RESISTÊNCIA AO DESGASTE ABRASIVO DE AÇOS FERRAMENTA AVALIADA POR MEIO DO ENSAIO PINO-DISCO

6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO 6th BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING

11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil

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Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011

RESISTÊNCIA AO DESGASTE ABRASIVO DE AÇOS FERRAMENTA

AVALIADA POR MEIO DO ENSAIO PINO-DISCO

José Divo Bressan1_{, dem2jdb@joinville.udesc.br}

Roberto Alexandre Schopf 1_{, roberto_a_schopf@yahoo.com.br}

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Departamento de Engenharia Mecânica, Centro de Ciências Tecnológicas - UDESC – Campus Universitário 89.223-100 – Joinville/SC.

Resumo: O presente trabalho examina a resistência e os mecanismos de desgaste abrasivo de aços ferramenta, os quais respondem pela maior contribuição nas falhas em ferramentas da indústria mecânica. Os ensaios de atrito e desgaste foram realizados por meio do equipamento automatizado pino-disco cujo pino era de aço ferramenta e o contra-corpo era um disco abrasivo de carboneto de silício. Utilizou-se uma carga normal de 5 N, velocidade de deslizamento de 0,45 m/s, distancia total de deslizamento de 3000 m e temperatura ambiente. A taxa de desgaste foi calculada por meio da Equação de Archad e de gráficos de volume perdido cumulativo dos pinos. Ferramentas utilizadas em processos abrasivos sem lubrificação falham em decorrência deste tipo de desgaste. É comum relacionar a resistência ao desgaste como uma função dependente apenas da dureza dos materiais envolvidos. No entanto, existem outros parâmetros que também influenciam no desgaste tais como: a tenacidade a fratura, o tipo de estrutura cristalina e a existência de precipitados na matriz metálica, e também a natureza dos mesmos. No presente estudo analisaram-se os mecanismos atuantes no desgaste da ferramenta e por meio de testes normalizados, avaliou-se a resistência ao desgaste de nove diferentes aços ferramenta, comparando-se aços convencionais normalmente utilizados em ferramental como o AISI H13 e AISI A2 em relação a aços fabricados por sinterização como o Crucible CPM 3V e CPM 9V. As amostras receberam tratamento térmico adequado de tempera e três revenidos. Foram realizadas análises metalográficas da microestrutura e avaliadas as durezas Vickers das amostras ensaiadas. Conclue-se com apresentação de uma escala de classificação comparativa dos diferentes aços ferramentas com relação à resistência ao desgaste abrasivo: o melhor aço ferramenta foi o Crucible CPM 9V.

Palavras-chave: Ensaio pino-disco, aço ferramenta, resistência ao desgaste, mecanismos de desgaste.

1. INTRODUÇÃO

O desgaste abrasivo é definido como a perda de material provocada pela passagem de uma partícula dura sobre uma superfície de material mais mole (Stachowiak et al., 2005; Williams, 1997). Vários fatores devem ser considerados na análise de um sistema tribológico, pois o desgaste ou retirada de material é resultante de uma grande quantidade de variáveis, o que torna seu estudo complexo. De modo geral, a dureza e a microestrutura são dois dos principais fatores que influenciam no desgaste abrasivo.

Conforme Zum Gahr (1998), com o aumento da dureza, a perda por desgaste pode aumentar em até duas ordens de grandeza. Neste caso, a transição de desgaste brando para severo ocorre quando a dureza da partícula abrasiva passa a ser igual ao do material desgastado, isto ocorre tanto para materiais puros, quanto para os materiais multifásicos.

Em aços ferramentas, contudo, a micro estrutura destaca-se como fator chave no desgaste resultante. O percentual de carbono de um aço está diretamente ligado à temperabilidade da liga, o que o torna um elemento determinante na obtenção de estruturas com elevada resistência ao desgaste, no entanto, para obtenção de excepcionais resultados, se faz necessário a utilização de elementos de liga adicionais que propiciam a formação estruturas ainda mais resistentes, principalmente através da formação de carbetos.

