UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
JOSÉ ROBERTO GAMARRA
Estratégias de Usinagem no Torneamento de
Aço Inoxidável Super Duplex (UNS S32750)
CAMPINAS 2017
JOSÉ ROBERTO GAMARRA
Estratégias de Usinagem no Torneamento de
Aço Inoxidável Super Duplex (UNS S32750)
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Materiais e Processos de Fabricação.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE MANUFATURA E MATERIAIS
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Estratégias de Usinagem no Torneamento de
Aço Inoxidável Super Duplex (UNS S32750)
Dedicatória
Dedico este trabalho à minha querida esposa, Maria Francisca, pelo apoio em todas as horas de nossas vidas. Aos meus filhos, Rodrigo e Leonardo, por serem fontes de motivação e inspiração. À minha irmã, Maria Regina, pelo seu apoio familiar. E principalmente aos meus pais, José (in memoriam) e Alice, por toda a dedicação em nossa criação. E também pela dedicação de todos vocês nesta longa trajetória, compreendendo a minha ausência em determinados momentos que foram dedicados a esta árdua e recompensadora tarefa.
Agradecimentos
Primeira e principalmente a Deus, por tudo que conquistei, pela força nos momentos de incerteza e pela graça do poder realizar mais este projeto em minha vida.
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas às quais presto a minha homenagem.
Ao meu orientador, prof. Dr. Anselmo Eduardo Diniz, por aceitar ser meu orientador e dividir comigo seus conhecimentos sobre usinagem, suas críticas e contribuições que
engrandeceram este trabalho e por sua amizade em todos estes anos de parceria UNICAMP / Sandvik Coromant e de estudos acadêmicos.
Ao prof. Dr. Amauri Hassui pelas discussões, críticas e contribuições que tornaram este trabalho melhor e mais qualificado.
Especialmente aos meus amigos e fraternos irmãos, Aristides Magri, por todo o suporte no laboratório de usinagem para realização dos experimentos, e Daniel Suyama, pela
contribuição e ajuda durante a elaboração do trabalho.
Aos meus amigos da Sandvik Coromant durante os períodos de curso e de realização dos testes laboratoriais, Claudio Camacho, Sandra Pascuti, Carlos Ancelmo de Oliveira Junior, Silvio Bauco, Domênico Landi, Marcos Soto, Antônio Giovanetti, Dorival Silveira, Okis .Bigelli, Francisco Cavichiolli, pela motivação, colaboração, suporte e compreensão nos momentos de dificuldades.
Às empresas Sandvik Coromant, Sandvik Materials Technology e Blaser Swisslube, pelo fornecimento de insumos.
A todos aqueles que de alguma maneira contribuíram para a concretização deste trabalho e que por ventura possa ter despercebidamente esquecido de citar.
Resumo
Empresas que atuam na exploração de petróleo e gás em alto mar (offshore) e em águas profundas (pré-sal) encontram nos aços inoxidáveis super duplex materiais que apresentam alto desempenho em ambientes altamente corrosivos, o que possibilita que sejam usados em equipamentos submetidos a condições críticas de operações, tais como, altas pressões, temperaturas elevadas, produtos químicos agressivos. A combinação de vários elementos de liga nesses aços, como cromo, níquel, molibdênio proporciona alta resistência à corrosão, além de alto coeficiente de encruamento e baixa condutividade térmica, o que diminui a usinabilidade e acarreta grandes desgastes tipo entalhe nas ferramentas e a formação de arestas postiças de corte. O objetivo deste trabalho foi desenvolver a melhor combinação de: estratégias de usinagem, geometrias de ferramenta, velocidades e avanços de corte, com utilização de fluido de refrigeração em alta pressão (70 bars), visando vida longa das ferramentas e maior produtividade do processo, aliado aos menores valores de rugosidade superficial. Para isso foram testadas duas estratégias de usinagem (corte longitudinal e cônico) em combinação com duas geometrias de pastilhas intercambiáveis (convencional e alisadora) com diferentes velocidades e avanços de corte no torneamento de aço inoxidável super duplex UNS S32750 (SAF-2507). Os desempenhos das ferramentas foram avaliados em diversos testes de torneamento até que os desgastes de flanco dessas ferramentas atingissem 0,30mm. O processo utilizando a pastilha convencional em corte longitudinal com baixo avanço/volta apresentou o melhor desempenho em termos de vida de ferramenta com valores de rugosidade baixos. Outro processo utilizando pastilha alisadora em corte cônico com altos avanços/volta apresentou maior produtividade na operação com a vida da ferramenta levemente inferior e com valores de rugosidade próximos ao processo anterior.
Abstract
Industries from Oil and Gas segment, which operate in oil and gas exploration in offshore and deepwater (pre-salt), find in the super duplex stainless steel a material that presents high performance in highly corrosive environments, enabling its use in equipments subjected to critical operating conditions, such as, high pressures, high temperatures and in contact with harsh chemicals. The combination of various alloying elements in these steels, such as chromium, nickel and molybdenum provides high corrosion resistance, high strain-hardening coefficient and low thermal conductivity, which reduces machinability and causes the formation of built up edge and a large notch wear on the tools used to cut these alloys. The goal of this work was to develop the best combination of: machining strategies, tool geometries, cutting speeds and feeds, using high pressure coolant jet (70 bar), aiming long life of the tools and greater process productivity, allied to the lowest surface roughness values possible. To achieve this goal, two machining strategies (longitudinal and taper cutting) were tested in combination with two interchangeable insert geometries (conventional and wiper) with different cutting speeds and feeds for turning of super duplex stainless steel- UNS S32750 (SAF-2507). The tools performances were evaluated in several turning experiments until the flank wear of these tools reached 0.30mm. The condition using the conventional insert in longitudinal cutting with low cutting feed rate presented the longest tool life among all the conditions tested, with low surface roughness values. Another condition using wiper insert in taper cutting with high feed presented higher productivity of the operation with tool insert life slightly lower and with surface roughness values close to the previous condition.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1 - Representação esquemática das células unitárias: (a) CCC e (b) CFC, somente
com átomos de ferro. ... 29
Figura 2.2 - Valores porcentuais da formação de pites nas diferentes condições de usinagem. ... 31
Figura 2.3 – Efeito da deformação à frio nas propriedades mecânicas do aço inoxidável duplex 2205. ... 38
Figura 2.4 – Desempenho comparativo na usinagem das principais classes de aços inoxidáveis. ... 39
Figura 2.5 - Comparação de usinabilidade das diferentes ligas de aços inoxidáveis com ferramentas de metal duro e aço rápido. ... 42
Figura 2.6 - Desgaste de Entalhe. ... 43
Figura 2.7 - Detalhe de desgaste de entalhe (E1 TS2000 kr 0) testado pastilha intercambiável com líquido refrigerante a uma velocidade de corte de 70 m/min. ... 44
Figura 2.8 - Fases de formação de rebarbas e o desenvolvimento de desgaste tipo entalhe em aço inoxidável duplex. ... 45
Figura 2.9 - Aresta Postiça de Corte. ... 46
Figura 2.10 – Aresta postiça de corte. ... 46
Figura 2.11 - Variação das dimensões da APC com a velocidade de corte com identificação dos regimes estável e instável e da velocidade de corte crítica. ... 47
Figura 2.12 – (a) Mecanismo de formação de APC (BUE) e desgaste por adesão; (b) Ferramenta com BUE e BUL. ... 49
Figura 2.13 - Representação esquemática do ângulo de saída positivo, nulo e negativo ... 52
Figura 2.14 - Sentido inclinação do ângulo visto no plano H ... 52
Figura 2.15 - Ângulos de saída (ɣ) e inclinação (λ) para porta pastilhas normalizados e geometrias de quebra cavacos em pastilhas intercambiáveis para aço inoxidável ... 53
Figura 2.16 – Representação esquemática do ângulo de Posição ... 54
Figura 2.17 – Representação esquemática dos ângulos de Folga e de Cunha ... 55
Figura 2.18 - Representação esquemática do ângulo de ponta ... 55
Figura 2.19 – Relação entre raio de ponta e profundidade de corte (Força radial X Força axial)... 56
