7º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
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7 BRAZILIAN CONGRESS ON MANUFACTURING ENGINEERING
20 a 24 de maio de 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ - Brasil
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May 20 to 24 , 2013 – Penedo, Itatiaia – RJ – Brazil
COMPARATIVO DO DESGASTE EM FERRAMENTAS DE METAL DURO
REVESTIDO NA USINAGEM DAS LIGAS INCONEL® 751 E INCONEL® 718
Fabio de Freitas Lima, [email protected]
Flávio José da Silva, [email protected]
Álisson Rocha Machado, [email protected]
1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Via do Conhecimento km 01, Pato Branco PR, 85503-390
Universidade Federal do Espírito Santo, Avenida Fernando Ferrari 514,Vitória ES, 29075-910
3
Universidade Federal de Uberlândia, Avenida João Naves D'Ávila 2121, Uberlândia MG, 38408-100
2
Resumo: A usinagem de ligas a base de níquel sempre foi muito complexa, apesar da utilização de modernos
processos de fabricação e avançadas ferramentas de corte. Pode ser apontada como fator principal para tais
dificuldades a alta resistência dessas ligas, que é mantida a temperaturas elevadas, dificultando o processo de
cisalhamento necessário para formar cavacos. Pesquisas na área de usinagem destas ligas são de fundamental
importância para o entendimento do processo e domínio da técnica de transformação desses materiais. O objetivo
deste trabalho é estudar o comportamento das ligas a base de níquel - Inconel® 751 e Inconel® 718, no torneamento a
seco com insertos de metal duro revestidos com TiAlN (Nitreto de titânio-alumínio) por PVD (Physical vapor
deposition). As vidas das ferramentas foram obtidas após monitoramento da evolução dos desgastes durante ensaios
determinados pela técnica de planejamento de experimentos, com as seguintes variáveis de entrada: materiais das
ferramentas [WC-Co 6% e WC-Co 10%], velocidade de corte e geometria das ferramentas. Ao final dos testes as
ferramentas foram analisadas com o auxílio de um microscópio eletrônico de varredura - MEV. Os resultados
mostraram que todas as variáveis de entrada tiveram influência sobre os tipos de desgastes e o tempo de vida das
ferramentas com 80% de confiabilidade estatística. Desgaste de entalhe (VBN), desgaste de flanco médio (VBB) e
desgaste de ponta (VBC) foram observados e influenciados pelas condições de corte e pelos materiais dos insertos. De
forma geral os metais duros WC-Co 6% apresentaram o melhor desempenho, sendo seguidos pelos insertos WC-Co
10%. Adesão, abrasão e difusão foram os mecanismos de desgaste dominantes.
Palavras-chave: Desgaste, metal duro, Inconel®, torneamento
1. INTRODUÇÃO
As ligas de níquel também chamadas de superligas são usadas na fabricação de componentes mecânicos
aeroespaciais e automotivos, devido a sua elevada resistência mecânica em altas temperaturas, grande resistência à
fluência, à fadiga e excelente resistência à corrosão. Seu campo de aplicação inclui componentes que trabalham em
elevadas temperaturas, tais como pás, discos e componentes de turbinas e elementos do sistema de exaustão de motores
(Machado et al., 2009 e ASM Hanbook Vol.2, 1990). As ligas de níquel Inconel® 751 e Inconel® 718 são muito
utilizadas na fabricação de componentes aeroespaciais e de turbinas a jato (Special Metals, 2008). As superligas são
conhecidas como materiais de difícil usinabilidade devido a diversos fatores, incluindo (Ezugwu et al., 1999): (i) a
maior parte de sua resistência é mantida durante a usinagem devido às boas propriedades em temperaturas elevadas; (ii)
ocorrência de encruamento, o qual contribui para o surgimento do desgaste de entalhe (VBN) na ponta e/ou na altura da
profundidade de corte; (iii) abrasão na ferramenta provocada pela presença de carbonetos duros na superliga; (iv)
interação química entre o material da peça e da ferramenta em elevadas temperaturas, conduzindo a altas taxas de
difusão; (v) adesão de material da peça na ferramenta durante a usinagem, causando entalhe e lascamentos na superfície
de saída; (vi) produção de um cavaco tenaz e contínuo de difícil controle durante a usinagem, contribuindo para a
degradação da ferramenta por fratura e cratera; (vii) a pouca difusividade térmica das ligas a base de níquel geram altas
temperaturas na ponta de corte, assim como gradientes de temperatura na ferramenta. Diversas ferramentas foram
utilizadas ao longo do tempo para usinar ligas a base de níquel, tais como metais duros, cerâmicas revestidas e sem
revestimento – puras ou mistas, além de ferramentas ultraduras. Apesar de atualmente as ferramentas de corte
incorporarem tecnologias avançadas em sua concepção, os problemas historicamente encontrados na usinagem de ligas
de níquel persistem. Fenômenos de avarias, como quebras e lascamentos podem ser observados mais frequentemente
em cortes interrompidos, como no fresamento. O desgaste ocorre tanto em processos de corte contínuo, quanto no corte
interrompido. As principais formas de desgaste nas ferramentas de corte são: desgaste de cratera, desgaste de flanco e
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desgaste de entalhe (Ezugwu et al, 1999 e Childs et al, 2001). O desgaste de flanco e o desgaste de entalhe são a
principal causa de rejeição das ferramentas nas operações de corte contínuo e, embora a interação dos mecanismos seja
complexa, pode haver desenvolvimento de desgaste por difusão, abrasão, adesão e outros (Ezugwu et al, 1999).
