6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE F 6th
© Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas
INTEGRIDADE DE SUP
POR PENETRAÇÃO UTILIZANDO ELETRODOS DE GRAFITA
Fred Lacerda Amorim, fred.amorim@pucpr.br
Leandro Stedile, loredano13@gmail.com
Ricardo Torres, ricardo.torres@pucpr.br
Paulo César Soares Jr., pa.soares@pucpr.br
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Av. Imaculada Conceição, 1155 – Prado Velho
80.215 901 – Curitiba – PR
Resumo: O titânio e suas ligas apresentam uma crescente aplicação no ambiente ind
propriedades como, por exemplo, alta resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e elevada resistência ao desgaste. Porém, o titânio e suas ligas apresentam alta reatividade química com a maioria das ferrament
geometria definida, além disso, possui baixa condutividade térmica e alta resistência mecânica. Estas características fazem com que as ligas de titânio sejam difíceis de serem trabalhadas pelos processos convencionais de usinagem. A eletroerosão se destaca como um processo alternativo para usinagem destes materiais. Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho de eletrodos de grafita, com di
penetração em regime de desbaste, semi
integridade das superfícies das peças eletroerodidas
rugosidade, micro-fissuras, poros e microdureza foram investigados.
Palavras-chave: Eletroerosão por penetração, liga Ti6Al4V, eletrodos de grafita, integridade de superfície.
1. INTRODUÇÃO
O titânio e suas ligas são materiais amplamente utilizados na indústria
de implantes e instrumentos cirúrgicos, além de outras importantes aplicações industriais (1984). A extensiva utilização do titânio e suas ligas estão relacionadas às suas excelentes
exemplo, baixa massa específica e uma resistência mecânica similar a dos aços. Além disso, as ligas de titânio possuem elevada resistência ao calor e à corrosão e, quando comparado a
maior de aplicações na indústria, segundo a
Apesar do crescente aumento na produção e na aplicação do titânio e suas ligas, esses materiais são caros quando comparados a outros materiais. Isto se deve, em parte, a complexidade do processo de extração do titânio, a dificuldade de fusão desse material e a problemas relacionados à usinagem e a outros processos de
segundo relatado em estudo de Bomberg
forjamento e metalurgia do pó têm sido introduzidos a fim de reduzir os custos de fabri como destacado por Chen (1982). No entanto,
aplicações, é produzida por processos de usinagem convencionais, a saber: furação, fresamento retificação etc.
Porém, a usinagem do titânio e de suas ligas, pelas técnicas convencionai a várias propriedades intrínsecas do titânio, como destaca
condutividade térmica do titânio eleva consideravelmente a temperatura na interface ferramenta/peça,
vida da ferramenta de várias formas. O titânio é altamente reativo quimicamente com a maioria das ferramentas de corte, aspecto que possibilita adesão de material na ferramenta durante a usinagem, promovendo falha prematura da ferramenta. Além disto, a alta resistência mecânica e o baixo módulo de elasticidade do titânio e de suas ligas a altas temperaturas também afetam de modo negativo sua usinabilidade. Entretanto,
(1995), técnicas especiais de usinagem
utilizados como métodos alternativos para melhorar o rendimento da usi A eletroerosão (Eletrical Discharge Machining
conversão de energia elétrica em energia térmica
um material apresenta muito pouca dependência de suas propriedades mecânicas, ao contrário das técnicas
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE F
th
BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING 11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul –
ssociação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
INTEGRIDADE DE SUPERFÍCIE DA LIGA Ti6Al4V USINADA
POR PENETRAÇÃO UTILIZANDO ELETRODOS DE GRAFITA
fred.amorim@pucpr.br loredano13@gmail.com ricardo.torres@pucpr.br
pa.soares@pucpr.br
fícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR
Graduação em Engenharia Mecânica – PPGEM Prado Velho
O titânio e suas ligas apresentam uma crescente aplicação no ambiente industrial devido às suas excelentes propriedades como, por exemplo, alta resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e elevada resistência ao desgaste. Porém, o titânio e suas ligas apresentam alta reatividade química com a maioria das ferrament
geometria definida, além disso, possui baixa condutividade térmica e alta resistência mecânica. Estas características fazem com que as ligas de titânio sejam difíceis de serem trabalhadas pelos processos convencionais de usinagem. A osão se destaca como um processo alternativo para usinagem destes materiais. Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho de eletrodos de grafita, com diferentes tamanhos de partícula, no processo de eletroerosão por penetração em regime de desbaste, semi-acabamento e acabamento da liga de titânio Ti6Al4V.
superfícies das peças eletroerodidas, em se tratando de espessura da camada re fissuras, poros e microdureza foram investigados.
por penetração, liga Ti6Al4V, eletrodos de grafita, integridade de superfície.
O titânio e suas ligas são materiais amplamente utilizados na indústria aeroespacial, na área médica para a produção cirúrgicos, além de outras importantes aplicações industriais, como apresenta Myers . A extensiva utilização do titânio e suas ligas estão relacionadas às suas excelentes
exemplo, baixa massa específica e uma resistência mecânica similar a dos aços. Além disso, as ligas de titânio possuem corrosão e, quando comparado a outras ligas especiais, apresentam um número muito aior de aplicações na indústria, segundo apresentado em ASM Handbook (1995).