Figura 2.20 - Relação entre raio de ponta e profundidade de usinagem ... 57
Figura 2.21 – Características superficiais. ... 58
Figura 2.22 - Perfil teórico de rugosidade de uma peça torneada. ... 60
Figura 2.23 – Esquema da ponta de ferramenta alisadora. ... 61
Figura 2.24 – Pastilha alisadora e suas aplicações no torneamento longitudinal e faceamento. ... 62
Figura 2.25 – Regra geral de utilização de Pastilhas Alisadoras vs Pastilhas Convencionais. 63
Figura 2.26 - Influência do revestimento vida da ferramenta... 64
Figura 2.27 (a) – Multicamadas, processo CVD e (b) Monocamada, processo PVD ... 64
Figura 2.28 – Principio do HPC- Pressão, taxa do fluxo e olhal de refrigeração. ... 67
Figura 2.29 – Cálculo da velocidade do fluido de refrigeração com alta pressão. ... 68
Figura 2.30- Aplicações do fluido de corte. ... 69
Figura 2.31 - Fluxo do jato para a região entre o cavaco e a superfície de saída da ferramenta. ... 69
Figura 2.32 - CoroTurn HP – Olhais de direcionamento do fluido na refrigeração de alta pressão. ... 71
Figura 3.1 Corpo de Prova utilizado nos ensaios de vida de ferramenta... 79
Figura 3.2 - Pastilhas intercambiáveis e Porta pastilha - HP com sistema de refrigeração de alta pressão utilizado nos experimentos. ... 80
Figura 3.3 - Porta pastilha - HP com sistema de refrigeração de alta pressão utilizado nos experimentos. ... 81
Figura 3.4 - Estratégia de corte (a) longitudinal e (b) cônico. ... 82
Figura-4.1 - Volume Usinado por experimentos na Fase-1... 86
Figura-4.2 - Quadro de desgastes, lascas e arestas postiças de todas as pastilhas utilizadas nos ensaios da Fase-1. ... 88
Figura 4.3 - Desgaste de flanco X Tempo de corte na fase-1. ... 91
Figura-4.4 - Rugosidade (Ra) contra Tempo de Corte na Fase-1. ... 93
Figura-4.5 - Rugosidade (Ra) contra Tempo de Corte na Fase-1. ... 96
Figura-4.6 - Volume Usinado e Tempo de Corte por experimentos na Fase-2. ... 98
Figura 4.7 - Quadro de desgastes, lascas e arestas postiças de todas as pastilhas utilizadas nos ensaios da Fase-2. ... 100
Figura 4.8 - Pastilhas utilizadas com vc = 240 m/min (Corte 9) após final de vida das arestas – Fase-2. ... 102
Figura 4.9 - Desgaste de Flanco contra Tempo de Corte na Fase-2. ... 103
Figura 4.10 - Cavacos em Fitas Emaranhadas no “Corte 1.1” – Fase-2 (vc=150 m/min). ... 104
Figura 4.11 - Cavacos em Helicoidais no “Corte 1.1” – Fase-2 (vc=150 m/min) ... 105
Figura-4.12 - Cavacos formados no ensaio com vc = 120 m/min (Corte-8). ... 106
Figura 4.13 - Cavacos helicoidais formados no ensaio com vc = 200 m/min (Corte 7). ... 107
Figura 4.14 - Cavacos formados no ensaio com vc = 240 m/min (Corte 9). ... 108
Figura 4.15 - Rugosidade da peça X Tempo de Corte para ensaios de mesmas condições nas duas fases de ensaios. ... 109
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Alguns exemplos de ligas duplex existentes, com especificações de PRE. ... 28 Tabela 2.2 - Influência das condições de torneamento nas propriedades superficial do aço inoxidável super austenítico. ... 30 Tabela 3.1 - Composição química do aço SAF 2507 utilizado na Fase 1 dos experimentos ... 76 Tabela 3.2 - Propriedades mecânicas do material utilizado na Fase 1 dos experimentos ... 76 Tabela 3.3 - Composição química do aço SAF 2507 utilizado na Fase 2 dos experimentos ... 76 Tabela 3.4 - Propriedades mecânicas do aço SAF 2507 utilizado na Fase 2 dos experimentos ... 77 Tabela 3.5 - Estratégia e Dados de Corte na Fase-1. ... 83 Tabela 3.6 - Estratégia e Dados de Corte na Fase-2 ... 83
Lista de Abreviaturas e Siglas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AISD Aço Inoxidável Super Duplex
AISI American Iron and Steel Institute
Al Alumínio
Al2O3 Óxido de Alumínio ap Profundidade de corte APC Aresta Postiça de Corte ASM American Society of Metals
ASTM American Society for Testing and Materials b Largura de corte do cavaco
Bar Unidade de pressão equivalente BRIC Brasil, Rússia, Índia, China BUE Built Up Edge
BUL Built Up Layer
C Carbono
CCC Cúbica de Corpo Centrado CCT Critical Crevice Temperature CFC Cúbica de Face Centrada
CMP Compósito de matriz polimérica CNC Comando numérico computadorizado
Co Cobalto
CO2 Gás carbônico
CPT Critical Pitting Temperature
Cr Cromo
Cu Cobre
CVD Chemical Vapour Deposition DIN Deutsches Institute für Norming DSS Duplex Stainless Steel
f Avanço por rotação
Fe Ferro
Fe-Cr Liga Ferro-Cromo
Fe-Cr-Ni Liga Ferro-Cromo-Níquel
Fe-Cr-Ni-Mo Liga Ferro-Cromo-Níquel-Molibdênio
H Hidrogênio
h Espessura de corte
H2S Gás sulfídrico HB Hardness Brinell HPC High Pressure Coolant HRC Hardness Rockwell C HV Hardness Vickers
IMOA International Molybdenum Association ISO International Organization for Standardization
k Condutividade térmica
ks Pressão específica de corte kW Unidade de Potência (kilowatt)
l Litros max Máximo min Minutos mm Milímetros Mn Manganês Mo Molibdênio
MPa Mega Pascal
N Nitrogênio
Na Sódio
Nb Nióbio
NBR Denominação de Norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas
Ni Níquel
O & G Oil and Gas
P Fósforo
PH Precipitation Hardenable ppm Partes por milhão
PRE Pitting Resistance Equivalent
PVD Physical vapour deposition Q Taxa de remoção de material Ra Rugosidade aritmética ou média
rε Raio de ponta
Rmax teo Rugosidade Máxima Teórica RPM Rotações Por Minuto
Rt Rugosidade total
Rz Rugosidade média
S Enxofre
s Segundos
SCC Stress Corrosion Cracking SDSS Super Duplex Stainless Steel
Si Silício
T Temperatura
TCC Tetragonal de Corpo Centrado
Ti Titânio
Ti6Al4V Liga de Titânio
TiAlN Nitreto de Titânio e Alumínio TiC Carboneto de Titânio
TiCN Carbonitreto de Titânio TiN Nitreto de Titânio
UHPC Ultra High Pressure Cooling UNS Unified Numbering System VB max Desgaste de flanco máximo
VB Desgaste de flanco
vc Velocidade de corte
vc-critica Velocidade de corte crítica
Vol. Volume
W Tungstênio
WC Carboneto de tungstênio ZTA Zona Termicamente Afetada
ɣo Ângulo de saída
χr Ângulo de posição da aresta principal de corte
α0 Ângulo de folga
β0 Ângulo de cunha
εr Ângulo de ponta
r Ângulo de posição da ferramenta
α Fase ferrita
δ/γ Estrutura bifásica ferrítica e austenítica
% Percentual
± Mais ou menos
°C Temperatura em graus Celsius
Ø Diâmetro
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 18 1.1 Objetivos ... 20 1.2 Justificativas ... 20 1.3 Estrutura do Trabalho ... 21 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22 2.1 Aços Inoxidáveis ... 222.1.1 Aço Inoxidável Duplex e Super Duplex ... 25
2.1.2 A superfície usinada e a resistência à corrosão da peça ... 30
2.1.3 Histórico do desenvolvimento dos aços inoxidáveis duplex e super duplex ... 32
2.1.4 Propriedades dos aços duplex e super duplex ... 34
2.2 Usinabilidade ... 35
2.2.1 Usinabilidade dos aços inoxidáveis ... 37
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis duplex e super duplex ... 40
2.3 Desgaste e vida de ferramenta ... 42
2.3.1 Principais desgastes de ferramentas na usinagem de aço inoxidável duplex e super duplex ... 43
2.3.2 Geometria de Ferramentas e Rugosidade da Peça ... 51
2.3.2.1 Rugosidade da Peça ... 58
2.3.2.2 Rugosidade com Pastilhas Alisadoras (Wiper) ... 61
2.3.3 Coberturas de Ferramentas ... 63
2.4 Refrigeração em Alta Pressão ... 66
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 74 3.1 Equipamentos ... 74 3.1.1 Máquina-ferramenta ... 74 3.1.2 Microscópio Óptico ... 74 3.1.3 Rugosímetro ... 75 3.2 Material ... 75
3.2.1 Corpos de Prova (Material e Análises) ... 75
3.2.2 Corpos de prova utilizados nas duas fases dos ensaios ... 76
3.2.3 Preparação/Dimensional dos Corpos de Prova ... 78
3.3 Ferramentas ... 79
3.4 Fluido de Corte ... 81
3.5 Planejamento Experimental ... 81
4.1 Estratégias de Corte – 1ª Fase dos Ensaios (Fase-1) ... 85
4.1.1 Vida da Ferramenta ... 85
4.1.2 Análise de Desgaste ... 87
4.1.3 Rugosidade da superfície usinada ... 92
4.2 Resultados e Discussões da 2ª Fase dos Ensaios (Fase-2)... 97
4.2.1 Vida da Ferramenta ... 97
4.2.2 Análise de Desgaste ... 99
4.2.3 Análise dos cavacos formados ... 104
4.2.4 Rugosidade das superfícies usinadas ... 108
5 CONCLUSÕES ... 112
5.1 Sugestões para trabalhos futuros ... 113
1 INTRODUÇÃO
Os aços inoxidáveis surgiram de estudos realizados em 1912, tanto na Inglaterra como na Alemanha. A falta de resistência à corrosão e oxidação em altas temperaturas dos aços carbono convencionais levou ao desenvolvimento de ligas mais resistentes à ambientes agressivos, entre elas os aços inoxidáveis.
