As ligas de bronze-alumínio à base de cobre apresentam alta resistência mecânica e à corrosão, em comparação com outras ligas de bronze, e baixa reatividade com componentes sulfurosos. O alumínio que a compõe reage com o oxigênio (O2) e forma uma fina e resistente camada de óxido de alumínio (Al2O3), que age como uma barreira de proteção em ligas ricas em cobre. Em combinação, esses elementos são ainda resistentes aos efeitos da água do mar (bronze-alumínio) e previnem a proliferação de organismos marinhos (cobre).

 

Objetivos

O trabalho visa a análise da influência da ferramenta de corte de metal duro na usinagem da liga de bronze-alumínio por meio de ensaios de vida de ferramenta, força de corte, tempo de corte, rugosidade superficial e, também, das diversas forças aplicadas nas operações de torneamento e de acabamento. Pretende-se o desenvolvimento de etapas para a usinagem da liga UNS C 63020 com durezas inferiores a 35 HRC. Os estudos também serão úteis para obter mais conhecimento para determinação de ferramentas, suportes, parâmetros de usinagem em torneamento, bem como para a vida das ferramentas de corte e para a rugosidade superficial final da peça.

 

Relevância

Um dos principais objetivos da engenharia é a obtenção de melhores resultados com o mínimo de custo e o máximo de rendimento. No setor aeronáutico, por exemplo, o desenvolvimento exigiu uma busca por materiais mais resistentes, leves e de elevada relação custo-benefício. Nos últimos 20 anos de elevada competitividade, foi observada uma significativa melhoria nos materiais e processos de fabricação desse segmento[2].

A exigência de materiais que suportam a propagação de trincas por fadiga e a corrosão sob tensão tornou-se mais evidente quando avaliado o tempo de vida das aeronaves. A grande dificuldade é a obtenção de um coeficiente de segurança confiável, que não influencie o peso e o valor final do produto. Diferentes tratamentos térmicos são empregados com o intuito de alcançar este objetivo.

As ligas de alumínio constituem a maioria das estruturas de um avião. A baixa densidade associada à abundância desse metal na natureza contribuem para que isso aconteça. No entanto, materiais como as ligas de bronze-alumínio também são empregados em componentes que exigem resistência mecânica superior à oferecida pelas ligas usualmente utilizadas.

Apesar de seu elevado custo, a confiabilidade a longo prazo e a resistência à corrosão atuantes em faixas de temperatura entre -50°C e 40°C indicam esse material para a aplicação em estruturas como engrenagens, buchas, rolamentos, válvulas e hélices[2].

 

Revisão bibliográfica

A facilidade em transmitir calor e energia fez do cobre o material ideal para a aplicação em instalações de condução de energia elétrica (fios), equipamentos geradores e motores de diversas dimensões e potências. Além disso, por ser não magnético, passou a ser integrante de dispositivos microeletrônicos fortemente empregados no setor informático. Existem três categorias de classificação: cobres, cobres ligados e ligas de cobre, designadas, segundo a Copper Development Association (CDA)[3], como:

 

Cobres

Com menos de 0,7% de impurezas, o cobre é bastante empregado na indústria eletrotécnica e eletrônica. É dividido entre cobre eletrolítico tenaz e cobre isento de oxigênio, que é aplicado em sistemas mecânicos por ter boa soldabilidade[4]. A ausência de oxigênio impede que o hidrogênio se combine e, consequentemente, haja uma fragilização do material[1].

A combinação do cobre com outros elementos em teor considerável aumenta a resistência do material e dispensa outro mecanismo de endurecimento, como a conformação plástica. A resistência mecânica, apesar de elevada, é limitada pela temperatura de 300°C devido à fácil fundibilidade. A baixas temperaturas, no entanto, não há limitações, já que o cobre tem estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC). Exemplos dessa categoria são: cobre e zinco (latão), cobre e estanho (bronze), cobre e níquel (cobre-níqueis), cobre e alumínio (bronze-alumínio) e cobre e silício (bronze de silício).

 

Liga de bronze-alumínio

Integrante da categoria "ligas de cobre", a liga de bronze-alumínio apresenta até 14% de alumínio (Al). Em virtude da presença de uma película refratária de óxido, a elevada resistência à corrosão sob tensão possibilita uma ampla gama de aplicações na engenharia, principalmente na indústria naval e aeronáutica, devido à sua resistência mecânica ser superior à de muitos aços. A sua resistência à corrosão está no mesmo nível dos aços inoxidáveis.

Outros elementos também são frequentemente adicionados para otimizar a qualidade do material: ferro (aumento de resistência mecânica), manganês (maior soldabilidade) e níquel (maior resistência à corrosão).

Uma das características da liga de bronze-alumínio é a manutenção da resistência mecânica a temperaturas relativamente altas. A baixas temperaturas, há um pequeno ganho de resistência, sem perda da excelente ductilidade. Os parafusos de palhetas de turbinas, que constantemente são sujeitos a temperaturas elevadas, têm partes compostas deste material, possibilitando o enfrentamento não só do efeito do calor, mas também da erosão por cavitação, um dos fatores responsáveis pela corrosão.