Schemmel et al. (2006) cita em seu estudo os resultados que indicam um decrescente efeito do desgaste adesivo com o aumento da quantidade de carbetos na matriz dos aços ferramenta. A presença destes carbetos superduros, além de conferirem uma maior resistência ao desgaste em função da sua elevada dureza, geralmente apresentam menor afinidade química com o metal da contra-face. Desta forma, quando se aumenta a quantidade ou o tamanho dos carbetos, ocorre consequentemente uma redução dos espaços entre estes carbetos, reduzindo-se a probabilidade de formação de uma área de contato real entre a matriz, de dureza inferior, e a contra-face e desta forma minimiza a propensão ao desgaste adesivo.

estrutural “A” que é o tamanho do carbeto primário multiplicado pela fração de volume de carbetos e pela dureza do carbeto, ver Fig. (1).

Taxa de desgaste abrasivo 10-4 _cm2_/min

P ar âm et ro e st ru tu ra l, A

Taxa de desgaste abrasivo 10-4 _cm2_/min

P ar âm et ro e st ru tu ra l, A

Figura 1. Resistência à abrasão de aços ferramenta em função do parâmetro estrutural (Budinski, 1996).

Zum Gahr (1998) relacionou ainda quatro possíveis tipos de interação entre a partícula abrasiva e o material desgastado: microsulcamento, microcorte, microfadiga e microtrinca. A seguir, o estudo apresentado contemplará a morfologia dos desgastes abrasivos apresentados nas superfícies dos corpos de prova, buscando identificar estes tipos de interação.

O presente estudo comparativo utilizou nove diferentes aços ferramenta, comerciais e com tratamento térmico apropriado, que são usualmente utilizados na fabricação de moldes e matrizes, mas que também são utilizados em outras aplicações que exigem elevada tenacidade e resistência ao desgaste, sem lubrificantes. Dentre os aços estudados, quatro foram obtidos através do processo de sinterização com microestrutura mais homogênea.

2. MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 2.1 Materiais

Os corpos de prova de aços ferramentas selecionados foram usinados, utilizando-se dos mesmos equipamentos de usinagem e retífica, bem como tratados termicamente na mesma empresa, seguindo as recomendações de cada fornecedor. A Tabela (1) apresenta a composição química e processo de fabricação dos aços considerados no estudo.

Tabela 1. Composição química e processo de fabricação dos aços ferramenta ensaiados.

Aço Ferramenta C (%) Si (%) Cr (%) Mo (%) V (%) W (%) Mn (%) Co (%) Processo K190 Microclean 2,30 0,40 12,50 1,10 4,00 0,40 S K360 Isodur 1,25 0,90 8,75 2,70 0,35 C W360 Isobloc 0,50 0,20 4,50 3,00 0,55 0,25 C AISI A2 1,00 0,30 5,30 1,10 0,20 0,60 C AISI H13 0,40 1,00 5,20 1,30 1,05 0,35 C Sinter 30 1,29 4,20 5,00 3,10 6,30 8,40 S Crucible CPM 3V 0,80 7,50 1,30 2,80 S Crucible CPM 9V 1,90 5,25 1,30 9,10 S Crucible CPM M4 1,42 4,00 5,25 4,00 5,50 0,30 S Processo: S: Sinterização C: Convencional

2.2 Procedimento Experimental 2.2.1 Ensaio de Dureza

As amostras tiveram suas durezas medidas por meio do ensaio de dureza Vickers e microdureza Vickers em durômetros com cargas de 50kg e 1000g respectivamente. As microdurezas foram medidas diretamente no pino fabricado, enquanto que as durezas normais foram obtidas em amostras na forma de barra de secção 10x10mm.

2.2.2 Análise Metalográfica

Foram realizadas análises metalográficas em microscópio óptico nos corpos de prova dos aços ferramenta a fim de caracterizar suas microestruturas. As amostras foram atacadas com reagente nital 5%.

