UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

JHONATAN PERES DE SOUSA

ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO

São Luís

2014

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

JHONATAN PERES DE SOUSA

ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO

Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) apresentado ao Departamento de

Engenharia Mecânica e Produção, do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade

Estadual do Maranhão - UEMA, como requisito parcial para obtenção do título de

Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues

São Luís

2014

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO - UEMA

Sousa, Jhonatan Peres de.

Estudo da usinabilidade do aço inoxidável autenitico / Jhonatan Peres de Sousa.– São Luís, 2014.

74 f

Monografia (Graduação) – Curso de Engenharia Mecânica, Universidade

Estadual do Maranhão, 2014.

Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues.

1.Usinabilidade. 2.Parâmetros do processo. 3.Aço inoxidável austenitico.

I.Título

CDU: 624.014.2

JHONATAN PERES DE SOUSA

ESTUDO DA USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Departamento de Engenharia

Mecânica e Produção, do Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade Estadual do

Maranhão como requisito parcial para obtenção do titulo de Bacharel em Engenharia

Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues

Aprovada em: ____/____/____

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Jean Robert P. Rodrigues

Universidade Estadual do Maranhão - UEMA

Prof. Dr. Tiago do Espírito Santo Baldez Neves

Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia – Campus Monte Castelo - IFMA

Prof. Dr. Adilto Pereira Andrade Cunha

Universidade Estadual do Maranhão - UEMA

Ao SENHOR Deus Eterno, Soberano e

Poderoso, por toda a sua graça maravilhosa e

infinita misericórdia que sempre me

acompanharam todos os dias da minha vida.

À minha preciosa família por me incentivar a

nunca desistir dos meus objetivos.

Aos meus amigos que sempre acreditaram em

mim.

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus, meu refúgio e fortaleza, por ter me dado toda

força necessária, coragem, perseverança e capacidade para chegar até aqui e nunca desistir,

mesmo em meio às grandes dificuldades que tive que enfrentar ao longo desta caminhada.

À minha querida família, especialmente a minha mãe Evandeny Peres, ao meu pai

Domingos Lopes, aos meus irmãos Jhemeson e Jheison Peres, a minha tia Francisca Almeida

e a minha vó Raimunda Peres por sempre terem me apoiado ao longo de toda a minha vida,

me ajudando em todas as minhas dificuldades acreditando no meu potencial e confiando no

meu sucesso.

Ao Professor Dr. Jean Robert, que sempre se dispôs a me ajudar, tirando todas as

minhas dúvidas com o desenvolvimento desse trabalho, desempenhando um excelente papel

de professor e orientador.

Ao Professor Dr. Adilto Pereira e ao Professor Dr. Tiago Baldez pelas

considerações de grande significância feitas neste trabalho.

A todos os meus amigos do curso de Engenharia Mecânica (2010.1), por todo o

apoio, incentivo e companheirismo, principalmente ao meu amigo José Carlos, sem a sua

ajuda nada disso seria possível. Agradeço também aos meus amigos João Carlos e Cássio

Daniel, aos quais considero verdadeiramente como meus irmãos.

Aos meus líderes e todos os amigos da IBT-CBN, em especial ao Pr. Rubem e Prª

Maria do Espírito Santo, ao Pr. Gilbert Carlos e Joseane Sousa, aos meus amigos Leonilton

Ribeiro, Ítalo Barros e Ribamar Lima por todas as suas orações.

Agradeço também ao meu querido amigo Helismar Medeiros da IBA que sempre

me ajudou com suas orações e sua preciosa amizade.

Os meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que contribuíram direta ou

indiretamente na elaboração deste trabalho.

“Deleita-te no SENHOR e Ele satisfará os desejos

do teu coração.”

Salmos 37:4

RESUMO

Este trabalho consiste numa fonte confiável de informações no que diz respeito à

usinagem do aço inoxidável austenítico. De acordo com as pesquisas apuradas, foi possível

avaliar a usinabilidade deste material mediante uma série de condições de corte. Sabendo que

a usinagem atualmente é um dos processos de fabricação altamente difundido e da dificuldade

que existe na usinagem deste material, este trabalho visa fornecer uma visão clara das

ferramentas indicadas para a usinagem, os principais métodos e técnicas, os fluidos de corte

empregados, os desgastes encontrados nas ferramentas de corte e os critérios de vida da

mesma. Além disso, este trabalho aborda desde o histórico do desenvolvimento deste aço,

explicando sobre sua abundância e obtenção, características principais, classificações,

importância e aplicações até um estudo criterioso sobre os efeitos da usinagem deste aço nos

parâmetros do processo (acabamento superficial, forças de corte, temperaturas de corte e etc.),

o que é de fundamental importância quando se deseja uma excelente operação de usinagem de

pequena, média ou grande escala.

Palavras - chave: Usinabilidade, aço inoxidável austenítico, parâmetros do processo.

ABSTRACT

This work is a reliable source of information regarding the machining of austenitic

stainless steel. According to the research determined it was possible to evaluate the

machinability of this material through a series of cutting conditions. Knowing that the

machining is currently one of the highly diffused and difficult manufacturing processes that

exist in the machining of this material, this work aims to provide a clear overview of the tools

suitable for machining, the main methods and techniques, cutting fluids employees, found

wear on cutting tools and criteria for life the same. Furthermore, this work covers everything

from the development history of this steel, explaining about their abundance and obtaining,

main characteristics, classifications, applications and importance to a careful study on the

effects of this steel in machining process parameters (surface finish of forces cutting, cutting

temperatures, etc.), which is crucial when you want an excellent machining operation of

small, medium or large scale.

Key words: Machinability, austenitic stainless steel, the process parameters.

Lista de Figuras

Fig. 2.1 - Processo de produção do aço da GERDAU BRASIL 23

Fig. 2.2 – Seção Vertical do Sistema Fr-Cr-Ni para 70% de Fr 25

Fig. 2.3 – Pseudo-binários para relações fixas definidas Cr/Ni 25

Fig. 2.4 - Caldeirão Industrial a gás construído em aço inox AISI 304 29

Fig. 2.5 - Utilização do aço inox AISI 316 no revestimento da fachada da Sede da

VIVO 30

Fig. 2.6 – Sistema de exaustão fabricado em aço inox AISI 304 30

Fig. 2.7 – Tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304 30

Fig. 2.8 - Aplicação do aço inox AISI 304, 304L ou 316/316L em vasos de

pressão 31

Fig. 2.9 - Fogão a gás 4 bocas com forno construído com aço inox AISI 304 31

Fig. 2.10 - Fixação Rígida 36

Fig. 2.11 - Pastilha T-Max® para torneamento, classe 2015 38

Fig. 2.12 - Escolha da classe das ferramentas 38

Fig. 2.13 – Escolha das classes em função de vários itens 39

Fig. 2.14 - Fresa CoroMill® 345 41

Fig. 2.15 - Broca CoroDrill® 860 42

Fig. 2.16 – Decomposição da Força de Usinagem 43

Fig. 2.17 - Forças de usinagem e suas decomposições no plano de cisalhamento,

na superfície de saída e nas direções de corte e avanço 44

Fig. 2.18 – Forças de Corte do aço AISI 303 mediante as condições de usinagem 46

Fig. 2.19 – Forças de Corte do aço AISI 304 mediante as condições de usinagem 46

Fig. 2.20 – Forças de Corte do aço AISI 310 mediante as condições de usinagem 46

Fig. 2.21 - Zonas de geração de calor em usinagem 47

Fig. 2.22 – Temperaturas máximas da interface cavaco-ferramenta em função da

velocidade de corte 48

Fig. 2.23 - Mira da posição de medida de temperatura do sensor infravermelho 50

Fig. 2.24 - Efeito do desgaste na temperatura do cavaco 51

Fig. 2.25- Efeito da velocidade de corte na temperatura do cavaco 51

Fig. 2.26 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte 52

Fig. 2.27 – Fotografias das três formas de desgaste. a) desgaste de flanco; b)

desgaste de cratera; c) desgaste de entalhe 53

Fig. 2.28– Parâmetros utilizados para medir os desgastes das ferramentas de corte 54

Fig. 2.29 – (a) Vbmax versus tempo de usinagem e (b) Vida de ferramenta versus

Vc na usinagem com ferramenta de metal duro 55

Fig. 2.30 – a) Aplicação do fluido de corte no torneamento; e b) Aplicação do

fluido de corte no fresamento 56

Fig. 2.31 – Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético 59

Fig. 2.32 - Quimatic 4-EP – Fluido de Corte integral de base mineral 59

Fig. 2.33 – Rugosidade média aritmética em função da velocidade de corte (f =

0,15mm/rev e ap = 1,0mm) 62

Fig. 2.34 – Rugosidade média aritmética em função do avanço (vc = 250m/min e

ap = 1,0mm) 62

Fig. 2.35 – Rugosidade média aritmética em função da profundidade de usinagem

(vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev) 62

Fig. 3.1 - Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos 64

Fig. 3.2 - Tipos de cavacos obtidos no processo de usinagem do aço ABNT 304 65

Fig. 3.3 - Variação do comprimento do cavaco em função da velocidade de corte e

avanço 65

Fig. 3.4 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. a) Quebra-cavaco fixado

mecanicamente; b) Quebra-cavaco usinado diretamente na ferramenta; c) Quebra-

cavaco em pastilha sinterizada 66

Lista de Tabelas

Tabela 2.1- Produção mundial de aço bruto e ferro – gusa 21

Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis 26

Tabela 2.3 - Coeficiente de dilatação entre 20 e 200 ºC para famílias de aços 27

Tabela 2.4 – Característica quanto à estampabilidade e soldabilidade de alguns

aços inoxidáveis austeníticos 27

Tabela 2.5 – Aços inoxidáveis austeníticos e suas principais aplicações 32

Tabela 2.6 - Equivalência de normas para aços inoxidáveis 33

Tabela 2.6 - Classificação dos aços inoxidáveis austeníticos e suas composições

químicas 34

Tabela 2.8 - Classificação dos metais duros segundo a Norma ISO 513 35

Tabela 2.9 – Indicações para a escolha de brocas 42

Tabela 2.10 - Parâmetros de usinagem utilizados nos ensaios 45

Tabela 2.11 – Resultados da força de corte em diferentes condições de usinagem 45

Tabela 3.1 - Condições de corte utilizadas nos ensaios obtenção de amostras de

cavaco 64

Lista de Siglas e Abreviaturas

Fu – Força de usinagem

Fc – Força de corte

Ff – Força de avanço

Fp – Força passiva

Vc – Velocidade de corte

Ff(x) – Componente vetorial de Ff no eixo x

Fp(y) - Componente vetorial de Fp no eixo y

Fc(z) – Componente vetorial de Fc no eixo z

Ft - Projeção da força principal de corte que atua na superfície de saída da ferramenta na sua

direção tangencial

FN – Força de compressão

Fs - Projeção da força principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção

tangencial

FNZ - Projeção principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção normal

Tc – Tempo de corte

Vb – Vibração mecânica

rn - Raio de ponta da ferramenta

ap - profundidade de corte

β - ângulo de cunha da ferramenta

α, αo - ângulo de folga da ferramenta

χr – ângulo de posição da ferramenta

εr – ângulo de ponta da ferramenta

χr – ângulo de posição da ferramenta

t - tempo

γo - ângulo de saída negativo

λs - ângulo de inclinação negativo

Ra - Rugosidade média aritmética

KT - Profundidade de cratera

VBB - Desgaste de flanco médio

Vbmáx - Desgaste de flanco máximo

VN e VC – Critérios para o desgaste de entalhe na usinagem de ligas de Ni com ferramentas

de metal duro.

APC – Aresta Postiça de Corte

PIB – Produto Interno Bruto

Cr - Cromo

Ni - Níquel

CFC – Cúbica de Face Centrada

Mo - Molibdênio

Ti - Titânio

Nb - Nióbio

Al - Alumínio

Cu - Cobre

Mn - Manganês

Si - Silício

P - fósforo

S – enxofre

Fe – Ferro

Al2O3 - Óxido de alumínio

TiN - Nitreto de titânio

TiAlN - Nitreto de titânio-alumínio

ISO - International Standard Organization

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

AISI - American Iron and Steel Institute – Instituto Americano do Ferro e Aço

UNS - Unified Numbering System (Sistema de Numeração Unificada)

UNI - Ente Nazionale Italiano di Unificazione (Norma italiana)

DIN - Deutsches Institut für Normung eV (Norma alemã)

JIS - Japanese Industrial Standards (Norma japonesa)

BS – Norma da Inglaterra

AFNOR - Association française de normalisation (Norma francesa)

SIS - Standardiseringen i Sverige (Norma sueca)

HRC - Ensaio de dureza Rockwell

HSS - High Speed Steel – Aço rápido

PVD - Deposição Física por Vapor

CVD - Deposição Química por Vapor

CV – Cavalo-vapor

mm - milímetros

mm/rot – milímetros por rotações

m/min – metros por minuto

ºC - Grau celsius

MPa - Megapascal

LE – Limite de escoamento

LR – Limite de resistência

t – toleladas

µm/m ºC – Dilatação térmica

rpm – rotações por minuto

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 16

1.1. OBJETIVO GERAL 17

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17

1.3. JUSTIFICATIVA 17

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19

2.1. GENERALIDADES 19

2.2. UM BREVE HISTÓRICO SOBRE OS AÇOS INOXIDÁVEIS 19

2.3. ABUNDÂNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS CONSTITUINTES 20

2.4. PROCESSOS PARA OBTENÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS 22

2.5. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS 24

2.6. IMPORTANCIA E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES 29

2.7. CLASSIFICAÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO 33

2.8. FERRAMENTAS DE CORTE EMPREGADAS NA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL

AUSTENÍTICO 35

2.9. EFEITOS DA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO NOS PARÂMETROS DO

PROCESSO 43

2.9.1. FORÇA DE USINAGEM 43

2.9.2. TEMPERATURA DE CORTE 47

2.9.3. DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE 52

2.9.4. FLUIDOS DE CORTE RECOMENDADOS 56

2.9.5. ACABAMENTO SUPERFICIAL DAS PEÇAS 60

3. FORMAÇÃO DOS CAVACOS 63

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 67

5. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 69

16

1. INTRODUÇÃO

A grande variedade de matérias é que o tornam cada vez mais desconhecidos em

nossa cultura. Eles estão presentes em transportes, habitação, vestuário, comunicação,

recreação e produção de alimentos. Cada área de nossas vidas diárias é influenciado em maior

ou menor grau pelos materiais. Analisando, podemos constatar que o desenvolvimento e o

avanço da sociedade têm estado intimamente ligados à capacidade dos seus membros em

produzir e manipular matérias para satisfazer suas necessidades (Callister, 2006).

