A INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE BISMUTO NA USINABILIDADE DE
AÇOS RESSULFURADOS
Heraldo J. Amorim
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Osvaldo Aranha 99, sala 108, Porto Alegre, RS. E-mail: hjamorim@brturbo.com
Ricardo G. Mombru
SENAI/CETEMP - RS, Rodovia Br 116 3585, São Leopoldo, RS. E-mail: pacetemp@uol.com.br
Luiz A. Colembergue
Aços Finos Piratini, Av. Getúlio Vargas, 3200, Charqueadas, RS.
Rodrigo Belloc Soares
Aços Finos Piratini, Av. Getúlio Vargas, 3200, Charqueadas, RS.
Augusto O. Kunrath Neto
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Osvaldo Aranha 99, sala 108, Porto Alegre, RS. E-mail: augusto@demet.ufrgs.br
Resumo. Neste trabalho é realizada uma análise referente à usinabilidade de dois aços tratados ao
enxofre com e sem adição de bismuto. A usinabilidade destes materiais foi avaliada para o processo de torneamento cilíndrico externo com ferramentas de aço rápido e metal duro. Os resultados foram obtidos através da realização de ensaios de usinabilidade de longa duração, nos quais determinou-se a equação de Taylor para cada par material-ferramenta. A determinação da equação de Taylor foi baseada no fim de vida da ferramenta, cujos critérios utilizados foram desgaste de flanco máximo igual a 0,3 mm para a usinagem com metal duro e a destruição da ponta da ferramenta na usinagem com aço rápido. Os materiais usinados (CORFAC CB300 e CORFAC S300) podem ser classificados pela norma DIN 9SMn28 e foram produzidos pela Gerdau - Aços Finos Piratini. Baseado nos resultados obtidos, observou-se a superioridade do aço com adição de bismuto, que apresentou maior tempo de vida na maior parte das condições de usinagem estudadas.
Palavras-chave: aços ressulfurados, bismuto, torneamento e usinabilidade.
1. INTRODUÇÃO
Usinabilidade é uma grandeza tecnológica que expressa, por meio de um valor numérico comparativo, um conjunto de propriedades de usinagem de um material em relação a outro tomado como padrão (Ferraresi, 1970). Esta grandeza assume importância fundamental na indústria metal mecânica ao comparar-se os custos envolvidos e a quantidade de resíduo gerado em processos de usinagem a outros meios de fabricação. Estima-se que os processos de fabricação por usinagem sejam os mais utilizados, com custos associados no início da década de 80 superiores a 15% do valor de todos os produtos manufaturados em todos os países industrializados, segundo Trent (1984).
Devido à importância econômica dos processos de usinagem, é necessário um investimento cada vez maior em materiais especiais que apresentem maior usinabilidade. Estes materiais são chamados materiais de corte fácil, e geralmente são obtidos através da adição de determinados elementos de liga. No caso dos aços, os elementos de liga mais utilizados são o enxofre, associado ao manganês, fósforo e o chumbo, devido ao baixo custo e desempenho satisfatório.
O enxofre promove o aumento da usinabilidade através da formação de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) que, além de reduzir as força de corte através da diminuição da resistência ao cisalhamento do material, causam o aumento da vida da ferramenta através da formação de uma camada de MnS na sua superfície de saída, o que também reduz as forças de corte e, conseqüentemente, a temperatura de usinagem, segundo diversos autores (Trent e Wright, 2000; Jiang et. al., 1996; Jha e Sharma, 1990). Como ponto negativo, a adição de enxofre afeta as propriedades mecânicas do material, em especial a resistência ao cisalhamento, além da trabalhabilidade a quente e a resistência à corrosão. Além disso, devido à forma das inclusões de MnS, a adição de enxofre acarreta a anisotropia de aços trabalhados mecanicamente, segundo diversos autores (Somekawa et. al., 2001; Tsunekage et. al., 2000).
O chumbo é o aditivo de corte fácil mais utilizado após o enxofre, causando o aumento da usinabilidade devido à formação de inclusões que facilitam a quebra do cavaco, ao efeito lubrificante que gera na superfície de saída da ferramenta e a uma proteção física das superfícies potencialmente desgastadas (Mills e Redford, 1983; Jha e Sharma, 1990), com alterações mínimas nas propriedades do material. A geração da camada protetora se deve ao seu baixo ponto de fusão, facilmente alcançado na interface ferramenta-peça, que faz com que um filme líquido seja formado entre a superfície da ferramenta e o cavaco. A baixa solubilidade de chumbo no aço e o fato deste elemento não formar compostos garante a manutenção das propriedades mecânicas do material, evitando a anisotropia que se observa nas peças tratadas ao enxofre. Porém, a elevada toxidade do chumbo faz com que seu uso seja cada vez menos freqüente, sendo inclusive restrito por leis ambientais.