O desempenho de ferramentas de metal duro, usando dois suportes com diferentes geometrias, foi investigado no
torneamento das ligas Inconel® 751 e Inconel® 718 sob diferentes condições de corte, sendo os tipos e os mecanismos
de desgaste analisados.
2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Durante os ensaios com as duas superligas foram utilizados dois tipos de suportes com diferentes geometrias de
corte (GC1 – ISO CSSNR2525M12 e GC2 – ISO CSXNR2525M12) – Tab. (1) (Kennametal, 2008) e dois tipos de
insertos de metal duro (ISO SNMG120412MS) [WC-Co 6% e WC-Co 10%, ambos com revestimento PVD TiAlN]
(Kennametal, 2006 e Kennametal, 2007). As velocidades de corte (vc) selecionadas para os experimentos foram 45
m/min e 60 m/min. Foram mantidos constantes a profundidade de corte, a taxa de avanço e raio da ponta dos insertos
em 2,0 mm, 0,2 mm/rev e 1,2 mm, respectivamente. Todos os testes foram realizados a seco.
Tabela 1. Geometrias de corte utilizadas nos suportes.
Ângulos
χr ( °)
χ´r ( °)
αo ( °)
βo ( °)
γo ( °)
r ( °)
λs ( °)
Geometrias de corte
GC1
GC2
(ISO CSSNR2525M12)
(ISO CSXNR2525M12)
45
85
45
5
8
6
90
90
-8
-6
90
90
0
-6
A liga de níquel testada – Inconel® 751 apresentava dureza de 30 HRc e a seguinte composição química (% peso) –
(Villares Metals, 2008): Ni 71,12%; Cr 16,70%; Fe 6,97%; Ti 2,34%; Al 1,33%; 0,88% Nb; Mn 0,27%; Si 0,13%; Mo
0,08%; C 0,06%; Cu 0,04%; Co 0,04%; W 0,02%; V 0,01%; S 0,001%; P 0,001%. Foram usadas barras cilíndricas com
as seguintes dimensões ∅ 105 x 250 mm. Enquanto a liga Inconel® 718 apresentava dureza de 33 HRc e a seguinte
composição química (% peso) – (Villares Metals, 2008): Ni 52%; Cr 17%; Fe 6%; 4,75% Nb; Mo 3%; Ti 1,15%; Al
0,3%; Co 0,4%; C 0,05%; Mn 0,27%; Si 0,15%; P 0,001%; S 0,001%; B 0,004%; Cu 0,2%. Foram usadas barras
cilíndricas com as seguintes dimensões ∅ 50 x 300 mm.
Os testes de torneamento foram realizados em um torno CNC Romi modelo Multiplic 35D, com 11 kW de potência
e rotação máxima de 3000 rpm, pertencente ao Laboratório de Ensino e Pesquisa em Usinagem – LEPU da
Universidade Federal de Uberlândia – UFU. As medidas dos desgastes foram realizadas por microscopia ótica usando
um estereomicroscópio marca Olympus modelo SZ6145TR com câmera digital e software Image-Pro Express 5.1. As
análises dos mecanismos de desgastes foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura – MEV, utilizando um
microscópio eletrônico marca Zeiss modelo EVO 40, pertencente ao Laboratório de Microscopia Eletrônica de
Varredura – LabMEV da Universidade Federal do Espírito Santo – UFES. A Fig. (1) mostra a montagem do
experimento para os ensaios de torneamento.