Com o passar dos tempos, a compreensão dos cientistas sobre as relações entre os

elementos estruturais deu-lhes as condições de moldar, em grande parte, as características dos

materiais. Assim, dezenas de milhares de materiais diferentes foram desenvolvidos com

características relativamente específicas que atendem as necessidades de nossa moderna e

complexa sociedade; estes incluem variados tipos de materiais como: metais, plásticos, vidros

e fibras. O desenvolvimento de muitas tecnologias que tornam o nosso dia-a-dia tão

confortável tem estado diretamente ligado com a acessibilidade a materiais adequados

(Callister, 2006).

A usinagem é um dos mais importantes processos de produção de componentes

mecânicos. Ela está presente em diversas áreas da indústria, como a automotiva, a naval, a

aeroespacial, a eletrônica e de eletrodomésticos (Wilkipédia, 2014). Estima-se que nos

Estados Unidos aproximadamente 10% do PIB, estejam relacionados aos processos de

usinagem, com base nos aos gastos relacionados com ferramenta, mão-de-obra e com o

capital investido (Shaw, 2005).

Os aços inoxidáveis austeníticos são materiais de grande utilidade na indústria e

são muito bem aplicados em equipamentos de processo, devido às suas excelentes

propriedades químicas como alta resistência a corrosão e resistência a temperaturas elevadas,

no entanto são materiais de difícil usinabilidade (Pereira, 2008). Devido ao custo da corrosão,

que em alguns países é considerado cerca de 3% do PIB, os homens trabalham há muito

tempo com a intenção de diminuir os custos, através da criação de barreiras contra a corrosão

para, pelo menos, minimizar estes problemas (Carbó, 2008).

O material de estudo deste trabalho é o aço inoxidável austenítico que, em

comparação com as demais classificações, são os mais resistentes à corrosão, devido aos

elevados teores de cromo (Cr) e níquel (Ni) e eles são produzidos nas maiores quantidades

(Callister, 2006). Este material é amplamente utilizado nas indústrias químicas, petroquímica,

17

nuclear, alimentícia, de bebidas e laticínios, de papel e celulose e em baixelas e cutelaria. Eles

são fabricados nas mais diversas formas, tais como placas, chapas forjadas, barras e perfis

laminados, arames e tubos com costura ou sem costura (Padilha, 1994).

1.1. OBJETIVO GERAL

Estudar a usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos em diversas condições de corte.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudar o efeito da usinagem nos parâmetros do processo;

Discutir os processos de usinagem que tornam estes materiais mais fáceis de serem

usinados, bem como as ferramentas mais adequadas para se empregar;

Buscar formas mais práticas, atuais, simples e econômicas de usinagem destes aços.

1.3. JUSTIFICATIVA

Os aços inoxidáveis austeníticos estão incluídos no grupo dos aços que

apresentam melhores propriedades de resistência mecânica em temperaturas elevadas, pois o

coeficiente de expansão térmica é, aproximadamente, 60% maior e a condutividade térmica é,

aproximadamente, 30% maior quando comparados com os aços inoxidáveis ferríticos. A sua

estrutura CFC tem grande influência, pois favorece ao material excelentes valores de

resistência ao impacto, além de também favorecer a não ocorrência do fenômeno de transição

dúctil-frágil (Gravalos, 2008).

A usinagem de um material é entendida como a facilidade ou a dificuldade de

remoção de um material durante a usinagem e pode ser avaliada através da força de usinagem

(Fu), da temperatura de corte (Tc), do acabamento superficial, do controle do cavaco, da taxa

de desgaste da ferramenta de corte (Childs, Trent & Diniz, 2003); e de outras análises,

dependendo da necessidade, disponibilidade de infraestrutura, facilidade, podemos levar em

conta também a vibração mecânica (Vb) do sistema peça-ferramenta, sinais de emissão

acústica, entre outros.

O tema usinabilidade tem sido investigado, não somente no Brasil, mas também,

em vários países ligados à ciência e tecnologia interessados em desenvolvimento em

18

usinagem (Coppini, 2013). A usinabilidade é de grande interesse não só dos fabricantes dos

metais e ferramentas, mais também dos consumidores e de todos os que se envolvem na

produção de peças, por meio da formação do cavaco. Esta propriedade está diretamente ligado

à interação entre o processo de fabricação e as características do material da peça. Tem uma

grande influência na produtividade de uma empresa, motivo pela qual existe um grande

interesse em desenvolver métodos de ensaio (Pesquisa em foco, 2014).

Como os aços inoxidáveis austeníticos são conhecidos como materiais de difícil

usinagem, o presente trabalho trata de sua usinabilidade abordando um estudo dos efeitos da

usinagem nos parâmetros do processo. Desta forma, contribuindo para o avanço e o

desenvolvimento de novas técnicas e procedimentos que, por sua vez, possam aperfeiçoar

conhecimentos e processos, possibilitando uma visão mais ampliada para a indústria da

usinagem (Campos, 2010).

19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. GENERALIDADES

De acordo com Diniz e Coppini (2013), a usinabilidade geralmente é avaliada de

acordo com alguns critérios: vida da ferramenta, força de usinagem, qualidade superficial da

peça e forma dos cavacos. Outro importante fator de influência são os elementos de liga do

material, tratamento térmico realizado e processo de fabricação do material (forjado, fundido,

etc). Para avaliar a usinabilidade também existem outros critérios importantes, tais como o

estado metalúrgico da peça, dureza, composição química, condutividade térmica,

propriedades mecânicas e de eventual encruamento.

2.2. UM BREVE HISTÓRICO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS

A história relata que o desenvolvimento dos aços inoxidáveis é atribuído ao inglês

Harry Brearly, em 1912. Ao realizar experimentos com uma liga ferro-cromo com

aproximadamente 13% de cromo, fez algumas observações metalográficas e constatou que a

liga fabricada resistia à maior parte dos reagentes frequentemente usados em metalografia; a

essa liga ele denominou “Stainless Steel”, ou seja, “aço sem manchas”. Brealy, na verdade

quis dizer que esse aço não era atacado ou “manchado” quando submetido aos ataques

metalográficos da época (Núcleo Inox, 2011).

Neste mesmo ano, na Alemanha, Eduard Maurer estava afirmando que a liga

ferro-cromo elaborada por Brenno Straus era altamente resistente aos vapores agressivos do

seu laboratório.

Os aços inoxidáveis descobertos por Brealy e Strauss são, basicamente, os tipos

que hoje conhecemos como ABNT 420 e ABNT 302. Naquela época, foram feitos

tratamentos térmicos a altíssimas temperaturas para se obter boa ductilidade (caso do tipo

ABNT 302) e alta dureza (caso do tipo ABNT 420), no primeiro caso o tratamento foi dado

por Maurer (Núcleo Inox, 2011).

Em 17 de outubro de 1912, afirma Krupp chefiado por Brenno Straus, deu entrada

no setor de patentes do império alemão, em Berlim, ao pedido de patente DRP 304126:

”Fabricação de objetos que exigem alta resistência à corrosão”. Esta patente foi pouco depois,

em 20 de Dezembro de 1912, complementada por outra: DRP 304159. Desta forma nasciam

os aços inoxidáveis austeníticos V2A (V de Versuch, que significa experiência, A de

Austenit) contendo 20% de cromo, 7% de níquel e 0,25% de carbono. A firma Krupp foi a

20

primeira a comercializar aços inoxidáveis. Em 1914, a firma já havia fornecido 18 toneladas

de V2A para fábrica de anilina e soda; imediatamente os aços inoxidáveis foram adotados nas

fábricas de amônia sintética do país (Padilha, 1994). As ligas ferro-cromo (17% cromo) e

ferro-cromo-níquel (18% cromo e 8% níquel) foram amplamente usados nos anos de

1920/1930 nos Estados Unidos, Inglaterra e Alemanha, em fábricas de amônia e ácido nítrico

(Núcleo Inox, 2011).

A indústria química e as aplicações em altas temperaturas tinham então uma nova

classe de materiais adequadas para as suas instalações em meios agressivos. As pesquisas que

foram feitas indicavam claramente que o impacto que esses materiais representaram. Em 1934

produziram-se 56.000 toneladas e em 1953 a produção mundial ultrapassou um milhão de

toneladas. Entre 1950 e 1980, a produção de aços inoxidáveis aumentou 20 vezes; cerca de

2/3 desta produção eram de aços inoxidáveis autentico (Padilha, 1994).

Nessa época era um pouco difícil de compreender que, aquecendo duas ligas em

altas temperaturas, em torno de 1.000 ºC, e resfriando-as rapidamente, obtinham-se duas ligas

completamente diferentes, uma com alta dureza e outra com ótima ductilidade. Com o passar

dos tempos, os aços inoxidáveis muito evoluíram, principalmente em função das indústrias

petrolífera e aeronáutica, e até mesmo devido à 2 ª guerra mundial (Padilha, 1994).

O avanço obtido desde então nos processos de fabricação mecânica e refino de

ligas metálicas permitiram o desenvolvimento de aços inoxidáveis com diferentes

composições químicas, microestruturas e propriedades químicas e mecânicas que melhor se

enquadram em suas futuras aplicações. Estes aços são divididos em diferentes classes que

variam de acordo com os elementos químicos presentes nos mesmos, estes elementos são

responsáveis pela estabilização da microestrutura ferrítica, austenítica ou ambas. Alguns aços

inoxidáveis chegam a ter em sua composição uma quantidade de até 30% Cr, além de outros

elementos que podem ser adicionados tais como; Ni, N, Mo, Ti, Nb, Al e Cu (Sedriks &

Corrosion, 2003).

2.3. ABUNDÂNCIA DOS PRINCIPAIS ELEMENTOS CONSTITUINTES

De acordo com o DNPM - Departamento Nacional de Produção Mineral, o Brasil

foi o nono produtor mundial de aço (2,3% da produção) e o maior produtor da América Latina

(52,2%). A produção mundial de ferro-gusa foi 1,6% maior que a registrada em 2011,

atingindo 1,1 bilhão de toneladas. O Brasil participou com 2,8% dessa produção como mostra

a Tabela 2.1 a seguir.

21

(p) preliminar; (r) revisado; produção de aço bruto = aço em lingotes + produtos de lingotamento contínuo + aço

para fundição.

Tabela 2.1- Produção mundial de aço bruto e ferro – gusa (DNPM, 2014).

Os aços inoxidáveis austeníticos geralmente são formados basicamente de Fe-Cr-

Ni. De acordo com a aplicação do produto final e do meio ao qual o material será exposto são

adicionados Mo (Molibdênio) e Mn (Manganês). Vale ressaltar que em todos os aços

inoxidáveis estão sempre presentes o carbono e outros elementos como o silício (Si),

manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S) em quantidades específicas de acordo com a sua

classificação (Carbó, 2008).

Segue algumas informações sobre a abundância dos principais elementos que

constituem estes aços na crosta terrestre (DNPM, 2014):

Ferro (Fe): As reservas mundiais de minério de ferro são da ordem de 170 bilhões de

toneladas. As reservas brasileiras totalizam 29,6 bilhões de toneladas (com um teor médio de

52,95% de ferro) e estão localizadas, em sua quase totalidade, nos estados de Minas Gerais

(79,7% das reservas e teor médio de 51,4% de Fe), Mato Grosso do Sul (9,9%) e Pará (9,1% e

teor médio de 67%). A produção mundial de minério de ferro em 2011 foi de cerca de 2,8

bilhões de toneladas. A produção brasileira representou 14,2% da produção mundial, sendo

Minas Gerais (69,1%) e Pará (27,7%) os principais estados produtores (DNPM, 2014).

