒏) 𝒇 (𝒎𝒎) Ordem 𝒗𝒄 (𝒎/𝒎𝒊𝒏) 𝒇 (𝒎𝒎) 1 60 0,18 10 75 0,18 2 90 0,18 11 60 0,13 3 90 0,18 12 60 0,13 4 60 0,18 13 60 0,08 5 75 0,18 14 90 0,13 6 75 0,13 15 90 0,08 7 90 0,08 16 75 0,08 8 75 0,08 17 60 0,08 9 75 0,13 18 90 0,13 5.2.4 Preparações de experimentos

Antes da etapa de usinagem foi necessário caracterizar a liga de cobalto e as ferramentas de corte. As caracterizações das ferramentas foram realizadas em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e Espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) e nos corpos de prova, análises de microdureza e Fluorescência de Raios-X (FRX).

Para a caracterização e análise da liga biomédica foi extraída uma amostra de um corpo de prova bruto, antes do processo de usinagem. Além disso, os corpos de prova tiveram de ser preparados para o torneamento, embora tenham sido fornecidos na forma de cilindros, os mesmos não estavam adequados aos ensaios.

a) Caracterização do corpo de prova

Como os corpos de provas solicitados saíram de uma única corrida de lingotamento, espera-se que as propriedades físico-químicas do material sejam semelhantes e, por isso, não houve a necessidade de caracterizar todos os corpos de provas brutos. Portanto, apenas uma amostra, denominada 𝐴𝐹1, foi analisada e seus resultados marcaram as características dos corpos de prova antes do torneamento.

Uma amostra do material recebido foi embutida e preparada no Laboratório Multiusuário de Caracterização de Materiais da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP. O

procedimento de preparação metalográfica incluiu o uso de lixas de grana de 100 a 1200, polimento com pasta de diamante de 1 𝜇𝑚 e polimento fino usando uma solução com coloides de 40 𝑛𝑚. Para revelar a microestrutura, foi realizado ataque eletrolítico com tensão de 6 𝑉, com catodo de grafite, em solução de 10 𝑔 de ácido oxálico em 100 𝑚𝑙 de água.

A microestrutura da liga de cobalto foi visualizada por meio de microscopia óptica, usando o equipamento MD IL LED da Leica com o software Leica Aplication System v4, Figura 5.4.

Figura 5.4 – Microestrutura da liga de Co-Cr-Mo obtidas com base na norma ASTM F75

Na Figura 5.4 – a) é possível perceber regiões interdendríticas da estrutura na matriz de ε-Co. Ao ampliar a microestrutura 1000x foi possível observar pequenos aglomerados e com auxílio de Espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) foi possível confirmar a presença de Cr, Mo, C e carbonetos (Figura 5.4 – b). Essa aglomeração pode ser decorrente do tratamento térmico sofrido pelo material depois do lingotamento.

Já o ensaio de dureza no material foi realizado no microdurômetro da Future-Tech, modelo FV-800, utilizando uma carga de teste de 3 𝑘𝑔𝑓, com tempo de aplicação de 15 𝑠 da

5 µm

a) b)

Aglomerados ricos em Cr, Mo, C e carbonetos

carga sobre a amostra. As endentações foram realizadas da borda para o centro da peça em quatro regiões específicas, Figura 5.5 – b.

Na Figura 5.5 – a são apresentados os resultados de dureza Rockwell C no corpo de prova AF_1, neste teste foi considerado o valor de dureza médio de 35 pontos aferidos na amostra, seguindo a norma de dureza Rockwell ASTM E18 (ASTM, 2019). O valor médio das quatro regiões medidas foi de 29,9 ± 2,5 HRC, ficando dentro da faixa de dureza especificada pela norma ASTM F75 (ASTM, 2018), que varia de 25 a 35 HRC. Além disso, observa-se uma variação significativa da dureza entre das médias dos grupos mensurados, o que pode ser devido às instabilidades provenientes do processo de fabricação do material.

Figura 5.5 – Dureza Rockwell C para AF_1

A verificação da composição geral da liga de cobalto foi realizada por meio de um ensaio de espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX) no equipamento Rigaku RIX 3100. O resultado do ensaio foi apresentado na Tabela 5.1.

b) Caracterização da ferramenta

O teste preliminar realizado na ferramenta de corte CNMG 120404 EN-F34 teve o objetivo de comprovar as características fornecidas pelo fabricante da ferramenta, relacionadas aos materiais depositados sobre a ferramenta de corte. A morfologia da ferramenta foi analisada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e a caracterização por EDS mostrou quais os

20,0 25,0 30,0 35,0 AF_1 HRC HRC_1 HRC_2 HRC_3 HRC_4 Média HRC_1 HRC_2 HRC_3 HRC_4 a) b)

elementos químicos presentes sobre a superfície da ferramenta.

