Evaluation of microcrack formation of ABNT M2 high speed steel in the EDM process, with addition of silicon carbide powder/Avaliacao da geracao de microtrincas do aco rapido ABNT M2 no processo EDM com adicao de SiC.

Introducao

A usinagem por descargas eletricas, ou Electrical Discharge Machining (EDM), ou ainda Usinagem por Eletroerosao, e um processo adequado para usinagem de formas complexas em materiais condutores eletricos, principalmente para aqueles de alta dureza, dificeis de serem usinados por processos tradicionais. De acordo com Cruz (1989), as maiores aplicacoes do processo estao na fabricacao de matrizes para estampagem, forjamento, extrusao, fieiras para trefilacao, moldes de plastico, enfim, para o setor de ferramentaria em geral.

Novas tecnologias vem sendo empregadas em diversos campos da fabricacao. Uma dessas afeta diretamente o desempenho do processo EDM e, sem duvida, tem ganhado grande impulso no inicio do seculo XXI. Trata-se da adicao de pos-metalicos ao fluido dieletrico.

Segundo Benedict (1987), varias sao as vantagens desta nova tecnologia, como: alta Taxa de Remocao de Materiais (TRM), bom acabamento superficial, alta relacao de area usinada versus acabamento superficial, alta estabilidade do processo na geracao dos pulsos de descargas, superficies resistentes a corrosao e mesmo ao desgaste.

Segundo Rodrigues (2006), ha questionamento com relacao ao processo EDM, no que diz respeito a textura e a integridade superficial das pecas usinadas. Recomendam-se posteriores processos de usinagem para eliminacao de camadas superficiais pobres em propriedades mecanicas, como, por exemplo, usinagem eletroquimica (ECM), ou mesmo processos tradicionais de usinagem, como o polimento.

Investigacoes feitas por Kobayashi (1995) confirmam que nao so a adicao de po de silicio, mas tambem de tungstenio e outros no fluido dieletrico aumenta o desempenho do processo EDM, reduzindo a camada superficial afetada pelo calor. Consequentemente, a superficie usinada experimenta uma melhoria da resistencia a corrosao e pode, ainda, ter enriquecimento de carbono. Com a adicao de pos como, por exemplo, o silicio, observa-se queda na rugosidade superficial, que era conseguida somente com inversao de polaridade e com a elevacao da frequencia de descargas eletricas.

Baseado nas investigacoes acima, acredita-se que a adicao de carboneto de silicio no fluido dieletrico torne tambem o campo eletrico mais uniforme, permitindo que as descargas eletricas sejam mais bem distribuidas ao longo da regiao a ser usinada. Esse fato podera assegurar remocao uniforme de material ao longo da superficie a ser usinada, gerando, ainda, menor quantidade de microtrincas e, portanto, uma superficie com poucas imperfeicoes.

Como atualmente muitas pesquisas estao sendo desenvolvidas visando estudar o efeito da adicao de pos no processo EDM, houve a ideia de pesquisar tal assunto, ja que os trabalhos citados anteriormente pelos autores apresentam resultados bastante satisfatorios. Os materiais usinados com tal mistura apresentaram excelentes caracteristicas metalurgicas e tornaram-se mais confiaveis em suas aplicacoes, quando comparados com similares obtidos por EDM convencional. O objetivo principal desta pesquisa e estudar o efeito da adicao de po de carboneto de silicio (SiC) em varios fluidos dieletricos, sobre as microtrincas produzidas na camada superficial durante a usinagem por EDM do aco-rapido ABNT M2 em regime de desbaste. A escolha deste aco se deve ao fato de ser bastante utilizado em ferramentas de corte, e sua aplicacao so nao e maior por causa de sua baixa usinabilidade por processos tradicionais de usinagem. Apesar de ser um aco facilmente usinado por EDM, a integridade da superficie usinada, no entanto, fica comprometida, com formacao de indesejaveis camadas refundidas e microtrincas superficiais.

