Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica

INFLUNCIA DO MATERIAL DA PEA E DO TRATAMENTO TRMICO NA ELETROEROSO DOS AOS AISI H13 E AISI D6

Rogrio Felcio dos Santos

Belo Horizonte 2007

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Rogrio Felcio dos Santos

INFLUNCIA DO MATERIAL DA PEA E DO TRATAMENTO TRMICO NA ELETROEROSO NOS AOS AISI H13 E AISI D6

Dissertao apresentada ao Programa de PsGraduao em Engenharia Mecnica da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais, como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia Mecnica.

Orientador: Prof. Wisley Falco Sales, Dr. Co-Orientador: Prof. Ernani Sales Palma, Dr. Ing.

Belo Horizonte 2007

FICHA CATALOGRFICA Elaborada pela Biblioteca da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais

S237i

Santos, Rogrio Felcio dos Influncia do material da pea e do tratamento trmico na eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6 / Rogrio Felcio dos Santos. Belo Horizonte, 2007. 122p. Orientador: Wisley Falco Sales Co-orientador: Ernani Sales Palma Dissertao (Mestrado) Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. 1. Usinagem por eletroeroso. 2. Ao para ferramentas. 3. Materiais Remoo Taxas. I. Sales, Wisley Falco. II. Palma, Ernani Sales. III. Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. IV. Ttulo. CDU: 621.7

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Rogrio Felcio dos Santos

Influncia do Material da Pea e do Tratamento Trmico na Eletroeroso dos Aos AISI H13 e AISI D6

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais, como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia Mecnica. Belo Horizonte, 2007.

______________________________________________________ Prof. Wisley Falco Sales, Dr. (Orientador) PUC Minas

______________________________________________________ Prof. Ernani Sales Palma, Dr Ing. (Co-Orientador) PUC Minas

_____________________________________________________ Prof. Marcelo Becker, Dr. (Membro Interno) PUC Minas

______________________________________________________ Prof. Alexandre Mendes Abro, PhD. (Membro externo) UFMG

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A Deus, aos meus pais, Felcio Timteo dos Santos e Terezinha de Jesus Santos, minha esposa, Sandra Santos Barbaro dos Santos, aos meus filhos, Arthur e Brbara, minha famlia, a todos meus amigos.

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AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Professor Wisley Falco Sales pelo apoio e pela orientao neste trabalho. Ao Professor Ernani Sales Palma pela dedicao e co-orientao na dissertao. Ao Professor Jos Rubens Gonalves Carneiro pelos ensinamentos em Metalurgia Fsica e em Tratamentos Trmicos. Ao Professor Marcelo Becker pelas orientaes na apresentao e pela formatao do pr-projeto. FAPEMIG Fundo de Amparo Pesquisa de Minas Gerais pela disponibilizao de recursos do Projeto TEC 798/2005 para o desenvolvimento deste projeto. Ao amigo Ernane Rodrigues da Silva pelo companheirismo e pela ajuda nos testes experimentais e nas anlises estatsticas dos resultados. Secretria do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC Minas, Valria Aparecida Gomes, e estagiria, Letcia da Anunciao Silva, pela ajuda e apoio recebidos. Aos Tcnicos dos laboratrios e das oficinas da PUC Minas, Carlos Eduardo dos Santos, Leandro Csar da Silva, Marceline Nardi Torrecilhas, Misael Fernandes Barbosa, Pedro Kapler, Roberto Moura Lara e Vincius Maia de S, presentes em vrios momentos. Aos professores e funcionrios da Coordenao do Curso Tcnico de Mecnica do CEFET MG, em especial ao Prof. Ivan Jos de Santana, pela confiana depositada. Ao Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais pela concesso da bolsa parcial para o custeio destes estudos. Aos colegas de aula que cursaram as disciplinas do mestrado, principalmente aos alunos Joel Lima e Claudinei Jos de Oliveira. Professora Alcione Gonalves, que colaborou na reviso do texto. Aos Professores, Elaine Carballo Siqueira Corra e Sidnei Nicodemos da Silva, pelas preciosas ajudas nos testes e nas informaes metalogrficas. Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais CETEC pela ajuda nas medies de microdureza das amostras, em especial Prof. Dr. Cynthia Serra Batista Castro e s Tcnicas de Laboratrio, Elaine dos Reis e Rita de Cssia dos Santos Ribeiro.

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Ao Centro de Desenvolvimento de Tecnologia Nuclear CDTN, em especial ao Tcnico Eduardo Antnio de Carvalho pela ajuda nas investigaes com o MEV. Ao CNPQ Centro Nacional de Pesquisas pelo apoio e pelo fornecimento de recursos para aquisio de materiais. Enfim, agradeo a todos que, de alguma forma, ajudaram na realizao deste trabalho.

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RESUMO

O objetivo deste trabalho avaliar a influncia das propriedades do material da pea e do tratamento trmico na usinagem por eletroeroso do ao ferramenta para trabalho a quente, AISI H13, e do ao ferramenta para trabalho a frio, AISI D6. Cada ao estudado foi submetido aos tratamentos trmicos de normalizao e de beneficiamento. Foram investigadas as integridades superficiais, como os defeitos na zona resolidificada, e tambm a taxa de remoo de material e o desgaste dos eletrodos, com variao de parmetros do processo, como freqncia e corrente eltrica. A integridade superficial das peas usinadas foi avaliada por meio de anlises de rugosidade, micrografias, utilizando microscopia tica e eletrnica de varredura, e microdureza. Alm disso, foram monitoradas a taxa de remoo de material e a relao de desgaste das peas submetidas a eletroeroso. Os resultados mostraram que o ao AISI D6 apresentou melhor desempenho do que o AISI H13, enquanto que o tratamento trmico pouco influenciou no processo de EDM para os dois aos.

Palavras-chave: Eletroeroso, Ao-ferramenta, Taxa de remoo de material, Zona resolidificada.

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ABSTRACT

The goal of this work is to evaluate the influence of material workpiece properties and of heat treatment in the electrical discharge machining (EDM) of two commercial steels: AISI H13 (for hot work) and AISI D6 (for cold work). Both steels were submitted to two heat treatments: normalizing and quenching followed by tempering. The influences of process parameters, frequency and electric current on surface integrity (as the damages in the recast layer), material removal rate and on electrode wear were investigated. Measurements and observations of roughness, micrographs, using optical and scanning electronic microscopy, and microhardness for EDMed samples were evaluated. Moreover, material removal rate and tool wear were monitored. The results showed that the AISI D6 steel presented better performance than the AISI H13. Besides, the influence of heat treatment on the process of EDM for both steels was not significant.

Key words: Electrical discharge machining, Tool steel, Material removal rate, Recast layer.

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LISTA DE SMBOLOS i tenso em aberto; [V] [V] [V] [s] [s] [s] [s] [s] [A] [A] [mm3 / min] [A] [m] [m]

ue tenso mdia da descarga;U tenso mdia de trabalho durante a usinagem;

td tempo de retardo de ignio da descarga; te durao da descarga; ti durao do pulso de tenso (td + te) to durao do intervalo entre duas sucessivas descargas; tp durao do perodo do ciclo de uma descarga; e corrente mxima durante a descarga; ie corrente mdia durante a descarga;Vw Taxa de Remoo de Material TS Densidade de Corrente Mdia Ra Mdia Aritmtica das Rugosidades Rz Mdia Aritmtica dos cinco valores da Rugosidade Parcial

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SUMRIO 1 INTRODUO ................................................................................. 11 1.1 Justificativa ............................................................................................... 15 1.2 Objetivos ................................................................................................... 16

2 ESTADO DA ARTE ......................................................................... 17 2.1 Usinagem ................................................................................................. 17 2.1.1 Qualidade da superfcie usinada ........................................................ 19 2.2 Eletroeroso ........................................................................................... 20 .................................................................. 33

2.2.1 Material do eletrodo-pea

2.2.2 Materiais para eletrodos-ferramenta ................................................... 42 2.2.3 Fluidos dieltricos ................................................................................. 45

3 METODOLOGIA ............................................................................. 47 3.1 Material do eletrodo-pea ........................................................................ 48 3.2 Mquina de eletroeroso ......................................................................... 53 3.3 Eletrodo-ferramenta ................................................................................ 55 3.4 Parmetros de usinagem ........................................................................ 58 3.5 Avaliao da topografia das peas eletroerodidas ............................... 59 3.6 Anlise microgrfica ............................................................................... 60 3.7 Anlise de microdureza ........................................................................... 63

4 RESULTADOS E DISCUSSES ........................................................ 64 4.1 Variao do material do eletrodo-pea ................................................. 64 4.1.1 Remoo de material do eletrodo-pea ............................................ 64 4.1.2 Remoo de material do eletrodo-ferramenta ................................... 69 4.1.3 Taxa de remoo de material ............................................................... 73 4.1.4 Desgaste do eletrodo-ferramenta ........................................................ 75 4.1.5 Relao de desgaste ............................................................................. 78 4.2 Variao do tratamento trmico .............................................................. 80

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4.2.1 Remoo de material do eletrodo-pea .............................................. 80 4.2.2 Remoo de material do eletrodo-ferramenta .................................... 85 4.2.3 Taxa de remoo de material ............................................................... 89 4.2.4 Desgaste do eletrodo-ferramenta ........................................................ 91 4.2.5 Relao de desgaste ............................................................................. 94 4.3 Rugosidade ............................................................................................... 97 4.3.1 Variao do material do eletrodo-pea ............................................... 97 4.3.1.1 Rugosidade mdia aritmtica Ra ...................................................... 98 4.3.1.2 Rugosidade Rz .................................................................................... 100 4.3.2 Variao do tratamento trmico ........................................................... 102 4.3.2.1 Rugosidade mdia aritmtica Ra ....................................................... 102 4.3.2.2 Rugosidade Rz .................................................................................... 104 4.4 Micrografia ................................................................................................ 107 4.5 Caracterizao topogrfica ..................................................................... 112 4.6 Microdureza .............................................................................................. 120

5 CONCLUSO E SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ............. 125 5.1 Concluso ................................................................................................. 125 5.2 Sugestes para trabalhos futuros .......................................................... 127

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .................................................... 128

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1 INTRODUO

Os processos no tradicionais de fabricao de peas tm sido amplamente utilizados pelas indstrias e pelos laboratrios de pesquisa, principalmente para atender demanda de construo de peas de alta complexidade e de materiais de difcil usinabilidade. Os processos que so considerados no tradicionais so, entre outros, usinagem eletroqumica, usinagem por eletroeroso por penetrao e a fio, usinagem por fluxo abrasivo, usinagem por jato de gua e jato de gua abrasivo, usinagem ultrasnica, etc. Todos esses processos tm suas vantagens e

desvantagens. A escolha vai depender de inmeros fatores, como disponibilidade de equipamentos, custos operacionais e de manuteno e mo-de-obra qualificada (MCGEOUGH, 1988). Ao longo dos ltimos anos, o processo de usinagem por fresamento tem se destacado como um dos mais utilizados na confeco de matrizes e de moldes metlicos. As pesquisas sobre novos materiais e revestimentos tm proporcionado a utilizao de ferramentas de corte cada vez mais eficientes, com possibilidade de grandes remoes de material em altssimas velocidades. Tambm valido destacar que as mquinas operatrizes vm sofrendo inmeras modificaes tecnolgicas, como o uso do comando numrico computadorizado, motores de alta velocidade e de baixo consumo de energia e estruturas mais estveis e rgidas. Acabamentos superficiais, com rugosidades cada vez menores e integridades superficiais, so conseguidos com a combinao de parmetros de corte como velocidade de corte, avanos e profundidades. Como exemplo, a figura 1 mostra o centro de usinagem ROM,I modelo Discovery 560, com comando numrico computadorizado, pertencente ao Laboratrio de Usinagem da PUC Minas.