2.2.3 Ensaio de Resistência ao Desgaste

O teste de resistência ao desgaste abrasivo foi realizado em um equipamento de pino-disco com carga e velocidade constante, seguindo o padrão estabelecido na norma ASTM G-99-95 (1995), sob condição de atmosfera normal de 20°C e umidade relativa entre 54-60%. Adotou-se no ensaio um pino com extremidade plana e circular conforme apresentado na Fig. (2), potencializando assim área de contato com o disco que correspondia a 12,57mm2, esta condição foi escolhida para permitir a reutilização do mesmo pino em testes confirmatórios ou em outras condições. Para evitar vibração do pino durante o teste, o mesmo foi fixo no equipamento através de uma camisa que possuía um batente interno para permitir a regulagem do comprimento do pino fora da camisa. Foram testadas três amostras de cada material.

Rebolos de carbeto de silício, 39C100K, da Norton de mesmo lote de fabricação, foram utilizados como contra-face (disco). Esta configuração de rebolo foi escolhida por apresentar alta resistência ao desgaste e elevada capacidade de penetração.

Figura 2. Geometria do pino de aço ferramenta do teste pino-disco.

A carga aplicada no teste foi de 5N e a velocidade de deslizamento durante o teste foi mantida constante em 0,455m/s, sendo realizada medições de perda de massa a cada intervalo de 300m, o percurso total utilizado foi 3000m. A perda de massa no pino foi medida por meio de uma balança analítica KERNABS de precisão 0,1mg.A perda de

volume foi calculada dividindo a perda de massa medida pela densidade de cada respectivo aço ferramenta.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Metalografia

As microestruturas dos aços estudados são apresentadas na Fig. (3) abaixo. Pode-se observar que todos apresentam uma grande quantidade de carbetos. Os aços W360, AISI A2 e AISI H13 apresentam carbetos primários grandes, indicando uma previsão da maior taxa de desgaste em relação aos outros aços ferramentas (Budinski, 1996).

a) K190 Microclean

a) K360 Isodur

c) W360 Isobloc

d) A2

e) H13

f) Sinter 30

g) CPM3V

h) CPM9V

3.2 Dureza

A Tabela (2) apresenta os respectivos valores médios de dureza dos aços ferramenta ensaiados, 5 repetições dos ensaios de dureza e microdureza para cada aço.

Tabela 2. Dureza Vickers, carga de 50 kg, e microdureza dos aços ferramenta.

Aço Dureza Vickers

(HV) Microdureza (mHV) 1000 g K190 Microclean 813 814 K360 Isodur 785 765 W360 Isobloc 617 809 AISI A2 756 821 AISI H13 618 687 Sinter 30 797 1091 Crucible CPM 3V 666 723 Crucible CPM 9V 682 727 Crucible CPM M4 688 881

3.3 Ensaio de Resistência ao Desgaste

A taxa de desgaste dos aços ferramentas ensaiados foram calculadas, utilizando-se a Equação do desgaste de Archad (Hutchings, 1995; Archad, 1953). A Equação fenomenológica, Eq. (1), que geralmente é utilizada na análise dos resultados experimentais do ensaio de desgaste de laboratório avalia a razão de desgaste e o coeficiente de desgaste através da Equação linear,

H

F

K

S

V

/m)

(mm

Q

=

=

onde K é o coeficiente de desgaste: é adimensional e menor que 1. Q é o parâmetro que mede a razão de desgaste ou “taxa de desgaste” (Q = volume perdido acumulado V ou massa perdida por unidade de deslizamento S), FN é a carga

normal aplicada, H é a dureza Vickers do material mais mole (Kgf/mm2). Em geral, a resistência ao desgaste é definida como sendo 1/K.

Os resultados do teste de desgaste foram traçados num gráfico, indicando a perda de volume acumulado de cada aço em função da distância percorrida de deslizamento.