Consideracocoes gerais sobre o processo EDM com adicao de po

Kobayashi (1995) descobriu que se podem gerar areas especulares relativamente grandes (acima de 10 cm2) na operacao de acabamento, ao se utilizar um eletrodo de silicio no processo de usinagem por descargas eletricas. O mesmo autor apresentou resultados ao mostrar que a adicao de po de silicio no fluido dieletrico promove superficie especular com uma area acima de 500 cm2. A Figura 1 ilustra a relacao da rugosidade superficial media (Ra) e a area usinada. Observa-se que a rugosidade superficial (Ra) gerada por processo de usinagem por descargas eletricas com fluido misturado com po de silicio quase nao aumenta mesmo com o aumento da area usinada.

[FIGURA 1 OMITIR]

Segundo esse autor, a tendencia acima se baseia na larga dispersao das descargas sobre a peca. Esta dispersao esta relacionada com o gap (distncia entre o eletrodo-ferramenta e a peca), que se torna grande pela mistura do po de silicio no fluido dieletrico. O gap, relativamente grande, garante descargas eletricas estaveis e, consequentemente, dispersas sobre uma extensa area da peca. A Figura 2 apresenta a relacao entre a distncia do gap e a dispersao das descargas. O processo de usinagem por descargas eletricas com fluido misturado com po de silicio permite maior dispersao das descargas, alem de reduzir a capacitncia no gap pelo aumento do seu comprimento em, aproximadamente, cinco vezes em relacao a EDM convencional, tornando a superficie mais polida. Kobayashi et al. (1989) mencionam, ainda, que no caso de operacoes de acabamento com o fluido convencional, a distncia entre eletrodo e peca e tao pequena que descargas anormais ocorrem varias vezes.

[FIGURA 2 OMITIR]

Na Figura 3, apresenta-se o diagrama esquematico da distncia entre o eletrodo e a peca quando ocorre a descarga de unico pulso sugerida por Okada e Uno (1997). Na figura, e apresentado que o gap teve comprimento de 92 [micro]m ao se utilizar o fluido misturado com po de silicio, enquanto que, para querosene, a distncia foi de 17 [micro]m sob as mesmas condicoes (voltagem de 90 V, corrente da descarga de 3 A , pulso de 2 [micro]s), isto e, pela diferenca de resistividade dos fluidos dieletricos e tambem pela influencia de detritos em movimento no gap. Portanto, o impacto da forca ocorre pelas diferencas de descargas eletricas, que diferem entre os dois casos por causa da diferenca no gap.

[FIGURA 3 OMITIR]

Kobayashi (1995) destacam que a obtencao de uma superficie bem acabada por EDM e dificultada quando a area do eletrodo se torna grande. Isto se deve a alta capacidade eletrostatica da area entre o eletrodo e a peca. Constata-se efetiva solucao para este problema, pelo uso de eletrodo de silicio sinterizado. Este metodo produz uma superficie finamente acabada e altamente resistente a corrosao e ao desgaste. Porem, como o Si e muito duro e fragil, torna-se dificil a fabricacao de um eletrodo-ferramenta. O proprio autor afirma que a adicao de silicio no fluido dieletrico e uma solucao viavel, levando-se em consideracao o fato de haver grande quantidade de po de silicio fora do eletrodo na regiao do gap. Este afeta o acabamento, mesmo com o uso de eletrodo de cobre.

Constatou-se pelos resultados dos experimentos realizados por Kobayashi (1995) que a utilizacao de diversos tipos de pos, tais como silicio, aluminio e grafite, adicionados em um oleo hidrocarbono, e bastante efetiva no sentido de se conseguir um fino acabamento em curto tempo de usinagem. Pos de aluminio e grafite produzem superficie mais uniforme do que silicio, nas mesmas condicoes de usinagem. Comprovou-se que a dispersao de corrente de descargas e maior por toda area do eletrodo na qual possa estar o fluido misturado com pos. Isso torna o processo EDM com pos adicionados ao fluido altamente atrativo na industria, uma vez que superficies com melhores caracteristicas tecnicas podem ser obtidas.