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Figura 1 Centro de usinagem marca ROMI Bridgeport Discovery 560.

Um dos problemas encontrados nesse processo o corte de materiais extremamente duros, principalmente no caso de aos submetidos ao

beneficiamento. Essa elevada dureza da pea pode comprometer a vida da ferramenta, causando-lhe inmeros defeitos que afetam diretamente no acabamento e na forma geomtrica da pea, na rugosidade e na preciso dimensional. Trocas de ferramentas de corte danificadas, durante o processo, prejudicam a usinagem, aumentam os custos e atrasam a produo (GUITRAU, 1997). Mesmo com o uso de ferramentas de corte eficientes para esse ao, ocorrem transformaes metalrgicas e interaes qumicas que modificam a superfcie, provocando alteraes micro estruturais como a formao da camada branca. Na figura 2, mostra-se uma matriz usinada no centro de usinagem ROMI dos laboratrios de fabricao da PUC Minas.

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Figura 2 Matriz fabricada pelo processo de usinagem, em ao AISI H13.

Outro processo tambm bastante utilizado na fabricao de matrizes a usinagem por eletroeroso, EDM, que consiste na remoo de material pelo bombardeamento de eltrons ou ons contra a superfcie da pea, produzindo a retirada dos resduos por sublimao, gerando cavidades profundas e tridimensionais. A usinagem pode ser feita em qualquer material condutor eltrico, em operaes de desbaste e de acabamento. De acordo com a teoria da eletroeroso, as propriedades mecnicas da pea e do eletrodo, que a ferramenta de corte, tm pouca influncia no desempenho desse processo. No entanto, as propriedades termofsicas, como a condutividade trmica e eltrica, a expanso trmica, a temperatura de fuso e de ebulio, influenciam consideravelmente no processo. Escolha do material do eletrodo, polaridade, corrente e pulsao so parmetros significativos que influenciam na taxa de remoo de material e no acabamento superficial. Tambm em eletroeroso, ocorrem defeitos e falhas, principalmente na superfcie, como, por exemplo, a formao da camada branca devido resolidificao de material e presena de zona termicamente afetada. Essa regio de camada branca apresenta integridade deficiente e, freqentemente, vem acompanhada de formao de micro trincas. Na figura 3, mostra-se uma mquina de eletroeroso com o fluido dieltrico utilizado durante o processo no Laboratrio de Usinagem da PUC Minas.

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Figura 3 Processo de eletroeroso por penetrao, realizado na Mquina Engemac 440 NC do Laboratrio de Usinagem da PUC Minas.

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1.1 Justificativa

Os aos escolhidos para o trabalho de pesquisa e para avaliao so o ao AISI H 13, que um ao-ferramenta para trabalho a quente e apresenta dureza a quente mdia de aproximadamente 50 HRc, e o ao AISI D6, que um ao-ferramenta para trabalho a frio, utilizado na fabricao de matrizes. Outras caractersticas como resistncia ao choque, usinabilidade razovel, resistncia temperatura de servio, resistncia eroso s temperaturas de servio, resistncia ao trincamento devido ao calor e grande profundidade de endurecimento so necessrias. A dureza desses materiais, em

estado temperado, pode ser da ordem de 51 a 54 HRc. A forma da martensita nesses aos-ferramenta, quando em condies de resfriamento e endurecimento, so suficientes para prevenir a transformao controlada-difuso para carbonetos proeutetide, perlita e bainita. A composio da matriz austentica determina a morfologia da microestrutura martenstica. Esses aos apresentam composies qumicas e microestruturas bem diferentes que lhes conferem propriedades mecnicas que atendem s necessidades da indstria de produo de peas. A usinagem por eletreroso um dos processos mais indicados, nesses casos, devido alta dureza desses aos, alcanada aps tmpera ou beneficiamento.

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1.2 Objetivos

Geral: Comparar e avaliar a influncia do material da pea e do tratamento trmico, para os aos-ferramenta AISI H13 e AISI D6 no processo de usinagem por eletroeroso por penetrao.

Especficos: - Avaliar a taxa de remoo de material da pea e a relao de desgaste; - Verificar a integridade da superfcie das peas usinadas por meio de medies de microdureza, rugosidade e anlises metalogrficas;

Este documento foi organizado e subdividido em captulos da seguinte forma: no Captulo, 1 faz-se uma introduo ao trabalho, enfocando o estudo e mostrando os principais objetivos. No Captulo 2, apresenta-se a Reviso Bibliogrfica do assunto, no qual foram abordados temas sobre usinagem convencional e usinagem por eletroeroso. Este captulo tem como objetivo proporcionar aprofundamento nos temas pesquisados, dando um maior entendimento nos testes experimentais. O Captulo 3 trata dos procedimentos experimentais como a metodologia, os materiais, os equipamentos e os instrumentos de medio utilizados nos ensaios. As anlises e as discusses dos resultados so apresentadas no Captulo 4, onde so confrontados os resultados. O Captulo 5 apresenta as concluses do presente trabalho e sugere temas para futuros estudos. As referncias bibliogrficas compem o final do trabalho.

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2 ESTADO DA ARTE

Este captulo trata dos tpicos relevantes para o desenvolvimento do projeto. Foi dividido da seguinte forma: inicialmente, foi dado destaque em usinagem e em qualidade da superfcie usinada para, posteriormente, enfocar a eletroeroso, dando nfase ao material da pea, ao eletrodo e ao fluido dieltrico.

2.1 Usinagem

A usinagem dos metais um dos mais antigos e mais utilizados processos de fabricao de peas que o homem conhece. Define-se usinagem como a transformao do material em bruto, seja em forma de barras, chapas ou semiacabados como fundidos e forjados, seja em peas teis, com geometria, dimenses e acabamentos superficiais conforme projeto inicial. Essa transformao acontece por meio do cisalhamento, provocado pela ao de uma ferramenta de corte montada em uma mquina ferramenta ou pela utilizao de processo manual. Segundo Sales (2005), O material removido denominado de cavaco e adquire diversas formas, tamanhos e configuraes, dependendo do processo utilizado, ferramenta de corte, material da pea, mquina e parmetros de corte. O controle do cavaco se faz necessrio para evitar problemas como riscos de danos pea, mquina e ao operador. Na figura 4, mostra-se um torno CNC, usado na usinagem de peas.

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Figura 4 Torno CNC Centur 30D.

Torneamento,

fresamento,

furao,

rosqueamento,

mandrilhamento,

brochamento e retificao so exemplos de processos de usinagens convencionais. Para o estudo em questo, a abordagem ser feita no processo de fresamento que bastante empregado na fabricao de matrizes e de moldes metlicos, dentre outras peas. Ferraresi (1977) afirma que fresamento o processo mecnico de usinagem destinado obteno de superfcies quaisquer, com o auxlio de ferramenta geralmente multicortante. Para tanto, a ferramenta gira e a pea ou ferramenta se deslocam segundo uma trajetria qualquer. Grande avano em usinagem por fresamento atribudo a Whitney que, por volta de 1818, usava para manufatura de armas de fogo. Atravs do avano da pea contra a rotao da ferramenta de corte, acontece o fresamento de metais com formas complexas, abertura de canais retos, em forma de rabo de andorinha, em forma de T e desbaste de superfcies planas. A primeira fresadora universal foi construda por J. R. Brown, em 1862, e era empregada para cortar canais helicoidais em brocas. A contribuio de Taylor foi decisiva para o aumento da produtividade nos processos de fabricao, principalmente nos que envolviam a usinagem. Pode-se destacar de sua obra o desenvolvimento do ao rpido, o uso dos fluidos de corte e a elaborao da equao para determinar a vida das ferramentas de corte.

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Com a perspectiva histrica de que a cada dia a cincia e a engenharia dos materiais estejam preocupadas com a estrutura, com as propriedades, com o processamento e com o desempenho de novos materiais, surge, como um desafio, a possibilidade de usinagem desses novos materiais. Para isto, a pesquisa avana no desenvolvimento no campo dos materiais de fabricao de ferramenta de corte, de revestimentos, de fluidos de corte e de mquinas operatrizes. Para Shaw (1984), Trent e Wright (1999), Diniz et al. (1999), Marcondes (1999) e Machado e Da Silva (1999) fatores como: dureza do material a ser usinado, tipo de cavaco, processo de usinagem, condies da mquina, forma e dimenso da ferramenta de corte, custo do material da ferramenta, parmetros de usinagem como velocidade de corte, profundidade e avano, caractersticas finais do produto so relevantes na seleo do material da ferramenta de corte. Propriedades como alta dureza quente, tenacidade, alta resistncia ao desgaste, alta resistncia compresso e cisalhamento, boas propriedades mecnicas e trmicas, boa condutividade trmica, alta resistncia ao choque trmico, baixo ndice de expanso volumtrica, alta resistncia ao impacto e quimicamente inertes devem ser destacadas no processo de escolha da ferramenta.

2.1.1 Qualidade da superfcie usinada

As peas fabricadas por usinagem convencional ou no convencional apresentam as superfcies com danos provocados pelo processo. Segundo Sales e Santos (2007), o termo integridade superficial foi citado pela primeira vez em 1964 por Field e Kahles (1964), como definio para o conjunto de alteraes na superfcie das peas devido ao de ferramenta de corte ou a outros processos de fabricao. As alteraes superficiais podem ser de natureza mecnica, metalrgica, qumica ou outros tipos de transformaes. A integridade superficial tornou-se oficialmente um campo de estudos durante a 21 Assemblia Geral do CIRP (setembro de 1971). De acordo com Oliveira (2004), a natureza de uma superfcie caracterizada pela textura

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superficial e pelas transformaes metalrgicas ocorridas na regio sub superficial da pea. As superfcies geradas nos processos de fabricao no so superfcies perfeitas, existem detalhes que s podem ser observados quando estas so ampliadas vrias vezes em relao ao seu tamanho original. Quando so observadas com recursos apropriados, estas superfcies apresentam irregularidades e as orientaes das irregularidades dependem do tipo de processo que deu origem superfcie. Em uma superfcie podem ser encontradas muitas outras marcas como trincas produzidas por impacto trmico, transferncia de material e crateras produzidas por fratura de gro. As caractersticas de uma superfcie so definidas em trs nveis: erros de forma, ondulao e rugosidade, de acordo com a altura e/ou a distncia entre as irregularidades. Os erros de forma so verificados por meio de instrumentos convencionais de medio, como micrmetros, relgios comparadores, projetores de perfil, etc. Entre esses erros, incluem-se divergncias de ondulaes, ovalizao, retilineidade, planicidade, circularidade, etc. As principais causas desses erros so: defeitos em guias da mquina-ferramenta, desvios da mquina ou da pea, fixao errada da pea e distores devido ao tratamento trmico. A rugosidade o conjunto de irregularidades, isto , pequenas salincias e reentrncias que caracterizam uma superfcie. Essas irregularidades podem ser avaliadas com aparelhos denominados rugosmetros. A rugosidade desempenha um papel importante no comportamento das peas produzidas pela indstria eletromecnica e tem influncia direta na qualidade de deslizamento, na resistncia ao desgaste, na possibilidade de ajustes, na resistncia oferecida pela superfcie ao escoamento de fluidos e lubrificantes, na resistncia corroso e fadiga, na vedao e na aparncia.