Apesar do crescente aumento na produção e na aplicação do titânio e suas ligas, esses materiais são caros quando outros materiais. Isto se deve, em parte, a complexidade do processo de extração do titânio, a dificuldade de fusão desse material e a problemas relacionados à usinagem e a outros processos de fabricação de peças de titânio,
omberger e Froes (1984). Métodos de fabricação
near-net-forjamento e metalurgia do pó têm sido introduzidos a fim de reduzir os custos de fabricação de componentes
No entanto, ele também relata que a maioria das peças de titânio, para diversas aplicações, é produzida por processos de usinagem convencionais, a saber: furação, fresamento
do titânio e de suas ligas, pelas técnicas convencionais, é considerada geralmente secas do titânio, como destaca Znidarsic e Junkar (1996). Ele apresenta que a condutividade térmica do titânio eleva consideravelmente a temperatura na interface ferramenta/peça,
vida da ferramenta de várias formas. O titânio é altamente reativo quimicamente com a maioria das ferramentas de corte, aspecto que possibilita adesão de material na ferramenta durante a usinagem, promovendo falha prematura da Além disto, a alta resistência mecânica e o baixo módulo de elasticidade do titânio e de suas ligas a altas temperaturas também afetam de modo negativo sua usinabilidade. Entretanto, como investigado por Ezugwu
técnicas especiais de usinagem convencional e outros processos de usinagem não utilizados como métodos alternativos para melhorar o rendimento da usinagem do titânio e suas ligas.
Eletrical Discharge Machining – EDM) é um processo de usinagem
não-energia térmica para a remoção de material da peça. Desse modo, a erodibilidade de um material apresenta muito pouca dependência de suas propriedades mecânicas, ao contrário das técnicas
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
Caxias do Sul – RS - Brasil RS – Brazil
ERFÍCIE DA LIGA Ti6Al4V USINADA POR EDM
POR PENETRAÇÃO UTILIZANDO ELETRODOS DE GRAFITA
ustrial devido às suas excelentes propriedades como, por exemplo, alta resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e elevada resistência ao desgaste. Porém, o titânio e suas ligas apresentam alta reatividade química com a maioria das ferramentas de corte de geometria definida, além disso, possui baixa condutividade térmica e alta resistência mecânica. Estas características fazem com que as ligas de titânio sejam difíceis de serem trabalhadas pelos processos convencionais de usinagem. A osão se destaca como um processo alternativo para usinagem destes materiais. Este trabalho teve por objetivo no processo de eletroerosão por acabamento e acabamento da liga de titânio Ti6Al4V. Aspectos de tando de espessura da camada re-solidificada,
por penetração, liga Ti6Al4V, eletrodos de grafita, integridade de superfície.
aeroespacial, na área médica para a produção como apresenta Myers et al . A extensiva utilização do titânio e suas ligas estão relacionadas às suas excelentes propriedades como, por exemplo, baixa massa específica e uma resistência mecânica similar a dos aços. Além disso, as ligas de titânio possuem outras ligas especiais, apresentam um número muito Apesar do crescente aumento na produção e na aplicação do titânio e suas ligas, esses materiais são caros quando outros materiais. Isto se deve, em parte, a complexidade do processo de extração do titânio, a dificuldade fabricação de peças de titânio,
-shape tais como fundição,
cação de componentes de titânio, a maioria das peças de titânio, para diversas aplicações, é produzida por processos de usinagem convencionais, a saber: furação, fresamento, torneamento, s, é considerada geralmente difícil devido Ele apresenta que a baixa condutividade térmica do titânio eleva consideravelmente a temperatura na interface ferramenta/peça, fato que afeta a vida da ferramenta de várias formas. O titânio é altamente reativo quimicamente com a maioria das ferramentas de corte, aspecto que possibilita adesão de material na ferramenta durante a usinagem, promovendo falha prematura da Além disto, a alta resistência mecânica e o baixo módulo de elasticidade do titânio e de suas ligas a altas como investigado por Ezugwu e Wang convencional e outros processos de usinagem não-convencional podem ser
nagem do titânio e suas ligas.
-convencional que utiliza a para a remoção de material da peça. Desse modo, a erodibilidade de um material apresenta muito pouca dependência de suas propriedades mecânicas, ao contrário das técnicas
convencionais de usinagem. O rendimento da EDM é fundamentalmente dependente das propriedades termofísicas do eletrodo e da peça a ser usinada. Deste modo, Ho e Newman (2003) relatam que a EDM tem sido aplicada na usinagem de ligas ferrosas e não-ferrosas, materiais cerâmicos condutores de eletricidade, materiais compósitos e ligas especiais. Para estes materiais as principais áreas de pesquisa mundial em usinagem por eletroerosão estão relacionadas aos seguintes temas: (i) parâmetros de rendimento do processo, (ii) projeto e fabricação de eletrodos, (iii) técnicas de controle e monitoramento do processo, (iv) efeito dos parâmetros não elétricos no rendimento da usinagem e (v) integridade da superfície usinada, dentre outros temas de perspectivas futuras, como abordado por Abbas et al (2007) em estudo sobre o estado da arte da EDM.