Devido aos aspectos negativos do uso do enxofre e, principalmente, do chumbo como aditivos de corte fácil, há a necessidade de se buscar substituto para estes materiais. O elemento mais usado na substituição do chumbo é o bismuto. Bastante próximo do chumbo na tabela periódica o bismuto possui, além de um baixo ponto de fusão, algumas características que o diferencia dos outros metais, que são o fato de expandir na solidificação e apresentar a menor condutividade térmica no estado sólido entre os metais (Ojebuoboh, 1992).
Somekawa et. al (2001), avaliando a usinabilidade de aços ao chumbo e ao bismuto, verificaram um comportamento semelhante entre os aços estudados, com um claro aumento da usinabilidade em relação a um aço carbono sem elementos de corte fácil. No caso do chumbo, foi reportado um efeito pequeno deste elemento na usinabilidade de aços em altas velocidades de corte. Este fenômeno é creditado ao aumento de temperatura, causado pela pequena área de contato entre o cavaco e a ferramenta, o que pode acelerar o desgaste de ferramentas de metal duro.
O efeito do uso de bismuto em aços de corte fácil é semelhante ao do chumbo, porém com as vantagens de ser não tóxico, não afetar as propriedades do aço, já que uma quantidade inferior (até a
terça parte) de bismuto irá conferir aos aços um mesmo ganho em usinabilidade se comparado ao chumbo e prover melhor acabamento superficial aos componentes produzidos.
Este trabalho busca avaliar o efeito da adição de bismuto em aços de corte livre (CORFAC S300 e CB300) produzidos na Gerdau Aços Finos Piratini, para operações de torneamento cilíndrico externo com ferramentas de metal duro e aço rápido. A comparação entre o aço ressulfurado comum (CORFAC S300) e o aço com adição de bismuto (CORFAC CB300) é feita através da equação de Taylor.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Neste estudo foi estudada a usinabilidade de aços ressulfurados de baixo teor de carbono, com e sem adição de bismuto (CORFAC CB300 e CORFAC S300), com composição e propriedades mecânicas dadas pelas Tabelas 1 e 2.
Tabela 1 – Composição química dos aços estudados.
Aço C Si Mn P S Cr Ni Mo V Cu Bi A* 0,078 0,01 1,18 0,079 0,297 ,08 ,18 ,03 ,002 ,11 0,10 B** 0,074 <0,01 1,18 0,080 0,32 ,11 ,09 ,02 ,002 ,15 <0,01
*Aço A: CORFAC CB300. **Aço B: CORFAC S300 Tabela 2 – Propriedades mecânicas dos aços estudados. Aço Dureza (HB) Tensão Esc. (MPa) Tensão Rup. (MPa) A 125 297 436 B 123 293 429
O procedimento experimental adotado foi a realização de ensaios de usinabilidade de longa duração no processo de torneamento cilíndrico externo, com ferramentas de aço rápido e metal duro (Tabela 3).
Os ensaios foram realizados com corpos de prova cilíndricos, de diâmetro original (de laminação) igual a 69,85 mm. A preparação dos corpos de prova (CPs) constituiu-se da usinagem de furos de centro, remoção da camada externa oxidada até o diâmetro final de 68mm e usinagem de um canal, a fim de facilitar a saída da ferramenta. O comprimento usinado dos corpos de prova foi definido de acordo com a velocidade de corte de modo que cada passe de ferramenta ocorresse no intervalo de 1 minuto, após o qual a ferramenta era retirada para a medição do desgaste de flanco. Este procedimento era então repetido até que o critério de fim de vida da ferramenta (Tabela 4) de corte fosse alcançado.
Cada ensaio de torneamento foi realizado em 3 diferentes velocidades de corte (Tabela 5), definidas de acordo com a inclinação da curva de Taylor (observada em pré-testes). Para cada velocidade de corte foram feitas 3 repetições, num total de 9 ensaios para cada material.
Tabela 3 – Parâmetros de usinagem usados nos ensaios de torneamento.