O desenvolvimento histórico destes aços corresponde ao período no qual metalurgistas da Alemanha, Inglaterra, França e mais tarde dos Estados Unidos começaram a publicar seus estudos sobre as ligas de ferro com baixo carbono contendo cromo.
O aço estudado na Inglaterra era uma liga Fe-Cr, com cerca de 13% de Cr. Na Alemanha se tratou de uma liga que, além de Fe e Cr, continha também níquel (Ni). No primeiro caso, era um aço inoxidável muito próximo ao que hoje chamamos de 420 e no segundo outro aço inoxidável bastante parecido com o que hoje conhecemos como 302 (CARBÓ, 2001).
Já os aços inoxidáveis duplex, que são objeto deste trabalho, são aços com uma microestrutura mista com proporções similares de austenita e ferrita e existem há aproximadamente 80 anos (IMOA, 2014).
O crescimento futuro do aço inoxidável duplex depende em grande parte da saúde das indústrias tradicionais de óleo & gás e petroquímicas e de novos segmentos como os bicombustíveis, arquitetura e água (resíduos). Além disso, outros fatores também influenciarão o crescimento da demanda deste material, tais como o desempenho e o alto crescimento das economias "BRICS", que no momento, apresentam certas turbulências e também a difusão do conhecimento e desenvolvimento de tecnologia na aplicação do duplex, tais como usinagem e soldagem desse material. Porém, mesmo com estes fatores restritivos para o momento, o futuro para aço inoxidável duplex parece promissor.
A crescente demanda das indústrias do segmento de exploração de petróleo e gás por materiais que tenham excelente desempenho em ambientes corrosivos exige do mercado atual nova soluções. Estas soluções se justificam devido à complexidade das operações de exploração em alto mar, agora em maiores profundidades na exploração do pré-sal, ou até mesmo, pelos riscos associados a estas operações. Em casos em que a corrosão é mais severa em equipamentos submetidos a condições críticas de operações, tais como: temperaturas elevadas, altas pressões, contato com produtos químicos agressivos, sujeitos à presença de
tensões associadas à possibilidade de corrosão, é necessário o emprego de ligas que tenham maior resistência mecânica associada à maior resistência à corrosão.
Além disso, as empresas fabricantes de peças e equipamentos para esse segmento também buscam a cada dia, aprimoramento em seus processos de fabricação, devido às exigências dos novos campos para extração de petróleo que operam no fundo do mar com 3.000 metros de profundidade ou mais e com pressões de até 700 bar. Entre alguns obstáculos neste segmento, estão o petróleo e o gás ácidos, que requerem a utilização de materiais que não sofram corrosão e a dificuldade de fabricação por serem componentes de grande porte e, muitas vezes, de perfis complexos, fabricados com material de difícil usinabilidade, como é o caso do aço que será estudado neste trabalho.
Um dos materiais modernos de maior destaque nas propriedades de resistência à corrosão e resistência mecânica em relação ao custo, e cuja demanda cresce a cada ano na indústria petrolífera, é o aço inoxidável duplex de segunda geração, ou seja, o aço inoxidável super duplex (AISD). Esta nova classe de aços permite que os equipamentos fiquem mais leves, com maior resistência mecânica, e com maior vida, favorecida pela sua resistência equivalente à corrosão por pite, que é o que determina o grau de oposição que o material oferece a esse tipo de corrosão, ou simplesmente PRE (a equação que define o PRE será mostrada no capítulo 2).
Os aços inoxidáveis super duplex têm propriedades mais nobres em relação aos duplex e apresentam maior resistência mecânica e uma superior resistência equivalente à corrosão por pites. Alia característica dos inoxidáveis ferríticos e dos austeníticos em um só material adquirindo maior resistência mecânica e maior resistência à corrosão que os aços inoxidáveis convencionais (BORDINASSI, 2006). Outra grande vantagem associada ao emprego dos aços inoxidáveis super duplex é o custo, já que, o material surge como uma alternativa mais econômica em relação a algumas ligas de níquel e até mesmo em relação a outros aços inoxidáveis.
Porém, os aços inoxidáveis apresentam, em geral, comportamento diferenciado na usinagem quando comparados a outros materiais, devido às altas taxas de encruamento que induzem modificações mecânicas e comportamento heterogêneo nas superfícies trabalhadas, ocasionando formação instável de cavacos e vibrações, além de acabamentos superficiais ruins (SAOUBI, 1999).
Possuem também alta resistência mecânica, alta ductilidade e baixa condutibilidade térmica, dificultando a retirada de calor pelo cavaco, fazendo com que a maior parte do calor
gerado no processo seja absorvida pela aresta de corte da ferramenta. Possuem alta resistência à fratura e ductilidade, resultando em altas temperaturas de corte, formação de aresta postiça e alto desgaste nas ferramentas, devido às altas forças de corte.
Todas estas propriedades são maiores quando se trata das ligas super duplex, o que faz com que a usinabilidade destas ligas seja relativamente menor quando comparada às ligas convencionais de aço inoxidável (PARO; HÄNNINEN; KAUPPINEN, 2001).
Portanto, na usinagem de aço inoxidável super duplex, a alta resistência mecânica, alta ductilidade e a baixa condutividade térmica incentivam ainda mais diversos mecanismos de desgaste da ferramenta como difusão, abrasão, aderência (“attrition”) e principalmente, aresta postiça de corte, o que faz com que se tenham vidas mais curtas de ferramentas comparando-se à usinagem de aços inoxidáveis comuns (KORKUT et al., 2004).
1.1 Objetivos
Com as características de usinabilidade mencionadas para o aço inoxidável super duplex, este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de práticas que possibilitem a usinagem mais econômica da liga de aço inoxidável super duplex UNS S32750 (SAF-2507). Pretende-se que este objetivo seja alcançado pelo atingimento de dois outros objetivos secundários, quais sejam:
• Definição da viabilidade do uso da técnica de torneamento cônico para evitar o desgaste de entalhe;
• Minimização da formação da aresta postiça de corte pela definição da faixa de velocidades de corte que impede sua formação.
Tudo isto será feito pela análise da vida das ferramentas da rugosidade superficial da peça e da forma dos cavacos produzidos na usinagem.
A principal justificativa deste trabalho é que é bastante importante para as indústrias usuárias destas ligas, como as de óleo e gás, que se procurem as melhores práticas para usinagem delas, a fim de que o custo final do produto possa ser diminuído, já que, devido às suas propriedades, seu processamento por usinagem é bastante caro. Tudo isto, é lógico, com aumento de produtividade e manutenção da qualidade das peças usinadas.