Discriminação Aço Bruto (103t) Ferro-Gusa (103t)

Países 2011r 2012

r % 2011

r 2012

p %

Brasil 35.162 34.682 2,3 33.243 30.745 2,8

China 683.265 708.784 46,9 629.693 654.269 59,4

Japão 107.595 107.235 7,1 81.029 81.405 7,4

Índia 72.200 76.715 5,1 38.900 42.258 3,8

Russia 68.743 70.609 4,7 48.120 50.522 4,6

EUA 86.247 88.599 5,9 30.233 32.113 2,9

Coréia do Sul 68.471 69.321 4,6 42.218 41.718 3,8

Outros países 368.377 354.277 23,4 179.294 167.644 15,3

TOTAL 1.490.060 1.510.222 100 1.082.730 1.100.674 100,0

22

Cromo (Cr): Os líderes mundiais na produção deste elemento são: Cazaquistão, África do

Sul e a Índia. O Brasil é praticamente o único produtor de cromo no continente americano,

continua com uma participação modesta, tanto em reservas como produção. Os principais

estados produtores são: Bahia (89,7%), Amapá (7,2%) e Minas Gerais (3,1%) (DNPM, 2014).

Manganês (Mn): O Brasil tem a 2a maior reserva mundial (~5,7 x 108 t). Em 2010 foi o 2

o

produtor mundial (1,8 x 106 t de minério, 18% da produção mundial). As principais jazidas

estão em Minas Gerais (87,5%) e no Mato Grosso do Sul (6,5%). A África do Sul detém a

maior produção e as maiores reservas do elemento. Ucrânia, Gabão, Índia, Austrália e China

também têm importantes jazidas. No fundo dos oceanos (inclusive na costa brasileira), há

nódulos metálicos contendo manganês, com uma reserva estimada em 5 x 1011

t do elemento

(Rocha, 2009).

Níquel (Ni): Entre 2010 e 2011 a produção mundial cresceu 10,9% sendo a Rússia, Indonésia,

Filipinas, Canadá, Austrália e Nova Caledônia os países responsáveis por 68,8% da oferta

mundial de níquel. O Brasil ocupa a 7ª posição no ranking. A produção nacional de minério

de níquel totalizou 13.203.844 t em 2011, distribuída entre os Estados de Goiás (45,0%),

Bahia (36,3%), Pará (11,3%) e Minas Gerais (7,4%).

Molibdênio (Mo): Os principais produtores em 2011 foram China e Estados Unidos da

América (EUA), com 94 mil e 64 mil de toneladas produzidas, respectivamente, ou 63% do

total produzido mundialmente. O Brasil não produz molibdênio, existem apenas projeto de

pesquisa em andamento, o último pedido data do ano de 2005 e está localizado no Rio Grande

do Norte.

Com base nesses dados pode-se dizer que os elementos que constituem os aços

inoxidáveis austeníticos estão dispostos de forma abundante na crosta terrestre.

2.4. PROCESSOS PARA OBTENÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS

De acordo com a Gerdau Brasil (2014), os aços inoxidáveis podem ser obtidos

tanto em usinas integradas, como em usinas semi-integradas. O princípio de operação das

usinas integradas está baseado em três etapas básicas: redução, refino e conformação

mecânica. Já as semi-integradas, são aquelas que trabalham utilizando apenas duas etapas:

refino e conformação mecânica. Estas usinas partem de ferro gusa, ferro esponja ou sucata

metálica para fabricação de aço. A Figura 2.1 mostra as etapas para obtenção do aço:

23

Figura 2.1 - Processo de produção do aço da Gerdau Brasil (Gerdau, 2014).

Nas usinas integradas, há dois processos diferentes de redução: o alto forno que

produz o ferro gusa e a redução direta que produz o ferro-esponja. Nestas unidades a

produção do aço é feita a partir do minério de ferro encontrado na natureza em forma de

rochas que precisam ser processadas para a obtenção do ferro-gusa ou ferro-esponja.

Nestas usinas, a transformação da matéria prima em aço começa com o processo

de redução. No alto forno o minério em forma granulada é aquecido juntamente com o coque

ou carvão vegetal a mais de 1400ºC. O calcário, outro tipo de fundente, é adicionado para

ajudar na formação da escória responsável pela captura das impurezas do minério. O

resultado, após a passagem pelo alto forno, é o ferro em forma líquida chamado ferro gusa.

Após está etapa, o ferro gusa é transportado para o conversor da aciaria onde

ocorre o refino do metal que irá transformar o ferro gusa em aço. O aço é obtido através da

injeção do oxigênio no ferro gusa líquido e também é adicionado a cal para promover a

formação da escória. De acordo com o produto final pretendido, na panela o material poderá

receber outros elementos de liga para dar novas propriedades ao aço como cromo e níquel, em

quantidades corretas, no caso dos aços inoxidáveis austeníticos. O ferro-esponja é obtido

através de um processo alternativo. A redução direta é feita em um reator. O processo inicia

com a redução do minério de ferro que pode ser granulada ou na forma de pelotas. No reator,

24

com monóxido de carbono e hidrogênio o minério reage a temperatura de 950ºC e se

transforma em ferro-esponja que é altamente metalizado.

Nas usinas semi-integradas, a produção do aço começa quando o forno elétrico é

abastecido com a sucata, principal matéria prima, e insumos para o processo de fusão. O

metal é fundido no forno elétrico e atinge temperaturas acima de 1700˚ C, resultando no aço

em forma líquida.

Após a fusão, o aço é transportado ao forno panela. No forno panela, o aço passa

por um refino secundário para ajustar sua temperatura e composição química, nesta etapa o

aço recebe as adições de ligas (de cromo, níquel, molibdênio e outras). Essa etapa garante a

produção de um aço de qualidade que é constantemente avaliado através de testes químicos

definidos a partir de normas estabelecidas. O aço é então transportado ao lingotamento

contínuo, onde é distribuído em diversos veios, em moldes de resfriamento para solidificar-se

na forma de tarugos ou blocos que serão cortados em dimensões adequadas a laminação. A

partir da laminação são produzidas chapas, barras e perfis estruturais enquanto que arrames

recozidos, arrames para solda e eletrodos, arrame farpado, galvanizado e pregos são

produzidos através do processo de trefilação.

2.5. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS

Segundo Modenesi (2001), sabe-se que os aços inoxidáveis austeníticos compõem

o maior grupo de aços inoxidáveis utilizados atualmente, representando cerca de 65 a 70% do

total produzido. Sua estrutura é predominantemente austenítica, não sendo endurecíveis por

tratamento térmico. Contém entre 6 e 26% de níquel, 16 e 30% de cromo e menos de 0,30%

de carbono, com um teor total de elementos de liga de, pelo menos, 26%.

Essa classe de aços inclui, principalmente, ligas Fe-Cr-Ni, embora em algumas

ligas parte da porcentagem do níquel é substituída por manganês e nitrogênio. Apresentam um

baixo limite de escoamento e um elevado limite de resistência e ductilidade a temperatura

ambiente. Comparando com os demais aços inoxidáveis, estes materiais possuem melhor

soldabilidade e resistência à corrosão (Modenesi, 2001).

Estes aços são amplamente utilizados na indústria química, alimentícia, refino de

petróleo e em diversos outros setores onde condições de boa resistência à corrosão, facilidade

de limpeza e ótimas características de fabricação são extremamente importantes (Modenesi,

2001). A Figura 2.2 mostra a seção vertical do Sistema Fr-Cr-Ni para uma liga com 70% de

25

ferro e a Figura 2.3 mostra três diagramas pseudo-binários para relações fixas definidas de

Cr/Ni.

Figura 2.2 – Seção vertical do Sistema Fr- Cr- Ni, para 70% de Fr (Padilha, 1994).

Figura 2.3 - Pseudo-binários para relações fixas definidas Cr / Ni (Padilha, 1994).

Os aços inoxidáveis austeníticos mais utilizados são os 18-8 em que o teor médio

de cromo é 18% e o de níquel é 8% (Chiaverini, 1990). Através de ensaios, pode-se

26

comprovar que a adição do níquel melhora consideravelmente a resistência à corrosão e a

resistência à oxidação em altas temperaturas, sendo que, o níquel é mais nobre que o ferro e,

além disto, forma uma camada de óxido que protege o aço.

De acordo Chiaverini (1990), com as principais características dos aços

inoxidáveis austeníticos são:

Não endurecíveis, por serem austeníticos;

Alta resistência à corrosão;

Resistência mecânica elevada (pode ultrapassar 2000 MPa);

Facilidade de limpeza, devido à sua baixa rugosidade superficial;

Boa soldabilidade;

Mantém suas propriedades, mesmo quando submetido a elevadas temperaturas ou a baixas

Temperaturas (materiais criogênicos);

Acabamentos superficiais e formas variadas;

Versatilidade e Forte apelo visual (modernidade, leveza, e prestígio);

Relação custo/benefício favorável;

Baixo custo de manutenção;

Material 100% reciclável: não agride o meio ambiente;

Material inerte, ou seja, não deixa gosto, não tem cheiro e não desprende metais;

A Tabela 2.2 apresenta o limite de escoamento, limite de resistência e o

alongamento total alcançado pelos aços inoxidáveis 304 e 316 em comparação com outros

aços em temperatura ambiente.

A = Austenitico, F = Ferrítico, M = Martensítico

Tabela 2.2 – Propriedades mecânicas de aços inoxidáveis (Metals Handbook, 1980).

A Tabela 2.3 mostra uma comparação entre o coeficiente de dilatação térmica,

demonstrando a dificuldade que o aço inox do tipo austenítico tem em manter as tolerâncias

de usinagem, principalmente em condições de refrigeração inadequada.

Tipo LE (N/mm2) LR (N/mm

2) Along. Total (%)

304 (A) 205 515 40

316 (A) 205 515 40

405 (F) 275 480 20

430 (F) 275 480 20

410 (M) 620 825 12

431 (M) 1030 1370 16

27

Tabela 2.3 - Coeficiente de dilatação entre 20 e 200 ºC para famílias de aços (Rios, 1992).

Uma característica importante a ser mencionada é a soldabilidade. Um material

que possui baixa soldabilidade requer, no processo de soldagem, uma série de cuidados e em

raríssimos casos significa que o material não pode ser soldado. A soldabilidade dos aços

inoxidáveis está diretamente relacionada com a classe que este pertence, sendo diferentes os

problemas encontrados na soldagem de aços inoxidáveis ferríticos, martensíticos e

austeníticos (Acesita, 2014).

É também de grande importância para as indústriais que trabalham com

conformação mecânica a avaliação da estampabilidade dos materiais. Isto se refere a

capacidade que uma chapa tem de adquirir a forma de uma matriz pelo processo de

estampagem sem romper ou apresentar qualquer outro tipo de defeito de superfície ou de

forma. A avaliação desta propriedade depende de muitos testes, tais como: ensaios

simulativos, ensaios de tração (do qual se obtém o limite de escoamento e de resistência, a

razão elástica, o alongamento total até a fratura, o coeficiente de encruamento, os coeficientes

de anisotropia normal e planar), ensaios de dureza, medida de rugosidade do material e etc.

(CIMM, 2014).

A Tabela 2.4 apresenta uma breve avaliação de alguns aços inoxidáveis

austeníticos quanto a sua estampabilidade e soldabilidade.

Tabela 2.4 – Característica quanto à estampabilidade e soldabilidade de alguns aços inoxidáveis austeníticos.

(Manual Técnico, 2011)

Famílias dos aços Coeficiente de dilatação térmica (µm/m ºC)

Aços de construção mecânica 11

Aços inoxidáveis martensíticos (13% Cr) 11

Aços inoxidáveis austeníticos (10-18% Ni) 18,5

Tipo Estampabilidade Soldabilidade

301 Boa Boa

304 Ótima Ótima

304L Ótima Ótima

316 Boa Ótima

316L Boa Ótima

28

Os aços inoxidáveis austeníticos podem ser considerados como os materiais mais

difíceis de serem usinados. As pesquisas de Diniz, Marcondes e Coppini, (1999), revelam que

além dos fatores citados anteriormente, outras características que dificultam a usinagem

dessas ligas são:

Baixa condutividade térmica que dificulta a extração do calor da região de corte,

provocando maior desgaste na ferramenta;

Alto coeficiente de atrito, que como consequência gera aumento do esforço e do calor;

Alto coeficiente de dilatação térmica, o que torna difícil a manutenção de tolerâncias

apertadas;

Elevado tensão de ruptura.

A usinabilidade desses aços é tanto melhor quanto mais estável for a austenita e

quanto menor o teor das inclusões não metálicas. Um aço inoxidável austenítico com tamanho

de grão austenítico relativamente grande pode, na maioria dos casos, ser usinado com maiores

velocidades de corte do que o mesmo aço com tamanho de grão austenítico menor (CIMM,

2014).

Segundo Tessler e Barbosa, (1993), uma elevada força específica de corte surge

devido a grande resistência a deformação presente nesses aços. Assim, a máquina-ferramenta

deve ser suficientemente rígida para suportar o esforço. O desgaste da ferramenta aumenta

sensivelmente com o acréscimo de carbono nesses aços, pois adições maiores de carbono

favorecem a formação de carbonetos estáveis dificultando a usinagem.