A Figura (4) apresenta as médias de três amostras das medições realizadas de cada aço. Todos os aços apresentaram uma taxa de desgaste mais acentuada nos primeiros 600m ou primeiro estágio do desgaste ou rodagem inicial. Atribui-se a esAtribui-se comportamento ao fato da maior pressão na área real de contato entre as partículas duras de carbeto de silício e a superfície do aço. Também, que as arestas dos grãos de carbeto de silício do disco apresentam-se mais agudas no estagio inicial do ensaio, conforme pode se observar na Fig. (4). No segundo estágio da perda de volume do pino, a curva é aproximadamente linear com a taxa de desgaste constante. Portano, o padrão de comportamento da curva do ensaio de desgaste abrasivo dos pinos com o emprego de disco abrasivo de carbeto de silício é semelhante a curva de desgaste por deslizamento de pino de aço ferramenta contra chapa de aço verificada experimentalmente em outros trabalhos de pesquisa em desgaste (Bressan et al., 2001).

Os resultados do presente trabalho demonstram a existência de 2 grupos distintos de aços quanto a taxa de desgaste Q: os aços ferramentas convencionais e os aços sinterizados. Os aços convencionais são o AISI A2, AISI H13, Bohler W360, Bohler K360 e os aços sinterizados por metalurgia do pó são o Crucible CPM 3V, CPM 9V, CPM M4, Bohler K190 e Sinter 30. De modo geral, os aços sinterizados apresentaram uma maior resistência ao desgaste, ou seja, menor taxa de desgaste no segundo estágio do ensaio. A maior taxa de desgaste foi do aço H13, Q= 5,21x10-3mm3/m, e a menor taxa de desgaste foi do aço CPM 9V, Q= 2,15x10-4mm3/m, ou seja, 20 vezes menor que o aço H13. Os valores calculados da taxa de desgaste e microdureza de cada aço estão mostrados na Fig. (5).

Os valores medidos de microdureza estão em torno de 800 HV para todos os aços, exceto para o aço Sinter 30 cuja microdureza foi de 1091 mHV. Este fato contraria a Equação (1) de Archad que prediz uma menor taxa de desgaste para uma dureza do aço ferramenta. Portanto, o coeficiente de desgaste K depende do material, ou seja, de outros parâmetros do material, pois as outras condições do processo de desgaste como carga, velocidade, temperatura, tamanho e dureza da partícula abrasiva do disco são as mesmas. Como visto na introdução acima, Budinski (1996), outros parâmetros importantes da microestrutura do material são o tamanho e dureza do carbeto primário na matriz do aço e a fração de volume de carbetos na matriz metálica. Outros autores citado por Zum Gahr (1998) tem proposto uma Equação do desgaste de materiais compósitos frágeis, que envolve conceitos de mecânica da fratura, Kc , e tamanho

2 1 4 3 c N

H

K

F

d

C

Q

=

onde C é uma constante. Portanto, quanto maior o tamanho de partícula, maior é a taxa de desgaste. Os aços W360, AISI A2 e AISI H13 apresentaram carbetos primários grandes em relação aos demais aços, ver Fig. (3), o que concorda com a previsão da maior taxa de desgaste por meio da Eq. (2) acima.

0,0 4,0 8,0 12,0 16,0 20,0 24,0 28,0 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 Distancia percorrida (m) V ol um e pe rd id o (m m 3 ) H13 A2 K190 W360 K360 CPM M4 SINTER 30 CPM9V CPM3V

Figura 4. Resultados do teste abrasivo pino-disco: volume perdido acumulado em função da distância.

0,0E+00 1,0E-03 2,0E-03 3,0E-03 4,0E-03 5,0E-03 6,0E-03 H13 A2 _K190 _W360 _K360 Sinter 30 CPM 3V CPM 9V CPM M4 Q -a br as iv o ( m m 3 /m ) 0 200 400 600 800 1000 1200 M ic ro du re za V ic ke rs ( H V ) Q-abrasivo Microdureza

4. CONCLUSÕES

Com base nos resultados experimentais dos aços ferramentas ensaiados em equipamento pino-disco do presente trabalho, as seguintes conclusões podem ser ditas sobre a resistência ao desgaste por abrasão,

a) o ensaio de desgaste pino-disco com disco abrasivo ou rebolo de carbeto de silício apresentou uma relação linear da taxa de desgaste Q com a distancia de deslizamento S no segundo estágio do processo de desgaste. Este comportamento é semelhante ao ensaio de desgaste por deslizamento de pino de aço contra disco de aço.