1.3 Estrutura do Trabalho
Este trabalho está dividido em seis capítulos: introdução, revisão bibliográfica, materiais e métodos, resultados e discussões, conclusões e referências bibliográficas.
Capitulo I – Introdução - Contextualiza o tema da pesquisa e traz os objetivos que foram almejados durante a condução da mesma.
Capitulo II – Revisão Bibliográfica - Levanta as principais fontes de informações que são relevantes ao trabalho, de modo a fornecer uma base de conhecimento para a discussão dos resultados obtidos.
Capitulo III – Materiais e Métodos - Estão descritos os procedimentos adotados para realização dos experimentos, bem como os materiais, ferramentas, instrumentos e equipamentos utilizados no estudo.
Capitulo IV – Resultados e Discussões – Apresenta os resultados obtidos a partir dos experimentos e é feita uma discussão dos mesmos com base em observações e no conhecimento apresentado na segunda seção (Revisão bibliográfica).
Capitulo V – Conclusões - Apresenta uma síntese das observações e discussões dos resultados mais sugestões para trabalhos futuros.
Capitulo VI – Referências Bibliográficas - Cita as fontes utilizadas para a realização deste trabalho.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Aços Inoxidáveis
Na tentativa de solucionar problemas de resistência à corrosão, no início do século XX vários países descreviam suas descobertas e desenvolvimentos de ligas resistentes à corrosão. Os aços inoxidáveis surgiram de estudos realizados em 1912. O inglês Harry Brearly estudava uma liga Fe-Cr (13%) e, quando tentava fazer algumas observações metalográficas, verificou que a liga fabricada resistia à maior parte dos reagentes que se utilizavam na época em metalografia. Assim, denominou-a de "stainless steel" que, literalmente, quer dizer "aço sem manchas".
Após um ano, na Alemanha, Eduard Maurer, estudou uma liga Fe-Cr que continha, além dos elementos da liga de Brearly, cerca de 8% de Ni. Como resultado, observou que a liga resistiu vários meses a vapores agressivos no laboratório no qual trabalhava (OLIVEIRA, 2013).
Os aços descobertos por eles eram os atualmente conhecidos como AISI 420 (martensítico) e AISI 302 (austenítico), respectivamente.
Os aços inoxidáveis, de uma maneira geral, podem ser classificados em cinco grupos: a) austeníticos; b) martensíticos; c) ferríticos; d) ferrítico-austenítico (duplex); e) endurecíveis por precipitação. Para fins de identificação e discussão de suas propriedades, segue uma breve descrição de cada um:
a) Austeníticos:
São ligas à base de (Fe-Cr-Ni) ferro, cromo (16-30%) e níquel (8-35%). As ligas mais conhecidas e populares são os 18-8, ou seja, 18% de teor médio de cromo e 8% de níquel, embora existam ligas em que parte ou todo o níquel possa ser substituído por manganês ou nitrogênio (DAVIS, 1994). Os aços inoxidáveis austeníticos são os mais populares, em termos de número de ligas e de utilização. Como os ferríticos, os austeníticos não podem ser endurecidos por tratamento térmico, tendo baixo teor de carbono na liga. Todavia, as adições, principalmente de níquel mudam a estrutura em temperatura ambiente de arranjo atômico cúbico de corpo centrado para cúbico de face centrada que é também não magnética.
Dependendo do teor de níquel os aços austeníticos respondem ao trabalho a frio com aumento da resistência mecânica (encruam), podendo ser utilizados em operações severas de conformação, evitando ruptura prematura e trinca. O endurecimento por encruamento é acompanhado pelas mudanças parciais na estrutura. Em outras palavras a deformação plástica da superfície leva ao aparecimento de uma fase de martensita ferro magnética (SOLOMON, 2010). Também nos aços austeníticos, a deformação pode levar ao aparecimento de aços austeníticos “magnéticos” (SILVA; MEI, 1988).
Os aços inoxidáveis austeníticos são os que apresentam a mais elevada resistência à corrosão, em termos gerais, dentre as famílias de aços inoxidáveis. Portanto, quando a resistência à corrosão é o principal fator a ser considerado, os austeníticos são os mais indicados. Além da excelente resistência à corrosão, os aços inoxidáveis austeníticos apresentam excelente ductilidade excelente soldabilidade quando comparados aos aços inoxidáveis ferríticos e martensíticos (CARBÓ, 2001)
Elementos de liga como molibdênio, cobre, silício, alumínio, titânio e nióbio podem ser adicionados para conferir certas características, tais como melhoria da resistência à corrosão e oxidação (ASM, 2005). Enxofre e selênio também têm a função de melhorar a usinabilidade nessas ligas. Os aços inoxidáveis austeníticos encontram aplicações na indústria química, alimentícia e refino de petróleo.
Exemplos comerciais: AISI 301, 302, 304, 304L, 308, 310, 316, 316L, 317, 321, 347. b) Martensíticos:
São ligas com estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (TCC), constituídas essencialmente de Fe-Cr, contendo entre 11,5 e 18,0% de Cr e entre 0,1 e 0,5% de C, facilmente endurecíveis por tratamento térmico (ASM, 2005).
Os aços inoxidáveis martensíticos são magnéticos e endurecíveis por têmpera. Devido à adição de carbono, pode ser endurecido e a sua resistência aumentada pelo tratamento térmico, da mesma forma que os aços carbono. São classificados como uma família ferro magnético “dura”.
Os aços inoxidáveis martensíticos apresentam microestrutura ferrítica no estado recozido e limite de escoamento com cerca de 275 MPa. Usualmente, é nesta condição que são usinados, conformados ou trabalhados a frio. A resistência mecânica obtida pelo tratamento térmico depende do teor de carbono da liga. Após resfriamento rápido em ar ou em líquido passam para a forma martensítica e seu uso em geral é feito no estado temperado e revenido, quando é obtida a melhor resistência à corrosão (DAVIS, 1994).
Algumas ligas de aços martensíticos foram desenvolvidas com adições de nitrogênio e níquel, mas com teores de carbono mais baixos que os tipos tradicionais. Estes aços têm melhor tenacidade, soldabilidade e resistência à corrosão. São particularmente adequados para aplicações que requerem elevada resistência mecânica, dureza e resistência à abrasão ou erosão em ambientes secos ou úmidos como, por exemplo, em componentes de turbinas a gás ou vapor, mancais e peças de cutelaria (MODENESI, 2001).
Exemplos comerciais: AISI 403, 410, 414, 416, 420, 431, 440A, B e C, 501. c) Ferríticos:
São ligas ferro-cromo (Fe-Cr) essencialmente ferríticas em todas as temperaturas e que não endurecem por tratamento térmico de têmpera. Normalmente, possuem teores de cromo mais elevados do que dos aços martensíticos e menores teores de carbono. Os aços inoxidáveis ferríticos têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (CCC), que é o mesmo do ferro puro à temperatura ambiente.
O principal elemento de liga é o cromo com teores tipicamente entre 11 e 30%. O teor de carbono é mantido baixo (inferior a 0,1%) de forma que o campo de estabilidade da austenita fica totalmente eliminado e, consequentemente esses aços não são endurecíveis por têmpera. São aços que tem uma limitada resistência mecânica. No estado recozido o limite de escoamento se encontra entre 275 a 350 MPa. (DAVIS, 1994)
Os aços ferríticos são do tipo de baixo custo, mas tem limitada resistência à corrosão comparada com os austeníticos mais comuns. Da mesma forma, são limitados na tenacidade, conformabilidade e soldabilidade em comparação aos austeníticos;
São ligas utilizadas em aplicações envolvendo ácido nítrico, eletrodomésticos, cubas e utensílios de cozinha e laboratórios, balcões frigoríficos, em aplicações em temperatura elevada, em sistemas de exaustão de automóveis (MODENESI, 2001).
Exemplos comerciais: AISI 405, 430, 430F, 446, 502. d) Ferrítico-austenítico (duplex):
Os aços inoxidáveis duplex se caracterizam por apresentarem uma microestrutura bifásica austeno-ferrítica (CCC e CFC) determinada, sobretudo pelos teores de ferro, cromo e níquel. Uma composição química típica tem 22% de cromo, 5% de níquel e 3% molibdênio com pequena adição de nitrogênio. Ainda podem ser adicionados Cu, Si e W para controlar o balanço estrutural e conferir características melhoradas de resistência à corrosão (ASM, 2005).