As dificuldades de usinagem dos aços inoxidáveis austeníticos normalmente

concentram-se em (Tessler & Barbosa, 1993):

Forte desgaste das ferramentas com baixa qualidade de acabamento superficial;

Péssima característica da saída de cavaco (quebra), causando congestionamento em centros

de usinagem;

Baixas velocidades de corte levando a baixa produtividade.

Durante o corte, observa-se a formação de uma camada encruada de alta

resistência que se opõe ao avanço da ferramenta. A formação de cavacos contínuos é causada

pela alta ductilidade do material e o atrito elevado na interface metal/ferramenta causa um

aquecimento na região de corte. Os aços inoxidáveis, não dissipam efetivamente o calor

gerado, por terem uma baixa condutibilidade térmica. O aquecimento excessivo compromete

a vida da ferramenta e conseqüentemente a qualidade superficial da peça usinada, havendo

necessidade de minimizar a velocidade de corte (Camargo, 2008).

29

2.6. IMPORTÂNCIA E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES

Logo no início de sua comercialização, os produtos inoxidáveis eram fabricados

para serem utilizados em aplicações cujo ambiente de trabalho exigia elevada resistência à

corrosão, porém devido as suas condições favoráveis à limpeza, higiene e sem relatar sua

incrível estética, o aço inoxidável passou a ser largamente empregado nas mais diversas

aplicações, como na construção arquitetônica, em instrumentos cirúrgicos, na indústria

farmacêutica, na fabricação de móveis, em objetos de uso doméstico e a outros semelhantes.

Os setores da indústria em que este material possui vasta aplicação são: automobilístico,

ferroviário, naval, agrícola, rodoviário, eletro-eletrônico, mecânico, construção civil,

utilidades domésticas, embalagens e recipientes (Oliveira, 2009).

A composição química associada ao processamento termomecânico, confere aos

aços inoxidáveis propriedades diferentes. Abaixo, temos algumas aplicações dos aços

inoxidáveis austeníticos juntamente com a justificativa de sua utilização nestes setores:

Cutelaria – Largamente empregado devido sua excelente resistência à corrosão conservando

assim as qualidades originais dos produtos por muito tempo. É o material ideal para

aplicações onde existe esse risco de contaminação (a retenção de microorganismos é dez

vezes inferior em relação ao plástico ou aço esmaltado), contribuindo para a assepsia e

higiene necessárias à saúde e ao trato correto dos alimentos (Acessita, 2014). A figura 2.4

mostra um caldeirão industrial a gás construído com o aço inox austenítico AISI 304.

Figura 2.4 - Caldeirão Industrial a gás construído em aço inox AISI 304. (Cozil, 2014).

Construção Civil – O aço inoxodável vem sendo empregado cada vez mais por arquitetos e

engenheiros em diferentes aplicações de interiores e exteriores na construção civil devido sua

aparência elegante e moderna que é excelente para projetos que exigem qualidade,

durabilidade e resistência, sem deixar de levar em consideração a estética. (Oliveira, 2009).

30

Figura 2.5 - Utilização do aço inox AISI 316 no revestimento da fachada da Sede da VIVO, Rio de Janeiro

(CBCA, 2006).

Indústria automotiva – A maior aplicação dos aços inoxidáveis nos automóveis é no sistema

de exaustão dos gases de combustão provenientes do motor. Além disto, são utilizados na

fabricação de diversos componentes como: tanques e catalisadores, disco de freio, e

escapamentos. A figura 2.6 mostra um sistema de exaustão fabricado com aço austenítico

AISI 304 (Acesita, 2014).

Figura 2.6 – Sistema de exaustão fabricado em aço inox AISI 304 (Rudes, 2014).

Indústrias Alimentícia e farmacêutica – Nessas indústrias, os aços inoxidáveis oferecem

uma série de vantagens, pois permitem um alto grau de higiene sem falar na preservação das

características dos produtos como cor, sabor e cheiro (Acesita, 2014). Veja na figura 2.7 um

tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304.

Figura 2.7 – Tanque de armazenagem construído em aço inox AISI 304 (Japacomponentes, 2014).

31

Indústria de Componentes de máquinas e equipamentos – Tanto em temperatura ambiente

como a baixas temperaturas estes aços possuem resistência mecânica relativamente elevada,

motivo pelo qual são utilizados em componentes de máquinas e equipamentos nos quais se

exige alta confiabilidade de desempenho como, por exemplo, partes de aeronaves e mísseis,

vasos de pressão, e componentes menores como parafusos e hastes (Acesita, 2014). A figura 2.8

ilustra a aplicação de alguns dos aços empregados na fabricação de vasos de pressão.

Figura 2.8 - Aplicação do aço inox AISI 304, 304L ou 316/316L em vasos de pressão (Vasos de pressão, 2014).

Bens de consumo duráveis – Devido seu forte apelo estético, juntamente com sua alta

resistência mecânica e a corrosão, este material tornou-se uma excelente opção para produtos

presentes nos dia-a-dia como fogões, fornos micro-ondas, fornos elétricos, refrigeradores,

lavadoras de roupa e de louça e de outros bens de consumo duráveis sem falar no prestígio

referente a sua beleza, versatilidade e modernidade (Acesita, 2014). A figura 2.9 demonstra a

aplicação do aço inox AISI 304 na estrutura de um fogão.

Figura 2.9 - Fogão a gás 4 bocas com forno construído com aço inox AISI 304 (Tramontina, 2014).

32

A tabela 2.5 apresenta uma descrição mais detalhada das principais aplicações de

acordo com o tipo de aço.

AÇ

OS

IN

OX

IDÁ

VE

IS A

US

TE

NÍT

ICO

S

AISI PRINCIPAIS APLICAÇÕES

301

Utilizado para fins estruturais, em equipamentos para indústria alimentícia, aeronáutica,

ferroviária e petrolífera; na confecção de facas e lâminas, pias e cubas, frisos; na caldeiraria e na

estampagem geral e profunda.

301LN Indústria ferroviária: trens e metrô para transporte de passageiros

304

Construção civil e arquitetura; equipamentos para indústrias aeronáutica, ferroviária, naval,

petroquímica, de papel e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar, alimentícia, de laticínios,

farmacêutica, cosmética, química; utensílios domésticos, instalações criogênicas, destilarias,

destilaria de etanol, fotografias, tubos e tanques em geral, estampagem geral, profunda e de

precisão.

304L

Equipamentos para indústria aeronáutica, automotiva, ferroviária, naval, petroquímica, de papel

e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar, alimentícia, de laticínios, farmacêutica, cosmética,

química; utensílios domésticos, instalações criogênicas, destilarias, fotografia, tubos e tanques

em geral, estampagem geral e profunda.

304H

Equipamentos para indústria petroquímica, de papel e celulose, têxtil, frigorífica, hospitalar,

alimentícia, de laticínios, farmacêutica, cosmética, química; instalações criogênicas, destilarias,

fotografias, tubos e tanques em geral. Equipamentos em que se exige maior resistência em altas

temperaturas aliadas a maiores exigências de soldabilidade.

310S

Indústria de tratamento térmico para partes de forno, tais como suporte de refratários, partes dos

queimadores, correias transportadoras, forração de forno, ventiladores, ganchos de tubos etc. Na

indústria alimentícia, são usados em contato com o ácido cítrico e ácido acético aquecidos.

316/316L

Construção civil e arquitetura; equipamentos para indústrias aeronáutica, ferroviária, naval,

química e petroquímica, farmacêutica, cosmética, têxtil, de borracha, de tintas, de laticínios,

hospitalar; mineração e siderurgia; refrigeração, refinarias, fabricação de tubos e vasos de

pressão, destilarias de álcool, destilarias de etanol e caldeiraria.

317L Indústrias química e petroquímica, e indústrias produtoras de papel e celulose; como

condensadores em estações geradoras de energia à base de combustível fóssil e nuclear.

321 Componentes termorresistentes em indústria elétrica, componentes soldados, indústria

alimentícia, tubos e tanques em geral.

310S

Usado amplamente na indústria de tratamento térmico para partes de forno tais como suporte de

refratários, partes dos queimadores, correias transportadores, forração de forno, ventiladores,

ganchos de tubos, etc. na indústria alimentícia, são usados em contato com ácido cítrico e

acético aquecidos.

347/347H

Equipamentos para indústria aeronáutica, como anéis coletores de turbinas e sistemas de

exaustão, juntas de expansão e também para equipamentos de processos químicos em alta

temperatura. Também encontra aplicação na indústria petrolífera, especialmente

durante o refino, em forma de tubos, conexões ou chapas planas.

Tabela 2.5 – Aços inoxidáveis austeníticos e suas principais aplicações (Acesita, 2014).

33

2.7. CLASSIFICAÇÃO DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENITICO

Os aços inoxidáveis são geralmente designados pelos sistemas de numeração do

American Iron and Steel Institute (AISI), Unified Numbering System (UNS) ou por adquirem

uma nomenclatura própria do proprietário da liga. Entre estes, o sistema da AISI é o mais

utilizado. Neste sistema, a maioria dos tipos de aços inoxidáveis possui uma classificação

com três dígitos. Os aços austeníticos fazem parte das séries 200 e 300, enquanto que a série

400 designa tanto aços ferríticos quanto martensíticos (Qualinox, 2014).

Em diversos livros e trabalhos brasileiros quando a sigla ABNT não antecede a

série do aço inox temos a sigla AISI. Segue uma equivalência de normas para aços

inoxidáveis (Sideracofitas, 2014):

ABNT AISI UNI DIN (Alemã) JIS BS AFNOR SIS

(Brasil) (EUA) (Itália) (Alemã) (Japão) (Inglatera) (França) (Suécia)

301 X12CrNi1707 X12CrNi177

1,4311 SUS 301 301 S 21 - -

302 X10CrNi1809 X12CrNi18.8 SUS 302 302 S 25 12 Ch 18N 2331

304 X5CrNi1810 X5CrNi189

1,4301 SUS 304 304 S 15 08 Ch 18N 2332

304L X2CrNi1811 X2CrNi189

1,4307

SUS

304L 304 S 12

03 Ch

18Ni 2352

316 X5NiCrMo1712 X5CrNiMo181

0 1,4401 SUS 316 316 S 16 - 2347

316L X2CrNiMo1712 X2CrNiTi1810

1,4404

SUS

316L 316 S 12 - 2348

321 X5CrNiTi1811 X10CrNiTi189

1,4541 SUS 321 321 S 12

08 Ch

18N10 2337

Tabela 2.6 - Equivalência de normas para aços inoxidáveis (Sideracofitas, 2014).

Através das pesquisas feitas por Chawla, Lula e seus colaboradores (1986), os

aços inoxidáveis são classificados de acordo com sua composição química e estrutura. Estas

ligas possuem na composição cromo e níquel para estabilizar e assegurar a estrutura

austenítica na temperatura ambiente e abaixo dela. Este grupo de aço inclui a série AISI 200,

ligas estabilizadas ao manganês e/ou nitrogênio e AISI 300, ligas estabilizadas ao níquel.

Desenvolvido inicialmente na Ásia, especificamente na China, o aço inoxidável

austenítico da série 200 tem sido amplamente utilizado no lugar de aços 300 para

34

determinados fins. Estes aços apresentam redução significativa de níquel e cromo. A adição

de manganês, combinada com nitrogênio, pode ter o mesmo efeito estabilizador da austenita

que o níquel. Além disso, certas classes (séries 201, 202 e 205) podem ter propriedades

mecânicas (tensão de escoamento) 30 % maior do que os aços 304. (Vieira, 2009).

De acordo com isso temos uma classificação detalhada na tabela 2.6 juntamente

com sua composição química destes aços:

Tabela 2.7 - Classificação dos aços inoxidáveis austeníticos e suas composições químicas (Abinox, 2014).

Tipo de Aço

ABNT C Mn Si P S Cr Ni Outros

201 0,15 5,50 1,00 0,06 0,03 16,00 3,50 N

7,50

18,00 5,50 0,25

202 0,15 7,5 1 0,06 0,03 17 4 N

10

19 6 0,25

205 0,12 14 1 0,06 0,03 16,5 1 N

0,25 15,5

18 1,75 0,32/0,40

301 0,15 2 1 0,045 0,03 16 6

18 8

302 0,15 2 1 0,045 0,03 17 8

19 10

303 0,15 2 1 0,2 0,15 17 5 Mo (A)

mín. 19 10 0,6

304 0,08 2 1 0,045 0,03 18 8

20 10,5

304 L 0,03 2 1 0,045 0,03 18 8

20 12

304 N 0,08 2 1 0,045 0,03 18 8 N

20 10,5 0,10/0,16

305 0,12 2 1 0,045 0,03 17 10,5

19 13

308 0,08 2 1 0,045 0,03 19 10

21 12

309 0,2 2 1 0,045 0,03 22 12

24 15

310 0,25 2 1,5 0,045 0,03 24 19

26 22

314 0,25 2 1,5 0,045 0,03 23 19

3

26 22

316 0,08 2 1 0,045 0,03 16 10 Mo

18 14 2,00/3,00

316 L 0,03 2 1 0,045 0,03 16 10 Mo

18 14 2,00/3,00

317 0,08 2 1 0,045 0,03 18 11 Mo

20 15 3,00/4,00

329 0,1 2 1 0,04 0,03 25 3 Mo

30 6 1,00/2,00

330 0,08 2 0,75 0,04 0,03 17 34

1,5

20 37

347 0,08 2 1 0,045 0,03 17 9 Nb + Ta >= 10 x C

19 13

35

2.8. FERRAMENTAS DE CORTE EMPREGADA NA USINAGEM DO AÇO

INOXIDÁVEL AUSTENITICO

De acordo com a Sandvik (2014), os critérios de seleção do material e da classe da

ferramenta de corte é um fator importante a ser considerado quando se deseja uma operação

de usinagem bem-sucedida.