Material e metodos

Por este trabalho ser desenvolvido aplicando-se eletrodo de cobre durante o processo de usinagem por descargas eletricas, mencionam-se, na Tabela 1, algumas caracteristicas especificas do bits de aco rapido, que serao de fundamental importncia para compreensao deste trabalho. As vistas lateral e frontal da peca de aco rapido ABNT M2 sao apresentadas na Figura 4.

[FIGURA 4 OMITIR]

Foram utilizadas tambem pecas de aco rapido ABNT M2, da marca Tool master (chamadas de Bits), com a seguinte composicao quimica: 0,85% de Carbono; 4,30% de Cromo; 1,90% de Vanadio; 6,40% de Tungstenio e 5,00% de Molibdenio; segundo o fabricante, sua dureza varia de 64 a 66 RC. Entretanto, testes realizados, em 27 amostras, apresentam dureza media de 60 HRc, com desvio-padrao de 4,0 pontos. A escolha desse material se deve ao fato de ser largamente utilizado na fabricacao de ferramentas e, principalmente, por ser considerado material de dificil usinagem por processos convencionais de usinagem.

O material utilizado foi adquirido na forma de barras de seccao quadrada de 9.525 mm de lado e comprimento de 127 mm. Quanto a procedencia, o material utilizado foi fabricado pelo fornecedor Avibas e beneficiado por Tool Master Ind. Metalurgica Ltda.

O motivo para a fabricacao da geometria do eletrodo-ferramenta apresentado na Figura 5 esta diretamente relacionado com a lavagem, isto e, a circulacao da mistura entre o eletrodo e a peca. A injecao do dieletrico por dentro do eletrodo, associada com o mecanismo de avanco e retrocesso ultra-rapido da maquina, permite a obtencao de condicoes de limpeza adequadas, que sao essenciais para obter melhores rendimentos durante a usinagem dos bits. Outra colocacao importante e que a conicidade existente, na extremidade do eletrodo, permite que os residuos provenientes da usinagem passem lateralmente pela zona de trabalho entre o eletrodo e a peca.

[FIGURA 5 OMITIR]

Foram utilizados, ainda, pos de silicio e carboneto de silicio com granulometrias de: 220, 400, 600, 1.000 e 2.000 mesh.

Os equipamentos de agitacao da mistura, eletrodo e porta-eletrodo foram projetados com o objetivo de permitir uma uniformidade na mistura (pos + dieletrico), uma concentracao apropriada e tambem o modo de adicao do po no gap durante a usinagem dos bits. Nesta fase preliminar, denominada de pre-testes, foram utilizados querosene, SiC em po com granulometrias de 200, 400, 600, 1.000 e 2.000 mesh e Si com granulometria 200 mesh (massa de 1.080 variando de acordo com a concentracao), volume de dieletrico de 36 L, concentracoes de 15, 30 e 60 g [L.sup.-1]. Ao final desta fase, adotaram-se os parmetros rugosidade media (Ra), relacao de desgaste e TRM; verificaram-se as caracteristicas da superficie usinada com pos de silicio e Carboneto de silicio. Para isso, foram levantados graficos e tabelas que, depois de analisados, permitiram adotar os parmetros que foram de fundamental importncia para serem aplicados nos testes definitivos. Os resultados dos testes preliminares sao mostrados com maior detalhe na dissertacao de Fernandes (1999).

Os parmetros finais que permitiram obter bons resultados nos testes preliminares foram aplicados nos testes definitivos, em que podem ser citados: concentracao = 30 g [L.sup.-1], granulometria = 600 mesh (15 [micro]m), vazao = 76,92 mL [s.sup.-1], volume de dieletrico = 36 L e massa = 1.080 g de SiC, alem de serem utilizados tres oleos hidrocarbonos de procedencia industrial, citados em todo o texto como oleos A, B e C, identificados na lista de simbolos e cujas caracteristicas sao apresentadas na Tabela 2. Para as condicoes acima, conseguiu-se chegar a um ponto ideal de usinagem no qual foi fixada a condicao de corte: tensao de 60 V, corrente de 25 A, Ton de 200 [micro]s e Toff = 10 [micro]s.