Os aços duplex são endurecíveis por tratamento térmico, mas já são mais duros que os aços ferríticos e austeníticos no estado recozido. Tem limite de escoamento que varia de 550 a 690 MPa, o que é aproximadamente duas vezes maior que o limite de escoamento de qualquer uma das fases medidas em separado. O molibdênio é, normalmente, adicionado para aumentar a resistência à corrosão galvânica e por pite (DAVIS, 1994).
A tenacidade dos duplex está entre a dos austeníticos e ferríticos. Estes aços são usados em componentes de equipamentos expostos a água do mar, trocadores de calor, bombas e tubos, em indústrias química, petroquímica, de papel e celulose, e podem ser também utilizados em produtos com secções mais finas que os aços austeníticos, mas sua grande vantagem é sua maior resistência à corrosão sob tensão. (SILVA; MEI, 1988; MODENESI, 2001).
e) Endurecíveis por precipitação (PH):
Os aços inoxidáveis endurecíveis por precipitação (PH) podem ser austeníticos ou martensíticos e são tratados termicamente por envelhecimento. Entretanto, o processo metalúrgico para endurecimento é diferenciado. Este tratamento é realizado geralmente depois do processo de usinagem, e a temperatura do tratamento não deve causar distorções na peça. Esses aços são capazes de atingir resistência a tração de até 1700 MPa, normalmente têm estrutura martensítica e assim são ferro magnéticos (KOPELIOVICH, 2012).
Esses aços têm boa ductilidade e tenacidade, dependendo do tratamento térmico, além de apresentar boa soldabilidade e resistência à corrosão. Podem ser soldados mais facilmente que os aços martensíticos comuns e são desenvolvidos e utilizados de forma ampla tanto nos Estados Unidos, como no Reino Unido, por exemplo, nas aplicações aeroespaciais.
2.1.1 Aço Inoxidável Duplex e Super Duplex
No item anterior foram citados os diversos tipos de aços inoxidáveis, com breves descrições técnicas. Neste item vamos tratar com maior profundidade técnica somente dos aços inoxidáveis duplex e super duplex.
Os aços inoxidáveis duplex são ligas Fe-Cr-Ni-Mo, contendo até 0,30% de átomos de nitrogênio em peso, que apresentam microestrutura bifásica composta por uma matriz ferrítica e pela fase austenítica, sendo que em volume, a concentração de ferrita representa algo em torno de 50% (±5%) para um material corretamente balanceado.
Além de seu custo relativamente baixo, aços inoxidáveis duplex combinam os melhores atributos de ambos os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos. Possuem alta resistência e ductilidade com boa resistência à corrosão, incluindo resistência à corrosão sob tensão (“SCC”-Stress Corrosion Cracking). Por conseguinte, eles são mais comumente usados quando uma combinação de elevada resistência mecânica e elevada resistência à corrosão é necessária. São cada vez mais vistos como uma alternativa atraente para os aços inoxidáveis convencionais. No entanto, devido à sua alta resistência e alto limite de escoamento (cerca de duas vezes o limite de escoamento de seus congêneres austeníticos), alta taxa de endurecimento, baixa condutividade térmica, alta tenacidade à fratura, forte tendência para formação de aresta postiça de corte (APC) e relativamente alto conteúdo de austenita e nitrogênio, os modernos aços inoxidáveis duplex são considerados materiais de baixa usinabiliade (KOYEE, R et al., 2014).
Nos últimos anos, a produção de aços inoxidáveis duplex e suas variações têm crescido de forma muito rápida (CHATER, 2010). Em 2004, o volume produzido mundialmente representava cerca de 6.000 toneladas. Segundo pesquisas realizadas em dezembro de 2011 (CHATER, 2011), a produção anual total de aços inoxidáveis duplex já tinha atingido 400.000 toneladas, o que representa perto de 3% de todo o aço inoxidável produzido no mundo. Sua aplicação vem se expandindo para além da aplicação tradicional na indústria de óleo & gás e petroquímicas para novos segmentos como os bicombustíveis, arquitetura e água (resíduos).
A diferença básica entre os aços inoxidáveis duplex e os super duplex consiste principalmente nas concentrações de cromo, níquel, molibdênio e nitrogênio que essas ligas apresentam. Alguns desses elementos interferem diretamente na resistência à corrosão por pite, que é uma forma de ataque químico, principalmente aqueles provocados por soluções aquosas contendo íons halogênios (elementos que pertencem à família 7A da tabela periódica), destacando-se entre eles o íon cloreto, presente de forma frequente na água do mar (MARTINS, 2006)
O que caracteriza a resistência à corrosão por pite é a capacidade que o metal tem de se passivar, ou seja, formar um filme contínuo e aderente de óxidos capaz de impedir a penetração de oxigênio no metal. A avaliação da resistência à corrosão por pite de um metal pode ser feita de diversas maneiras (SENATORE, 2007).
O equivalente de resistência a pite ou simplesmente PRE (pitting resistance equivalent) é a fórmula mais usada industrialmente. Trata-se de uma expressão simples que permite
comparar, de maneira genérica, a resistência à corrosão de diferentes aços inoxidáveis, conforme equação 1.1.
PRE = %Cr + 3,3 ( %Mo + 0,5 x %W) + (16 x %N) (equação 1.1)
Ligas com valor de PRE superior a 20 são consideradas duplex, já com valor de PRE superior a 40 são consideradas super duplex e, finalmente, a liga é chamada de hiper duplex se o seu número PRE é de 48 ou mais (CHATER, 2010).
O PRE dos grãos de ferrita é diferente do PRE da austenita devido à quantidade de nitrogênio. O PRE da austenita aumenta com o teor de nitrogênio, enquanto o da ferrita permanece praticamente o mesmo para o aumento do nível de nitrogênio. A tabela 2.1 mostra alguns exemplos de aços duplex, com suas especificações, composições e valores médios de PRE (IMOA, 2014).
Tabela 2.1 - Alguns exemplos de ligas duplex existentes, com especificações de PRE.
Fonte: (IMOA, 2014)
A ferrita, considerada a matriz para aços inoxidáveis duplex e super duplex, consiste de
e a austenita apresenta uma célula unitária cúbica de face centrada (CFC), conforme figura 2.1.
(a) (b)
Figura 2.1 - Representação esquemática das células unitárias: (a) CCC e (b) CFC, somente com átomos de ferro.
Fonte: (MARTINS e CASTELETTI, 2007)
Atualmente, essa categoria de aços inoxidáveis vem sendo utilizada com sucesso em aplicações nas quais as concentrações de íons cloreto na atmosfera chegam a atingir até 80.000 ppm, com as temperaturas na faixa de 40ºC a 80ºC, em soluções contendo CO2, oxigênio e gás sulfídrico (H2S) dissolvidos.
A grande vantagem da utilização desses materiais é que a combinação de elementos como cromo, molibdênio e nitrogênio confere uma boa estabilidade química em ambientes salinos como a água do mar, que antigamente (décadas de 70 e 80) só era possível de se obter usando-se materiais com altas concentrações de cobre, como por exemplo, os bronzes e materiais com altas concentrações de níquel, como os Hastelloys, os Inconéis e os Monéis.
Essa categoria de material (aços inoxidável duplex) é muito utilizada na fabricação de equipamentos rotativos, como as bombas centrífugas, equipamentos estáticos, como as válvulas reguladoras de fluxo, e até em partes estruturais para aplicações marinhas, particularmente na indústria de extração de petróleo, tanto em países tropicais quanto em países nórdicos.
As temperaturas nas quais esses materiais "trabalham" influenciam de forma significativa o processo de corrosão por pite, pois alteram a estabilidade do filme passivo de óxido de cromo formado na superfície do material (MARTINS; CASTELETTI, 2007).
2.1.2 A superfície usinada e a resistência à corrosão da peça
Dentre os fatores que influenciam a corrosão por pite, o acabamento superficial é a que depende significativamente de seu processo de usinagem (HASSIOTIS; PETROPOULOS, 2006).