O conhecimento básico de cada material para ferramenta de corte e seu

desempenho é, portanto, muito importante para a seleção correta de cada aplicação. As

considerações incluem o material da peça a ser usinado, o tipo de peça e o formato, as

condições de usinagem e o nível de qualidade superficial para cada operação.

Os materiais da ferramenta de corte devem possuir diferentes combinações de

dureza, tenacidade e resistência ao desgaste e são divididos em várias classes com

propriedades específicas.

O material das ferramentas de corte indicado na literatura e também pela Sandvik

Coromant, para usinagem do aço inoxidável austenítico é o metal duro de Classe M como

mostra a tabela 2.8.

Principais Classes Classes de aplicação

Letra de

identificação

Cor de

identificação Materiais a serem usinados

Metais

duros Parâmetros

P Azul

Aços: Todos os tipos de aços e aços

fundidos, exceto aços inoxidáveis

com estrutura austenítica.

P01

P10

P20

P30

P40

P50

P05

P15

P25

P35

P45

a

b

M Amarelo

Aço Inoxidável: aço inoxidável

austenítico e aço duplex

(austenítico/ferrítico) e aço fundido.

M01

M10

M20

M30

M40

M05

M15

M25

M35

a

b

a - aumento da velocidade de corte, aumento da resistência ao desgaste do material da ferramenta.

b - aumento do avanço, aumento da tenacidade do material da ferramenta.

Tabela 2.8 - Classificação dos metais duros segundo a Norma ISO 513/2004.

36

O metal duro é usado em cerca de 50% das aplicações devido ao custo e a

combinação da dureza à temperatura ambiente, dureza a quente, resistência ao desgaste e

tenacidade, possível graças à variedade da sua composição. A ferramenta MD pode ser

aplicada em altas velocidades de corte (Machado, 2009).

O metal-duro é composto de carbonetos metálicos em forma de minúsculas

partículas que são incrustadas em metal ligante. Os componentes mais importantes são o

carboneto de tungstênio (WC) que determinam sua resistência ao desgaste e o metal ligante

cobalto (Co) que determina a sua tenacidade. Outros elementos podem ser adicionados a essa

composição básica como carbonetos de titânio (TiC) para aumentar a resistência à

craterização, de tântalo (TaC) e de nióbio (NbC), pois oferece maior tenacidade ao MD, pois

melhoram muito a performance das ferramentas de metal-duro quanto a prevenir desgastes

que se originam nos processos de formação de cavacos particulares a cada tipo de material

(Machado, 2009).

O metal duro é utilizado, normalmente, na forma de pastilhas intercambiáveis

(insertos) com fixação mecânica sobre um suporte como mostra a Figura 2.10.

Figura 2.10 - Fixação Rígida (Sandvik, 2014).

As ferramentas de metal duro podem usinar qualquer tipo de material, desde que

não ultrapasse a dureza de 45 HRC. Nas operações de usinagem como torneamento, as

ferramentas de metal duro podem trabalhar com velocidades de corte bem maiores se

comparadas com velocidades de corte de uma ferramenta de aço rápido. No entanto há uma

exigência de máquina de maiores velocidades e maior rigidez para prevenir vibrações, já que

37

o metal duro possui uma tenacidade menor se comparada com aço rápido, podendo, assim

chegar a uma avaria em um curto espaço de tempo de uso. Para melhorar as propriedades

mecânicas das ferramentas de metal duro foram desenvolvidas coberturas, que aumentam a

resistência ao desgaste da camada superior que entra em contato com o cavaco e com a peça

(Diniz, 2003).

De acordo com Machado e Silva (2004), a utilização de ferramentas de metal duro

com cobertura nas indústrias atinge cerca de 90%. Este número é consequência do maior

domínio das técnicas de revestimento, apresentando custo mais acessível do produto e,

também, aumentando a concorrência dos fabricantes e ferramentas. Os revestimentos são

aplicados em substratos de quaisquer classes de metal duro. Os metais duros podem receber o

revestimento pelo processo PVD (Deposição Física por Vapor) e também pelo processo CVD

(Deposição Química por Vapor). Os fabricantes de ferramentas possuem em suas linhas de

produtos ferramentas revestidas pelos dois processos. O processo por PVD garante a mesma

tenacidade do substrato e isso não ocorre com o processo CVD.

Segue as principais características das camadas de revestimentos (Espanhol,

2008):

Carbonetos de titânio (TiC): possui excelente resistência ao desgaste por abrasão;

funciona como elemento que promove a adesão das camadas de cobertura com o metal

duro no núcleo. Possui baixa tendência de soldagem com o material da peça, dificultando o

desgaste por adesão e a formação da aresta postiça de corte e baixo coeficiente de dilatação

térmica. É o revestimento mais utilizado como primeira camada.

Óxido de alumínio (Al2O3): garante a estabilidade térmica necessária em temperaturas

elevadas por ser um material cerâmico refratário e por possuir alta resistência ao desgaste

por abrasão, além de alta resistência a ataques químicos e à oxidação.

Nitreto de titânio (TiN): reduz o coeficiente de atrito entre a pastilha e o cavaco. É

quimicamente mais estável que o TiC por possuir menor tendência à difusão em aços.

Nitreto de titânio-alumínio (TiAlN) e nitreto de alumínio-titânio (AlTiN): maior

resistência à oxidação, permitindo o uso de temperaturas mais altas; baixa condutividade

térmica. Protege a aresta de corte e aumenta a remoção de calor através do cavaco; alta

dureza a frio e a quente; alta estabilidade química que reduz bastante o desgaste de cratera.

Relembrando que a classe da pastilha é selecionada principalmente de acordo com

(Sandvik, 2014):

O material da peça (ISO P, M, K, N, S, H);

38

Tipo de método (acabamento, usinagem média, desbaste);

Condições de usinagem (boa, média, difícil).

As ferramentas recomendadas para uso nas operações de torneamento são da

classe 2000.

Figura 2.11 - Pastilha T-Max® para torneamento, classe 2015 (Sandvik, 2014).

Para cortes intermitentes ou quando o martelamento ou entupimento de cavacos

for o principal mecanismo de desgaste, use as classes GC1100. As classes GC1100 também

são a primeira escolha quando for necessária uma aresta viva (por ex.: com baixos avanços ou

com uma profundidade de corte pequena).

F = Acabamento, M = Usinagem Média, R = Desbaste.

Figura 2.12 - Escolha da classe das ferramentas (Sandvik, 2014).

A Figura 2.13 demonstra a escolha das classes bem como o material de corte, o

tipo de metal duro, o procedimento e composição da cobertura, a cor e a espessura da

cobertura.

39

Figura 2.13 – Escolha das classes em função de vários itens (Sandvik, 2014).

Segue a descrição detalhada de algumas classes de ferramentas ideais para o

torneamento dos aços inoxidáveis austeníticos (Sandvik, 2014):

GC2015 - M15 (M05-M25)

Classe com cobertura CVD para acabamento e desbaste leve.

A classe pode lidar com altas temperaturas, combinada com uma cobertura resistente ao

desgaste, é uma escolha para cortes contínuos em velocidades de corte moderadas a altas.

GC2025 - M25 (M15-M35)

A classe de primeira escolha.

Classe de metal duro com cobertura CVD otimizada para semiacabamento ao desbaste.

A boa resistência a choques térmicos e mecânicos fornece excelente segurança da aresta

também em cortes interrompidos.

GC2035 - M35 (M25-M40)

Metal duro com cobertura PVD.

Deve ser usado para semiacabamento ao desbaste em velocidades de corte baixas a

moderadas.

A excelente resistência a choques térmicos faz com que seja ideal para aplicações com

cortes intermitentes rápidos.

40

GC1115 - M15 (M05-M25)

Classe de metal duro com cobertura PVD.

Com boa segurança da aresta de corte, a cobertura proporciona excelente resistência

quando materiais abrasivos são usinados.

Combinada com uma geometria de aresta viva, a classe oferece bom desempenho com

desgaste uniforme.

GC1125 - M25 (M10-M30)

Classe de metal duro com cobertura PVD.

Deve ser usada para acabamento usando velocidades de corte médias a baixas.

Excelente quando for necessária ação de corte vivo combinada com acabamento superficial

ou tenacidade da aresta superiores.

Ótima resistência a choques térmicos também a torna adequada para cortes levemente

interrompidos.

GC235 - M40 (M25-M40)

Uma classe de metal duro com cobertura CVD para desbaste de materiais com casca

difícil.

A classe tenaz fornece excelente segurança da aresta, o que permite que a classe lide com

cortes interrompidos pesados com velocidades baixas a moderadas.

GC1105 - M15 (M05 - M20)

Classe de metal duro com cobertura PVD que tem alta dureza e boa resistência contra

deformação plástica.

Propicia desgaste uniforme e alto desempenho previsível.

Adequado para acabamento com altas velocidades.

GC1515 - M20 (M10-M25)

Classe de metal duro com cobertura CVD.

Adequada para acabamento quando for necessária alta resistência ao desgaste da aresta de

corte.

41

Para operações de fresamento, a Sandvik (2014), faz algumas indicações para a

escolha correta de fresas e pastilhas:

A maioria das fresas CoroMill podem ser usadas em aços inoxidáveis austeníticos e duplex

simplesmente escolhendo uma geometria da pastilha e classe dedicadas.

No faceamento, a CoroMill 245 e CoroMill 300 são mais apropriadas do que a CoroMill

345 e a CoroMill 200, devido à geometria de fresa mais positiva.

Use fresas com pastilhas redondas ou com pequenos ângulos de posição para minimizar o

desgaste por entalhe.

Figura-

Figura 2.14 - Fresa CoroMill® 345 (Sandvik, 2014).

Para operações de furação, a ferramenta ideal é CoroDrill® 860. A ferramenta

apresenta uma série de benefícios:

Baixo custo por furo;

Confiabilidade de desempenho melhorada;

Escoamento de cavacos sem problemas;

Vida útil da ferramenta longa, formação de desgaste controlada;

Tolerância do furo consistente.

O uso dessa ferramenta é indicado para materiais com codificação 860-MM, que

compreende os aços inoxidáveis com cavacos longos como aços inoxidáveis austeníticos,

dentre outros. A figura 2.15 ilustra esta ferramenta.

42

Figura 2.15 - Broca CoroDrill® 860 (Sandvik, 2014).

Seguem na Tabela 2.9 algumas indicações e especificações para a escolha da

broca:

Geometria Tipo de

broca

Proporção

comprimento/diâmetro

Diâmetro

da broca

(mm)

Refrigeração Tipo de

haste Classe

MM

Broca

standard com

diâmetro

simples

(2-3) (3-16) Interna Cilíndrica* GC

2214

(4-5) (3-16) Interna Cilíndrica* GC

2215

(7-8) (3-16) Interna Cilíndrica* GC

2216

MM

Broca para

furos

escalonados e chanfros

(2-3) (3,35-17,5) Interna Cilíndrica* GC

2217

*Padronizado na Norma (DIN 6535 HA).

Tabela 2.9 – Indicações para a escolha de brocas (Sandvik, 2014).

43

2.9. EFEITO DA USINAGEM DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENITICO NOS

PARÂMETROS DO PROCESSO

2.9.1. FORÇA DE USINAGEM

O conhecimento da força de usinagem Fu ou de suas componentes: força de corte

Fc, força de avanço Ff e da força passiva Fp, é a base:

Para o projeto de uma máquina ferramenta (dimensionamento das estruturas,

acionamentos, fixações, etc.);

Para a determinação das condições de corte em condições de trabalho;

Para a avaliação da precisão de uma máquina ferramenta, em certas condições de trabalho

(deformação da ferramenta, máquina e peça);

Para a explicação de mecanismos de desgaste.

A força de usinagem é também um critério para a determinação da usinabilidade

de um material de peça. Os componentes da força de usinagem (Fc, Ff e Fp) diminuem com o

aumento da velocidade de corte Vc devido à diminuição da resistência do material com o

aumento da temperatura (Ferraresi, Stemmer & König, 1990).

A força de usinagem é por ventura uma soma vetorial (Fu = Ff(x) + Fp(y) + Fc(z)) de

todas as forças que são propiciadas durante o processo de usinagem, ela depende diretamente

das forças de avanço (Ff), passiva (Fp) e de corte (Fc), as quais atuam consideravelmente na

ferramenta de corte, nas direções de avanço, ortogonal ao plano de trabalho e de corte,

respectivamente. A decomposição da força de usinagem está ilustrada na Figura 2.16

(Sánchez & Trent, 2002).

