Estudo da furação do ferro fundido nodular com brocas helicoidais de m2 nitretadas

Estudo da furação do ferro fundido nodular com brocas helicoidais de m2 nitretadas

ESTUDO DA FURAÇÃO DO FERRO FUNDIDO NODULAR COM BROCAS HELICOIDAIS DE M2 NITRETADAS

João Victor Fedevjcyk, Paulo A. C. Beltrão, Mozart M. Marmentini

Depto. de Engenharia Mecânica

Campus Curitiba

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Avenida Sete de Setembro, 3165 - Curitiba/PR, Brasil - CEP 80230-901 joaovictor88@gmail.com beltrao@utfpr.edu.br mozartmm@yahoo.com.br

Resumo - Muitos estudos têm sido realizados em torno da busca do aumento da vida das ferramentas de corte. Os últimos avanços tecnológicos permitiram a larga aplicação de revestimentos em ferramentas de metal duro. Porém em condições de especiais de usinagem, onde se empregam materiais de difícil usinabilidade e furação profunda com corte interrompido, as brocas de metal duro revestidas podem não ser as mais adequadas devido a sua baixa tenacidade e resistência a flexão. Este artigo realizou estudos preliminares na investigação do processo de furação do ferro fundido nodular, utilizando brocas de aço rápido M2 nitretadas em condição especial de operação com corte interrompido. Pretende-se analisar a influência de fatores como: características metalográficas do ferro fundido nodular, gradiente de dureza e usinabilidade, acabamento superficial da ferramenta antes e depois da nitretação, presença de camada nitretada, velocidade de corte, taxa de avanço, microestrutura do material da ferramenta antes e depois da nitretação, ângulos de ponta da broca, tempo de nitretação, micro-dureza radial e longitudinal da ferramenta, parâmetros de corte, qualidade do furo usinado, esforço de corte e desgaste das brocas.

Palavras-chave: Furação, Ferro Fundido Nodular, Aço Rápido M2, Nitretação.

Abstract - Many studies have been conducted in the pursuit of increasing the life of cutting tools. The latest technological advances have allowed the widespread application of coatings on cemented carbide tools. But in terms of special machining, which employ materials difficult to cut and deep drilling with interrupted cutting, the coated carbide drills show not to be the most appropriate due to its low toughness and flexural strength. This paper conducted preliminary studies in research of the drilling ductile iron, using nitrided M2-high-speed-steel drills in special conditions of operation with interrupted cuts. We intend to analyze the influence of factors such as metallographic characteristics of nodular cast iron, gradient of hardness and machinability, surface finish of the tool before and after nitriding, the presence of the nitrided layer, cutting speed, feed rate, microstructure of the material of the tool before and after nitriding, swivel tip of the drill, time of nitriding, micro-hardness of the longitudinal and radial tool, cutting parameters, quality of the machined hole, cutting stress and wear of the drills.

Key-words: Drilling, Ductile Iron, M2 high speed steel, Nitriding.

O desgaste e as falhas prematuras das brocas de aço rápido reduzem a disponibilidade das máquinas, comprometendo a produtividade e elevando os custos de produção [1].

Para condições especiais de usinagem, as brocas de aço rápido podem ser aplicadas, já que as mesmas apresentam maior tenacidade, possuindo, porém a peculiaridade de serem mais suscetíveis à temperatura.

ao desgaste, à corrosão e a fadiga das brocas

Analisando as características de usinagem dos ferros fundidos, supõe-se que a utilização de ferramentas de aço rápido é a mais apropriada. Porém, é necessário aprimorar a resistência

A fundição contínua consiste no processo de vazamento do metal líquido, onde o perfil é tracionado com o núcleo ainda em estado líquido. As vantagens deste processo estão relacionadas, principalmente, com a diminuição do tempo de processo, economia no custo de produção dos perfis [2].

A nitretação gasosa é um método de modificação da superfície que forma uma camada composta integral e sem descontinuidades [3]. Já foram obtidos resultados positivos utilizando parâmetros especiais de nitretação sob baixa pressão em ferramentas de corte, pois obteve-se camadas superficiais nitretadas isentas de poros e nitretos frágeis [4].

Os ângulos de ponta de uma broca são fatores importantes na furação, eles são definidos em função do material e das dimensões da peça a ser usinada.

Será utilizada a metodologia de delineamento de experimentos denominado Taguchi.

Esta técnica permite conhecer as influências das variáveis do processo de furação sobre a vida da ferramenta.

Para avaliar as condições dos ensaios de furação será estabelecido como critério de fim da vida da ferramenta a falha catastrófica da broca, ou quando esta não é mais capaz de realizar mais nenhum furo. A vida da broca é definida pelo total de número de furos realizados pela ferramenta antes da falha.

Os parâmetros de corte utilizados nos ensaios adotarão a recomendação [5] para a furação de ferros fundidos com brocas de aço rápido, sendo o valor de avanço utilizado entre 1,5 a 3% do diâmetro da broca. A velocidade de corte adotada foi a recomendada pelo fabricante e fica na faixa entre 15 a 25 m/min.

O fator tratamento superficial será abordado nos ensaios preliminares utilizando três diferentes níveis. Dois níveis de brocas nitretadas: ciclo curto e ciclo longo, onde o que se diferencia é o tempo de nitretação. E em um terceiro nível será empregado ferramentas sem a camada nitretada. Para a visualização da camada será feito ataque com Marble. A medição da camada será com um nano-identador, para gerar a curva de microdureza.

O fator heterogeneidade do material será abordado nos ensaios, pois possivelmente afetam a usinabilidade do material e consequentemente o desgaste da ferramenta [6].