As condicoes de corte adotadas para o regime de desbaste, na usinagem das pecas de aco rapido ABNT M2 com eletrodo-ferramenta de cobre eletrolitico, podem ser vistas na Tabela 3.

A variavel SiC foi convertida em um parmetro, visando estudar o efeito microestrutural e mecnico sofrido pelo aco ABNT M2, quando usinado por descargas eletricas. Portanto, granulometria, concentracao, homogeneidade de mistura, forma de adicao, vazao, volume e massa de SiC foram fixados durante os testes.

O objetivo principal, apos o desenvolvimento do agitador, era fornecer a mistura dieletrico mais po na vazao pre-escolhida de forma homogenea, alem de uma concentracao adequada, bem como o modo de adicao do po de SiC, permitindo que os pos em suspensao atuassem ao redor das descargas eletricas, direcionando-as na regiao do gap durante a usinagem, e que o arco eletrico se comportasse o mais uniforme possivel em todos os testes. A Figura 6 ilustra, respectivamente, um esquema do sistema de agitacao com seus componentes e o posicionamento da cuba auxiliar dentro da cuba da maquina de eletroerosao. Outros objetivos para construcao do misturador foram: nao utilizar o circuito dieletrico da maquina de modo a nao danifica-lo com a contaminacao dos pos adicionados aos dieletricos e utilizar apenas uma pequena quantidade de fluido, ja que o reservatorio da maquina comporta cerca de 420 L.

[FIGURA 6 OMITIR]

Resultados e discussao

A Figura 7 ilustra como as microtrincas se propagam na superficie. E possivel observar que as microtrincas nao se limitam apenas a camada de material refundido, mas estendem-se ate a zona afetada pelo calor e, em alguns casos, atingem o material-base. Alem de trincas verticais, nota-se a presenca de trincas subsuperficiais, localizadas tanto dentro da camada refundida quanto dentro do material base (exemplo: Figuras 7A e C). As microtrincas subsuperficiais apresentam-se normalmente associadas as trincas de tracao (verticais). Outro aspecto a ser notado e o fato de que as trincas verticais, muitas vezes, estarem associadas a defeitos tais como bolhas ou vazios (exemplo: Figuras 7A, C e F).

O efeito da adicao de po de SiC e, todavia, notorio na densidade de microtrincas. Em todos os dieletricos, houve reducao da densidade linear de microtrincas.

Comparando-se os graficos das Figuras 8 e 9 seguintes, pode-se afirmar que as amostras de aco rapido ABNT M2, usinadas com a mistura (oleo C + SiC), apresentaram microtrincas com comprimento medio bastante elevado. Por outro lado, foram observados valores relativamente baixos na densidade de microtrincas.

[FIGURA 7 OMITIR]

Pela analise detalhada do grafico da Figura 8, percebe-se que as amostras usinadas com po de SiC adicionado no fluido dieletrico A apresentam microtrincas com comprimento medio em torno de 15,9 [micro]m, com desvio-padrao de 8,0 [micro]m, portanto, inferior quando comparadas ate mesmo com amostras usinadas com adicao de po, como, por exemplo, a mistura (oleo C + SiC em po), em que essas apresentavam comprimento medio de 23,0 [micro]m e desvio-padrao de 16,5 [micro]m.

[FIGURA 8 OMITIR]

Sob o aspecto de microtrincas, o fluido dieletrico A, com adicao de SiC, representa alternativa atraente para a usinagem do aco rapido ABNT M2.