Em se tratando da eletroerosão de ligas de titânio existe uma relativa carência de pesquisa relacionada à otimização de parâmetros de processo para diferentes tipos de materiais de eletrodo, além de estudos sobre aspectos como, por exemplo, investigação de características de integridade da camada limite, como indicado respectivamente por Amorim e Silva (2008) e Hasçhk e Çaydas (2007). Em função dos argumentos supracitados o presente trabalho propõe a investigação experimental das influências dos parâmetros elétricos e não-elétricos do processo de eletroerosão por penetração na liga de titânio Ti6Al4V, utilizando diferentes classes especiais de grafita como material do eletrodo. O objetivo é avaliar aspectos de integridade da superfície usinada em condições de operações de desbaste, semi-acabamento e semi-acabamento para o par de materiais grafita e Ti6Al4V.
2. FUNDAMENTOS DO PROCESSO DE ELETROEROSÃO
Segundo trabalhos de König e Klocke (1997), Eubank et al. (1993), Dibitonto et al. (1989) e muitos outros renomados pesquisadores,desde o início do desenvolvimento do processo de usinagem por eletroerosão, muitas teorias, simulações e investigações experimentais têm sido desenvolvidas para explicar o complexo fenômeno da remoção de material por faíscas elétricas. Entretanto, a mais aceita dentre os pesquisadores é a termoelétrica, conforme ilustrada na Fig. (1). De acordo com esta teoria, o ciclo de uma descarga elétrica entre dois eletrodos submersos num meio líquido de trabalho ocorre nas seguintes fases:
Figura 1. Fases de uma descarga elétrica no processo de EDM, König e Klocke (1997).
Fase de ignição - Inicialmente, os eletrodos são posicionados na máquina e separados entre si de uma pequena
distância. Uma tensão em aberto ûi é aplicada entre eles. No princípio não há fluxo de corrente devido à resistência oferecida pelo fluido dielétrico. Nesse instante, o servomecanismo avança o eletrodo-ferramenta em direção à peça, até aproximar-se da distância da fenda de trabalho, causando um aumento do campo elétrico entre as superfícies dos eletrodos, dado pela razão entre a tensão e a distância entre eles.
Formação do canal de plasma - Tem-se em conseqüência, a formação de um canal de plasma circundado por uma
bolha de vapor e pelo líquido dielétrico que restringe o crescimento do canal, concentrando a energia da descarga em um pequeno volume.
Fusão e evaporação de material nos eletrodos - O canal de plasma recém-formado é então mantido por um período
de tempo te [µs]. Durante a aplicação da descarga, para evitar a formação de arcos e curtos-circuitos, o sistema de controle do servomecanismo da máquina de EDM controla e mantém equilibrada a amplitude da fenda de trabalho. Ao longo do tempo te, o plasma de alta energia funde continuamente por condução térmica uma certa quantidade de material em ambos os eletrodos, originando uma pequena poça de material líquido em cada um deles. Entretanto, devido à alta pressão do plasma pouca quantidade desse material líquido é evaporado.
Ejeção do material fundido - Ao final do tempo de descarga te especificado, o sistema de controle do gerador da máquina interrompe a corrente elétrica, estabelecendo um tempo de intervalo to até o início de um novo ciclo de descarga; neste instante ocorre à expulsão do material fundido das cavidades dos eletrodos. Este processo se repete até que a geometria da peça seja produzida.
-+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -+ -+ -+ + -+ - -+-+ -+-+ +-+ -- + + + + -- - + -+ + -+ + -+ -+ + -+ + -+ + + ++ + ++ + + + ++ + ++ + + + ++ + ++ + tempo c o rre n te i te n s ã o u tempo (1) (2) (3) (4)
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Inicialmente foram desenvolvidos ensaios preliminares em condições de desbaste, semi-acabamento e de acabamento sobre as condições de lavagem e os parâmetros elétricos, com o intuito de se estabelecer uma amplitude adequada de variação desses parâmetros, a fim de se avaliar de modo adequado as características de integridade de superfície da liga Ti6Al4V após os ensaios de EDM. Desta forma, os materiais, equipamentos e métodos descritos abaixo foram utilizados:
(a) Máquina: Uma máquina de eletroerosão por penetração Charmilles ROBOFORM 30 CNC equipada com um gerador isoenergético que torna possível selecionar e definir os valores dos parâmetros elétricos ie (corrente de descarga), te (duração da descarga), t0 (duração do intervalo entre duas descargas) e ui (tensão em aberto).