Na liga de bronze-alumínio, a resistência à erosão por cavitação é maior do que a de aços das séries 300 e 400. Com isso, o ataque de bolhas de gás e suas eventuais consequencias, podem ser evitados. Apesar de todas essas qualidades, em muitas situações o elevado preço da liga de bronze-alumínio restringe sua aplicação[3].

As numerosas e variadas aplicações para a liga de bronze-alumínio refletem a sua versatilidade. É utilizada na indústria química, petroquímica, usinas de dessalinização, marinha, geração de energia, aeronaves, engenharia automotiva e ferroviária, ferro e aço, fabricação elétrica e construção de indústrias. Entre suas principais propriedades também se incluem: resistência à descamação, excelentes resistências de rolamento e atrito, excelente resistência a choque, resistência à fadiga, excelente capacidade de amortecimento e características antiestáticas.

Algumas das ligas de bronze-alumínio são de resistência comparável à dos aços de baixo carbono e mais resistentes do que a maioria dos aços inoxidáveis.

 

Torneamento

No processo de torneamento, é necessário que grande parte do calor gerado pelo atrito entre a peça e a ferramenta de corte seja transferida para o porta-ferramenta, visto que o desgaste da ferramenta está diretamente ligado ao aumento da temperatura[5].

O uso de ferramentas com ponta de carbeto de tungstênio (WC ou metal duro) é considerado desejável. É importante que o experimento seja realizado de forma rígida e que as ferramentas sejam devidamente apoiadas com a mínima saliência do porta-ferramenta.

Para a obtenção de melhores resultados, a planta da máquina deve ser mantida em boas condições: lâminas e rolamentos excessivamente desgastados podem provocar vibração e aumento do desgaste da ferramenta. Além disso, a rugosidade e o acabamento superficial da peça não serão mantidos dentro dos padrões estabelecidos.

O primeiro desbaste em uma peça fundida deve ser profundo o suficiente para que penetre na camada superficial da peça. Nesse caso, assim como em operações de acabamento, é necessário que o fluxo de refrigeração seja constante, para evitar aquecimento e manter a precisão no torneamento.

A tabela 1 mostra parâmetros de corte adequados para operações de desbaste e de acabamento superficial com ferramentas de carbeto de tungstênio. A eficiência e o acabamento superficial satisfatórios foram atingidos utilizando baixo avanço fn, moderada profundidade de corte ap e alta velocidade de corte vc, de acordo com o tempo de vida da ferramenta recomendada pelo fabricante[3].

São diversas as variáveis envolvidas na determinação das condições ideais do processo de torneamento, entre elas parâmetros de corte, geometria da ferramenta, lubrificante e material a ser usinado. No entanto, a maioria dos estudos que abrange o processo de torneamento utiliza parâmetros clássicos como, por exemplo, variáveis de controle, permitindo a avaliação do comportamento em determinada condição.

Geralmente, os parâmetros de corte adotados como variáveis de controle em torneamento são: velocidade de corte, avanço da ferramenta e profundidade de corte. Essas variáveis são as mais importantes, pois influenciam fortemente a operação de torneamento de uma maneira geral: o acabamento superficial do produto, o volume de material retirado e o desgaste de ferramenta[3]. Portanto, a escolha desses parâmetros é essencial para que os processos de usinagem sejam eficientes[7].

O acabamento superficial é fundamental quando houver exigências relacionadas ao desgaste, atrito, corrosão, aparência, resistência à fadiga, transmissão de calor, propriedades ópticas, escoamento de fluidos e superfícies de medição, tais como bloco-padrão, micrômetros e paquímetros. A medição é feita por meio da rugosidade superficial, que descreve o relevo presente em uma superfície e varia em função do conjunto máquina/ferramenta adotado no processo de fabricação, bem como em função dos parâmetros escolhidos.

Nesse sistema de medição, todas as grandezas são definidas a partir de uma linha de referência denominada linha média. A linha média é definida como uma linha disposta paralelamente à direção geral do perfil dentro do percurso de medição, de tal modo que a soma das áreas superiores, compreendida entre ela e o perfil efetivo seja igual à soma das áreas inferiores. Foram escolhidas as medidas de rugosidade superficial Ra (rugosidade aritmética) e Rt (rugosidade total) para compor a análise deste trabalho.

 

Procedimento experimental

Para o processo de torneamento, foi utilizado um torno CNC Nardini Logic 175, com potência máxima de eixo de 5,5 kW, rotação máxima de 4.000 rpm, torre com oito posições e torque máximo de 200 Kgf.m. Na medição de Ra e Rt, foi utilizado um rugosímetro portátil com ponta de diamante, modelo SJ 201, da Mitutoyo.

As pastilhas de metal duro com revestimento de camadas de nitreto de alumínio-titânio (TiAlN) e de nitreto de titânio (TiN), classe GC 1105, de geometrias negativa (DNMG 150408-SM) e positiva (DCMX 11T304-WF), são da Sandvik. O suporte da ferramenta negativa modelo DDNN 2525 M 15 tem ângulo de posição de 62,5º, ângulo de saída de -5º, ângulo de inclinação de -9º. Já o suporte da ferramenta positiva, modelo SDNCN 1616H 11, tem ângulo de posição de 62,5º, ângulo de saída de 0º e ângulo de inclinação de 0º[8].