2.2 Eletroeroso

A proposta deste projeto avaliar o processo de usinagem por eletroeroso EDM (Electrical Discharge Machining) por penetrao. A descoberta da EDM se deve ao qumico ingls Joseph Priestly que, em 1770, descobriu o efeito erosivo da descarga eltrica ou centelha. Durante aproximadamente 100 anos, esse fenmeno

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passou a ser usado para desintegrao de vrios metais para produo de solues coloidais. Somente em 1943, na Universidade de Moscou, os Lazarenko exploraram as propriedades destrutivas da descarga eltrica para uso construtivo. Eles desenvolveram um processo controlado de usinagem para metais com dificuldade de corte, com vaporizao de material na superfcie do metal. O sistema EDM dos Lazarenko usava resistncia e capacitncia da alimentao de energia e era amplamente usado nas mquinas de EDM at 1950 e posteriormente serviu de modelo para os sucessivos desenvolvimentos. A figura 5 mostra uma mquina de eletroeroso da dcada de 1970 pertencente ao Laboratrio de Fabricao do CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear.

Figura 5 Mquina de Eletroeroso por penetrao ELOX MICRO PS do Laboratrio de Fabricao do CDTN.

O processo EDM bastante complexo e muito tem sido estudado sobre esse tema. Consiste no mecanismo de eroso do material feito, primeiramente, pelo uso de energia eltrica e modificando internamente para energia trmica, completando uma srie de descargas eltricas discretas, ocorrendo entre o eletrodo e a pea imersa em um fluido dieltrico. A energia trmica gera um canal de plasma entre o catodo e anodo

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com temperaturas elevadssimas, iniciando substancialmente o aquecimento e a fuso na superfcie de cada plo. Quando a pulsao direta da corrente interrompida, o canal de plasma entra em colapso e causa reduo repentina da temperatura, permitindo a circulao do dieltrico, retirando do canal de plasma e transportando o material fundido para o plo da superfcie em forma de partculas microscpicas. A figura 6 mostra desenhos de representao esquemtica das fases do fenmeno que ocorre em eletroeroso. Fase de ignio da centelha: a) No incio da ignio, forma-se um campo eltrico entre os eletrodos, sendo que, no ponto do menor intervalo, o campo mais intenso. b) Sobre a ponte de ons, comea a fluir uma corrente intensa. c) O fluxo de corrente ordena as partculas por um canal de plasma com gs ionizado. Com isso, a fase de ignio se encerra. Fase da descarga: d) O sistema gerador eltrico da mquina limita o fluxo de corrente, primeiramente, num estreito canal de plasma. O calor, no momento de maior densidade de corrente, surge atuando somente em uma pequenssima rea do eletrodo, o que desgasta o material, para ambos os eletrodos. e) Atravs da conduo do dieltrico, o canal de plasma distancia-se e a densidade de corrente e a temperatura diminuem. f) O canal de plasma estabiliza-se. O dieltrico torna-se condutor. O material ainda fundido, especialmente na pea, sublimado. Fase de interrupo: g) Com a interrupo, a tenso corta a presso no canal de plasma, o dieltrico flui para o metal fundido. Ambos os eletrodos afastam-se para uma exploso, atingindo o metal fundido. Uma nova cratera origina-se. h) A bolha de gs entra em colapso. Atravs da queda de temperatura, diminui-se a condutibilidade do canal de plasma at a desionizao. i) Sobre a bolha de gs, solidificam as partculas fundidas, formadas pela descarga (BENEDICT, 1987).

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Figura 6 - Representao esquemtica do fenmeno da EDM (BENEDICT, 1987).

O processo de fuso e de sublimao do material da superfcie da pea um contraste com o processo de usinagem convencional, pois os cavacos no so produzidos mecanicamente. A taxa do material removido era na faixa de 20 a 250 x 106

m

3

h-1, no perodo de 1950 a 1960. A temperatura na centelha estimada em at

mais de 20.000 C. O tempo de durao curto, e a rea sobre a aplicao pequena. A centelha funde e vaporiza uma pequena poro da pea, com pequenos efeitos nas regies adjacentes (MCGEOUGH, 1988). Para explicar o fenmeno da eletroeroso, vrias teorias foram criadas. Atualmente, a que apresenta melhores explicaes para o efeito de retirada de materiais pela descarga eltrica a teoria termoeltrica. Para isto, o estudo que se faz baseado na diviso do ciclo de uma descarga eltrica em quatro etapas distintas e em seqncia: ignio, criao do canal de plasma, fuso e sublimao dos resduos

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da pea e eletrodo e limpeza dos materiais que se fundiram. (KAHNG, 1977). Essas etapas do fenmeno, para uma descarga eltrica entre dois condutores submersos em fluido dieltrico, so mostradas na figura 7, elaborada por Knig & Klocke, (1997).

Figura 7 As quatro fases de uma descarga eltrica no processo de eletroeroso: 1) Ignio. 2) Formao do canal de plasma. 3) Sublimao dos materiais da pea e eletrodo. 4) Limpeza dos resduos produzidos no processo (KNIG & KLOCKE, 1997).

De acordo com Amorim (2002), essas fases foram destacadas para detalhar e explicar o fenmeno da eletroeroso. A figura 8 mostra o incio da descarga chamada de ignio. Na prtica, quando existe um distanciamento entre a pea e o eletrodo de aproximadamente 0,05 a 1,00mm. Devido resistncia do fluido dieltrico, no tem fluxo de corrente, mesmo com a tenso variando em aberto de at 300V. O eletrodo avana contra a superfcie da pea devido a um sistema automtico at formar uma distncia que possibilita o trabalho. Essa distncia denominada de gap e seu controle fundamental para o xito do processo. A teoria da ionizao por impacto explica que os eltrons liberados no catodo se aceleram e colidem com as molculas

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do dieltrico, favorecendo a liberao de mais eltrons e ons positivos, iniciando uma reao de alta energia.

Figura 8 Representao da ignio (KNIG & KLOCKE, 1997).

A figura 9 mostra a formao do canal de plasma que decorrente da energia provocada pela coliso dos eltrons em alta velocidade. Como afirmam Silva (2006) e Amorim (2002), inicia-se a ionizao por impacto, tendo na seqncia a multiplicao em altssima velocidade deste fenmeno, gerando um superaquecimento seguido de evaporao de uma pequena quantidade do dieltrico. Desta maneira provocado, simultaneamente, um aumento da corrente eltrica e um decrscimo da resistncia do dieltrico. Podem ser observadas nesse instante a formao e a intensificao de tneis transportadores de energia eltrica (streamers) tanto para o anodo quanto para o catodo, resultando na queda da tenso em aberto

(Ui) para a tenso de ruptura do (ie),at

dieltrico, havendo na seqncia um grande aumento da corrente eltrica

atingir o nvel especificado pelo operador. Esse canal fica contornado por uma bolha de vapor e pelo dieltrico que faz com que a energia da descarga fique concentrada em um pequeno volume. A formao do canal de plasma tambm conhecida como colapso da tenso em aberto (ui) e nesse instante em que a tenso

(ui)

decai

rapidamente para tenso de ruptura do dieltrico, a qual depende da combinao do material utilizado no eletrodo e na pea. O intervalo de tempo entre a aplicao da

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tenso (ui) e a formao do canal de plasma conhecido como tempo de retardo (td) o qual pode ser usado para anlise da abertura do gap.

Figura 9 Canal de plasma (KNIG & KLOCKE, 1997).

O canal de plasma formado mantido por um perodo de durao (te) conforme regulagem do operador. Durante a aplicao da descarga, o sistema de controle do servomecanismo da mquina controla e mantm em equilbrio a amplitude do gap a qual depende do nvel de energia da corrente de descarga

(ie).

Assim, evita-se a

formao de curtos circuitos. De acordo com a durao da descarga eltrica

(te),

o

plasma de alta energia funde continuamente por conduo trmica uma certa quantidade de material do eletrodo e da pea. A fase de fuso e de sublimao dos materiais esto representadas na figura 10. A alta presso do plasma faz com que pouca quantidade desse material lquido seja evaporada (DIBITONTO, 1989). Isso ocorre porque a densidade de corrente decresce bruscamente com o aumento da profundidade da cavidade da superfcie do eletrodo e da pea. Durante a durao da descarga eltrica

(te),

ocorre a continuao da fuso e tambm h um aumento

constante do dimetro do canal de plasma. As superfcies do catodo e do anodo so intensamente bombardeadas por eltrons e ons positivos. Essa energia cintica transformada em calor, pois esses eltrons penetram no anodo,fundindo o material. Os ons positivos transformam a sua energia cintica em calor ao colidirem com o

27

catodo. A intensidade de corrente

(ie),

a durao de descarga

(te)

utilizada e as

propriedades fsicas do eletrodo e da pea esto diretamente relacionados quantidade de material fundido. A influncia da mobilidade dos ons positivos e dos eltrons sobre o incio da fuso de material no catodo e no anodo so relevantes e influenciam o ciclo de descarga. A maior inrcia dos ons positivos, junto com sua maior massa em relao aos eltrons, faz com que eles precisem de mais tempo para atingir certa velocidade. Logo no incio da descarga, acontece um maior bombardeamento de eltrons no anodo que o de ons positivos no catodo. Por causa desse fenmeno, a fuso de material ocorre primeiramente no anodo, enquanto que no catodo ocorrer alguns microsegundos depois.

Figura 10 Sublimao ocorrida no canal de plasma (KNIG & KLOCKE, 1997).