(b) Eletrodo-ferramenta: foram utilizadas barras cilíndricas de grafita do fabricante SGL Carbon Group (Alemanha), usinadas com as dimensões de 20 mm no diâmetro e 4 mm no furo central, o qual destinou-se à lavagem sob pressão pelo eletrodo. Trabalhou-se com três classes de grafita, sendo a principal diferença entre elas o tamanho da partícula. Neste caso, foram utilizadas grafitas com tamanho de partícula 3 µm, 10 µm e 15 µm.
(c) Eletrodo-peça: Os corpos de prova foram confeccionados com a liga de titânio Ti6Al4V, com seção transversal de 25 X 25 mm e espessura de 15 mm, utilizando o processo de eletroerosão a fio. As superfícies das amostras foram retificadas (Ra = 1 µm) para que houvesse um adequado assentamento de toda a seção frontal do eletrodo-ferramenta sobre a peça desde o início da usinagem.
(d) Fluido diétrico: foi utilizado um hidrocarboneto convencionalmente utilizado na indústria, apresentando viscosidade a 400C de 3 cSt e ponto de fulgor de 1250C, adequado para condições de usinagem desde o desbaste até o acabamento. (f) Parâmetros elétricos: Para cada condição de teste foram realizadas três repetições, sendo o tempo médio de 30 min definido para a usinagem de cada uma das amostras. Os parâmetros elétricos foram subdivididos para três condições de usinagem: regime de desbaste, regime de semi-acabamento e regime de acabamento. A Tab. (1) apresenta as variações dos parâmetros elétricos utilizados nos ensaios. A relação de contato τ (τ = te / te + to) foi mantida em 0,5 a fim de garantir uma boa estabilidade das faíscas elétricas (ausência de curtos-circuitos e arcos em vazio). Para as correntes de descarga 3, 12 e 32 A a tensão em aberto ûi foi de 160, 120 e 80 V respectivamente, a fim de promover uma adequada abertura da fenda de trabalho entre o eletrodo e os corpos de prova. Ensaios com polaridade positiva foram realizados, porém não houve resultados satisfatórios.
Tabela 1. Parâmetros elétricos utilizados nos ensaios de rendimento.
3.1 Avaliação da integridade de superfície da liga Ti6Al4V
A análise dos aspectos de integridade de superfície da liga Ti6Al4V usinados em regimes de desbaste, de
semi-acabamento e de semi-acabamento teve por objetivo investigar a influência da energia média da descarga elétrica (We= ue. ie. te [J]), pelo fato de influenciar consideravelmente a funcionalidade das peças produzidas pelo processo de
eletroerosão. As seguintes técnicas foram utilizadas:
(a) O acabamento da superfície de trabalho foi analisado pelo parâmetro de rugosidade média Ra e também por meio de Microscopia ótica para a observação da seção transversal das amostras com relação à existência de poros e microfissuras e espessura da camada re-solidificada (recast layer).
(b) Na medição de microdureza Vickers (HV) foi aplicada uma carga média de 98,1 mN partindo da camada limite (recast layer) em sentido ao material base da liga, e teve por finalidade investigar a variação da dureza ao longo da seção transversal das amostras, com o objetivo de rastrear a profundidade da influência térmica do processo sobre a liga Ti6Al4V.
(c) Ensaios de difração de raios-X foram usados para determinar a estrutura cristalina do material analisado. A técnica de difração de raios-X propicia uma excelente precisão para medidas de espaçamentos atômicos, além de ser uma técnica não destrutiva. As análises por difração de raios-X (XRD) foram feitas num difratômetro Shimadzu (modelo XRD 7000), utilizando radiação Cu Kα (comprimento de onda de 1,542 Å), varrendo uma faixa de ângulos de 30° a 80° com varredura contínua e velocidade de 3º / minuto.
acabamento 3 3; 10;15 6,4;12,8;25;50;100 6,4;12,8;25;50;100
-semi-acabamento 12 3; 10;15 6,4;12,8;25;50;100 6,4;12,8;25;50;100
-desbaste 32 3; 10;15 12,8;25;50;100;200 12,8;25;50;100;200
-Regime Eletrodo grafita tamanho Polaridade
da partícula [µm] Corrente de descarga îe [A] Duração da descarga te [µs] Tempo de intervalo to [µs]
4. RESULTADOS
4.1 Rugosidade das amostras obtidas por EDM em regime de desbaste, semi-acabamento e acabamento.
A rugosidade de peças usinadas por eletroerosão por faíscas está relacionada à energia média da descarga elétrica We = ue. ie. te [J]. O aumento da energia We acarreta numa maior rugosidade, isto porque crateras de maior profundidade e mais largas são produzidas nas peças após a interrupção da descarga elétrica. Usualmente, a ampliação do nível de energia fornecida por descarga é efetuada pela elevação da duração da descarga te ou da corrente de descarga ie. Na Fig. (2) está representado o comportamento da rugosidade para usinagem da liga Ti6Al4V com eletrodo com polaridade negativa e tamanho de partícula de 3, 10 e 15 µm para o regime de desbaste com ie = 32 A. A Fig. (2) mostra que para a corrente de descarga ie de 32 A a elevação contínua da duração da descarga te proporciona um aumento gradual da rugosidade Ra. Quanto aos níveis de rugosidade Ra observa-se pouca diferença para usinagem com tamanhos de partícula de 3, 10 e 15 µm nas condições de ótima duração de descarga te, que no caso foi de te = 50 µs. Nesta condição a rugosidade média Ra para a corrente de descarga ie = 32 A apresentou valores de 11,1; 10,8; e 10,6 µm para tamanhos de partículas de 3; 10 e 15 µm respectivamente. As menores rugosidades foram para uma duração de descarga te = 12,8
µs onde os valores encontrados foram de 6,6; 6,5 e 6,2 µm para tamanho de partícula de 3, 10 e 15 µm respectivamente.