Os corpos de prova utilizados nos ensaios têm dimensões de 25 mm de diâmetro e 211 mm de comprimento. A elevada dureza da liga de bronze-alumínio devese aos processos de têmpera e revenimento. A amostra foi submetida a temperatura de 900°C por 2 horas, para homogeneização da microestrutura. O resfriamento foi feito em água e logo depois a peça foi revenida a 500°C por 2 horas. A dureza da liga UNS C 63020 chegou a 35 HRC. De acordo com a tabela 2, a liga tem a seguinte composição química.

Nos ensaios, foram adotados níveis de variação para cada um dos parâmetros de corte estudados. A tabela 3 apresenta a velocidade de corte, o avanço, a profundidade de corte e seus respectivos níveis de variação. Os níveis foram especificados em função de dados recomendados pelo catálogo do fabricante das ferramentas para a realização dos experimentos.

Os ensaios de torneamento foram dimensionados para a análise precisa da influência de vc, fn e ap nas rugosidades Ra e Rt. Todos os corpos de prova foram retirados da máquina para medição das rugosidades, as quais foram realizadas quatro vezes nos pontos A, B e C totalizando 12 medidas (figura 1). Também foi calculada a média e os desvios-padrão dos valores de rugosidade Ra a e Rt, conforme as tabelas 4 e 5.

Figura 1 – Pontos de medição das rugosidades

Resultados obtidos

Na tabela 4, nota-se que, com a geometria negativa, a velocidade de corte vc influenciou diretamente o acabamento superficial da peça. Com geometria positiva, vc e ap pouco influenciaram o acabamento superficial (tabela 5).

As figuras 2 e 3 ilustram a variação da rugosidade Ra em função dos parâmetros de corte vc, ap, fn e das geometrias da ferramenta.

Pela análise da figura 2, conclui-se que a ferramenta de geometria negativa gera maior vibração, e consequentemente maior rugosidade, pois as forças de corte atuantes são mais elevadas do que na ferramenta de geometria positiva. Na figura 3, nota-se que a rugosidade foi praticamente constante, variando vc e ap.

Figura 2 – Variação de Ra com ferramenta de geometria negativa

Comparando as ferramentas, a de geometria positiva apresentou acabamento superficial melhor, com valores de rugosidade Ra de 0,19 μm e rugosidade Rt de 1,2 μm, com a mesma faixa de avanço de 0,05 mm/rot (figura 3).

Figura 3 – Variação de Ra com ferramenta de geometria positiva

A velocidade de corte foi o fator que mais influenciou as rugosidades Ra e Rt com ferramenta de geometria negativa. Com a geometria positiva, houve pouca influência da variação da vc e ap nos valores de Ra e Rt (figuras 3 e 4).

Foi verificado que quanto maior o afastamento do ponto de fixação do corpo de prova, maior será o efeito da vibração. Consequentemente, aumentou a rugosidade superficial nos corpos de prova.

Na figura 4, é possível observar as características resultantes do processo proposto. Os cavacos obtidos foram do tipo helicoidal e se dobraram lateralmente, provavelmente devido à relação entre profundidade de corte e raio de ponta da ferramenta (ap/r)[6].

Figura 4 – Cavacos obtidos no torneamento de bronze-alumínio

A figura 5 mostra que não houve nenhum tipo de desgaste ou avaria das ferramentas de corte com geometria negativa e positiva.

Figura 5 – Imagens das ferramentas negativa (a) e positiva (b) obtidas por microscópio

Conclusões

Em função dos resultados obtidos sobre o torneamento da liga bronze-alumínio temperada e revenida, utilizando ferramenta de metal duro com revestimento e geometrias negativa e positiva, pode-se concluir que:

 

Referências

1] Benedetti, A. V. et al.: Electrochemical studies of Cu-Al alloys in sulphate solutions with different pH. Portugaliae Electrochimica Acta, 2003.

2] Cantor, B.; Assender, H.; Grant, P.: Aerospace materials. Institute of Physics, Londres, 2001.

3] Copper Development Association (CDA): Aluminum bronze for industry. CDA Publication, no 83, 1986.

 4] Derek, E.; Tyler, B.; William T.: Introduction to copper and copper alloys. ASM, Metals Handbook, 10a ed., v. 2, 1990.

5] Diniz, A. E.; Marcondes, F. C,; Coppini, N. L.: Tecnologia da usinagem dos materiais. Ed. Artliber, 5a ed., São Paulo, 2008.

6] Diniz, A. E.; Noritomi, P. Y.: Influência dos parâmetros de corte na rugosidade de peças torneadas. XIV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica (Cobem), Campinas, Brasil, 1997.

7] Ferraresi, D.: Fundamentos da usinagem dos materiais. Ed. Edgard Blücher, São Paulo, 1977.

8] Sandvik: Catálogo técnico do fabricante de ferramentas. Sandvik Coromant, 2010.


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