A grandeza, orientação e o grau de irregularidades superficiais podem surgir devido à geometria do corte (em especial à relação entre o raio de ponta da ferramenta e o avanço), vibrações na ferramenta de corte ou máquina, deformação plástica da superfície e desgastes da ferramenta de corte nos processos de usinagem. Uma superfície lisa, livre de pequenas depressões localizadas, reduz o potencial para a formação de pites (GRAVALOS, 2008).
Gravalos (2008) estudou os principais efeitos da operação de torneamento na integridade superficial do aço inoxidável super austenítico. Sua análise da rugosidade mostrou que o avanço teve uma grande influência sobre ela. Assim como esperado, o perfil e a dimensão da rugosidade são dependentes deste parâmetro aplicado durante a usinagem. A resistência à formação de pites, quando as peças usinadas eram submetidas ao teste de corrosão acelerada, mostrou correlação com a rugosidade Ra. Conforme a tabela 2.2 um acabamento superficial liso, baixa rugosidade Ra, obtida através da seleção dos parâmetros de usinagem apropriados, contribui para o controle de formação dos pites em superfícies usinadas (GRAVALOS, 2008).
Tabela 2.2 - Influência das condições de torneamento nas propriedades superficiais do aço inoxidável super austenítico.
Fonte: (GRAVALOS, 2008)
Oliveira (2013) realizou experimentos de torneamento em aço inox super duplex e observou que a alta pressão do fluido de refrigeração do processo tem influência direta sobre a formação da camada passiva que os protege, fazendo-os mais resistentes à corrosão por pite. De acordo com a figura-2.2, comparativamente, em todas as situações em que se utilizou refrigeração em alta pressão, as amostras analisadas apresentaram menores índices de formação de pites. As colunas 1, 2, 3 e 4 representam as amostras usinadas aplicando-se refrigeração com pressão de 15 bar (chamada de "baixa" na legenda da figura), enquanto as colunas 5, 6, 7 e 8 representam as amostras usinadas com refrigeração aplicadas com 70 bar (chamada de "alta" na legenda da figura). As colunas 5, 6, 7 e 8 indicam valores percentualmente mais baixos de corrosão por pites, independentemente do uso de pastilhas novas ou gastas, ou velocidades de corte de 110 ou 130 m/min. Segundo Oliveira (2013), o processo de usinagem pode prejudicar a resistência à corrosão do material usinado, devido à deformação elástica e, principalmente, plástica que causa na superfície da peça. Além disso, a maior capacidade de refrigeração proporcionada pela alta pressão do fluido reduz a temperatura do material na região de corte e, também, a temperatura da parte restante da peça que deve ser um outro fator de influência na resistência à corrosão (OLIVEIRA, 2013).
Figura 2.2 - Valores porcentuais da formação de pites nas diferentes condições de usinagem. Fonte: (OLIVEIRA, 2013)
904L SS revelaram que a rugosidade afeta o potencial de formação de pites e a temperatura crítica para formação dos pites (CPT). Ele observou que a CPT diminuía quando a rugosidade aumentava. Abaixo da CPT houve a formação de pites menores, com diâmetros da ordem de 30µm, e acima da CPT houve a formação de pites maiores, com diâmetros da ordem de 100µm (MOAYED, 2003).
2.1.3 Histórico do desenvolvimento dos aços inoxidáveis duplex e super duplex
Os primeiros tipos de aços inoxidáveis duplex eram ligas de cromo, níquel e molibdênio, os quais foram produzidos na Suécia e Finlândia em 1930 e utilizados na indústria de papel sulfite. Estes tipos foram desenvolvidos para reduzir os problemas de corrosão intergranular nos primeiros aços inoxidáveis austeníticos com alto teor de carbono (IMOA, 2014).
Embora existam também relatos de que a origem dos aços inoxidáveis austeno-ferríticos ocorreu na França por volta de 1933, quando um erro de adição de elementos de liga durante a fusão de um aço inox do tipo 18%Cr – 9%Ni – 2,5%Mo, na Companhia Jacob Holtzer, resultou numa composição química contendo 20%Cr – 8%Ni – 2,5%Mo, que promoveu uma alta fração volumétrica de ferrita numa matriz austenítica. A descoberta foi patenteada em 1935 como Ets JACOB HOLTZER – brevetsFrançais, com a referência 803-361 (CHARLES, BERNHARDSSON, 1991).
Em 1935, já com patente concedida na França, os aços inoxidáveis duplex laminados e fundidos foram usados para uma série de aplicações na indústria de processamento, incluindo tanques, trocadores de calor e bombas. Esses foram considerados os aços duplex de primeira geração. Essa primeira geração de aços duplex fornecia bom desempenho, mas apresentava algumas limitações após ser soldada. A zona termicamente afetada (ZTA) apresentava baixa dureza devido ao excesso de ferrita e resistência à corrosão inferior à do metal base. Estas limitações confinaram o uso dos primeiros aços duplex a poucas e específicas aplicações (IMOA, 2014).
Em 1937 foram patenteados os aços inoxidáveis duplex contendo cobre como elemento de liga, para melhorar a resistência à corrosão em muitos meios agressivos. Esses materiais foram denominados "Novas Ligas Inoxidáveis". Já em 1940, outra patente foi registrada, dessa vez referente a aços inoxidáveis duplex contendo cobre e molibdênio, descrevendo também um novo processo, envolvendo tratamento térmico na faixa de 400o C a 500o C,
possibilitando o endurecimento desses materiais, sem afetar sua resistência à corrosão ou causar fragilidade.
Durante o mesmo período (1930 – 1940), as pesquisas e as produções industriais de aços inoxidáveis duplex foram realizadas paralelamente na Suécia, com os antecessores do material patenteado como 3 RE 60 SANDVIK. Nos Estados Unidos, foram encontrados registros da mesma época sobre aços inoxidáveis austeníticos contendo grandes frações volumétricas de ferrita. Assim, essa nova família de aços inoxidáveis foi estudada, patenteada e comercializada simultaneamente na França, Suécia e Estados Unidos. A “Compagniedes Ateliers et Forges de la Loire” desenvolveu o aço de grau UR 50, com uma estrutura bifásica α/γ, cujo alto valor para o limite de escoamento (maior que 400MPa) e excelente resistência à corrosão fez dele o principal candidato para aplicações em campos tais como: produção de sal, refinamento de petróleo, indústria alimentícia, indústrias de papel e celulose, indústrias farmacêuticas, etc (MARTINS, CASTELETTI, 2006).
De 1950 a 1970, foram realizados extensivos estudos sobre trabalhabilidade a quente, soldabilidade e resistência à corrosão dos aços inoxidáveis duplex, e sobre a resposta estrutural a tratamentos térmicos e termomecânicos. Entretanto, as aplicações industriais permaneceram, a princípio, limitadas e foi a crise do níquel no início dos anos 50 que os conduziu novamente à posição de interesse. O desconhecimento da metalurgia dos aços inoxidáveis duplex, especialmente com relação à necessidade de resfriamentos rápidos, ou mesmo solubilização seguida de resfriamento em água, explica a baixa ductilidade e baixa tenacidade das peças produzidas na época.
A segunda geração de aços inoxidáveis duplex é definida pela adição de nitrogênio como elemento de liga e apresentava fácil fabricação, alta resistência mecânica e excelente resistência à corrosão em meios que continham Cloro. Este novo desenvolvimento comercial, que começou no final dos anos 70, coincidiu com o desenvolvimento das plataformas offshore de gás e petróleo no Mar do Norte e a demanda por aços inoxidáveis com excelente resistência à corrosão por cloretos, boa trabalhabilidade e alta resistência. O aço duplex 2205 tornou-se o motriz da segunda geração de aços duplex e foi empregado amplamente no transporte de gás e em processos offshore.
A alta resistência dos aços inoxidáveis duplex permitiu a diminuição da espessura de parede, reduziu o peso das plataformas e forneceu incentivo considerável para o uso destes materiais. O desenvolvimento dos aços inoxidáveis duplex continuou por meio da adição de elementos de liga e obtiveram-se ganhos consideráveis nas propriedades anticorrosivas destes
materiais. Os aços inoxidáveis duplex modernos podem ser divididos em cinco grupos, dentro dos quais encontramos o aço inox super duplex (IMOA, 2012).