Figura 2. Comportamento da rugosidade das amostras após EDM em função da variação da duração da descarga para corrente de 32 A.
Na Fig. (3) está apresentado o comportamento da rugosidade para o regime de semi- acabamento com ie =12 A. Quanto aos níveis de Ra, observa-se pequena diferença para usinagem com tamanhos de partícula de 3, 10 e 15 µm nas condições de ótima duração de descarga te, que no caso foi de te = 50 µs. Nestas condições a rugosidade média Ra para as correntes de descarga ie = 12 A apresentou valores de 7,8; 7,3 e 7;5 µm para tamanhos de partículas de 3, 10 e 15
µm respectivamente. As menores rugosidades foram para uma duração de descarga te = 6,4 µs onde os valores encontrados foram de 4,1; 4,3 e 4,6 µm para tamanhos de partícula de 3, 10 e 15 µm.
Figura 3. Comportamento da rugosidade das amostras após EDM em função da variação da duração da descarga para corrente de 12 A.
0 25 50 75 100 0 2 4 6 8 10 12 Condições do teste:
Corrente îe: 12A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 R a Duração da descarga - te ( µs ) 15µm 10µm 3µm 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 6 9 12 15 18 Condições do teste:
Corrente îe: 32A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 R a Duração da descarga - te ( µs ) 15µm 10µm 3µm
Na Fig. (4) está representado o comportamento da rugosidade para o regime de acabamento utilizando ie = 3 A. É possívelobservar diferenças de Ra superiores a 18% para usinagem com tamanhos de partícula de 3, 10 e 15 µm ao longo das diferentes condições de duração de descarga te testadas. Para a condição de melhor duração de descarga te = 25 µs a rugosidade média Ra para a corrente de descarga ie = 3 A apresentou os menores valores de 3,2; 3,7 e 3,8 µm para tamanhos de partículas de 10, 3 e 15 µm respectivamente. As menores rugosidades foram para uma duração de descarga te = 6,4 µs onde os valores encontrados foram de 2,2; 2,4 e 2,9 µm para partículas de 10 µm; 3 µm e 15 µm.
Figura 4. Rugosidade das amostras após EDM em função da variação da duração de descarga para corrente de 3A.
4.2 Microscopia e Microdureza em regime de desbaste, semi-acabamento e acabamento
O processo de eletroerosão afeta termicamente a superfície das peças. De acordo com Stevens (1998), dependendo da profundidade dessa zona termicamente afetada (ZTA), a funcionalidade da ferramenta de moldagem e/ou componente mecânico pode ser seriamente comprometida. Portanto, é importante qualificar e quantificar a influência térmica do processo sobre a seção transversal das peças. Normalmente duas zonas distintas são identificadas nas peças submetidas à operação de EDM. A primeira delas é a camada limite (recast layer) que é formada pela parte do material liquefeito que não foi expulso ao final da descarga e que acaba por se re-solidificar na cratera recém-formada. Usualmente, no caso dos aços, apresenta dureza superior ao material base da liga devido principalmente à interação do carbono, liberado pela desintegração do dielétrico, que se difunde para dentro da peça formando carbetos. Além disso, na camada limite geralmente se observa à existência de poros e microfissuras. Logo abaixo da camada limite é observada a presença de várias camadas, as quais geralmente são extremamente difíceis de ser identificadas por exames ao microscópio óptico.
A Fig. (5) apresenta a micrografia da seção transversal de uma amostra de Ti6Al4V usinada em condições de desbaste. Pode-se nitidamente observar na micrografia a presença da camada re-solidificada. Nota-se que não existe a presença de microfissuras, tipicamente formada como, por exemplo, nos aços. Observa-se que a camada re-solidificada não apresenta uniformidade de espessura e não está presente em toda a superfície. No que diz respeito à espessura da camada re-solidificada constatou-se pelas medições que o valor máximo foi de aproximadamente 25 µm para usinagem de desbaste nas condições de ie = 32 A e te = 50 µs para os eletrodos de grafita de tamanho de partícula 3, 10 e 15 µm.
Figura 5. Micrografia da seção transversal de uma amostra da liga de titânio Ti6Al4V eletroerodida em regime de desbaste (ie = 32 A).