De acordo com Silva (2006) e Eubank (1993), o aumento do dimetro do canal de plasma se d pelo fato de haver transferncia de energia para as regies vizinhas, como para as cavidades fundidas, influenciando consideravelmente a quantidade de material fundido no eletrodo e na pea. Enquanto acontece a descarga

(te),

a

irradiao de energia do plasma provoca a vaporizao, a dissociao e a ionizao de um pequeno volume de dieltrico lquido que circunda o canal, resultando em um aumento da massa e do dimetro do plasma e gases. Acontece, ento, queda da presso e da temperatura nas cavidades. A cavidade fundida do anodo inicia um processo de solidificao em conseqncia da expanso e da diminuio do fluxo de energia. No catodo, a cavidade fica mais profunda. Conforme Dibitonto (1989), a

28

energia total de uma descarga eltrica dividida em trs parcelas e pode ser estimada em 18%, consumida na fuso de material do catodo, 8% para fundir o anodo e 74% gastos no aumento da massa e do dimetro do canal de plasma para converter o dieltrico lquido em plasma. Van Dijk (1973), e posteriormente comprovado por Eubank (1993), afirmou que o principal mecanismo de remoo de material na eletroeroso est associado ao fenmeno de superaquecimento do metal fundido nas cavidades do eletrodo e da pea. Durante o tempo de aplicao da descarga, as superfcies das cavidades fundidas esto superaquecidas, com temperaturas prximas s de ebulio do material, correspondente ao estado de sobrepresso do plasma. A figura 11 representa, que ao final da durao de descarga

(te),

o sistema de controle do

gerador da mquina interrompe instantaneamente a corrente eltrica, estabelecendo um intervalo de tempo

(to)

at o incio do novo ciclo. Devido alta presso que o

plasma exerce sobre as cavidades, pouco material se evapora. Com a suspenso da descarga, uma pequena cratera formada nas superfcies da pea e do eletrodo devido queda instantnea da presso que extingue a bolha de gs e o canal de plasma, com foras associadas ao superaquecimento para separar o material fundido das cavidades. Uma parte do material fundido fica solidificada na cratera e a outra parte removida pelo efeito limpeza do dieltrico.

Figura 11 Final do canal de plasma com a limpeza dos resduos (KNIG & KLOCKE, 1997).

29

A figura 12 mostra a evoluo da tenso e a corrente eltrica durante o ciclo de uma descarga eltrica que ocorre na eletroeroso. A simbologia empregada foi retirada da norma alem VDI 3402 de 1990.

Figura 12 Evoluo da Tenso e Corrente Eltrica durante o ciclo de uma descarga. (AMORIM, 2002).

i -

tenso em aberto;

ue tenso mdia da descarga;U tenso mdia de trabalho durante a usinagem;

td tempo de retardo de ignio da descarga; te durao da descarga; ti durao do pulso de tenso (td + te) to durao do intervalo entre duas sucessivas descargas; tp durao do perodo do ciclo de uma descarga;

30

e corrente mxima durante a descarga; ie corrente mdia durante a descarga; - relao de contato: representa a razo entre a durao do pulso

(ti) e a durao

do perodo do ciclo da descarga (tp) A corrente de descarga consumida no processo de eletroeroso um parmetro de extrema importncia na qualidade e no rendimento da operao. O limite da quantidade de corrente envolvida no processo est diretamente ligado condio de operao existente no gap. medida que o eletrodo usina a pea, a geometria do gap est em constante modificao, alternando a troca de calor e o equilbrio trmico deste ponto. A seleo da corrente depende da rugosidade esperada, do mximo desgaste do eletrodo permitido, da velocidade, das caractersticas trmicas do eletrodo, das condies de gap e da rea de contato eletrodo/pea. A freqncia a medida usada para determinar o nmero de vezes que a corrente passa de ligada para desligada na unidade de tempo. Para operaes de desbaste, o te geralmente estendida para se obter altas taxas de remoo de material e desde que haja alguns ciclos por segundo, essa poderia ser uma regulagem de baixa freqncia. Nas operaes de acabamento, nos quais tem-se te e to bem menores, haver vrios ciclos por segundo e poderia ser considerada uma regulagem de alta freqncia (ARANTES, 2001). As figuras 13, 14 e 15 mostram as formas das superfcies usinadas por eletroeroso, de forma representativa, em diferentes freqncias e os efeitos representativos no perfil da superfcie. Na figura 13, o acabamento com te longo bem grosseiro, devido ao fato de que a longa durao da descarga suficiente para fundir uma grande cratera. Na figura 14, a durao da descarga cai, produzindo crateras menores e menos material fundido. O acabamento melhora, mas a velocidade de usinagem diminui e aumenta o desgaste do eletrodo. A figura 15 mostra a caracterstica da superfcie em operaes de acabamento. O perfil da descarga muito mais denso, com uma intensidade de descargas maior pela mesma unidade de

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tempo. As descargas de curta durao produzem pouco material erodido, gerando pequenas crateras.

Figura 13 Baixa Freqncia / Desbaste (GUITRAL, 1997).

Figura 14 Freqncia Moderada / Semi-acabamento (GUITRAL, 1997).

Figura 15 Alta Freqncia / Acabamento (GUITRAL, 1997).

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O comprimento de onda te determina a durao do pulso (tempo de descarga) e possui como unidade de referncia o microsegundo (m). O tempo de pausa to relaciona-se ao tempo de pausa entre duas descargas consecutivas. Nesse tempo, ocorre a interrupo da descarga, mostrada na equao 2.1:

to % = te / (te + td )

x 100

(2.1)

O tempo de eletroeroso pode ser calculado com alguma preciso, pela frmula abaixo, mostrado na equao 2.2, desde que no seja intermitente:

T = ( A . Profundidade ) / Vw Onde: T = Tempo em minutos A = rea em mm 2 V w = Taxa de remoo de material (valor retirado de tabelas)

(2.2)

Polaridade positiva significa o eletrodo no plo positivo e a pea no plo negativo. De acordo com Guitrau (1997), a polaridade pode afetar a velocidade, acabamento, desgaste e estabilidade. Mquinas verticais podem usar tanto polaridade positiva quanto negativa e vai depender da aplicao especfica. A polaridade positiva usina mais devagar que a polaridade negativa, mas protege o eletrodo de desgaste excessivo. A polaridade negativa usada para remoo de metal em alta velocidade usando eletrodo de grafite e na usinagem de carbonetos, titnio e metais refratrios usando eletrodos metlicos. Na eletroeroso a fio, a polaridade usada a negativa, isto , o fio negativo e a pea positiva. Nesse caso o desgaste do eletrodo (fio) no considerado, pois durante o processo ele sempre renovado.

33

2.2.1 Material do eletrodo-pea

Na usinagem de aos tratados termicamente, como os aos-ferramenta, os processos convencionais de usinagem, como o torneamento e o fresamento, normalmente so economicamente viveis para peas com dureza inferior a 60 HRc. Com EDM, a dureza da pea no problema, principalmente para usinagens posteriores ao tratamento trmico de tmpera, seguida de revenimento, onde as peas apresentam problemas de variao dimensional. Na figura 16, mostra-se uma esfera de rolamento com um furo no passante, furada com eletrodo de cobre eletroltico de 2 mm de dimetro.

a) Esfera e eletrodo

b) Esfera perfurada pelo eletrodo

Figura 16 Furo com dimetro de 2mm x 40mm de profundidade, realizado por EDM, em uma esfera de rolamento com dureza de 740 HV.

Os recentes trabalhos de reduo de tamanho nos produtos tm dado uma grande ateno nas pesquisas que utilizam a Micro EDM, principalmente na confeco de micro furos e micro entalhes com dimetro em torno de 5 m, alm de micro cavidades tridimensionais complexas. Masuzawa et al. (1985) obtiveram sucesso na

34

produo de micro peas como micro pinos, micro bocais e micro cavidades, utilizando micro EDM. EDM de cermicas avanadas tem sido amplamente aceita pelas indstrias de corte de metal, devido usinagem com custos e caractersticas competitivas. O desenvolvimento de diferentes materiais compsitos modernos nas ltimas dcadas tem tido ampla aplicao em EDM. A influncia da composio da liga sobre a habilidade de uma liga de ao em se transformar em martensita para um tratamento de tmpera est relacionada a um parmetro que conhecido por endurecibilidade Para cada liga de ao diferente, existe uma relao especfica entre as propriedades mecnicas e a taxa de resfriamento (CALLISTER, 2000). Os aos-ferramenta so um grupo muito grande de ligas complexas que evoluem para muitas formas de aplicaes a quente e a frio. Detalhes de processo, como taxas recomendadas de resfriamento, tempo e temperatura de tratamento trmico, so encontrados na literatura e tambm informados pelos principais fabricantes. Para cada tipo de ao ferramenta existe um tratamento trmico que evolui e desenvolve microestruturas e propriedades mecnicas (KRAUSS, 1989). Existe um consenso na literatura de que os aos-ferramenta so adequados para realizar suas tarefas como: usinagem de metais, fundio sob presso, extruso de metais, etc. devido presena de carbonetos primrios resistentes abraso, inseridos numa matriz termicamente resistente, que se precipitam durante tratamentos trmicos posteriores. Nos carbonetos secundrios, o tamanho, a distribuio, a composio e a quantidade dos mesmos so parmetros que influem na dureza, na resistncia ao desgaste, na ductilidade, na resistncia ao escoamento e, portanto nas propriedades dos aos-ferramenta. A resistncia ao desgaste normalmente atribuda alta frao volumtrica de 10 a 20% dos carbonetos primrios que, geralmente, tm dimenses de 1 a 5 m. Quanto ductilidade, os carbonetos primrios sero benficos quando estiverem finamente dispersos e se apresentarem em dimetro de 1m. tambm benfica ductilidade a ausncia de carbonetos proeutetides nos contornos de gros. A dureza a quente depende basicamente da capacidade dos carbonetos secundrios de no se engrossarem com tratamentos trmicos ou temperaturas de trabalho a

35

quente. Em aos onde se adicionam diversos elementos como Nb, V, Ti, Mo e W, mesmo que cada elemento precipite-se isoladamente, as tentativas de se prever a cintica de precipitao mostram-se insatisfatrias diante da mtua solubilidade dos carbonetos, pois normalmente conduz a precipitaes em diferentes faixas de temperatura. Torna-se importante que sejam feitas nessas ligas anlises

microestruturais detalhadas, de modo a se obter conhecimentos que contribuam para a otimizao do processamento das mesmas. Mtodos indiretos como resistividade eltrica e dureza so utilizados para um possvel discernimento considervel sobre o comportamento da precipitao (FREITAS, 1987). Uma das caractersticas eltricas mais importantes de um material slido a facilidade com que ele transmite uma corrente eltrica. A lei de Ohm, mostrada na equao 2.3, relaciona a corrente, I, voltagem aplicada, V V=R.I (2.3)

onde R representa a resistncia do material atravs do qual a corrente est passando. O valor de R (ohm) influenciado pela configurao da amostra e, para muitos materiais, independente da corrente. A resistividade, , independente da geometria da amostra, mas est relacionada a R e mostrada na equao 2.4: =R.A/l (2.4)

onde l representa a distncia entre dois pontos sendo medida a voltagem e A a rea da seo reta perpendicular direo da corrente. A resistividade dada em ohm.metro ( .m). Algumas vezes, a condutividade eltrica, , usada para especificar a natureza eltrica de um material. A condutividade eltrica, mostrada na equao 2.5, o inverso da resistividade e dada em ( .m)-1 : =1/ (2.5)

A figura 17 mostra um diagrama esquemtico de um arranjo experimental empregado para medir a resistividade eltrica.