Também será medida a rugosidade superficial do gume de corte da ferramenta antes e depois da nitretação. A geometria da ponta da broca também será avaliada.

As amostras metalográficas foram confeccionadas para vários pontos do corte transversal da barra. A figura 1, apresenta a variação da quantidade de nódulos de grafita na barra com o raio. Já a figura 2 mostra o gradiente de tamanho dos nódulos.

Figura 1 – Número de nódulosFigura 2 – Tamanho dos nódulos

A velocidade mais elevada na superfície limitou o mecanismo de difusão. Com isso, a superfície do material, apresentou uma grande quantidade de pequenos nódulos. Já na região central há pequena quantidade de nódulos, porém com maiores diâmetros.

Mediante ataque com Nital 3%, observou-se uma matriz perlítica e regiões de ferrita próximo aos nódulos de grafita devido a difusão do carbono. A figura 3 representa a distribuição percentual de perlita na barra de ferro fundido nodular. Já a figura 4 representa o gradiente de dureza na barra.

Figura 3 – Percentual de perlitaFigura 4 – Dureza por região

Os valores de dureza observados foram proporcionais aos percentuais de perlita na microestrutura, como era esperado.

A camada nitretada com o ciclo curto e ciclo longo podem ser visualizadas na figura 5 e figura 6, respetivamente.

Figura 5 – Camada nitretada (curto)Figura 6 – Camada nitretada (longo)
18,8 µm para a camada nitretada do ciclo longo

Obteve-se a profundidade média de 16,4 µm para a camada nitretada do ciclo curto e

Os perfis de nanodureza são semelhantes nos primeiros 10µm de profundidade. A partir desse ponto, os perfis se diferenciam na medida em que a profundidade aumenta. Mesmo observando-se diferença entre os perfis de dureza foi constatado estatisticamente que não existem diferenças relevantes, por isso iremos trabalhar somente com o ciclo longo.

Com a utilização de um rugosimêtro, utilizando quatro cutt offs de 0,25 m cada, percebeu-se que a nitretação gasosa atenua as imperfeições na broca.

A disposição ortogonal que relaciona os parâmetros experimentais do processo é apresentada na tabela 1.

Tabela 1 – Metodologia experimental de Taguchi.

O pré-ensaio utilizará brocas helicoidais inteiriças de Aço Rápido M2, com 6 m de diâmetro. Não será utilizado fluído refrigerante na furação. Para caracterizar furação profunda a dimensão longitudinal deve ser cinco vezes o diâmetro da ferramenta, portanto a profundidade será 30 m. Cada rodada será repetida 3 vezes, totalizando 52 furos.

Através deste projeto pode-se afirmar que o ferro fundido nodular obtido por fundição contínua apresenta três regiões de diferentes características metalográficas, são elas: a região central, meio raio e superficial.

A medição de micro-dureza ao longo do eixo longitudinal da ferramenta permitiu concluir que apenas os cinco primeiros milímetros iniciais possuem dureza próxima da de interesse.

Concluiu-se que os primeiros 10 µm de camada nitretada atingiram o nível de saturação de nitrogênio e por isso o aumento no tempo de tratamento só afeta a espessura da camada e não a dureza máxima. Com os dados afirma-se que a espessura média da camada nos ensaios seguintes é de 20 µm.

O Tratamento de nitretação gasosa é benéfico na rugosidade superficial do gume de corte da ferramenta, isso foi observado pela diminuição do fator Ra depois do tratamento.

Observou-se que os parâmetros relevantes para a usinagem são: existir camada nitretada ou não, qual das três regiões do material está sendo feito o furo, qual é a geometria da ponta da broca, qual é a velocidade de corte e qual é o avanço.

Os fatores de resposta que melhor caracterizam a usinagem e que permitem criar um grau de comparação entre cada uma das rodadas são: forma do cavaco, rugosidade superficial interna do furo, erros de circularidade, erros de cilindricidade e força de corte.

Fundições Tupy Ltda, ao CNPQ e principalmente a Deus

Agradece-se a UTFPR, a UFPR e a PUC-PR. Ao professor Giuseppe Pintaude e ao graduando Tiago Alexandre Rosso. A Oerlikon Balzers Revestimentos Metálicos Ltda, a REFERÊNCIAS

[1]NICKEL, J.; SHUAIB, A. N.; YILBAS, B. S.; NIZAM, S. M. Evaluation of the wear of plasma-nitrided and TiN-coated HSS drills using conventional and Micro-PIXE techniques. Wear, vol 239, p. 155 – 167, 2000. [2]TUPY, FUNDIÇÕES LTDA. “Fundição Contínua - Catálogo Técnico (CT0207)”,

Joinville - SC, 2007. [3]MÄNDL, S.; GÜNZEL, R.; RAUSCHENBACH, B.; HILKE, R.; KNÖSEL, E.;

KÜNANZ, K. Characterization of drills implanted with nitrogen plasma immersion ion implantation. Surface and Coating Technology, vol. 103-104, p. 161-167, 1998. [4]GAWROŃSKI, Z. Residual stresses in the surface layer of M2 steel after conventional and low pressure (‘NITROVAC 79’) nitriding processes. Surface and Coatings Technology, vol. 124, p. 19–24, 2000. [5]STEMMER, G. E. Ferramentas de corte I e I, Ed. 2, UFSC, Florianópolis, 1995.

[6]ANGELO, Edvaldo Casagrande Junior. Caracterização de ferro fundido nodular obtido pelo processo de fundição contínua. Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica. PUCPR. Curitiba, 2003.

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