Figura 1. Montagem para os ensaios de torneamento.
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Um planejamento fatorial 23 (Montgomery, 2001) foi utilizado com as variáveis de entrada: Velocidade de corte
(vc), geometria de corte (GC) e material do inserto (MI) para os dois materiais ensaiados. A análise dos efeitos das
variáveis de entrada sobre as vidas das ferramentas foi realizada utilizando-se o software Statistica 7.0.
O critério de fim de vida adotado para as ferramentas durante os ensaios é apresentado na Tab. (2), atendendo a ISO
3685 (2000) na maioria dos parâmetros.
Tabela 2. Critérios de fim de vida usado durante os ensaios.
Tipo de desgaste
Desgaste de entalhe (VBN)
Desgaste de flanco médio (VBB)
Desgaste de flanco máximo (VBBmax)
Desgaste de ponta (VBC)
Valor máximo (mm)
1,00
0,40
0,60
0,60
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Considerações sobre Desgaste
O metal duro WC-Co 6% apresentou o melhor desempenho em todas as condições, seguido pelo metal duro WCCo 10%, em todos os ensaios com as superligas.
Durante os testes com a liga Inconel® 751 foram detectados dois tipos de desgaste, nos insertos. Os tipos de
desgaste predominantes nos materiais dos insertos foram:
• Metal duro WC-Co 6% Desgaste de flanco médio (VBB) e desgaste de ponta (VBC) – Fig. (2);
• Metal duro WC-Co 10% Desgaste de flanco médio (VBB) e desgaste de ponta (VBC) – Fig. (3).
Figura 2. Desgaste flanco médio (VBB) e desgaste de ponta (VBC) no inserto de metal duro WC-Co 6% com
revestimento PVD TiAlN, após 780s na usinagem da liga Inconel® 751.
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Figura 3. Desgaste de flanco médio (VBB) e desgaste de ponta (VBC) no inserto de metal duro WC-Co 10%
com revestimento PVD TiAlN, após 365s na usinagem da liga Inconel® 751.
Com a superliga Inconel® 718 foram observados três tipos de desgaste. Os tipos de desgaste predominantes nos
materiais dos insertos foram:
• Metal duro WC-Co 6% Desgaste de flanco médio (VBB) e desgaste de entalhe (VBN) – Fig. (4);
• Metal duro WC-Co 10% Desgaste de ponta (VBC) e desgaste de flanco médio (VBB) – Fig. (5);
Figura 4. Desgaste de flanco médio (VBB) e desgaste de entalhe (VBN) no inserto de metal duro WC-Co 6%
com revestimento PVD TiAlN, após 540s na usinagem da liga Inconel® 718.
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Figura 5. Desgaste de ponta (VBC) e desgaste de flanco médio (VBB) no inserto de metal duro WC-Co 10%
com revestimento PVD TiAlN, após 460s na usinagem da liga Inconel® 718.
Segundo Grzesik (2008) as interações químicas e adesivas entre as ligas de níquel e os metais duros são moderados,
o que pode favorecer o mecanismo difusivo, no entanto a velocidades de corte maiores para esses materiais (vc = 60
m/min) não foram suficientes para provocar intensa geração de calor na interface, colocando este mecanismo de
desgaste em segundo plano, porém concorrente (ASM Handbook Vol. 5, 1994 e ASM Handbook Vol. 16, 1989).
A influência da geometria de corte (GC) sobre o desgaste de flanco médio (VBB) e o desgaste de ponta (VBC) nos
insertos foram mais favoráveis na primeira geometria de corte (CG1), onde houve uma aumento nas taxas de desgaste e
consequentemente e a inibição dos mecanismos de desgaste em velocidades de corte menores (vc = 45 m/min). Na
maior velocidade de corte (vc = 60 m/min) houve aumento desses tipos de desgaste, onde as temperaturas de corte
possivelmente também foram maiores (ASM Handbook Vol. 16, 1989 e Grzesik, 2008).
Nos ensaios com superligas a base de níquel é normal a observação da coloração rubra nas bordas dos cavacos,
indicando temperaturas mais elevadas nessas regiões (Liao et al, 1996). As temperaturas mais elevadas nas bordas
tendem a favorecer os mecanismos termicamente ativados, tais como a difusão e a oxidação (Shaw, 1986), acelerando o
desgaste de entalhe.