Figura 2.16 – Decomposição da Força de Usinagem (Stoeterau, 2007).

44

De acordo com Ferraresi (1977), à proporção que a ferramenta se movimenta em

direção a peça que irá ser usinada, uma parte do material da peça sofre tensão até que as

tensões de cisalhamento se tornem grandes o suficiente para provocar um deslizamento, que

acontece na região de cisalhamento, entre a parte tensionada do material e a peça. Para melhor

compreensão das forças de usinagem (Fu), a Figura 2.17 ilustra as mesmas atuando sobre a

cunha cortante e sua decomposição em diversas direções.

Desta forma, a força de corte (Fc), a projeção da força principal de corte que atua

na superfície de saída da ferramenta na sua direção tangencial (Ft), a força de compressão

(FN), a projeção da força principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção

tangencial (Fs), a projeção principal de corte sobre o plano de cisalhamento na sua direção

normal (FNZ), a força de (Ff), o ângulo de cunha da ferramenta (β), a razão entre as forças

tangencial e normal sobre a superfície de saída da ferramenta e o ângulo de folga da

ferramenta (α) podem ser vistos na Figura 2.17.

Figura 2.17 - Forças de usinagem e suas decomposições no plano de cisalhamento, na superfície de saída e nas

direções de corte e avanço (Ferraresi, 1977).

No artigo apresentado por F. N. Macari e I. F. Machado cujo tema é o “Efeito dos

parâmetros de usinagem na força de corte e no acabamento superficial de três aços

inoxidáveis austeníticos” foram trabalhados os aços AISI 303, AISI 304 e AISI 310 (ver

composição química na Tabela 2.7) com o objetivo de determinar a força de corte dentre

outros parâmetros.

45

Durante o torneamento, a força de corte foi avaliada utilizando um dispositivo

composto de um porta-ferramentas instrumentado com extensômetros (dinamômetro) para

medição da força de corte. Para a aquisição dos dados foi utilizado o sistema ADS 2000 da

Linux e um microcomputador para armazenamento e tratamento dos dados.

Os corpos de prova foram usinados em um torno convencional. No processo de

torneamento foram utilizadas 2 velocidades de corte (Vc), e duas relações entre avanço (f) e

profundidade de corte (d).

Os parâmetros de usinagem utilizados estão apresentados na Tabela 2.10.

Tabela 2.10 - Parâmetros de usinagem utilizados nos ensaios (Macari & Machado, 2005).

Os resultados das forças de corte medidas durante o processo de usinagem estão

apresentados na Tabela 2.11, a qual relaciona a usinagem dos aços AISI 303, 304 e 310 com

diferentes condições de usinagem.

Condição utilizada

Aço A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4

AISI

303 27,81 138,74 90,96 736,54 21 123,56 87,88 642,36

AISI

304 26,93 141,42 96,72 784,65 20,34 108,65 86,21 677,71

AISI

310 47,44 153,34 133,71 815,91 25,53 141,08 97,47 724,21

Tabela 2.11 – Resultados da força de corte em diferentes condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).

Para melhor visualização, segue a magnitude das forças de corte demonstradas

graficamente:

Vc

(m/min)

Relação

f/d

f (mm/volta)

e d (mm) Condição

Vc

(m/min)

Relação

f/d

f (mm/volta)

e d(mm) Condição

22

f/d=1

f=0,104 d=0,1 A1

88

f/d=1

f=0,104 d=0,1 B1

f=0,327 d=0,3 A2 f=0,327 d=0,3 B2

f/d=0,2

f=0,104 d=0,5 A3

f/d=0,2

f=0,104 d=0,5 B3

f=0,327 d=1,6 A4 f=0,327 d=1,6 B4

46

Figura 2.18 – Forças de Corte do aço AISI 303 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).

Figura 2.19 – Forças de Corte do aço AISI 304 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).

Figura 2.20 – Forças de Corte do aço AISI 310 mediante as condições de usinagem (Macari & Machado, 2005).

27,81

138,74 90,96

736,54

21

123,56 87,88

642,36

0

100

200

300

400

500

600

700

800

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4

Forç

a d

e C

ort

e (

N)

Condição

AISI 303

26,93 141,42 96,72

784,65

20,34 108,65 86,21

677,71

0

200

400

600

800

1000

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4

Forç

a d

e C

ort

e (N

)

Condição

AISI 304

47,44 153,34 133,71

815,91

25,53

141,08 97,47

724,21

0

200

400

600

800

1000

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4

Forç

a d

e C

ort

e (N

)

Condição AISI 310

47

Foi observado que ao utilizar menor velocidade de corte, as forças obtidas foram

maiores em todos os casos. Vale destacar também que o aço AISI 310 apresentou maiores

forças, a explicação provável para esse comportamento é o alto grau de encruamento desse

material.

Segundo a Revista “O mundo da usinagem” na publicação trimestral da Divisão

Coromant da Sandvik do Brasil, a maioria dos aços inoxidáveis tem tradicionalmente sido

associada à noção de que este é um material “viscoso” cuja usinagem é um tanto

problemática, gerando muito calor e proporcionando uma condução térmica ruim. Este

raciocínio, no entanto, em geral está fundamentado no corte de metais com um processo

contínuo — torneamento ou furação —, pois quando o processo é intermitente, como o

fresamento, a usinagem do aço inoxidável é realizada em condições muito melhores. Com os

avanços recentes na tecnologia de fresas, o argumento de que este material é de difícil

usinabilidade e que acarreta a produtividade no sentido de que a vida útil da ferramenta fica

insatisfatória foi definitivamente banido das indústrias.

2.9.2. TEMPERATURA DE CORTE

A temperatura de corte é uma informação de grande importância na usinagem,

pois contribui diretamente para o desgaste das ferramentas de corte. Conhecer esta

temperatura é ter um dado bastante relevante em mãos. E, devido a este fato, existem várias

maneiras para tentar estima-la.

De acordo com Trent (2000), o calor gerado afeta três zonas distintas. Estas três

zonas estão mostradas na Figura 2.19.

Figura 2.21- Zonas de geração de calor em usinagem (Machado, 2009).

48

A – Zona de Cisalhamento Primária;

B e C – Zona de Cisalhamento Secundária;

D – Interface entre a peça e a superfície de folga da ferramenta.

É importante esclarecer que a geração de calor na região C da Figura 2.21

somente apresentará um diferencial na temperatura quando a aresta de corte já estiver

desgastada ou se o ângulo de folga for pequeno.

A temperatura da interface cavaco-ferramenta aumenta com a velocidade de corte.

Haverá, portanto um limite prático na velocidade de corte para cada par ferramenta-peça. As

altas temperaturas nas ferramentas de corte não só aceleram os mecanismos de desgaste

termicamente ativados, mas também reduzem o limite de escoamento dessas ferramentas.

Assim a temperatura na zona de fluxo, e portanto, a temperatura da ferramenta depende da

quantidade realizado para cisalhar o material e da quantidade de material que passa pela zona

de fluxo, e isto varia com o material da peça (Trent, 2000).

Observa-se na Figura 2.22, a relação entre a temperatura e velocidade de corte

para os aços inoxidáveis austeníticos, dentre outros. O gráfico mostra a temperatura máxima

da interface cavaco-ferramenta (e portanto a temperatura máxima na superfície de saída da

ferramenta) na usinagem de vários materiais com ferramentas de aço rápido, em função da

velocidade de corte.

Figura 2.22 – Temperaturas máximas da interface cavaco-ferramenta em função da velocidade de corte

(Trent, 2000).

49

Sabe-se que uma variação nos parâmetros de corte contribui significativamente na

alteração de temperatura de corte. A seguir, é mostrado o efeito desses parâmetros na

temperatura.

• Velocidade de Corte: Com o aumento da velocidade de corte, consequentemente temos um

aumento na temperatura de corte, pois aumenta a geração de calor. Esse aumento de

temperatura acelera juntamente com o aumento do desgaste da ferramenta, o que faz aumentar

o atrito entre a peça e a ferramenta, e isso resulta num aumento da força de corte.

• Avanço: O efeito do avanço é analisado paralelamente com a velocidade de corte. Para

pequenos valores de avanço e baixas velocidades de corte, em geral, há a presença da APC, e

quando esta se faz presente, a principal fonte de calor está afastada da superfície da

ferramenta, entretanto, com o aumento da velocidade de corte, a aresta postiça de corte perde

estabilidade e a temperatura da ferramenta volta a aumentar significativamente com o

aumento da velocidade.

• Profundidade de Corte: Com o aumento da profundidade de corte, assim como o avanço,

temos uma alteração nas áreas dos planos de cisalhamento primário e secundário, e isso

resulta num aumento da força de corte. A quantidade de calor gerado é consequência da força

de corte. Conclui-se que o aumento da profundidade de corte implica num aumento da

temperatura.

• Ângulo de Folga: As evidências indicam que as interações entre o efeito do ângulo de folga

α, a velocidade de corte e o avanço podem ser muito significativas, trazendo resultados ótimos

para a redução da temperatura de corte.

Um artigo apresentado no 17º Simpósio do Programa de Pós-graduação em

Engenharia Mecânica desenvolvido pelos alunos da Universidade Federal de Uberlândia

tratava da “Análise do torneamento do aço inoxidável ABNT 304 através da temperatura do

cavaco”.

Nesse trabalho foi utilizada uma barra cilíndrica de aço inoxidável ABNT 304 de

70,9 milímetros de diâmetro e 500 milímetros de comprimento. As ferramentas de corte

utilizadas nos ensaios foram insertos de metal duro revestido SNMG 120404 MF 431, da

Sandvik Coromant juntamente com suporte PSSNR 2020 K12, também da Sandvik.

50

Para os testes utilizou-se o torno com variação contínua de velocidade, Revolution

220, da Deb’Maq, com 7,5 CV de potência. Para avaliar o desgaste da ferramenta as medidas

foram feitas utilizando-se microscópio com o software de análise de imagem Image Pro. Para

a medição de temperatura foi utilizado um sensor infravermelho Raytek e para a análise dos

sinais de temperatura foi utilizado o programa Data Temp Multidrop.

Para melhor avaliação e interpretação dos resultados, os parâmetros de corte

trabalhos foram os seguintes: profundidade de corte (ap) com o valor de 1 milímetro e o

avanço (f) de 0,15 milímetros por revolução juntamente com velocidades de corte de 120

m/min, 130 m/min, 150 m/min, 160 m/min e 170 m/min. O teste de torneamento cilíndrico

externo foi realizado a seco.

O sensor infravermelho foi montado de forma que a superfície da sua lente ficasse

a 76 milímetros da superfície de saída da ferramenta, a fim de ajustar o foco de maneira que a

leitura fosse mais precisa. Fez-se a mira do local onde o sensor captaria as temperaturas

através de um feixe luminoso que se encontrava num suporte adaptado ao sensor, como é

mostrado na Figura 2.23.

Figura 2.23 - Mira da posição de medida de temperatura do sensor infravermelho. (Pereira, 2009).

As Figuras 2.24 e 2.25 ilustram uma análise dos valores da temperatura máxima

dos cavacos obtidos nos ensaios realizados e as variações de velocidade de corte juntamente

com o desgaste de flanco da ferramenta utilizada na usinagem.

De acordo com o gráfico da Figura 2.24 percebe-se que, para qualquer velocidade

de corte escolhida, a temperatura máxima que os cavacos, geralmente, aumenta com o

aumento do desgaste.

A maior parte do calor gerado na zona de cisalhamento primária é dissipada no

cavaco. Sabe-se que com o aumento do desgaste, aumenta-se também a quantidade de

51

deformações na zona de cisalhamento primária, consequentemente, o calor nela gerado e a

temperatura do cavaco aumentam significativamente.

Figura 2.24 - Efeito do desgaste na temperatura do cavaco (Pereira, 2009).

De acordo com o gráfico da Figura 2.25, percebe-se que apenas para os desgastes

mais elevados, de 0,4 mm e 0,5 mm é que o acréscimo da velocidade de corte é significativo

no aumento da temperatura máxima atingida pelo cavaco, entretanto, para os outros níveis de

desgaste não ocorre esse efeito. Ao contrário, observa-se um ligeiro decréscimo nos valores

da temperatura do cavaco.

Figura 2.25- Efeito da velocidade de corte na temperatura do cavaco (Pereira, 2009).

52

2.9.3. DESGASTES DAS FERRAMENTAS DE CORTE

O desgaste das ferramentas de corte é um tema bastante discutido no setor da

usinagem e está diretamente relacionado a vida de uma ferramenta que pode ser definido

como sendo o tempo em que esta trabalha efetivamente, de certa forma que ela não perca suas

características de corte. Sua vida esta relacionada com o tempo em que a ferramenta alcança o

seu fim precisamente estabelecido, levando em consideração o cuidado com a alteração na sua

geometria, pois ela pode comprometer o acabamento superficial da peça gerando assim um

aumento nas forças de corte podendo resultar em vibrações, quebra e etc (Trent, 2000).

A Figura 2.26 apresenta as principais áreas de desgaste de uma ferramenta de

corte.

a – desgaste de cratera;

b – desgaste de flanco;

c – desgaste de entalhe.

Figura 2.26 – Principais áreas de desgaste de uma ferramenta de corte (Trent, 2000).