0 25 50 75 100 0 1 2 3 4 5 6 7 Condições do teste: Corrente îe: 3A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 R a Duração da descarga - te ( µs ) 15µm 10µm 3µm
Foram também executadas seis medições de microdureza HV 0,05, em intervalos espaçados de 35 µm, a partir da primeira medição realizada na camada re-solidificada (profundidade 0) da amostra como apresentado na Fig. (6). As amostras analisadas foram as que apresentaram melhor desempenho, ou seja, peças usinadas com os parâmetros ótimos de processo. Para os diferentes tamanhos de partículas dos eletrodos de grafita (3, 10 e 15 µm) testados observou-se a mesma variação de dureza em função da profundidade no sentido do material base. Pela Fig. (6) é possível observar a redução da dureza no sentido do material base da liga. Na camada limite (re-solidificada) observou-se uma dureza de 423 HV e algo em torno de 338 HV no material base da liga. Apesar de não ser perceptível pela micrografia óptica, torna-se evidente pela análise do comportamento da microdureza a existência da zona termicamente afetada.
Figura 6. Comportamentos da microdureza Vickers [HV] na usinagem de desbaste da liga Ti6Al4V a partir da camada limite até o material base da liga, com corrente de descarga de 32 A e eletrodos de grafita
com tamanho de partícula de 3, 10 e 15 µm.
A Fig. (7) apresenta a micrografia da seção transversal de uma amostra de Ti6Al4V usinada em condições de semi-acabamento (ie = 12 A). Pode-se perceber na micrografia a presença da camada re-solidificada. Não se verifica, mais uma vez, a presença de microfissuras. Nota-se também que a camada não apresenta uniformidade de espessura. Esta camada não está presente em toda a superfície usinada. No que diz respeito à espessura da camada constatou-se pelas medições que o valor máximo foi de aproximadamente 20 µm obtido para usinagem nas condições de ie = 12 A e te = 50
µs para eletrodo de grafita de tamanho de partícula 3, 10 e 15 µm.
Figura 7. Micrografia da seção transversal de uma amostra da liga de titânio Ti6Al4V usinada em condição de semi-acabamento ie = 12 A. 0 35 70 105 140 175 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Condições do teste: Corrente îe: 32A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 M ic ro d u re z a [ HV ]
A Fig. (8) apresenta as medições de microdureza. Neste caso, amostras avaliadas foram as que apresentaram melhor desempenho, ou seja, peças usinadas com os parâmetros ótimos de processo para usinagem de semi-acabamento. Os diferentes tamanhos de partículas dos eletrodos de grafita (3, 10 e 15 µm) apresentaram a mesma variação de dureza em função da profundidade no sentido do material base. Pela Figura 8 é possível observar a redução da dureza no sentido do material base da liga. É possível notar que para uma corrente de descarga ie de 12A não houve grande variação da dureza. Apesar de não ser perceptível pela micrografia óptica, esta variação de dureza comprova a existência de uma camada afetada termicamente, mesmo que de pequenas dimensões quando comparada a correntes de descarga maiores, como por exemplo, ie= 32 A. Na camada re-solidificada observou-se uma dureza de 366 HV e algo em torno de 352 HV no material base da liga.
Figura 8. Comportamento da microdureza Vickers [HV] na usinagem de semi-acabamento da liga Ti6Al4V a partir da camada limite até o material base da liga, com corrente de descarga de 12 A e eletrodos de grafita com
tamanho de partícula de 3, 10 e 15 µm.
A Fig. (9) apresenta a micrografia da seção transversal de uma amostra de Ti6Al4V usinada em condições de acabamento. É visível na micrografia a presença da camada re-solidificada, no entanto sem a presença de microfissuras. Observa-se também que a camada re-solidificada não apresenta uniformidade de espessura, mesmo para um corrente de descarga de baixo nível (ie = 3 A). Esta camada não está presente em toda a superfície usinada. No que diz respeito à espessura da camada re-solidificada, o valor máximo de aproximadamente 10 µm foi obtido para usinagem nas condições de ie = 3 A e te = 25 µs para eletrodo de grafita de tamanho de partícula 3, 10 e 15 µm.
Figura 9. Micrografia da seção transversal de uma amostra da liga de titânio Ti6Al4V usinada em condição de acabamento (ie = 3 A). 0 35 70 105 140 175 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Condições do teste: Corrente îe: 12A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 M ic ro d u re z a [ H V ]
A Fig. (10) apresenta a micrografia da seção transversal de uma amostra que apresentou a melhor rugosidade Ra quando usinada em condições de usinagem de acabamento. Percebe-se na micrografia a presença da camada re-solidificada e sem microfissuras. Em se tratando da espessura da camada foi obtido o valor máximo de em torno de 5
µm para usinagem de acabamento nas condições de ie = 3 A e te = 6,4 µs para eletrodo de grafita de tamanho de partícula 10 µm.
Figura 10. Micrografia da seção transversal de uma amostra da liga de titânio Ti6Al4V usinada em condição de acabamento com melhor rugosidade.
A Fig. (11) apresenta a variação de microdureza. A amostra ensaiada foi a que apresentou menor rugosidade Ra = 2,2 µm com os parâmetros de processo ie= 3 A te= 6,4 µs e eletrodo de grafita com tamanho de partícula de 10 µm. Pela Figura 11 é possível observar a redução da dureza no sentido do material base da liga. Na camada re-solidificada observou-se uma dureza de 369 HV e algo em torno de 335 HV no material base da liga.