Material da ferramenta Metal duro P15 Aço Rápido ABNT M2
Revestimento TiN/Al2O3 Não
Geometria da
ferramenta α0 = 6°; χ = 93°; λ = -6°; γrε = 0,4mm 0 = -6°*; α0 = 8°; χ = 75°; λ = 0°; γε0 = 25º; r = 90º
Quebra-cavaco Integral, γ = 15°* Não
Avanço (mm/rev) 0,15 0,1
Profundidade de corte (mm) 0,8 1,0
Fluido de corte Seco seco
*γ efetivo = 9º
Tabela 4 – Critério de fim de vida de ferramenta adotados. Operação Critério de fim de vida da ferramenta
Torneamento MD* VBMax = 0,3mm
Torneamento AR** Destruição da ponta de corte * Metal duro ** aço rápido
Tabela 5 – Velocidades de corte utilizadas. Aço Ferramenta* Vc (m/min)
A HSS 132, 140, 150
B HSS 132, 140, 150
A MD 355, 450, 560
B MD 355, 400, 450
* HSS: aço rápido ABNT M2; MD: Metal duro P15
3. RESULTADOS
A Figura 1 mostra a evolução do desgaste de flanco máximo ao longo do tempo de usinagem para os aços CORFAC CB300 e S300 usinados com ferramenta de metal duro. Pode-se notar que a tendência mostrada em todas as repetições é de um crescimento aproximadamente constante de
VBMax em relação ao tempo de usinagem. Na usinagem com ferramenta de aço rápido foi observada uma dispersão muito grande dos valores de VBMax ao longo do tempo, motivo pelo qual adotou-se a destruição da aresta cortante da ferramenta como critério de fim de vida de ferramenta. Os valores de fim de vida de ferramenta obtidos para os ensaios com aço rápido são apresentados na Tabela 6.
0 5 10 15 20 25 0,1 0,2 0,3 0,4 CB 300 355 m/min 450 m/min 560 m/min VB Ma x (m m) t (min) 0 5 10 15 20 25 0,1 0,2 0,3 0,4 S 300 355 m/min 400 m/min 450 m/min VB Ma x (m m) t (min)
Figura 1 – Evolução do desgaste de flanco máximo em função do tempo na usinagem com ferramenta de metal duro na usinagem dos aços CORFAC CB300 e CORFAC S300. Tabela 6 – Resultados de vida de ferramenta obtidos para o torneamento com ferramenta de aço
rápido.
Aço 132 m/min 140 m/min 150 m/min
CORFAC CB300 36,30±3,76 min 23,00±6,24 min 12,75±4,11 min CORFAC S300 17,33±4,51 min 10,33±2,52 min 7,00±0,82 min
A partir dos resultados de vida de ferramenta foram deduzidas as equações de Taylor para os ensaios de torneamento. A Figura 2 mostra as equações de Taylor para os aços CORFAC CB300e S300 obtidas na usinagem com ferramentas de metal duro. Observa-se que o aço CORFAC CB300 apresenta um melhor comportamento em usinagem para a maior parte da faixa de velocidades ensaiadas, isto é, na maioria dos casos a ferramenta apresenta maior vida quando usina o aço com adição de bismuto. Para velocidades próximas a 350 m/min o comportamento dos dois aços é similar.
As equações de Taylor obtidas para o torneamento com ferramenta de aço rápido estão representadas na Figura 3. Observa-se uma melhor usinabilidade do aço CORFAC CB300 (com adição de bismuto) em relação ao aço S300 para toda a faixa de condições de usinagem estudada.
10 5 20 300 500 600 T=2,12E+4.Vc-1,22383 T=1,12E+12.Vc-4,23243 400 CB 300 S 300 T (min) Vc (m/min)
Figura 2 – Curvas de Taylor para os ensaios realizados com ferramenta de metal duro.
1 10 100 T=6,54E+14.Vc-6,42056 T=8,56E+18.Vc-8,19174 140 150 130 CB 300 S 300 T (m in ) Vc (m/min)
Figura 3 – Curvas de Taylor para os ensaios realizados com ferramenta de aço rápido.
A fim de verificar a possibilidade de deposição de uma camada protetora na superfície da ferramenta, como sugerido por diversos autores (Trent e Wright, 2000; Jiang et. al., 1996; Jha e Sharma, 1990), foi realizada uma análise de EDS (energy dispersive spectroscopy) nas superfícies de folga e saída dos insertos de metal duro. A Figura 4 (a) mostra uma ampliação da aresta de corte de uma ferramenta de metal duro usada nos ensaios, obtida através de microscopia eletrônica, na qual foi realizada a análise de EDS. Em todas as ferramentas foram detectados traços de enxofre e manganês (além de ferro), mas não foi encontrado resíduo de bismuto.