A Figura 2.27 apresenta exemplos de ferramentas desgastadas onde se pode

identificar claramente as três formas básicas de desgaste definidas anteriormente. Na Figura

2.27(a), a seta indica a área onde há a formação do desgaste de flanco. Normalmente, esta

forma de desgaste é a principal na avaliação da vida de uma ferramenta de corte. No desgaste

de flanco há uma perda do ângulo de folga, promovendo um aumento dos níveis de contato

entre a ferramenta e a peça e consequentemente, crescimento nos níveis de atrito e todos os

problemas por ele causados. Na Figura 2.27(b), a seta indica a área onde há a formação do

desgaste de cratera. Na Figura 2.27(c), a seta indica a área onde há a formação do desgaste de

53

entalhe. O desgaste de entalhe ocorre principalmente na usinagem de materiais resistentes a

altas temperaturas. Normalmente ocorre na aresta principal de corte, mas também pode

aparecer na aresta secundária de corte com dimensões mais reduzidas. Pode ocorrer tanto em

ferramentas de MD como em ferramentas de material cerâmico, que são as mais indicadas

para a usinagem das ligas de níquel, sofrendo forte influência das condições de corte.

Figura 2.27 – Fotografias das três formas de desgaste. a) desgaste de flanco; b) desgaste de cratera; c) desgaste

de entalhe (Editado da Sandvik, 1999)

Para fresamento frontal as ferramentas de metal duro revestidas são normalmente

as ferramentas mais solicitadas. Quando estas ferramentas são revestidos de TiC na última

camada se tornam mais resistentes ao desgaste de flanco, pois são mais resistentes à abrasão.

Se estas possuem o TiN como última camada, adquirem maior resistência ao desgaste de

cratera pois o coeficientes de atrito é relativamente pequeno, diminuindo assim as faixas de

temperatura e dificultando a difusão (Da Silva, 2009).

Para se avaliar bem a vida de uma ferramenta, é necessário quantificar o nível de

desgaste. Quando isto é possível deve-se seguir os parâmetros mostrados na Figura 2.28 que

são os principais indicativos e utilizados para quantificar o desgaste de uma ferramenta de

usinagem de acordo com a Norma ISO 3685 de 1977. Antes que um desses desgastes atinga

grandes proporções, de maneira a colocar o processo de corte em risco, a ferramenta deverá

ser reafiada ou substituída.

A Figura 2.28 mostra os parâmetros utilizados pela norma ISO 3685 para

quantificar esses desgastes. Os principais são KT, VBB e VbMax :

54

Figura 2.28– Parâmetros utilizados para medir os desgastes das ferramentas de corte (Norma ISO 3685, 1977).

O critério recomendado pela ISO para ferramentas de aço-rápido, metal duro e

cerâmicos é (Trent, 2000):

Desgaste de flanco médio, VBB = 0,3 mm;

Desgaste de flanco máximo, Vbmáx = 0,6 mm;

Profundidade de cratera, KT = 0,06 + 0,3f, onde f é o avanço em mm/rev;

Falha catastrófica.

No caso da usinagem de ligas de Ni com metal duro ou cerâmicas onde o desgaste

de entalhe predomina, a norma recomenda usar valores de VN e VC = 1,0 mm como critérios

também. Da mesma forma, quando qualquer um destes limites for ultrapassado, recomenda-se

a reafiação ou substituição da ferramenta de corte.

Na avaliação feita por Marcio Casagranda (2004) com o aço inoxidável AISI 303

é possível observar o nível do desgaste da ferramenta em função de velocidade de corte. Nos

ensaios realizados com ferramenta de metal duro adotou-se velocidade de corte de 200, 236 e

280 m/min, com profundidade de corte de 1.5mm e quatro avanços diferentes (0,1, 0,2, 0,3 e

0,4 mm/rot).

Para realização dos ensaios utilizou-se um torno marca Romi modelo Centur 30

RV que possui como características potência de 10 CV e rotação máxima de 3500 rpm. O

microscópio ótico de ferramentaria Mitutoyo, modelo toolmakers TM-201 foi utilizado para

as devidas medições do desgaste de flanco das ferramentas de corte. Este microscópio possui

dois nônios, com resolução de 0,01mm, que permitem a medição em x e y.

55

Os resultados deste ensaio estão ilustrados na Figura 2.29. O gráfico da Figura

2.29(a) demonstra a evolução do desgaste de flanco da ferramenta de metal duro para

diferentes velocidades de corte. Percebe-se que, quanto maior a velocidade de corte, mais

rapidamente a ferramenta irá atingir o critério de fim de vida. O gráfico da Figura 2.29(b)

mostra a curva de vida da ferramenta, que caracteriza a equação de Taylor.

Figura 2.29 – (a) Vbmax versus tempo de usinagem e (b) Vida de ferramenta versus Vc na

usinagem com ferramenta de metal duro. (Casagranda, 2004)

Nos ensaios, aço apresentou comportamento esperado e estável ao longo da vida

da ferramenta. A forte linearidade Vbmax x t, representada na Figura 2.29(a) facilita a

obtenção, via regressão linear, da equação de Taylor para este par ferramenta-peça, figura

56

2.29(b). Seguindo todos os cuidados e prevenções de segurança, nenhuma ferramenta

apresentou falha catastrófica em serviço, de modo que todas elas atingiram o critério de fim

de vida estabelecido.

2.9.4. FLUIDOS DE CORTE RECOMENDADOS

De acordo com a CIMM (2014), atualmente, com o avanço da produção aumenta

a exigência de alta qualidade dos produtos e das técnicas cada vez mais avançadas e

inovadoras nos processos de fabricação. Um dos itens de grande preocupação e que tem

gerado diversas pesquisas nesse meio é a utilização do fluido de corte a fim de minimizar o

uso do mesmo em vista da poluição que pode ocasionar ao meio ambiente bem como os danos

gerados à saúde do ser humano. Com base nisto, tem-se concluído que o fluido de corte deve

ser utilizado somente em ocasiões onde seus benefícios são nitidamente percebidos e mesmo

assim quando utilizados deve-se buscar aquele tipo de fluido que será menos poluente e

menos prejudicial à saúde do operador. Veja na Figura 2.30 a aplicação dos fluidos de corte

no processo de torneamento e fresamento.

Figura 2.30 – a) Aplicação do fluido de corte no torneamento (De Ávila, 2004); e b) Aplicação do fluido de corte

no fresamento (Sandvik, 2014).

O uso correto dos fluidos de corte nos processos de usinagem pode trazer vários

benefícios, que são observados na qualidade e na produtividade. Por outro lado, se não forem

manipulados e tratados corretamente, eles podem ser prejudiciais à saúde e ao meio

ambiente. Assim, a escolha do fluido de corte influi diretamente na qualidade do acabamento

a) b)

57

superficial das peças, na produtividade, nos custos operacionais e também na saúde dos

operadores e no meio-ambiente.

Eles são utilizados quando as condições de trabalho são desfavoráveis, podendo

trazer os seguintes benefícios (CIMM, 2014):

Redução da Força e Potência necessárias ao corte;

Redução do consumo de Energia;

Diminuição da Temperatura da peça e da ferramenta em trabalho;

Desobstrução da região de corte;

Aumento da Vida da ferramenta;

Melhor Acabamento da superfície usinada.

Conforme a CIMM, em operações com baixas velocidades de corte, a refrigeração

é relativamente sem importância, enquanto que a lubrificação é importante para minimizar o

atrito e evitar a formação da APC. Um fluido de corte a base de óleo deve, então ser usado.

Em operações a altas velocidades de corte, as condições são desfavoráveis para a penetração

do fluido de corte na interface para que ele exerça o seu papel. Nestas condições a

refrigeração se torna mais importante, e um fluido de corte a base de água deve ser utilizado.

O fluido de corte com ação lubrificante age para reduzir a área de contato cavaco-

ferramenta, e sua eficiência vai depender da sua habilidade de penetração do fluido na

interface cavaco-ferramenta no pequeno espaço de tempo disponível. A eficiência da

lubrificação dependerá também das propriedades do fluido, tais como: características de

molhabilidade, viscosidade, oleosidade e resistência do filme. Estas propriedades podem ser

conseguidas com a mistura certa de aditivos (Modenesi, 2001).

Atuando como refrigerantes, os fluidos de corte diminuem a temperatura de corte,

tanto pelo aumento da dissipação de calor (refrigeração), como também pela redução da

geração de calor (lubrificação). Quando se usa fluidos de corte a base da água, a dissipação de

calor (refrigeração) é mais importante que a redução da geração de calor (lubrificação). Com

ensaios feitos neste sentido é possível concluir que a eficiência do fluido de corte em reduzir a

temperatura diminui com o aumento da velocidade de corte e da profundidade de corte

(Modenesi, 2001).

Sabe-se que a capacidade do fluido de corte em tirar os cavacos da zona de corte,

depende da viscosidade e da vazão do fluido de corte, além, é claro, da operação de usinagem

e do tipo de cavaco que está sendo produzido. Em algumas operações, tais como furação e

58

serramento, esta função é de suma importância, pois ele pode evitar a obstrução do cavaco na

zona de corte e, consequentemente, a quebra da ferramenta (Modenesi, 2001).

Os fluidos de corte além de refrigerar e de lubrificar, devem ainda possuir outras

propriedades que produzirá a níveis operacionais os melhores resultados. Estas propriedades

podem ser descritas como seguem (Modenesi, 2001):

Anti – espumantes;

Anticorrosivas e antioxidantes;

Antidesgaste e antisolda (EP);

Transparência;

Inodor;

Não formar névoa;

Não provocar irritações na pele;

Compatibilidade com o meio ambiente;

Baixa variação da viscosidade quando em trabalho;

Quanto aos métodos de aplicação do fluido, existem basicamente três (Machado,

2009):

Jorro de fluido à baixa pressão (torneira à pressão normal);

Pulverização;

Sistema à alta pressão.

A Figura 2.31 mostra um sistema de aplicação de fluido de corte por jorro a baixa

pressão.

Sabe-se que o grupo dos aços concentra o maior volume de material usado

industrialmente e existe uma grande variedade de composições disponíveis. Assim, todos os

tipos de fluido de corte podem ser usados, e a escolha depende da severidade da operação e da

resistência do aço (CIMM, 2014).

O aço inoxidável austenítico e aços resistentes ao calor tendem a encruar de

maneira idêntica às ligas de níquel e a escolha do fluído de corte também obedecerá a critérios

similares. Para aço inox austenítico recomenda-se óleos EP (Extrema Pressão) para dificultar

o empastamento do cavaco na ferramenta. A Figura 2.32 mostra o Quimatic 4-EP, um fluido

de corte integral de base mineral excelente para usinagem de aços inoxidáveis austeníticos

(CIMM, 2014).

59

Figura 2.31 – Aplicação por jorro do fluido de corte semi-sintético (Fernandes, 2010)

Figura 2.32 - Quimatic 4-EP – Fluido de Corte integral de base mineral (Quimatic, 2014).

Este fluido de corte é ideal para rosqueamento, mandrilhamento, brochamento,

furação profunda e outras operações que exigem máxima lubrificação e pode ser utilizado

para usinagem contínua de todos os tipos de metais e suas ligas, inclusive em metais de

elevada dureza (Quimatic, 2014).

Segundo Ferraresi (1977), este fluido apresenta como vantagens:

Contém aditivos EP, que garantem máxima lubrificação em operações pesadas.

Facilita a retirada do cavaco evitando que ele fique aderido à ferramenta.

Não evapora. Pode ser usado em reservatórios de máquinas operatrizes que operam com

fluido de corte recirculante. Não produz névoa que possa causar irritabilidade.

60

Excelente proteção anticorrosiva. Não ataca componentes de máquinas ou peças usinadas.

De acordo com Bianchi (2004), algumas providências e cuidados devem ser

tomados no manuseio de fluidos de corte, bem como dicas de higiene no uso dos mesmos:

• Armazenamento: devem ser armazenados em locais adequados sem variações de

temperaturas, limpos e livres de contaminação;

• Alimentação: deve-se aplicar diretamente sobre a aresta de corte, a alimentação deve ser

iniciada antes do início do corte;

• Purificação e recuperação: por meio de decantação e filtragem;

• Controle de odor: contornado por meio de limpeza do local e pelo uso de bactericida da

emulsão;

• Contato e higiene: deve-se tomar cuidado, pois essas substâncias entopem os poros e os

folículos capilares, impedindo a formação normal do suor e a ação da limpeza natural da pele,

o que causa a dermatite. O controle desse problema é mais uma questão de higiene pessoal

(vestir um avental a prova de óleo, lavar as áreas da pele que entram em contato com o fluido,

sujeiras e partículas metálicas ao menos duas vezes ao dia. Também deve-se tratar e proteger

imediatamente os cortes e arranhões, aplicando cremes adequados as mãos e aos braços antes

do início do trabalho e depois de lavá-los, instalar nas máquinas protetores contra salpicos,

etc.).