Na Figura 5.6 é mostrada a morfologia da ferramenta de corte antes do processo de torneamento. Algumas falhas de adesão foram observadas no revestimento de nitreto de titânio sobre a camada anterior, portanto ao analisar os mecanismos de desgaste da ferramenta de corte foi verificado o comportamento desses pequenos defeitos em torno dos desgastes.

Figura 5.6 – MEV da superfície de flanco da ferramenta CNMG 120404 EN-F34

A caracterização por EDS foi realizada para analisar a composição em porcentagem de massa dos elementos químicos presentes sobre a superfície da ferramenta. Na Figura 5.8 são mostrados os resultados para o ensaio de EDS na superfície da ferramenta antes do processo de usinagem. Como pode ser visto, foram detectados os principais elementos que compõem o revestimento da ferramenta de corte, ou seja, titânio e nitrogênio, em concordância com os dados fornecidos pelo fabricante. No entanto, também foi detectado vanádio, o que pode significar um erro de leitura do equipamento, visto que a energia dispersiva “𝐾_𝛼” do vanádio é próxima da energia dispersiva do titânio.

Figura 5.7 – EDS da superfície de flanco da ferramenta CNMG 120404 EN-F34

Os testes preliminares permitiram certificar a condição inicial da ferramenta de corte antes do processo de usinagem. Os resultados dos testes foram usados como parâmetro de comparação para avaliação dos efeitos do torneamento no material biomédico.

c) Preparação dos corpos de prova

Os corpos de prova usados nos ensaios de torneamento foram fabricados pelo processo de eletroerosão para deixá-los cilíndricos. Posteriormente, esses corpos de prova recebidos da empresa Fundimazza foram preparados de maneira a tornar possível a caracterização e análise pós-usinagem. Dessa forma, as peças fundidas foram cortadas com as dimensões desejadas, Figura 5.8. Para facilitar a identificação dos corpos de provas, eles foram denominados de 𝑈𝑃01 a 𝑈𝑃18. Cada bloco de 27 𝑚𝑚 do corpo de prova foi tratado como um segmento do mesmo e recebeu a denominação de 𝑆_1 a 𝑆_4. O segmento de 28 𝑚𝑚 foi usado na fixação do corpo de prova nas castanhas da placa universal do torno.

Figura 5.8 – Especificações do corpo de prova.

A ordem dos ensaios foi definida no planejamento experimental, cada ensaio teve uma rotina seguida para que o objetivo dos experimentos fosse alcançado. A usinagem dos corpos

Espectro N Ti V 1 25,37 67,03 7,59 2 26,47 63,29 10,24 média 25,92 65,16 8,92 2 1

de prova pode ser melhor entendida pela Figura 5.9.

Figura 5.9 – Fluxograma para o processo de torneamento.

O fim do ensaio é determinado pelo volume total (𝑉_𝑡) de material removido em cada corpo de prova, isto é, 𝑉_𝑡 = 4033 𝑚𝑚³. A partir desse valor, foram analisados os desgastes nas ferramentas de corte.

Na primeira passada, todos os segmentos do corpo de prova foram usinados. Já no segundo passe da ferramenta um dos segmentos não foi usinado, preservando a informação da camada anterior. Dessa forma, no terceiro passe, dois segmentos não foram usinados e na quarta passada da ferramenta apenas um dos segmentos é torneado.

Em resumo, o processo de usinagem dos corpos de prova pode ser entendido através da Figura 5.10. Ressaltando que, após o item 5 da Figura 5.10

Figura 5.10, cada segmento devidamente identificado foi cortado para posterior

caracterizações e análises. Com isso, foi possível analisar como a usinagem contínua afetou o material da peça em cada passada, em termos de alteração da microdureza e rugosidade.

As caracterizações e análises relacionadas às ferramentas de corte foram realizadas depois dos ensaios de usinagem. As análises em MEV e EDS feitas no inserto serviram para caracterizar o mecanismo de desgaste das ferramentas e verificar se houve difusão do material da peça de trabalho nas ferramentas. Os testes preliminares serviram de corpos padrão para apontar mudanças significativas pós usinagem nos insertos. Os resultados dessas caracterizações serão apresentados e discutidos em capítulo separado.