36

Figura 17 Representao esquemtica de um sistema usado para medir a resistividade eltrica.

Uma corrente eltrica resulta do movimento de partculas eletricamente carregadas em resposta s foras que atuam sobre elas a partir de um campo eltrico que aplicado externamente. As partculas carregadas positivamente so aceleradas na direo do campo, enquanto as partculas carregadas negativamente so aceleradas na direo oposta. No interior da maioria dos materiais slidos, uma corrente tem origem a partir do escoamento de eltrons, a qual conhecida por conduo eletrnica. Em todos os condutores, semicondutores e em muitos materiais isolantes, existe apenas a conduo eletrnica, e a magnitude da condutividade eltrica fortemente dependente do nmero de eltrons que est disponvel para participar no processo de conduo. O nmero de eltrons disponveis para conduo eltrica em um material em particular est relacionado ao arranjo dos estados ou nveis eletrnicos em relao energia, e ento maneira segundo a qual esses estados so ocupados pelos eltrons. Os eltrons estabelecem ondas permanentes em torno de um tomo individual. Esse modelo prevalece tambm nos eltrons mais internos ou subvalentes dos metais; entretanto os eltrons externos ou de valncia so deslocveis diante de um grande nmero de tomos coordenados. Como resultado, as rbitas de valncia formam uma banda e a onda permanente influenciada por todos os tomos com os quais est envolvido. Uma conseqncia disso o fato de que uma banda possui tantas formas de onda permanente e nveis de energia discretos quantos so os tomos no sistema. J que o nmero excessivamente grande e as bandas de energia so usualmente de

37

apenas uns poucos eltrons-volt, conclui-se que os nveis de energia no mbito de uma banda esto separados infinitesimalmente, permitindo assumir que a banda forme um contnuo. O princpio da excluso de Pauli estabelece que somente dois eltrons podem ocupar o mesmo nvel (e devem ser de spins magnticos opostos). Assim sendo, com sua multiplicidade de nveis, uma banda pode conter em eltrons o dobro da quantidade dos tomos correspondentes. Os nveis de energia incompletos, no mbito da banda, so importantes para a conduo, porque eles permitem que um eltron alcance um nvel de energia mais alto quando ele se move no sentido do eletrodo positivo. Isso no seria possvel se a banda de energia estivesse completamente preenchida e uma demasiada descontinuidade de energia estivesse presente. Os metais tm bandas de energia no totalmente preenchidas (VAN VLACK, 1984). Embora esses eltrons no estejam ligados localmente a qualquer tomo particular, eles, no entanto, devem experimentar alguma excitao para se tornarem eltrons de conduo que sejam realmente livres. Dessa forma, embora apenas uma frao desses esteja excitada, isso ainda d origem a um nmero relativamente grande de eltrons livres e, conseqentemente, uma alta condutividade. Uma vez que os defeitos cristalinos servem como centros de espalhamento para os eltrons de conduo nos metais, o aumento do nmero desses tambm aumenta a resistividade, ou diminui a condutividade. A concentrao dessas imperfeies depende da temperatura, da composio e do grau de deformao a frio de uma amostra metlica. De fato, foi observado, experimentalmente, que a resistividade total de um metal a soma das contribuies das vibraes trmicas, das impurezas e da deformao plstica; isto , os mecanismos de espalhamento atuam

independentemente uns dos outros. Isso pode ser representado matematicamente na equao 2.6 e conhecido como Regra de Matthiessen (CEZAR, 2006). total = t + i + d individuais devido s impurezas e d, devido deformao. A dependncia do componente da resistividade trmica t, em relao temperatura, deve-se ao aumento das vibraes trmicas e de outras irregularidades do (2.6)

onde t representa as contribuies das resistividades trmicas, i, as contribuies

38

retculo, como por exemplo as lacunas que servem como centros de espalhamento de eltrons, com aumento da temperatura, representado na equao 2.7: t = o + a T onde o e a so constantes para cada metal especfico. Para adies de uma nica impureza que forma uma soluo slida, a resistividade devida impureza, i, est relacionada concentrao de impureza, ci, em termos de frao atmica (%a/100), mostrada na equao 2.8: i = A ci (1 ci) (2.8) (2.7)

onde A representa uma constante independente da composio que funo tanto do metal de impureza como do metal hospedeiro. Para uma liga bifsica que consiste nas fases e , a expresso para a regra de misturas pode ser utilizada para aproximar a resistividade na equao 2.9: i = V + V respectivas fases. A deformao plstica tambm aumenta a resistividade eltrica como resultado do maior nmero de discordncias que causam o espalhamento dos eltrons. Os efeitos da temperatura, das impurezas e da deformao plstica sobre a resistividade eltrica so mostrados na figura 18 para o cobre e trs ligas de cobre-nquel. (2.9)

onde os V e representam as fraes volumtricas e resistividades individuais para as

39

Figura 18 A resistividade em funo da temperatura para o cobre e trs ligas cobre-nquel, uma das quais foi submetida deformao. As contribuies trmicas, das impurezas e da deformao resistividade esto indicadas para uma temperatura de -100C (CALLISTER, 2002).

A influncia de adies de impurezas de nquel sobre a resistividade temperatura ambiente est demonstrada na figura 19. Os tomos de nquel no cobre atuam como centros de espalhamento, e um aumento da concentrao de nquel no cobre resulta em um aumento da resistividade.

40

Figura 19 Resistividade eltrica temperatura ambiente em funo da composio para ligas de cobrenquel (CALLISTER, 2002).

A conduo trmica o fenmeno segundo o qual o calor transportado das regies de alta temperatura para as regies de baixa temperatura em uma substncia. A propriedade que caracteriza a habilidade de um material em transferir calor a condutividade trmica. O calor transportado em materiais slidos tanto atravs das ondas de vibrao do retculo (fnons), como atravs dos eltrons livres. Uma condutividade trmica est associada a cada um desses mecanismos, e a condutividade total a soma dessas duas contribuies, representada na equao 2.10: k = kr + ke (2.10)

onde kr e ke representam as condutividades trmicas devidas vibrao do retculo e aos eltrons, respectivamente; em geral, uma forma ou outra predominante. A energia trmica que est associada aos fnons ou s ondas reticulares transportada na direo do seu movimento. A contribuio de kr resulta de um movimento lquido ou global dos fnons desde as regies de alta temperatura para as regies de baixa temperatura de um corpo, atravs dos quais existe um gradiente de temperatura. Os

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eltrons livres ou condutores participam na conduo trmica eletrnica. Aos eltrons livres em uma regio quente da amostra, concedido um ganho em energia cintica. Eles ento migram para as reas mais frias, onde uma parte dessa energia cintica transferida para os prprios tomos (na forma de energia vibracional), como conseqncia de colises com os fnons ou outras imperfeies no cristal. A contribuio relativa de ke, para a condutividade trmica total, aumenta com o aumento das concentraes de eltrons livres, uma vez que mais eltrons esto disponveis para participar nesse processo de transferncia de calor. Em metais de alta pureza, o mecanismo eletrnico de transporte de calor muito mais eficiente do que a contribuio dos fnons, pois os eltrons no so to facilmente dispersos como so os fnons, alm de possurem maiores velocidades. Alm do mais, os metais so condutores de calor extremamente eficientes, pois existem nmeros relativamente grandes de eltrons livres que participam na conduo trmica. Uma vez que os eltrons livres so responsveis tanto pela conduo eltrica quanto pela conduo trmica nos metais, os tratamentos tericos sugerem que as duas condutividades devem estar relacionadas de acordo com a lei de Wiedemann-Franz, mostrada na equao 2.11: L=k/T constante. O valor terico de L, 2,44 x 10-8 (2.11)

onde representa a condutividade eltrica, T a temperatura absoluta, e L uma .W / (K)2 deve ser independente da

temperatura e o mesmo para todos os metais se a energia calorfica for transportada inteiramente atravs de eltrons livres. A formao de ligas com metais pela adio de impurezas resulta em uma reduo na condutividade trmica, pela mesma razo que a condutividade eltrica reduzida; qual seja, os tomos de impurezas, especialmente se estiverem em soluo slida, atuam como centros de espalhamento ou disperso, reduzindo a eficincia do movimento de eltrons. A figura 20 exibe esse efeito de condutividade trmica em funo da composio para ligas de cobre-zinco. Os aos inoxidveis, que so materiais altamente ligados, tornam-se relativamente resistentes ao transporte de calor (CALLISTER, 2002).

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Figura 20 Condutividade trmica em funo da composio para ligas cobre-zinco (CALLISTER, 2002)

2.2.2 Materiais para eletrodos-ferramenta

O custo do eletrodo-ferramenta sempre o fator mais crtico em operaes de EDM. Material, fabricao, desgaste e custo de dressagem (remoo da camada carbonizada do eletrodo) devem ser cuidadosamente avaliados para determinar qual o melhor material. Esse eletrodo ferramenta deve ter alta condutividade eltrica, facilidade para ser usinado, alto ponto de fuso e no apresentar deformaes quando trabalhado pelos processos convencionais. Conforme Drozda (1998) e Oarmolds (2007), o cobre funciona muito bem como material para eletrodo e amplamente usado quando so necessrias baixas rugosidades na superfcie da pea. O cobre pode ser usinado por todos os mtodos convencionais, como furao, torneamento, fresamento, retificao, etc. s vezes, a usinagem pode ser difcil, porque o cobre tende a aderir ferramenta de corte de geometria definida e ao rebolo nas operaes de retificao. Uma opo para solucionar esse problema a utilizao de liga de 2% de telrio cobre.

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Outro material bastante empregado a grafita que pode ser encontrada em diferentes classes, desde dimenses grandes de gros (200 m), para operaes de alto desbaste, a gros muito finos (1 m), para operaes de acabamento, especificamente em ao. A grafita apresenta elevada taxa de remoo de material e baixo desgaste, dependendo dos parmetros utilizados. Para fabricao de grandes eletrodos-ferramenta, a grafita torna-se o melhor material devido sua baixa densidade. Embora a grafita seja abrasiva, ela relativamente fcil de ser usinada pelos processos convencionais. A principal desvantagem da grafita o p fino, condutor de eletricidade, que ela produz durante sua usinagem, que capaz de influenciar o desempenho mecnico e eletro-eletrnico da mquina ferramenta. Na figura 21, mostra-se eletrodos de cobre eletroltico e grafite que foram usados na usinagem por eletroeroso.

Figura 21 Eletrodos-ferramenta de cobre e grafite utilizados em EDM.