3.2. Influência da Velocidade de Corte, da Geometria e do Material do Inserto sobre a Vida da Ferramenta
A influência das variáveis de entrada: Velocidade de corte (vc), geometria de corte (GC) e material do inserto (MI)
sobre o tempo de vida da ferramenta (t) foi realizada utilizando-se a análise de variância – ANOVA (Montgomery,
2001).
A comparação entre os materiais dos insertos (MI) foram seguidas das variações da velocidade de corte (vc) e da
geometria da ferramenta (GC). O valor de p máximo admitido foi de 0,20 e o coeficiente de correlação R2> 0.90 para
todas as comparações. O erro padrão máximo foi de 31,84.
A Tabela (3) apresenta a influência das variáveis sobre os tempos de vida (t) dos insertos nos ensaios com a liga
Inconel® 751.
Tabela 3. Efeito das variáveis de entrada sobre os tempos de vida (em segundos) de insertos de metal duro
WC-Co 6% com revestimento PVD TiAlN x WC-Co 10% com revestimento PVD TiAlN, na usinagem da liga
Inconel® 751.
Variável
vc
GC
MI
©
Efeito
-132,62
-62,12
-450,125
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t
-4,82
-2,26
-16,37
p
0,002923
0,064501
0,000300
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Na Tabela (4) pode ser observada a influência das variáveis sobre os tempos de vida (t) dos insertos nos ensaios
com a liga Inconel® 718.
Tabela 4. Efeito das variáveis de entrada sobre os tempos de vida (em segundos) de insertos de metal duro
WC-Co 6% com revestimento PVD TiAlN x WC-Co 10% com revestimento PVD TiAlN, na usinagem da liga
Inconel® 718.
Variável
vc
GC
MI
Efeito
-119,37
-80,87
-89,62
t
-3,74
-2,53
-2,81
p
0,013320
0,051941
0,037373
Pode ser observado que na ANOVA, a velocidade de corte imprimiu uma redução na vida das ferramentas quando
passou de 45 para 60 m/min. Este resultado está de acordo com a literatura (Machado et al, 2009 e Trent & Wright,
2000), onde a maior geração de calor na maior velocidade de corte acelera os mecanismos de desgaste e diminui a vida
das ferramentas.
A troca da geometria GC1 para GC2 diminuiu a vida das ferramentas nas duas superligas ensaiadas. Assim, a
geometria com ângulo de posição (χr) de 45°, de saída (γo) -8°, de folga (αo) 8° e de inclinação (λs) 0° se mostrou mais
adequada para a operação de torneamento das ligas, superando a geometria onde estes ângulos foram de 85°, -6°, 6° e 6° respectivamente. A geometria GC2 foi muito vulnerável a microlascamento.
O material do inserto de metal duro WC-Co 6% com revestimento PVD TiAlN foi o que apresentou melhores
resultados nos dois materiais das peças em estudo. Superando o concorrente em todas as comparações. A literatura
indica que os dois tipos de metal duro revestidos são apropriados para a usinagem de ligas de níquel, apresentando bons
resultados quando o desgaste de entalhe predomina. Os resultados deste trabalho indicam que além do entalhe, os
desgastes de flanco e de ponta também estiveram presentes e assim a ferramenta com maior teor de cobalto não
conseguiu ter o melhor desempenho.
4. CONCLUSÕES
Os resultados mostraram que os materiais dos insertos de metal duro [WC-Co 6% TiAlN e WC-Co 10% TiAlN], a
velocidade de corte e a geometria das ferramentas influenciaram os tipos de desgastes e as vidas das ferramentas. O tipo
de desgaste dominante foi o desgaste de flanco médio (VBB), seguido pelo desgaste de ponta (VBC) e pelo desgaste de
entalhe (VBN) em ambas as superligas ensaiadas.
A interação da segunda geometria de corte (GC2) com a maior velocidade de corte (vc = 60 m/min) favoreceu o
desenvolvimento do desgaste de ponta (VBC) nos insertos testados.
Os insertos de metal duro [WC-Co 6% TiAlN] não apresentaram tendência ao desenvolvimento do desgaste de
ponta (VBC), apresentando as maiores vidas das ferramentas em todos os testes. O desgaste de flanco médio (VBB) foi o
tipo de desgaste dominante para este material da ferramenta.