2.9.5. ACABAMENTO SUPERFICIAL DAS PEÇAS.

Quando se específica um aço inoxidável, o acabamento é um dos aspectos de

grande relevância que deve ser considerado. O acabamento possui uma forte influência em

algumas características do material como, por exemplo, a facilidade ou dificuldade na limpeza

e na resistência à corrosão. Em algumas aplicações, a polidez de uma superfície transmitirá a

ideia de que os aços inoxidáveis são materiais “limpos” e que não apresentam dificuldades em

sua limpeza. Em outras, um acabamento com rugosidade relativamente maior poderá ter um

impacto estético que favorecerá as vendas de um determinado produto (Ferraresi, 1977).

O mesmo acabamento tem um aspecto diferente para cada tipo de aço (o aspecto

superficial de um 430 e de um 304 é diferente, mesmo tendo o mesmo acabamento). E mesmo

sendo o mesmo tipo de aço, o acabamento pode ser diferente, dependendo da espessura

(materiais mais finos são sempre mais brilhantes) (Carbó, 2008). Geralmente especificado em

projetos mecânicos, o acabamento superficial é representado principalmente pela rugosidade e

61

consiste em um conjunto de irregularidades, com espaçamento regular ou irregular, que juntos

formam um padrão ou uma textura característica das superfícies usinadas. Estas

irregularidades estão presentes em todas as superfícies reais, por mais perfeitas que estas

sejam, e existem independente do processo para obtenção da superfície (torneamento,

fresamento, furação e etc.) (Machado & Silva, 2009).

Segundo Nakayama e Shouckry (1966), o acabamento superficial é influenciado

por vários parâmetros de usinagem como: a geometria da ferramenta de corte, geometria da

peça, rigidez da máquina-ferramenta, material da peça, condições de corte e materiais da

ferramenta.

Em geral a rugosidade é menor (ou o acabamento é melhor) quando:

Deflexões geradas por esforços de usinagem ou vibrações são pequenas;

Corte sem aresta postiça de corte (APC);

O eixo principal da máquina ferramenta está corretamente alinhado e as guias sem

desgaste;

O material da peça e inerentemente puro, ou seja, isento de defeitos (bolhas, trincas e

inclusões);

Um artigo apresentado no VII Seminário Brasileiro do Aço Inoxidável tratava da

“Influência do fluido de corte sobre a força de usinagem e o acabamento do aço inoxidável

austenítico ABNT 304”. Neste trabalho, os testes foram feitos utilizando uma ferramenta de

metal duro revestido no processo de torneamento contínuo, também foram realizados a seco e

com fluidos de corte sintéticos com uma concentração de 5%.

O metal duro revestido da classe ISO M05-M20 foi a ferramenta escolhida para

este estudo. Esta escolha foi baseada na ampla utilização, versatilidade e custos desta, se

comparada às demais. Os principais ângulos do conjunto ferramenta/suporte foram: ângulo de

posição χr = 95°, ângulo de ponta εr=80o, ângulo de folga αo=6

o, ângulo de saída negativo γo =

-6° e ângulo de inclinação negativo λs = -6°.

Os fluidos de corte utilizados foram especificados da seguinte maneira:

Formulação F1 = produto de linha (fluido sintético com aditivo cloro);

Formulação F2 = fluido sintético com aditivo enxofre; e

Formulação F3 = fluido sintético com aditivo cloro e base lubrificante de cadeia longa.

Os equipamentos utilizados nos experimentos foram: torno CNC (3500rpm e

5,5kW), plataforma dinamométrica piezelétrica com amplificador de sinais e “software” para

aquisição de dados e um rugosímetro portátil.

62

Realizando os testes foram obtidos resultados significativos que estão

demonstrados graficamente a seguir.

Figura 2.33 – Rugosidade média aritmética em função da velocidade de corte

(f = 0,15mm/rev e ap = 1,0mm) (De Ávila, 2004).

Figura 2.34 – Rugosidade média aritmética em função do avanço

(vc = 250m/min e ap = 1,0mm) (De Ávila, 2004).

Figura 2.35 – Rugosidade média aritmética em função da profundidade de usinagem

(vc = 250m/min e f = 0,15mm/rev) (De Ávila, 2004).

63

As Figuras 2.33 a 2.35 apresentam, os valores de rugosidade média aritmética (Ra)

em função da velocidade de corte, avanço e profundidade de usinagem. Analisando

graficamente é notório que, em quase todas as situações, o uso de fluido de corte garante um

acabamento superior ao corte a seco. Observando a Figura 2.33 não se nota uma alteração

considerável nos valores de Ra quando a velocidade de corte é aumentada, entretanto, de um

modo geral, o fluido F1 é que proporciona valores mais baixos de rugosidade.

A Figura 2.34 mostra que um aumento considerável do avanço possibilita um

aumento de Ra bastante acentuado, em virtude da maior profundidade das marcas de avanço.

De um modo geral, os fluidos F3 e F1 apresentam melhores resultados. Para comparar, foram

calculados os valores teóricos de rugosidade média aritmética para o processo de

torneamento. Os valores calculados foram de 0,90 μm, 1,76μm e 3,61 μm para os avanços de

0,15 mm/rev, 0,21 mm/rev e 0,30 mm/rev, respectivamente. Comparando-se estes valores

com aqueles obtidos experimentalmente (Figura 2.35), observa-se que o fluido F3 é o que

proporciona valores de rugosidade mais próximos dos teóricos, sendo desta forma o mais

indicado se considerado o quesito acabamento da peça.

Foi observado que a variação da profundidade de usinagem pouco afeta o

acabamento dos corpos de prova (Figura 2.35), sendo o fluido F1 o responsável por valores

menores de Ra, entretanto, as diferenças entre os fluidos de corte, ou mesmo se comparados

ao corte a seco, são pouco representativas. Os valores ligeiramente menores de Ra são obtidos

usinando com ap=1 mm, o que pode ser explicado pela maior rigidez do cavaco formado, e

consequentemente, pela maior facilidade de sua quebra, o que evitaria a formação de cavacos

emaranhados típicos do torneamento de aços inoxidáveis, que por sua vez prejudicam o

acabamento da peça (De Ávila, 2004).

3. FORMAÇÃO DOS CAVACOS

De acordo com a CIMM (2014), a classificação dos tipos de cavaco depende

muito da ductilidade (ou fragilidade) do material da peça e das condições de corte. Quanto aos

tipos existem pelo menos três possibilidades: cavacos contínuos, descontínuos e segmentados.

Quanto a forma, os cavacos podem ser classificados: cavaco em fita, helicoidal,

espiral, cavaco em lascas ou em pedaços.

Quanto às condições de corte, em geral, um aumento da velocidade de corte, uma

redução no avanço ou um aumento no ângulo de saída, tende a produzir cavacos em fita (ou

contínuos, quanto ao tipo). O avanço é o parâmetro que mais influência e a profundidade de

64

corte o que menos influência na formação de cavacos. A Figura 3.1 mostra como as formas

dos cavacos são afetadas pelo avanço e pela profundidade de corte.

Figura 3.1 - Efeito do avanço e da profundidade de corte na forma dos cavacos (Machado, 2009).

No trabalho apresentado por um grupo de alunos do Centro Universitário de Volta

Redonda no VI Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação que tinha como título

“Análise dos parâmetros de usinagem do aço inox austenítico ABNT 304 como recebido via

microscopia eletrônica de varredura”, foi avaliado o tipo e a forma do cavaco bem como

uma relação entre o comprimento do cavaco com a velocidade e profundidade de corte.

Para a realização deste trabalho, utilizaram-se duas barras cilíndricas de aço

inoxidável ABNT 304, de 38 mm de diâmetro e 120 mm de comprimento. As mesmas foram

usinadas em um torno CNC, Fagor modelo TR-2, utilizando ferramentas de metal duro com

cobertura e especificação TNMG 16 04 04L-K 4025, da Sandvik Coromant. O suporte usado

tem especificação MT JNR 2525 – M16, também da Sandvik. Sendo assim, para cada

velocidade de corte foram obtidos amostras de cavaco para análises posteriores.

As velocidades de corte foram variadas de um ensaio para outro e todas as outras

condições foram mantidas constantes, como mostrado na Tabela 3.1. Vale resaltar que os

valores de velocidade de corte e avanço foram escolhidos baseados nas instruções do

fabricante da ferramenta.

Velocidade de corte (m/min) Avanço (mm/rot) Profundidade de corte (mm)

Passe 1 160 0,1 2

Passe 2 160 0,15 2

Passe 3 175 0,1 2

Passe 4 175 0,15 2

Tabela 3.1 - Condições de corte utilizadas nos ensaios obtenção de amostras de cavaco (Dias, 2011).

65

Através da Figura 3.2 pode-se observar as características resultantes do processo

de usinagem. Os cavacos obtidos foram do tipo contínuo, como já era esperado para aços

inoxidáveis austeníticos, devido à alta ductilidade do material, as velocidades de corte

adotadas na usinagem (superiores a 60 m/min). A forma dos mesmos foi helicoidal, pois os

cavacos se dobraram lateralmente, formando um cavaco que não se quebra com facilidade,

provavelmente isto ocorreu devido à pequena relação entre profundidade de corte e raio de

ponta da ferramenta (Diniz, 2003).

Figura 3.2 - Tipos de cavacos obtidos no processo de usinagem do aço ABNT 304 (Dias, 2011).

Outro aspecto observado na usinagem foi o comprimento dos cavacos, a medição

foi feita com uma trena. Nesta análise verificamos que ao compararmos diferentes

velocidades de corte e mesmo avanço, os comprimentos dos cavacos tiveram pequenas

variações. Porém, com velocidade constante e avanço variável de 0,10 para 0,15 mm/r, houve

uma redução no comprimento dos mesmos. Este fato pode ser observado pela Figura 3.3 a

seguir:

Figura 3.3 - Variação do comprimento do cavaco em função da velocidade de corte e avanço (Dias, 2011).

66

Apesar das condições de corte poderem ser escolhidas para evitar, ou pelo menos

reduzir a tendência de formação de cavacos longos em fita (contínuos ou segmentados), até o

momento, o método mais efetivo e popular para produzir cavacos curtos, é o caso de

dispositivos que promovem a quebra mecânica deles. Estes dispositivos são popularmente

conhecidos como “quebra-cavacos”. Veja na Figura 3.4 a seguir os tipos mais comuns de

quebra-cavacos.

Figura 3.4 - Tipos mais comuns de quebra-cavacos. a) Quebra-cavaco fixado mecanicamente;

b) Quebra-cavaco usinado diretamente na ferramenta; c) Quebra-cavaco em pastilha

sinterizada. (Machado, 2009).

67

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

4.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Conclui-se que a usinabilidade de um aço inoxidável austenítico é fortemente

influenciada pelo tipo de ferramenta utilizada, a escolha e o uso correto do fluido de corte e a

determinação dos ângulos de posição da ferramenta.

Vale ressaltar que a usinagem desses aços é realizada em condições muito

melhores no processo de fresamento, pois se trata de um processo intermitente e que com o

desenvolvimento recente de novas classes de ferramentas o argumento da dificuldade de

usinar este material tem sido retirado das indústrias.

Percebe-se que na usinagem dos aços AISI 303, 304 e 310, as forças obtidas são

maiores em todos os testes em que as velocidades são maiores. O ângulo de folga (α) é de

grande importância neste sentido, pois evita o atrito a peça e superfície de folga da

ferramenta. Se α for pequeno, a ferramenta perde o corte rapidamente, o que ocasiona grande

geração de calor e prejudica o acabamento superficial, caso este ângulo seja grande, a

ferramenta acaba perdendo resistência podendo soltar pequenas lascas ou quebrar.

A velocidade de corte (Vc), o avanço (f), a profundidade de corte (ap) e ângulo de

folga (α) contribuem significativamente na alteração da temperatura de corte. É possível

observar no ensaio com o aço AISI 304 que, para qualquer velocidade de corte, a temperatura

máxima que os cavacos atingem, geralmente, aumenta com o aumento do desgaste.

Na usinagem do aço inoxidável AISI 303 utilizando ferramenta de metal duro,

velocidades de corte de 200, 236 e 280 m/min, com profundidade de corte de 1.5mm e quatro

avanços diferentes (0,1 0,2, 0,3 e 0,4 mm/rot) é possível observar o nível do desgaste da

ferramenta em função de velocidade de corte. Quanto maior a velocidade de corte, mais

rapidamente a ferramenta irá atingir o critério de fim de vida o que é um comportamento

esperado de acordo com a literatura.

Na usinagem com ferramentas de metal duro revestido, adotando o ângulo de

posição χr = 95°, ângulo de ponta εr=80o, ângulo de folga αo=6

o, ângulo de saída negativo γo =

-6° e ângulo de inclinação negativo λs = -6° nota-se que todas as situações, o uso do fluido de

corte permite um acabamento superior comparado com o corte a seco. De acordo com o

ensaio, não se nota uma alteração considerável nos valores de Ra quando a velocidade de corte

é aumentada, entretanto, de um modo geral, o fluido sintético com aditivo cloro é que

proporciona valores mais baixos de rugosidade.

68

4.2. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Estudar o efeito das ligas na usinabilidade do aço inoxidável austenítico;

Avaliar a influência dos parâmetros na formação de cavacos;

Analisar os resultados aplicando MQF;

Estudar a integridade superficial para outros processos de usinagem, como por exemplo:

retificação, fresamento e furação.

69

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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