Diferenas importantes relatadas por Vartaman e Rosennholm (1992) mostram que, por muitos anos, houve discusses sobre os mritos relativos dos diferentes materiais para eletrodos-ferramenta. Mas os principais debates discorrem sobre a utilizao do cobre e da grafita. H informaes de que usurios de eletroeroso, em diferentes partes do mundo, tm utilizado diferentes materiais para eletrodos-

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ferramenta para realizar exatamente mesmas tarefas. Normalmente, o cobre usado na Europa e na sia por motivos histricos. A grafita a opo de material de eletrodo-ferramenta da maioria de usurios de eletroeroso nos Estados Unidos. Os autores afirmam que qualquer operao que puder ser realizada com cobre tambm pode ser executada com grafita. O resultado final pode ser o mesmo, mas o custo para obt-lo pode ser muito diferente. Com relao influncia do material do eletrodo-ferramenta e do eletrodo-pea na eletroeroso, Knig & Klocke (1997) afirmam que alguns modelos termofsicos sugerem que o comportamento do processo, em se tratando de taxa de remoo de material, do desgaste relativo e da rugosidade determinado pelas propriedades trmicas do eletrodo-pea e do eletrodo-ferramenta, como por exemplo o calor especfico, a condutividade trmica e a temperatura de ebulio. Outros modelos propem que a resistncia eltrica, a relao entre a temperatura de evaporao e a fuso dos materiais, bem como uma combinao de constantes trmicas resumidas no termo energia de ligao, so as fontes de maior influncia sobre o comportamento do processo. Knig & Klocke (1997) relatam tambm que, at o momento, os resultados das pesquisas no conseguem relacionar precisamente o desempenho do processo de eletroeroso dos metais puros com suas propriedades fsicas. Da mesma forma, acrescentam que as influncias dos elementos de liga sobre a erodibilidade das ligas metlicas ainda no plenamente explicado. Como exemplo dessa avaliao complexa das propriedades termofsicas dos materiais, sobre o rendimento do processo, possvel comparar as taxas de remoo para o cobre e para o ao, sendo que o cobre, utilizado na confeco do eletrodo-ferramenta e o eletrodo-pea, fabricado em ao, relacionados simplesmente pela condutividade trmica e a temperatura de fuso desses metais. O cobre possui ponto de fuso de 1084 C, no entanto, apresenta uma baixa taxa de remoo na eletroeroso. Isto devido elevada condutividade trmica que de aproximadamente 388 W/m.K, na dissipao rpida de calor gerada pela descarga. Entretanto, o ponto de fuso do ao bem superior ao do cobre, mas as taxas de remoo obtidas so bem mais elevadas que as do cobre. Segundo Amorim (2002), a explicao para esse resultado est na menor condutividade trmica do ao. Isso denota que a anlise do rendimento do processo,

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considerando apenas uma ou duas propriedades fsicas do material, no permite obter concluses significativas.

2.2.3 Fluidos dieltricos

As qualidades requeridas para os fluidos dieltricos so as que podem ionizar rapidamente, aps a descarga eltrica, e que possuem alta fora dieltrica para permanecer como isolante at que ocorra a tenso de desequilbrio, onde acontece o fenmeno da formao do canal de plasma. Lquidos, base de hidrocarbonetos, so amplamente utilizados como fluidos dieltricos. No incio, eram usados a parafina e os leos de transformadores. A utilizao do querosene teve grande aceitao devido ao seu baixo custo e ao bom desempenho na maioria das operaes de EDM. Devido a problemas com a sade ocupacional e a agressividade desse dieltrico, pesquisas apontam para modificaes e substituio por leos de origem mineral e sinttica. Uma das exigncias atuais que esse fluido seja biodegradvel. Com isso, j se utilizam leos modificados de origem vegetal e gua deionisada. As principais funes do dieltrico so: controle da potncia de abertura do arco, provocado pela descarga eltrica, remoo das partculas sublimadas da pea, refrigerao da pea e do eletrodo e proteo contra oxidao e contaminao durante e aps o processo. Uma das mais importantes propriedades do dieltrico o ponto de fulgor, que deve ser observado para evitar srios acidentes. A mquina de eletroeroso deve ter um sistema fechado de abastecimento de dieltrico que possa permitir uma boa filtragem e manter a temperatura desse fluido em torno de 50 C. Klocke et al. (2004) tm investigado os efeitos de ps em suspenso no dieltrico para influenciar a zona trmica em eletroeroso com pequenas descargas. ZhanBo Yu et al. (2004) pesquisaram a eletroeroso a seco na usinagem de carbonetos cementados. B. Casas et al. (2006) avaliaram o comportamento de fadiga e fratura em carbonetos cementados usinados por eletroeroso. Na figura 22, mostrase o fluido dieltrico na cuba da mquina de EDM.

46

Figura 22 Uso do fluido dieltrico em EDM.

47

3 METODOLOGIA

Neste trabalho, o foco a usinagem por eletroeroso por penetrao e este captulo abordar os procedimentos experimentais conduzidos nos laboratrios de Engenharia Mecnica da Pontifcia Universidade Catlica de Minas Gerais e sero abordados temas como: material da pea, mquina de eletroeroso, ferramentas, variveis no processo e avaliao das peas usinadas . A figura 23 mostra o fluxograma com a seqncia de procedimentos que foram utilizados neste trabalho. Este esquema tem por finalidade planejar e organizar o trabalho investigativo.

Figura 23 Fluxograma de planejamento experimental.

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3.1 Material do eletrodo-pea

Para a fabricao das amostras de ao AISI H13, foi utilizado material j existente no Laboratrio de Usinagem da PUC Minas. Esse material encontrava-se em forma de blocos prismticos com dimenses de 100mm x 100mm x 100mm, com marcas de corte de serra, no permitindo a identificao do sentido de laminao. Para solucionar esse problema, foi necessrio retirar pedaos de material do bloco, preparar amostras e fazer metalografia para identificar o sentido de laminao como mostrado na figura 24. importante ressaltar que o outro material usado nos testes, o ao AISI D6, encontrava-se em forma de barras laminadas, o que facilitou a identificao do sentido de laminao.

Figura 24 Material retirado do bloco prismtico do ao AISI H13 para identificar o sentido de laminao.

A composio qumica do ao AISI H13 foi obtida do certificado de qualidade fornecido pelo fabricante e est mostrada na tabela 1.Tabela 1 Composio qumica do ao AISI H13.

C 0,40

Mn 0,35

Cr 5,00

Mo 1,5

V 1,00

Si 1,00

Fonte: Aos Favorit.

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A dureza do ao AISI H13 foi avaliada, utilizando o durmetro Vickers/Brinell Heckert. Utilizando carga de 30 Kgf e tempo de 30 segundos, o valor mdio de 195 HV foi encontrado entre 5 medies. O material das amostras do ao AISI D6 foi adquirido no mercado, em estado normalizado, com dureza mdia 207 HV, medida no durmetro Vickers/Brinell Heckert com carga de 30Kgf e tempo de 30 segundos. A composio qumica foi obtida no certificado de qualidade, fornecido pelo fabricante e mostrada na tabela 2.Tabela 2 Composio qumica do ao AISI D6.

C 2,12

Mn 0,35

Si 0,38

P 0,023

S 0,0011

Cr 11,50

Ni 0,42

Mo 0,50

W 0,70

V 0,210

Fonte: Aos Favorit.

A tabela 3 mostra a resistividade eltrica e a condutividade trmica de alguns metais e ligas metlicas comerciais que tm por objetivo fornecer valores comparativos na orientao do trabalho.Tabela 3 Propriedades de materiais de engenharia selecionados [20C].

MATERIAL

CONDUTIVIDADE TRMICA (C / mm)

RESISTIVIDADE ELTRICA ( .m) 169 x 10-9 171 x 10-9 180 x 10-9 17 x 10-9 98 x 10-9 248 x 10-9 220 x 10-9 720 x 10-9

Ao SAE 1020 Ao SAE 1040 Ao SAE 1080 Cobre eletroltico Ferro (99,9) Ao SAE 4340 Beneficiado Ao SAE 4140 Beneficiado Ao inox SAE 304 Recozido

0,050 0,048 0,046 0,40 0,072 _ _ _Fonte: Van Vlack, 1984.

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A temperatura de fuso desses aos, consultada em catlogo de fabricante, de aproximadamente 1538C, no variando de liga para liga (AOS FAVORIT). Inicialmente, foram cortadas 24 amostras do ao AISI D6, a partir de uma barra quadrada de 20mm e 24 amostras do ao AISI H13 do bloco prismtico na serra de fita horizontal FRANHO FM 1600, com velocidade de corte de 30m/min, sem uso de fluido de corte, no sentido perpendicular ao de laminao, com dimenses de 20mm x 20mm x 17mm. Aps o corte, foram fresadas na espessura de 13mm e rebarbadas. O material foi separado em 4 grupos iguais para tratamento trmico: - 12 amostras normalizadas com alvio de tenso com aquecimento na temperatura de 650 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento dentro do prprio forno do ao AISI D6. - 12 amostras beneficiadas com tmpera com aquecimento na temperatura de 1000 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento brusco em leo de tmpera. Depois da tmpera, foi feito revenimento duplo a 500 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento dentro do prprio forno do ao AISI D6. - 12 amostras normalizadas com alvio de tenso, com aquecimento na temperatura de 650 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento dentro do prprio forno do ao AISI H13. - 12 amostras beneficiadas com tmpera, com aquecimento na temperatura de 1000 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento brusco em leo de tmpera. Depois da tmpera, foi feito revenimento duplo a 500 C, tempo de encharque de 20 minutos e resfriamento dentro do prprio forno do ao AISI H13. O tratamento trmico das amostras foi realizado no Laboratrio de Materiais de Construo Mecnica, com as informaes retiradas do diagrama de seqncia de processamento, mostrado nas figuras 25 e 26.

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Figura 25 Seqncia de processamento para tratamento trmico do ao AISI H13.

Figura 26 Seqncia de processamento para tratamento trmico do ao AISI D6.

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A figura 27 mostra o forno eltrico utilizado nos tratamentos trmicos das amostras.

Figura 27 Forno eltrico 400C LAVOISIER.

Aps o tratamento trmico, as peas foram retificadas em uma retificadora plana tangencial marca Sulmecnica que usa um rebolo DA 46 L 5 V com dimetro de 200mm e espessura de 19mm, como mostrado na figura 28, para garantir paralelismo e espessuras iguais.

Figura 28 Processo de retificao plana tangencial. Foto retirada no Laboratrio de Usinagem do Centro Federal de Educao Tecnolgica de Minas Gerais.

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Utilizando-se o durmetro Vickers/Brinell Heckert, com carga de 30Kgf e tempo de 30 segundos, foi medido a dureza mdia de 5 medies das amostras tratadas termicamente, informadas na tabela 4.Tabela 4 Dureza Vickers da amostras tratadas termicamente.