(a) (b)
Figura 4 – Superfície da ferramenta de MD após 1 minuto de usinagem.
4. CONCLUSÕES
A partir da análise da literatura e dos resultados obtidos experimentalmente, pode-se concluir que:
• Nas condições estudadas para o torneamento com ferramenta de aço rápido, o aço ressulfurado tratado ao bismuto apresentou maior usinabilidade;
• Na usinagem com ferramenta de metal duro, observa-se o cruzamento das equações de Taylor no início da faixa de condições de usinagem estudadas. A partir deste cruzamento, o aço com adição de bismuto apresentou maior usinabilidade;
• Foi observada uma significativa diferença na declividade das curvas de Taylor dos dois aços para o torneamento com metal duro. A análise do gráfico indica uma menor dependência da vida de ferramenta com a velocidade de corte para o aço com adição de bismuto.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores deste artigo agradecem à Gerdau Aços Finos Piratini pelo apoio.
6. REFERÊNCIAS
Ferraresi, D., 1970. “Fundamentos da usinagem dos metais”, Editora Edgard Blücher, São Paulo. ISO, 1993. “Tool Life Testing with Single Point Turning”, ISO 3685.
Jha, G. and Sharma, S., 1990, ”Development of Free Machining Steels”, Tool & Alloy Steels, pp 5-12.
Jiang, L., Cui, K and Hänninen, H., 1996, ”Effect of tghe Composition, Shape Factor and Area Fraction of Sulfide Inclusions on the Machinablity os Re-sulfurized Free-machining Steels”, Journal os Materials Science and Technology, No58, pp. 160-165.
Mills, B. and Redford, A. H., 1983. “Machinability of Engineering Materials”, Applied Science Publishers, London.
Ojebuoboh, F. K., 1992, “Bismuth – Production, Properties and Aplications”, Extractive Metallurgy, pp. 46-49.
Somekawa, M., Kaiso, M., Matsushima, Y. and Yaguchi, H., 2001, ”Free Cutting Non-lead Steels”, Kobelko Technology Review, No 24, pp 9-13.
Trent, M. C., 1984. “Metal cutting principles – 2nd edition”, Butterworth-Heinemann, USA.
Trent, M. C., Wright, P. K., 2000. "Metal cutting principles – 4th edition”, Butterworth-Heinemann, USA.
Tsunekage, N., Kobayashi, K. and, Tsubakino, H., 2000, “Machinability and Mechanical Properties of Ferrite-Perlite Type Microalloyed Steels Containing Sulfur-Calcium-Hexagonal Boron Nitride or Bismuth-Boron”, Proceedings of the International Conference on Steel and Society, Osaka, Japan, pp.299-302.
The Influence of the Addittion of Bismuth on the Machinability of Resulfurized Steels Heraldo J. Amorim
Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS. Osvaldo Aranha Avenue, 99, room 108. Porto Alegre, Brazil. E-mail: hjamorim@brturbo.com
Ricardo G. Mombru
SENAI/CETEMP – RS. Br 116 Highway 3585. São Leopoldo, Brazil. E-mail: pacetemp@uol.com.br
Luiz A. K. Colembergue
Aços Finos Piratini. Getúlio Vargas Avenue, 3200. Charqueadas, Brazil.
Rodrigo Belloc Soares
Aços Finos Piratini. Getúlio Vargas Avenue, 3200. Charqueadas, Brazil.
Augusto O. Kunrath Neto
Federal University of Rio Grande do Sul – UFRGS. Av. Osvaldo Aranha, 99, room 108. Porto Alegre, Brazil. E-mail: augusto@demet.ufrgs.br
Abstract. In this work the machinability of two resulfurized steels, with and without the addition of
bismuth, was assessed. Both materials may be classified as DIN 9SMn28 and were evaluated using long term external cylindrical turning tests with high speed steel (HSS) and carbide tools. The results yielded Taylor equations for each material and process. The tool life criteria adopted to determine the Taylor equations were: flank wear equal to 0.3 mm for carbide tools and the destruction of the cutting tip for HSS tools. The results indicate a higher machinability of the steel with addition of bismuth for most testing conditions.