b) verificou-se a existência de 2 grupos distintos de aços quanto a taxa de desgaste Q: os aços ferramentas convencionais e os aços sinterizados. De modo geral, os aços sinterizados apresentaram uma maior resistência ao desgaste, ou seja, menor taxa de desgaste no segundo estágio do ensaio. O melhor aço foi o CPM 9V.

c) a maior taxa de desgaste foi do aço AISI H13, Q= 5,21x10-3mm3/m, e a menor taxa de desgaste foi do aço Crucible CPM 9V, Q= 2,15x10-4mm3/m, ou seja, 20 vezes menor que o aço H13.

d) o coeficiente de desgaste K da Equação de Archad depende do material, ou seja, de outros parâmetros do material. Outros parâmetros importantes da microestrutura do material são o tamanho e dureza do carbeto primário na matriz do aço e a fração de volume de carbetos na matriz metálica.

5. AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer o suporte financeiro recebido do CNPq na forma de auxilio de bolsa de pesquisa, a Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC e a EMBRACO pelo fornecimento das amostras.

6. REFERÊNCIAS

ASTM, Designation: G99-95; 1995, “Standard test method for wear testing with a pin-on-disk apparatus”, pp.336-390. Archard, J.F., 1953, “Contact and rubbing of flat surfaces “, J. Appl. Phys., Vol. 24, pp. 981– 988.

Bressan, J.D. e Hesse, R., 2001, “Construction and validation tests of a pin-on-disc equipment”. In: XVI Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, COBEM 2001, Uberlândia/MG, dezembro/2001.

Budinski, K.G., 1996, ASM Handbook “Friction, Lubrication and Wear Technology”, Vol.18, Ed. ASM, pp.1499-1513. Hutchings, I.M., 1995, Tribology: Friction and wear of engineering materials. Arnold.

Schemmel, I.; Fontalvo, G.A.; Humer, R.; Mitter, C. ; Sammt, K., 2006, “Microstructural aspects determining the adhesive wear of tool steels”. Wear, Vol.260, pp. 1028-1034.

Stachowiak, G.W. and Batchelor, A.W., 2005, “Engineering Tribology”, Butterworth Heinemann, 3rd edition, pp. 447- 616.

Zum Gahr, K-H. , 1998, “Wear by hard particles”, Tribology International, Vol.31, n. 10, pp. 587–596. Williams, J.A., 1997, “The laboratory simulation of abrasive wear”. Tribotest Journal, Vol. 3-3, pp. 267-306.

7. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

ABRASIVE WEAR RESISTANCE OF TOOL STEELS ASSESSED BY THE PIN-ON-DISC

TESTING

José Divo Bressan and Roberto Alexandre Schöpf

Abstract: Present work examines the abrasion wear resistance and mechanisms of tool steels, which are the main contributor of failure of tooling in the mechanical industry. The friction and wear testing were carried out in a pin-on-disc automated equipment which pin was tool steel and the counter-face was a abrasive pin-on-disc of silicon carbide. Normal load of 5 N, sliding velocity of 0,45 m/s, total sliding distance of 3000 m and room temperature were employed. The wear rate was calculated by the Archad’s equation and from plotted graphs of pin cumulated lost volume. Tooling used in abrasive processes without lubrication fails due to this type of wear. It is common to relate wear resistance as function of material hardness only. However, there are others parameters which influences wear such as: fracture toughness, type of crystalline structure and the occurrence of precipitate in the metallic matrix and also the its nature. In the present investigation, the wear mechanisms acting in tool steels were analyzed and, by normalized tests, wear resistance of nine different types of tool steels were evaluated, comparing conventional tool steels commonly used in tooling such as AISI H13 and AISI A2 in relation to tool steels fabricated by sintering process such as Crucible CPM 3V and CPM 9V. The specimens were appropriately heat treated by tempering and three quenching cycles. Metallographic analyses of microstructure and Vickers hardness of specimens were performed. The work is concluded with the presentation of a rank of tool steel wear rate, comparing the different tool steel abrasion wear resistance: the best tool steel evaluated was the Crucible CPM 9V.