• Lean Duplex - que não contém adição deliberada de Mo, como por exemplo, 2304;
• Padrão Duplex (Standard) - carro-chefe responsável por mais de 80% do uso de duplex, como por exemplo, 2205;
• Duplex 25 Cr - como a liga 255 com PREN inferior a 40;
• Super Duplex - (PREN 40-45), com 25-26 Cr e mais Mo e N, comparado com os tipos 25 Cr, como por exemplo, 2507;
• Hiper Duplex - definido como um aço inoxidável duplex de liga alta com PREN acima de 45.
2.1.4 Propriedades dos aços duplex e super duplex
O comportamento mecânico dos aços inoxidáveis duplex está intimamente relacionado com a característica de cada fase. Por isso, o balanceamento entre as frações volumétricas de austenita e ferrita deve estar próximo de 50% para cada uma das fases, a fim de se maximizar as propriedades mecânicas. A combinação entre os elevados valores de alongamento da austenita com o elevado limite de escoamento da ferrita nos aços inoxidáveis duplex forma um conjunto de notáveis propriedades mecânicas. Dessa forma, os aços inoxidáveis duplex apresentam elevado limite de escoamento, da ordem de duas a três vezes o valor dos aços austeníticos. Além disso, apresenta um alongamento mínimo em torno de 25%, com resistência à tração aproximadamente igual à dos aços austeníticos, e resistência à corrosão sob tensão maior que a dos aços austeníticos (NILSSON, 1992).
Os aços inoxidáveis duplex exibem um alto nível de resistência à corrosão na maioria dos ambientes onde os tipos austeníticos padrão são utilizados. Todavia, existem algumas exceções notáveis nas quais eles são decididamente superiores. Isto é resultado do seu alto teor de cromo, que é benéfico em ácidos oxidantes, juntamente com molibdênio e níquel suficientes para oferecer resistência em ambientes ácidos levemente redutores. O teor relativamente alto de cromo, molibdênio e nitrogênio também oferece a eles muito boa resistência à corrosão por pites e em frestas induzida por cloretos. Sua estrutura duplex é uma
vantagem em ambientes com potencial de fratura por corrosão sob tensão. Como sua microestrutura contém pelo menos 20 a 30% de ferrita, os aços inoxidáveis duplex são muito mais resistentes à corrosão sob tensão por cloretos que os aços inoxidáveis austeníticos dos tipos 304 ou 316 (IMOA, 2012).
Os aços inoxidáveis super duplex (AISD) têm propriedades mais nobres em relação aos duplex e apresentam maior resistência mecânica e uma superior resistência equivalente à corrosão por pite (SANTOS; BOLFARINI, 2005). Outra grande vantagem associada ao emprego dos aços inoxidáveis super duplex é o custo, já que o material surge como uma alternativa mais econômica em relação a algumas ligas de níquel e até mesmo a outros aços inoxidáveis. São caracterizados pela composição química similar à dos aços inoxidáveis duplex, com maiores teores de Cr, Ni, Mo e N.
Uma distinção deve ser feita entre os tipos mais antigos de aços austenítico-ferríticos e os duplex desenvolvidos mais recentemente. As propriedades de alguns deles foram melhoradas por intermédio de um balanceamento cuidadoso da composição química. Os aços duplex geralmente apresentam resistência ao impacto mais baixa que os austeníticos e as ligas mais novas oferecem boa tenacidade em temperaturas moderadamente baixas, além de boa soldabilidade. O nitrogênio cumpre um papel importante para aumentar a soldabilidade. Esse é um resultado do balanceamento da composição química. (SANDVIK MATERIALS TECHNOLOGY, 2016).
2.2 Usinabilidade
A usinabilidade deve ser compreendida como um sistema de propriedades que dependem de interações complexas entre os materiais da peça e da ferramenta, do fluido e das condições de corte. Dessa forma Trent e Wright, (2000) sugerem que usinabilidade não é apenas uma propriedade, mas o “modo” do material se comportar durante a usinagem. Assim, usinabilidade é muito mais uma função de testes, nos quais a melhoria da mesma é caracterizada por, pelo menos, um dos seguintes fatores:
• Aumento da vida da ferramenta; • Maior taxa de remoção de material; • Melhoria do acabamento superficial;
• Melhor controle do cavaco;
• Diminuição das forças de usinagem.
Assim, de modo geral, usinabilidade é uma grandeza tecnológica que expressa um conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado como padrão (DINIZ, MARCONDES, COPPINI, 2014). Representa a dificuldade (ou facilidade) de se usinar um dado material.
A usinabilidade depende das características do material que está sendo submetido à usinagem (composição química, propriedades mecânicas, dureza), assim como depende também de muitas variáveis do processo de usinagem. Referente às características do material DINIZ et al., (2014) relacionam a influência de algumas propriedades do material sobre a usinabilidade:
Dureza e resistência mecânica: valores baixos de dureza e de resistência mecânica
favorecem a usinabilidade, desde que a dureza não seja muito baixa e, com isso, aumente a ductilidade da liga a ponto de propiciar a formação de aresta postiça de corte (APC) sobre a ferramenta;
Ductilidade: baixos valores de ductilidade são geralmente benéficos à usinabilidade,
pois a formação de cavacos curtos é facilitada e obtém-se menor perda de energia com o atrito entre cavaco e superfície de saída. Porém, em geral, diminuir a ductilidade de uma liga significa também aumentar sua dureza e resistência mecânica;
Condutividade térmica: a alta condutividade térmica do material da peça faz com que o
calor seja retirado rapidamente da região de corte e, assim, um menor percentual do calor gerado é dissipado pela ferramenta, diminuindo sua taxa de desgaste. Porém, algumas ligas de alta condutividade térmica, como por exemplo, o alumínio, são muito sensíveis ao calor, podendo dilatar-se se o calor gerado da usinagem permanecer na peça (resultado da alta condutividade térmica) e, com isto, prejudicar a obtenção de tolerâncias apertadas de forma e dimensão;
Taxa de encruamento: uma alta taxa de encruamento significa que a resistência do
material é muito aumentada para um determinado nível de deformação plástica. A deformação plástica causada pela usinagem na peça gera o encruamento de sua superfície, o que dificulta a sua posterior usinagem. No processo de fresamento, por exemplo, a deformação causada por uma aresta de corte dificulta a remoção do cavaco a ser gerado pela próxima aresta.
2.2.1 Usinabilidade dos aços inoxidáveis
Por causa da grande variedade de aços inoxidáveis disponíveis, uma caracterização simples de sua usinabilidade pode ser um tanto quanto imprecisa. A usinabilidade de aços inoxidáveis varia de baixa a muito alta, dependendo da escolha final da liga.
Segundo ASM (1995), os aços inoxidáveis caracterizam-se por um comportamento “pastoso” durante o corte, mostrando uma tendência de formar cavacos longos e flexíveis que aderem à ferramenta ou formam aresta postiça de corte, além de tornarem difícil a remoção dos mesmos; isto pode resultar em redução da vida da ferramenta e acabamento superficial inadequado. Os benefícios da resistência à corrosão devem ser balanceados com o custo de usinagem, pois quando se trata de aço inoxidável a usinabilidade é o principal fator de custo (BOSSERT, 1995 apud MARQUES, 2007).
As características dos aços inoxidáveis que exercem grande influência na usinabilidade incluem (TRENT, WRIGTH, 2000; MACHADO et al., 2015):
• Alta taxa de encruamento; • Elevada ductilidade;
• Elevada resistência à fratura (tenacidade); • Baixa condutividade térmica;
• Altos valores de resistência mecânica;
• Tendência à formação de arestas postiças de corte.
As altas taxas de encruamento fazem dos aços inoxidáveis duplex materiais de difícil usinabilidade, requerendo tempos maiores para o seu processamento através da usinagem (IMOA, 2014). A figura 2.3 mostra que, de acordo com o aumento da tensão aplicada no material, que na usinagem pode ser considerada a pressão de corte, e também com o aumento da área porcentual trabalhada ou usinada da peça em relação à sua dimensão total, proporciona-se endurecimento da superfície através do encruamento.
Figura 2.3 – Efeito da deformação à frio nas propriedades mecânicas do aço inoxidável duplex 2205. Fonte: (IMOA, 2014)
Os aços inoxidáveis em geral também apresentam tendência à formação de arestas postiças de corte que, diferentemente dos outros aços, podem aparecer em velocidades de corte mais elevadas, por conta da alta ductilidade e das altas taxas de encruamento. A presença de aresta postiça prejudica a obtenção de bons acabamentos e leva à redução da vida das ferramentas (PARO, HÄNNINEN, KAUPPINEN, 2001).