O lascamento da aresta de corte secundária foi observado quando se utilizou a segunda geometria de corte (GC2).
Os mecanismos de desgaste que predominaram durante os testes com as duas superligas foram adesão e abrasão.
Também foram verificadas altas temperaturas durante os ensaios (cor do cavaco), o que pode sugerir que tenha havido
influência de mecanismos termicamente ativados, tais como difusão.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem as seguintes empresas e instituições: Villares Metals S.A., Kennametal Inc., CNPq, CAPES,
IFM, Fundação Araucária, LEPU – UFU, LTM – UFU e LAPROSOLDA – UFU, pelo suporte técnico e financeiro.
Inconel® é marca registrada da Special Metals Corporation.
6. REFERÊNCIAS
ASM Handbook Vol. 2, 1990, “Properties and selection - Nonferrous alloys and special-purpose materials”, 10th
Edition, ASM International, 3470p.
ASM Handbook Vol. 5, 1994, “Surface engineering”, 9th Edition, ASM International, 2535p.
ASM Handbook Vol. 16, 1989, “Machining”, 9th Edition, ASM International, 1089p.
Childs, T., Maekawa, K., Obikawa, T. and Yamane, Y., 2001, “Metal machining - Theory and applications”, Arnold,
London, 416p.
Costes, J.P., Guillet, Y., Poulachon, G. and Dessoly, M., 2007, “Tool-life and wear mechanisms of CBN tools in
machining of Inconel 718”, International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007) 1081-1087, doi:
10.1016/j.ijmachtools.2006.09.031.
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Ezugwu, E.O., Wang, Z.M. and Machado, A.R., 1999, “The Machinability of Nickel Based Alloys – A Review” Journal of Materials Processing Technology, Vol 86, pp 1 - 16.
Grzesik, W., 2008, “Advanced machining processes of metallic materials”, Elsevier, Amsterdam, 478p.
ISO 3685, 2000, “Tool life testing with single point turning tools”, International Organization for Standardization,
Switzerland, 52 p.
Kennametal, 2008, “Lathe tooling”, 549p.
__________, 2006, “Grade system for cutting materials”, 5p.
__________, 2007, “High temperature alloy turning guide”, 96p.
Liao, Y.S. and Shiue, R.H., 1996, “Carbide tool wear mechanism in turning of Inconel 718”, Wear 193 (1996) 16-24.
Machado, A.R., Abrão, A.M., Coelho, R.T. e da Silva, M.B., 2009, “Teoria da usinagem dos materiais”, Blucher, São
Paulo, Brasil, 367 p.
Montgomery, D.C., 2001, “Design and analysis of experiments”, 5th Edition, John Wiley, New York, 299p.
Shaw, M.C., 1986, “Metal cutting principles”, Oxford Press, New York, 594 p.
Special Metals, 2008, “Inconel® alloy 718”, Special Metals Corporation, Publication Number SMC-086, 6p.
Trent, E. M., Wright, P. K., 2000, “Metal cutting”, 4th Edition, Butterworth-Heinemann, London, 446 p.
Villares Metals, 2008, “Specialty alloys”, Villares Metals, 8p.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu trabalho.
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WEAR OF CARBIDE TOOLS IN MACHINING INCONEL® 751 AND
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Fabio de Freitas Lima, [email protected]
Flávio José da Silva, [email protected]
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Abstract. The aim of this work is to study the tool wear (types and mechanisms) that predominates in carbide tools
when turning nickel base superalloy - Inconel® 751 and Inconel® 718 in tool life tests. DOE techniques were used with
the following input variables: the carbide tool materials [WC-Co 6% TiAlN and WC-Co 10% TiAlN], the cutting speed
and the tool geometry. In each machining test a new tool edge was used up to the end of the tool life with interruptions
for wear measurements. At the end of the tests the tools were analyzed with the help of optical and scanning electron
microscopy – SEM. The results showed that the tool material, the cutting speed and the tool geometry have influenced
the types of wear and the tool lives. Notch wear (VBN), Average flank wear (VBB) and nose wear (VBC) prevailed
depending upon the cutting conditions and tool material used. Overall WC-Co 6% TiAlN tools showed the best
performance, followed by the WC-Co 10% TiAlN. Adhesion, abrasion and diffusion were the dominant wear
mechanisms found.
Keywords: Wear, carbide tool, Inconel®, turning
1. RESPONSIBILITY NOTICE
The authors are the only responsible for the printed material included in this paper.
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