Material Ao AISI D6 Normalizado Ao AISI D6 Beneficiado Ao AISI H13 Normalizado Ao AISI H13 Beneficiado

Dureza HV 198 587 145 526

3.2 Mquina de eletroeroso

A mquina de eletroeroso por penetrao fabricada pela Engemac modelo 440 NC srie L. EsSa mquina possui cabeote porta-eletrodo-ferramenta com movimento no eixo Z atravs de guias lineares e fuso de esferas recirculantes, acionado por motor de passo e capacidade para eletrodos-ferramenta de at 60 kg. A programao da operao feita no painel por meio de microprocessador, controlado pelo teclado de membrana que possui teclas individuais, display de cristal lquido e display de parmetros para visualizao. As mesas so apoiadas por meio de rolamentos lineares sobre guias temperadas e retificadas para garantir durabilidade e preciso dos movimentos e posicionamentos. A bandeja de trabalho, tambm denominada de cuba, tem abertura lateral e frontal e foi pintada com tinta epxi. A potncia total, informada no manual da mquina pelo fabricante, de 6,5 KVA. A figura 29 mostra a mquina de eletroeroso por penetrao do Laboratrio de Usinagem da PUC Minas.

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Figura 29 Mquina de Eletroeroso por penetrao ENGEMAQ 440 CN do Laboratrio de Usinagem da PUC Minas.

O dispositivo de fixao das amostras foi construdo em ao SAE 1020, utilizando os recursos de usinagem convencional e soldagem, sendo que sua base e sua superfcie de apoio das amostras foram retificadas. importante ressaltar que um dos fatores que influenciam nos resultados da eletroeroso a fixao da pea. Problemas de contato eltrico e formao de carvo podem ser evitados se essa fixao for feita em conformidade. Sobre a cuba da mquina, na mesa, foi montado o dispositivo para fixao das amostras, representado pelo desenho mostrado na figura 30.

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Figura 30 Dispositivo de fixao das amostras (Escala 1:1,25).

Foi utilizado o fluido dieltrico ARCLEAN ELETRON da Archem, observando sua data de validade e suas propriedades, bem como as condies de armazenamento. A capacidade do tanque da mquina de 420 litros de fluido dieltrico que trabalha em uma presso mxima de 1,8 Kg / cm2

por meio de uma

bomba de que tem a potncia de 0,75 CV (552 W) e vazo mdia de 4000 L/h. O sistema de filtragem composto por dois filtros cartucho que tm capacidade de filtragem de 5 m, sendo que esses foram substitudos por novos no incio dos testes.

3.3 Eletrodo-ferramenta

Os eletrodos-ferramenta, utilizados nos experimentos, so de cobre eletroltico e foram usinados em formato cilndrico com dimenses de 12,5mm de dimetro por 30mm de comprimento, apresentando canto vivo e sem rebarbas, num total de 12 peas. Todo esse material foi adquirido em empresas especializadas que fornecem junto com o material o certificado de aprovao com a composio qumica

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correspondente. Para fixao do eletrodo-ferramenta, no cabeote da mquina de eletroeroso, foi fabricada uma pina de lato fundido, mostrada na figura 31.

Figura 31 Pina de lato fundido para fixao do eletrodo-ferramenta (Escala 2:1).

Na tabela 5, mostram-se propriedades fsicas do cobre eletroltico (ARANTES, 2007).Tabela 5 Propriedades fsicas do cobre eletroltico.

Propriedades Peso especfico Ponto de fuso Resistividade eltrica Condutividade trmica relativa Condutividade eltrica relativa

Valor 8,9 1083 0,0167 94,3 96,3

Unidade g/cm3 C mm % %

Fonte: Arantes, 2007.

Todas as amostras e eletrodos-ferramenta foram pesados em uma balana eletrnica com resoluo de 10-4 g, marca BIOPRECISA FA 2104N, mostrada na figura 32.

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Figura 32 Balana eletrnica BIOPRECISA FA 2104N, pertencente PUC Minas Contagem.

Essa balana foi utilizada durante todo o processo, com verificaes peridicas de seu nivelamento. Para que no fosse afetada pelos campos eletromagnticos gerados pela mquina de eletroeroso, ela foi mantida em outro ambiente distante da mquina de EDM. Os resultados dos clculos da taxa de remoo de material Vw foram obtidos a partir do volume removido da amostra, dado em mm3, dividido pelo tempo da operao, dado em minutos. Para transformar o peso removido em cada amostra em volume, foi utilizada a massa especfica do ao que de 0,00785 g/mm3. O desgaste do eletrodo-ferramenta foi calculado dividindo-se o volume gasto, dado em mm3, pelo tempo em minutos. Para se transformar o peso gasto do eletrodo ferramenta, dado em gramas, em volume gasto, foi usada a massa especfica do cobre eletroltico que de 0,00889 g/mm3. O clculo da relao de desgaste feito dividindo-se o volume gasto do eletrodo-ferramenta pelo volume retirado do eletrodo-pea. Os resultados devem ser expressos em valores percentuais. Esses resultados so importantes para

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acompanhamentos de processo de fabricao, principalmente para evitar consumo exagerado dos eletrodos.

3.4 Parmetros de usinagem

Para a determinao de uma variabilidade estimada, o percentual de replicao deve ser de 75 a 88% e, para se obter esse valor, o nmero de testes deve ser de 6 a 12, no caso de testes de desenvolvimento e de pesquisa (LEE, 2005). Neste trabalho, os testes foram repetidos seis vezes e a quantidade de TS (Transistor Standard) define a quantidade de corrente e e a densidade de corrente mdia definida como mostrado na equao 3.1: 1TS = 3 Amperes (ENGEMAQ, 2006). (3.1)

Na eletroeroso, foram adotados dois regimes de trabalho: Acabamento e Desbaste. Os parmetros para se obter acabamento foram te = 20 s, to = 76 e TS = 2 (e = 6 Amperes). Os parmetros para desbaste foram de te = 100 s, to = 89 e TS = 6 (e = 18 Amperes). Esses valores foram retirados do manual de operaes da mquina de eletroeroso (ENGEMAQ, 2006). Nos testes de eletroeroso, foi utilizado o eletrodo-ferramenta, com polaridade positiva e os tempos de eletroeroso foram de 10, 20, 30 e 40 minutos para acabamento e 5, 10, 15 e 20 minutos para desbaste. Para se chegar a esses valores de tempos, foram feitos testes preliminares com o objetivo de observar a formao de uma cavidade que possibilitasse as avaliaes posteriores. As peas e os eletrodos nos testes foram submetidos a anlises de pesagem 5 vezes, antes e depois da eletroeroso, para se obter um valor de peso confivel. A usinagem por eletroeroso por penetrao foi feita no sentido perpendicular ao da espessura das amostras, sendo que, primeiramente, em uma das faces, foram adotados os parmetros para proporcionar menor rugosidade e na outra face os

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parmetros usados foram os que produziram superfcies com maior rugosidade. Essas escolhas foram feitas diante dos resultados obtidos em testes anteriores. Foram observados alinhamento e paralelismo na fixao das amostras no dispositivo e tambm na fixao do eletrodo e da pina. Remoes de rebarbas, xidos e impurezas foram feitas para que houvesse o mnimo de interferncia nos trabalhos e nos resultados. O nvel de fluido dieltrico na cuba ficou em uma altura acima da altura das amostras em aproximadamente 20mm e a presso da bomba foi regulada em 0,5 Kgf/cm2. A temperatura mdia do fluido dieltrico, durante todos os procedimentos experimentais, foi de 23 C.

3.4 Avaliao da topografia das peas eletroerodidas

Na figura 33, mostra-se a rgua demonstrativa de rugosidade fixada no painel de comando da mquina de eletroeroso Engemaq EDM 440 NC que tem por finalidade relacionar alguns tipos de acabamento superficiais com alguns parmetros de eletroeroso, fornecidos pelo fabricante do equipamento.

Figura 33 Rgua demonstrativa de rugosidade da Mquina de Eletroeroso por penetrao ENGEMAC 440 NC.

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A rugosidade das superfcies das amostras erodidas foi avaliada com o rugosmetro de contato Surtronic 3+ TAYLOR HOBSON, mostrado na figura 34.

Figura 34 Rugosmetro Surtronic 3+ TAYLOR HOBSON.

De acordo com a norma alem VDI 3402, os parmetros de rugosidade coletados, e utilizados como referncia, para avaliao da textura superficial em peas fabricadas por eletroeroso so: Ra, definida como a mdia aritmtica dos valores absolutos das ordenadas de afastamento dos pontos do perfil de rugosidade, em relao linha mdia, dentro do percurso de medio, dada em m; Rz, definida como a mdia aritmtica dos cinco valores da rugosidade parcial, dada em m. Nos testes de avaliao da rugosidade, foi utilizado filtro Gaussiano com cut-off de 0,8 mm. Em cada amostra, a medida da rugosidade foi verificada trs vezes em posies diferentes e calculada a mdia.

3.6 Anlise microgrfica

A metodologia para a sequncia de micrografia foi constituda de corte das amostras no Discotom com disco diamantado e refrigerao gua, embutimento a quente em resina base de baquelite, com tempo de 10 minutos, na mquina de embutir, como mostrada na figura 35.

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Figura 35 Mquinas para embutimento Panpress 30 PANTEC.

As amostras embutidas foram submetidas a processo de lixamento em politriz, utilizando lixas dgua 220, 320, 400, 600 e 1000, respectivamente. Aps o lixamento, as amostras passaram por um processo de polimento, utilizando o primeiro pano DUR, com pasta diamantada de 15m, o segundo pano MOL, com pasta diamantada de 7m e o ltimo pano NAP, com pasta diamantada de 1m. Para aos-ferramenta, o ataque qumico deve ser com soluo de Nital a 2%. Concentraes muito fortes aumentam a velocidade do ataque, dificultando o controle (ASM, 2004). Para visualizao das amostras, foi feito ataque qumico, usando Nital com 2%. A microscopia tica foi realizada no banco metalogrfico NEOPHOT 21, mostrada na figura 36.

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Figura 36 Banco metalogrfico NEOPHOT 21.

A topografia das superfcies das amostras submetidas eletroeroso por penetrao foram avaliadas e fotografadas no Microscpio Eletrnico de Varredura MEV, JEOL JSM 5310 do Laboratrio de Microscopia Eletrnica do CDTN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - mostrado na figura 37.

Figura 37 Microscpio Eletrnico de Varredura JEOL JSM 5310 Scanning Microscope do C.D.T.N Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear.

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3.7 Anlise de Microdureza

Na microscopia tica, a zona branca e o substrato so evidentes nas amostras analisadas. No entanto, a extenso da zona termicamente afetada no visualizada. Os ensaios de microdureza, com intervalos controlados das impresses, permitem uma melhor avaliao das dimenses dessa regio. Foram utilizados, para esses testes, trs amostras de cada tipo de ao, tanto normalizado quanto beneficiado e essas foram embutidas para garantir paralelismo e visualizao. Esses testes no puderam ser realizados no Laboratrio de Materiais de Construo Mecnica da PUC Minas, pois a menor carga do microdurmetro de 200 gf que gera uma impresso maior que a espessura da zona branca. Os ensaios de microdureza Vickers foram feitos no Microdurmetro FUTURE TECH FM 700 Microhardness Tester, mostrado na figura 38, com carga de 50 gf e tempo de aplicao de 15 segundos. Este equipamento est localizado no Laboratrio de Metalografia / Microscopia do Setor de Tecnologia Metalrgica / SDT do CETEC Fundao Centro Tecnolgico de Minas Gerais.