Figura 11. Comportamento da microdureza Vickers [HV] na usinagem de acabamento da liga Ti6Al4V a partir da camada limite (ressolidificada) até o material base da liga, com corrente de descarga de 3 A, duração da
descarga te=6,4 e eletrodo de grafita com 10 µm.
4.3 DRX das amostras após EDM
As amostras analisadas foram as que apresentaram melhores desempenhos de erodibilidade, ou seja, os melhores conjuntos de parâmetros para cada regime de usinagem. Os espectros obtidos foram comparados com padrões indexados ICDD (International Center for Diffraction Data) do titânio 000-44-1294 e do carbeto de titânio 000-72-2496.
Na Fig. (12) (parte superior e inferior) pode-se observar o espectro de DRX das amostras de Ti6Al4V após EDM de desbaste e semi-acabamento. A indexação nos dois difratogramas confirmou a presença da fase α (hcp) representada nos padrões de difração como Tiα. A fase β na liga Ti6Al4V está dispersa na matriz α, distribuída de maneira uniforme, principalmente nos contornos de grãos α. Como a quantidade de fase β na liga é relativamente pequena e as outras
0 35 70 105 140 175 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Condições do teste: Corrente îe: 3A Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 M ic ro d u re z a [ H V ]
reflexões não coincidentes são de baixa intensidade, fica praticamente impossível garantir a presença da fase β somente pela análise por difração, segundo Couto et al (2006). Após a EDM da liga Ti6Al4V existe a formação de carbeto de titânio, representada nos padrões de difração como TiC. O pico mais intenso foi verificado em 2Ө com valor de 40,18°; o que corresponde ao plano (1 0 1) do Ti. Este pico é o mais intenso em todos os padrões de difração para a EDM em regime de desbaste. Os picos de carbeto de titânio das superfícies usinadas por eletrodo de grafita indicam a formação de carbeto Ti8C5. A variação da corrente de descarga não modificou o difratograma das amostras, ou seja, não houve picos de difração em intensidades diferentes às do carbeto de titânio TiC e do titânio Tiα, o que significa que não houve identificação de diferentes fases ou diferentes materiais.
Figura 12. Espectro de DRX das amostras de Ti6Al4V após EDM de desbaste com eletrodo de grafita de 3 µm. Parte superior: corrente de descarga 32 A, duração de descarga 100 µs. Parte inferior: corrente de descarga 12
A, duração de descarga 50 µs.
Na Fig. (13) (parte superior e inferior) pode-se observar o difratograma de raios-X das amostras de Ti6Al4V após EDM de acabamento e o difratograma da amostra em regime de acabamento que apresentou a melhor rugosidade. A partir da determinação dos valores obtidos e da comparação com os padrões, as fases presentes nas ligas foram identificadas. Na liga Ti6Al4V evidenciou-se a presença da fase α (hcp) representada nos padrões de difração como Tiα. Após a EDM da liga Ti6Al4V existe a formação de carbeto de titânio, representada nos padrões de difração como TiC. O pico mais intenso foi verificado para as amostras usinadas com parâmetros ótimos de processo foi 2θ com valor de 36 graus, o que corresponde ao plano (2 0 2) do TiC. Este pico é o mais intenso em todos os padrões de difração para a EDM em regime acabamento para amostras usinadas com parâmetros ótimos de processo. O difratograma das amostras usinadas com os melhores parâmetros de processo em usinagem de acabamento, difere-se dos difratogramas de semi-acabamento e acabamento, por apresentar o pico mais intenso de carbeto de titânio e não de Tiα. Isto acontece pela utilização de baixas correntes, pressões menores no canal de plasma e polaridade negativa do eletrodo ferramenta. No lado do anodo (+), a re-solidificação começa durante a descarga devido a expansão do canal de plasma. Portanto, apenas uma pequena porção de material fundido é expelida quando se compara com o catodo (-). Após, partículas que foram ejetadas do catodo, e que ficam em suspensão no dielétrico, podem alcançar, o anodo. É suposto que, devido a temperatura maior no anodo, as partículas que entram em contato com o anodo fundem-se parcialmente ficando
30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 TiC TiC TiC TiC TiC Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα In te n s id a d e Condições do teste: Corrente îe: 32A Duração da descarga t
e:100µs
Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Tamanho da partícula: 3µm Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 2θ 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 TiC TiC TiC TiC Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Condições do teste: Corrente îe: 12A
Duração da descarga te:50µs Polaridade:
-Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Tamanho da partícula: 3µm Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 In te n s id a d e 2θ
aderidas. Quando a próxima descarga ocorre, as partículas e a camada re-solidificada são refundidas e misturadas, podendo criar diferentes fases.
Figura 13. Espectro de DRX das amostras de Ti6Al4V após EDM de acabamento. Parte superior: eletrodo de grafita de 3 µm, corrente de descarga 3 A, duração de descarga 25 µs; e parte inferior: eletrodo de grafita de
10 µm, corrente de descarga 3 A, duração de descarga 6,4 µs.