A usinagem dos aços inoxidáveis, em geral, é mais difícil que a dos aços carbono comuns, sendo que os ferríticos e martensíticos apresentam uma melhor usinabilidade em relação aos austeníticos e duplex (DINIZ, MARCONDES, COPPINI, 2014; CHIAVERINI, 2002), como pode ser observado na figura 2.4.
Figura 2.4 – Desempenho comparativo na usinagem das principais classes de aços inoxidáveis. Fonte: (SANDVIK COROMANT, 2010)
Os aços inoxidáveis ferríticos, que na usinagem se assemelham aos aços de baixa liga em relação à quebra de cavacos e desempenho da ferramenta, têm grau de usinabilidade 100%, o que indica maior facilidade para usiná-lo e maior vida da ferramenta em comparação à usinagem dos outros tipos de inox.
Já os aços inoxidáveis austeníticos são considerados como uma das classes com a pior usinabilidade, sendo sua usinagem dificultada pelo seu alto coeficiente de encruamento e baixa condutividade térmica, promovendo desgaste acelerado da ferramenta e elevadas temperaturas na interface cavaco-ferramenta, (TRENT, WRIGTH, 2000; MACHADO et al., 2015), além da formação de cavacos longos, que contribuem para o pobre acabamento superficial da peça usinada.
Os aços duplex são citados na figura com usinabilidade 30%. Portanto, o segundo mais difícil de usinar. Os aços super duplex (objeto de estudo neste trabalho e que não aparecem na figura) são um tipo de aço inoxidável ainda mais difícil de ser usinado em comparação ao duplex, isto é, tendem a apresentar menor vida da ferramenta e maiores esforços de corte quando comparado aos outros.
Uma alternativa para melhorar a usinabilidade dos aços inoxidáveis é a adição de elementos de liga que formam inclusões frágeis, reduzindo a ductilidade e promovendo a quebra do cavaco. Geralmente o elemento mais empregado é o enxofre (DINIZ, MARCONDES, COPPINI, 2014; MACHADO et al., 2015). Adições de telúrio e selênio também melhoram a usinabilidade, porém provocam quedas em outras propriedades, produzindo efeitos secundários indesejáveis (CHIAVERINI, 2002; MACHADO et al., 2015). Alguns trabalhos relacionados com usinagem de aços inoxidáveis mostram a dificuldade na usinagem desses materiais, como forças elevadas, formação de cavacos longos, vibração e consequentemente, problemas no acabamento da superfície, avarias excessivas como lascamentos e quebra da ferramenta, geralmente atribuída a uma alta adesão e abrasão na interface cavaco-ferramenta, formação de aresta postiça e maiores áreas de contato (KORKUT et al., 2004; NOMANI et al., 2013).
Estes fatores reforçam o efeito das propriedades destes materiais na usinabilidade, de forma que uma baixa condutividade térmica e alta ductilidade em temperaturas elevadas promovem amolecimento do material, que por sua vez, se deforma muito sem se quebrar, fazendo com que cavacos longos sejam produzidos, e consequentemente aumentando a área de contato cavaco-ferramenta e a adesão na ferramenta. Já o encruamento contribui para uma maior abrasão, comprometendo o acabamento da superfície e promovendo um desgaste acelerado da ferramenta.
2.2.2 Usinabilidade dos aços inoxidáveis duplex e super duplex
Os aços inoxidáveis austeníticos são considerados difíceis de usinar. Aresta postiça de corte (APC) e desgaste irregular ocorrem frequentemente nas operações de usinagem destes aços. Porém, do ponto de vista da usinagem, as dificuldades aumentam consideravelmente quando se usinam aços inoxidáveis duplex, pois a usinabilidade do material frequentemente é relacionada ao seu PRE. Os aços inoxidáveis duplex modernos tendem a ser mais difíceis de usinar em virtude dos altos teores de austenita e nitrogênio, além do aumento de elementos ligantes, diminuindo rápida e significativamente a usinabilidade desses aços (PARO, HÄNNINEN, KAUPPINEN, 2001).
A estrutura bifásica dos aços inoxidáveis duplex contribui para induzir vibrações durante o corte do material, aumentando ainda mais os problemas para a obtenção de bons acabamentos superficiais e contribuindo para a diminuição da vida da ferramenta. Outro fator que contribui para as dificuldades na usinagem é que, além das fases estarem aleatoriamente distribuídas, cada fase possui características e propriedades diferentes e cada uma contribui de maneira diferente para a formação de cavaco e retirada de material durante o corte (BORDINASSI, 2006).
Como mostrado na figura 2.4, a usinabilidade relativa do aço inoxidável duplex é geralmente baixa, em torno de 30% daquela obtida nos aços inoxidáveis ferríticos, em virtude da alta tensão de escoamento, normalmente duas vezes maior que a apresentada pelos austeníticos, e da alta resistência à tração. Os cavacos formados são resistentes e abrasivos para as ferramentas, principalmente nas superfícies de saída das mesmas, o que ocorre principalmente nos tipos com maior teor de liga, como é o caso do super duplex, que podem gerar altas forças de corte, além do usual lascamento causado pelo impacto dos cavacos (SANDVIK COROMANT, 2010). Por outro lado, a maior parte das ações tomadas durante a fabricação desses aços visa aumentar a resistência à corrosão por pites, afetando diretamente e negativamente sua usinabilidade. Com isso, altas forças de corte são exigidas e o rápido desgaste da ferramenta é comum durante a usinagem do duplex e super duplex (IMOA, 2014).
Os aços inoxidáveis super duplex são produzidos com teores de enxofre mais baixos possíveis. Por isso, há pouca contribuição deste elemento para a quebra de cavacos. Em outras ligas de aços inoxidáveis, o enxofre combina-se com o manganês para formar partículas de sulfeto de manganês, que contribuem para a quebra do cavaco, diminuem o coeficiente de atrito e, com isso, aumentam a usinabilidade da liga. Sem estas partículas, a geração de calor é muito alta durante o corte, o que pode causar deformação plástica e craterizações severas (IMOA, 2014).
Por estas razões os aços inoxidáveis duplex são tipicamente mais difíceis de serem usinados que os aços inoxidáveis austeníticos com resistência à corrosão similar. São necessárias forças de corte mais altas com desgaste mais rápido da ferramenta.
A usinabilidade mais difícil, comparada aos austeníticos, é mais evidente quando se utilizam ferramentas de metal duro. Isto está ilustrado na figura 2.5, que mostra a comparação de usinabilidade de algumas classes de aços inoxidáveis duplex (S32101, 2304, 2205), super duplex (2507) e também austenítico (316).
Figura 2.5 - Comparação de usinabilidade das diferentes ligas de aços inoxidáveis com ferramentas de metal duro e aço rápido.
Fonte: (IMOA, 2014)
Outro fator que pode ser citado como um agente que dificulta a usinagem do duplex e super duplex é a pressão de corte (Ks), que costuma ser mais elevada que a dos outros tipos de aços inoxidáveis, devido aos maiores valores de tensão de escoamento e tensão de ruptura. Com isso, há a necessidade de máquinas de maior potência, além de maior rigidez nas fixações de peças e ferramentas, para conter a tendência à vibração decorrente do processo.
Como já citado, os aços inoxidáveis possuem algumas propriedades particulares que influenciam no desgaste da ferramenta. Entre elas estão a baixa condutividade térmica, alta taxa de encruamento, tendência à formação de cavacos longos e grande deformação plástica. Essas propriedades geram diferentes mecanismos de desgaste, como a aderência, difusão e abrasão, gerando assim, desgaste de flanco, de cratera, de entalhe e aresta postiça de corte.
2.3 Desgaste e vida de ferramenta
Durante os processos de usinagem ocorrem desgastes nas superfícies de saída e de folga das ferramentas. Segundo Childs et al (2000), desgaste é a perda de matéria através de asperezas ou micro-contato, ou em menor escala, mecanismos de remoção atômica ou molecular. É um processo que progride continuamente. Para Trent e Wrigth (2000), o processo de desgaste sempre envolve alguma perda de material da superfície da ferramenta.