Figura 38 Microdurmetro FUTURE TECH FM 700 do Setor de Tecnologia Metalrgica do CETEC.

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4 RESULTADOS E DISCUSSES

Este captulo tem por objetivo apresentar os efeitos da modificao e das variaes do material da pea e dos tratamentos trmicos na taxa de remoo de material, no desgaste do eletrodo, na relao de desgaste, na qualidade e integridade superficial e na dureza das peas submetidas eletroeroso por penetrao. Realizaram-se avaliaes e anlises estatsticas das peas e eletrodos utilizados e todos esses dados foram avaliados e compilados para confeco de grficos, cujos procedimentos estatsticos de mtodos experimentais forneceram as informaes para as anlises e para as discusses dos resultados.

4.1 Variao do material do eletrodo-pea

4.1.1 Remoo de material do eletrodo-pea

Na figura 39, mostra-se grfico que informa a quantidade de material removido das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizados, com variao dos parmetros do processo depois de 40 minutos de teste. So apresentadas tabelas com o desvio padro, maior valor, menor valor e mdia em cada situao de teste.

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Materiais Normalizados - Regime de Acabamento 1,0090Remoo de material (g)

1,0080 1,0070 1,0060 1,0050 1,0040 1,0030 1,0020 1,0010 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 39 Amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 normalizadas, eletroerodidas no regime de acabamento durante 40 minutos.

Tabela 6 Dados estatsticos das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 normalizadas, eletroerodidas no regime de acabamento durante 40 minutos. Maior valor (g) H13 D6 1,0046 1,0078 Menor valor (g) 1,0039 1,0065 Mdia (g) 1,0043 1,0072 Desvio padro (g) 0,00032711 0,00050990

Os valores de variabilidade (disperso em torno do valor mdio) mostram que os resultados tiveram poucas oscilaes durante os testes. Na figura 40 e na tabela 7, so mostrados os resultados da usinagem por eletroeroso de amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizadas, em regime de desbaste, depois de 20 minutos de teste.

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Materiais Normalizados - Regime de Desbate 4,7000Remoo de material (g)

4,6000 4,5000 4,4000 4,3000 4,2000 4,1000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 40 Amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizadas, eletroerodidas no regime de desbaste durante 20 minutos.

Tabela 7 Dados estatsticos das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizadas, eletroerodidas no regime de desbaste durante 20 minutos. Maior valor (g) H13 D6 4,4037 4,621 Menor valor (g) 4,2838 4,5561 Mdia (g) 4,3404 4,5848 Desvio padro (g) 0,04923387 0,02679700

Na figura 41 e na tabela 8, so mostrados resultados da pesagem das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, beneficiadas, usinadas por eletroeroso em regime de acabamento, depois de 40 minutos.

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Materiais Beneficiados - Regime de Acabamento 1,0900Remoo de material (g)

1,0800 1,0700 1,0600 1,0500 1,0400 1,0300 1,0200 1,0100 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 41 Amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiadas, eletroerodidas no regime de acabamento, durante 40 minutos.

Tabela 8 Dados estatsticos das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, beneficiadas, eletroerodidas no regime de acabamento, durante 40 minutos. Maior valor (g) H13 D6 1,0535 1,085 Menor valor (g) 1,0365 1,0746 Mdia (g) 1,0449 1,0808 Desvio padro (g) 0,00633172 0,00461346

A figura 42 e a tabela 9 mostram valores da pesagem das amostras dos aos AISI H13 e D6, beneficiadas, eletroerodidas, em regime de desbaste, por 20 minutos.

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Materiais Beneficiados - Regime de Desbaste 5,0000Remoo de material (g)

4,8000 4,6000 4,4000 4,2000 4,0000 3,8000 3,6000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 42 Amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiadas, eletroerodidas no regime de desbaste, durante 20 minutos.

Tabela 9 Dados estatsticos das amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiadas, eletroerodidas no regime de desbaste, durante 20 minutos. Maior valor (g) H13 D6 4,4256 4,7851 Menor valor (g) 4,1137 4,6801 Mdia (g) 4,2774 4,7373 Desvio padro (g) 0,10868232 0,03915482

Nos regimes de desbaste e de acabamento, tanto para a condio de normalizado quanto beneficiado, o que se observou foi que o ao AISI D6, independente do tempo, teve uma maior quantidade de material removido. Esse fato pode ser atribudo composio qumica deste material, que difere significativamente em percentual de carbono e cromo. Os carbonetos desse material so verificados na micrografia e tm formaes diferenciadas. As contribuies das fraes volumtricas destes constituintes afetam na resistividade eltrica que, segundo Amorim (2002), tem um papel fundamental no processo de eletroeroso. Outra discusso em relao evoluo dos contaminantes que se formam durante o processo, passando a alterar as caractersticas iniciais do dieltrico. Em relao temperatura de fuso dos dois materiais analisados, pouco pode ser atribudo a ela, pois as diferenas encontradas na literatura so de pouca relevncia.

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4.1.2 Remoo de material do eletrodo-ferramenta

Os eletrodos-ferramenta foram pesados antes e depois de efetuarem a usinagem por eletroeroso e os valores, em gramas, foram utilizados na confeco dos grficos comparativos e na construo de tabelas para anlise estatstica. A figura 43 e a tabela 10 mostram esses dados na usinagem de amostras dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizadas, em regime de acabamento.

Materiais Normalizados - Regime de Acabamento 0,1000 0,0900 0,0800 0,0700 0,0600 0,0500 0,0400 0,0300 0,0200 0,0100 0,0000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes

Desgaste do Eletrodo (g)

H13 D6

Figura 43 Desgaste do eletrodo-ferramenta na usinagem por eletroeroso por penetrao de amostras normalizadas dos aos AISI H13 e AISI D6, em regime de acabamento, durante 40 minutos.

Tabela 10 Dados estatsticos do desgaste dos eletrodos-ferramenta na eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6, normalizados, em regime de acabamento, durante 40 minutos. Maior valor (g) H13 D6 0,0885 0,0624 Menor valor (g) 0,0831 0,0562 Mdia (g) 0,0853 0,0579 Desvio padro (g) 0,00189596 0,00229928

De acordo com a figura 44 e a tabela 11, observa-se que o desgaste do eletrodo-ferramenta manteve-se uniforme, tanto para as amostras de ao AISI H13 quanto para as dos aos AISI D6 durante todas as repeties dos testes. Na usinagem

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por eletroeroso do ao AISI H13, o desgaste do eletrodo-ferramenta foi maior. A figura 44 e a tabela 11 apresentam resultados dos materiais normalizados usinados em regime de desbaste, durante 20 minutos.

Materiais Normalizados - Regime de Desbaste 0,3000Desgaste do Eletrodo (g)

0,2500 0,2000 0,1500 0,1000 0,0500 0,0000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 44 Desgaste do eletrodo-ferramenta na usinagem por eletroeroso de amostras normalizadas dos aos AISI H13 e AISI D6 em regime de desbaste, durante 20 minutos.

Tabela 11 Dados estatsticos do desgaste dos eletrodos-ferramenta na eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6 normalizados, em regime de desbaste, durante 20 minutos. Maior valor (g) H13 D6 0,2811 0,2389 Menor valor (g) 0,2664 0,222 Mdia (g) 0,2737 0,2305 Desvio padro (g) 0,00612133 0,00573495

Os resultados dos desgastes dos eletrodos-ferramenta continuam uniformes no regime de desbaste, mantendo-se maior quando usinando o ao AISI H13. A figura 45 e a tabela 12 mostram o desgaste dos eletrodos-ferramenta na usinagem por eletroeroso em amostras dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiados, em regime de acabamento, depois de 40 minutos.

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Materiais Beneficiados - Regime de Acabamento 0,1200Desgaste do Eletrodo (g)

0,1000 0,0800 0,0600 0,0400 0,0200 0,0000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 45 Desgaste dos eletrodos-ferramenta na usinagem por eletroeroso de amostras beneficiadas dos aos AISI H13 e AISI D6 em regime de acabamento, durante 40 minutos.

Os resultados do grfico indicam que na eletroeroso do ao AISI D6 Beneficiado o desgaste do eletrodo linear e menor que quando usinando o ao AISI H13.Tabela 12 Dados estatsticos do desgaste dos eletrodos-ferramenta na eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiados, em regime de acabamento, durante 40 minutos. Maior valor (g) H13 D6 0,0967 0,0674 Menor valor (g) 0,0829 0,0595 Mdia (g) 0,0885 0,0633 Desvio padro (g) 0,00507569 0,00265361

A variabilidade maior no caso dos valores de desgaste do eletrodo-ferramenta quando se usina o ao AISI H13. So mostrados, nas figuras 46 e na tabela 13, resultados de desgaste dos eletrodos-ferramenta e dados estatsticos quando submetido a usinagem por eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6, beneficiados, em regime de desbaste.

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Materiais Beneficiados - Regime de Desbaste 0,3000Desgaste do Eletrodo (g)

0,2500 0,2000 0,1500 0,1000 0,0500 0,0000 1 2 3 4 5 6Repetio dos Testes H13 D6

Figura 46 Desgaste dos eletrodos-ferramenta na usinagem por eletroeroso de amostras beneficiadas dos aos AISI H13 e AISI D6, em regime de desbaste, durante 20 minutos.

O desgaste do eletrodo-ferramenta foi maior em todas as seis vezes do teste na usinagem do ao AISI H13, beneficiado, no regime de desbaste.Tabela 13 Dados estatsticos do desgaste dos eletrodos-ferramenta na eletroeroso dos aos AISI H13 e AISI D6 beneficiados, em regime de desbaste, durante 20 minutos. Maior valor (g) H13 D6 0,2636 0,2225 Menor valor (g) 0,2348 0,1979 Mdia (g) 0,2495 0,2104 Desvio padro (g) 0,01271749 0,00980886

Foram encontrados ndices de variabilidade maior nos resultados do desgaste do eletrodo-ferramenta na usinagem por eletroeroso por do ao AISI H13, conforme mostrado nas tabelas 12 e 13. Nesses materiais testados, foi observado um desgaste mais uniforme do eletrodo-ferramenta, assim como pouca presena de subprodutos do dieltrico aderidos sobre a superfcie da pea. Uma das possveis causas do maior desgaste do eletrodo-ferramenta, ao usinar o ao AISI H13, pode estar associado microestrutura desse material, que apresenta fraes volumtricas de constituintes qumicos que alteram a condutividade eltrica e trmica. Para conseguir vencer a resistividade

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desse ao, que tem teores de carbono inferiores ao do ao AISI D6, a energia fornecida maior e faz com que se eleve a temperatura do canal de plasma. A conseqncia deste acrscimo de temperatura a maior perda de massa que acontece no eletrodo-ferramenta.

4.1.3 Taxa de Remoo de Material

As figuras 47 e 48 mostram que nos regimes de desbaste e acabamento na usinagem por eletroeroso das amostras normalizadas, o ao AISI D6 teve uma taxa de remoo