Para o padrão de difração da amostra com melhor acabamento superficial, o pico mais intenso foi verificado em 2θ com valor de 40,18 graus, o que corresponde ao plano (1 0 1) do Ti. Este pico é o mais intenso em todos os padrões de difração para a EDM em regime de acabamento. Os picos de carbeto de titânio das superfícies usinadas por eletrodo de grafita indicam a formação de carbeto Ti8C5. A variação do tamanho de partícula do eletrodo de grafita, não modificou o difratograma das amostras, ou seja, não houve picos de difração em intensidades diferentes as do carbeto de titânio TiC e do titânio Tiα, o que significa que não houve identificação de diferentes fases ou diferentes materiais.
30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα TiC TiC TiC TiC TiC In te n s id a d e Condições do teste: Corrente î e: 3A Duração da descarga t e:25µs Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Tamanho da partícula: 3µm Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5 2θ 30 40 50 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 TiC TiC TiC TiC TiC Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα Tiα In te n s id a d e Condições do teste: Corrente îe: 3A Duração da descarga t e:6,4µs Polaridade: -Eletrodo peça: Ti6Al4V Eletrodo ferramenta: Grafita Tamanho da partícula: 10µm Lavagem: Pelo eletrodo Relação de contato: 0,5
5. CONCLUSÕES
Este trabalho teve por objetivo avaliar o desempenho de eletrodos de grafita, com diferentes tamanhos de partícula, no processo de eletroerosão por penetração em regime de desbaste, semi-acabamento e acabamento da liga de titânio Ti6Al4V, em se tratando de aspectos de integridade das superfícies das peças eletroerodidas, com ênfase específica sobre a avaliação da espessura da camada re-solidificada, rugosidade, micro-fissuras, poros e microdureza. Em se tratando do objetivo proposto, considera-se que os resultados alcançados são representativos e constituem-se como novas fontes de informações para a usinagem da liga de titânio Ti6Al4V investigada. Deste modo as seguintes conclusões podem ser apontadas:
(a) O melhor índice da rugosidade média Ra - aproximadamente 2,2 µm - foi obtido para usinagem com o eletrodo de grafita de 10 µm de tamanho de partícula carregado negativamente na condição de um te de 6,4 µs e ie =3 A.
(b) Para usinagem de desbaste, semi-acabamento e acabamento não se observa na camada superficial das amostras usinadas a existência de poros e microfissuras. A máxima espessura observada na camada re-solidificada foi de aproximadamente 25 µm para usinagem nas condições de ie = 32 A, te = 50 µs e eletrodo de grafita com tamanho de partícula =10 µm. A menor espessura verificada foi de 5 µm nas condições de ie = 3 A, te = 6,4 µs e eletrodo de grafita de10 µm.
(c) Apesar de não ser possível a identificação clara, ao microscópio óptico, da zona termicamente afetada pelo processo de EDM, a existência desta é constatada pelo decréscimo gradual da dureza na medida em que se aprofunda da superfície da amostra no sentido do material base da liga Ti6Al4V.
(d) Em todas as amostras usinadas por EDM e analisadas por difração de raios-X (DRX) identificou-se a presença da fase carbeto de titânio Ti8C5. Para a corrente de descarga ie=3 A a quantidade de carbeto de titânio formada após a EDM foi maior do que para as outras correntes de descarga testadas (12 e 32 A).
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo auxílio financeiro para o desenvolvimento deste trabalho e à CAPES pela bolsa concedida ao aluno de mestrado Leandro Stedile.
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8. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
ASPECTS OF TI6AL4V SURFACE INTEGRITY AFTER EDM
USING GRAPHITE ELECTRODES
Fred Lacerda Amorim, fred.amorim@pucpr.br
Leandro Stedile, loredano13@gmail.com
Ricardo Torres, ricardo.torres@pucpr.br
Paulo César Soares Jr., pa.soares@pucpr.br
Pontifícia Universidade Católica do Paraná – PUCPR
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – PPGEM Av. Imaculada Conceição, 1155 – Prado Velho
80.215 901 – Curitiba – PR
Abstract. Titanium and its alloys have increasing application in industrial environment due to their excellent
properties such as, for example, high corrosion resistance, heat resistance and high wear resistance. However, titanium and its alloys have high chemical reactivity with most of the cutting tool materials, in addition, has low thermal conductivity and high mechanical strength. These properties make titanium alloys difficult to be machined by conventional processes. The EDM stands out as an alternative process for machining these materials. This study aimed to evaluate the performance of graphite electrodes with different particle sizes in the process of Sinking-EDM under roughing, semi-finishing and finishing Ti6Al4V alloy. Aspects of surface integrity in the case of re-solidified layer thickness , roughness, micro-cracks, pores and microhardness were investigated.
Keywords: Sinking EDM, Ti6Al4V alloy, Graphite electrofes, surface integrity
1. RESPONSIBILITY NOTICE