As trincas geradas, durante processo EDM, no aco rapido ABNT M2, podem ainda circundar as crateras e bolhas do material refundido e ressolidificado. Segundo Pandey e Shan (1985), essas microtrincas tem suas profundidades e extensoes determinadas pela energia de descarga. As superficies apresentadas anteriormente se mostram tambem bastante semelhantes as observadas por Kremer et al. (1997). Este autor afirma, nos seus trabalhos, que o desenvolvimento das microtrincas esta relacionado com o surgimento de elevadas tensoes termicas que superam a tensao maxima de resistencia do material.

[FIGURA 9 OMITIR]

Por meio da Figura 8, nota-se ainda a existencia de grandes desvios-padrao do comprimento das trincas em relacao aos valores medios. Isso pode ser notado na Figura 7A, na qual sao observadas trincas com grandes diferencas de tamanho. Nota-se tambem tendencia de aumento do comprimento das trincas ao se passar do dieletrico A para o B, e deste para o C. Ademais, percebe-se que a adicao de po de SiC no fluido dieletrico A obteve valores relativamente baixos, mas, no contexto geral, observa-se que a adicao de pos nao conduziu a reducoes significativas no comprimento medio das microtrincas.

A Tabela 4 apresenta os valores da altura media da camada de material fundido e redepositado sobre a superficie, alem da espessura media da zona afetada pelo calor com e sem adicao de SiC em po. Os efeitos da adicao de po de SiC sobre essas camadas foram analisadas por Fernandes (1999).

Conclusao

Os testes realizados com e sem adicao de po de SiC no fluido dieletrico, na usinagem de barras de aco rapido ABNT M2 pelo processo EDM, permitem que sejam obtidas as seguintes conclusoes:

- existe ligeira tendencia de aumento no comprimento medio das microtrincas, quando se usina com fluidos dieletricos na sequencia A, B e C. Associado a isso, percebe-se que a adicao de SiC no fluido dieletrico nao conduziu a reducoes significativas no comprimento medio, quando comparada com EDM convencional. Por outro lado, a acao do SiC foi mais evidente na densidade de microtrincas, obtendo-se valores relativamente baixos e proximos entre si em relacao a EDM convencional;

- as amostras de aco rapido ABNT M2 usinadas com a mistura (oleo C + SiC) apresentaram os maiores valores de comprimento medio de microtrincas. Por outro lado, observaram-se, nessa configuracao, as menores densidades de microtrincas;

- na usinagem com fluido dieletrico A sem adicao de po, foi constatado que a maioria das microtrincas se faz presente na ZAC. Em casos isolados, essas trincas estendem-se ate o material base. Ja com adicao de po de SiC, constatou-se situacao semelhante, porem essas microtrincas nao atingem o substrato;

- na usinagem com fluido dieletrico B, as microtrincas geradas sao bem maiores, quando comparadas com as obtidas por meio do dieletrico A. Associado ao fato de que a ZAC no dieletrico B sem adicao de po e menor do que a obtida por A, isso levou a formacao de maior quantidade de microtrincas que atingiram o substrato;

- nas superficies usinadas por EDM convencional com o dieletrico C, um numero elevado de microtrincas esta contido na camada material fundido, ou ate mesmo na ZAC. Por outro lado, ao se usinar com adicao de SiC, essas microtrincas podem atingir o substrato;

- na usinagem com a mistura (oleo A + po), as microtrincas apresentaram comprimento medio em torno de 15,9 [micro]m, com desvio-padrao de 8,0 [micro]m; um comprimento medio, portanto, inferior, quando comparadas ate mesmo as demais amostras usinadas com adicao de po, como, por exemplo, a mistura (oleo C + SiC em po), em que apresentaram comprimento medio de 23,0 [micro]m e desvio-padrao de 16,5 [micro]m;

- o fluido dieletrico A com SiC e o mais indicado para a usinagem do aco rapido ABNT M2, devido aos aspectos positivos que este promoveu sobre as microtrincas superficiais.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Capes e ao CNPq, pelo suporte financeiro na forma de bolsa; a Liasa S/A, pela doacao do Silicio em po; a Mitsubishi Materials Corporation, pelo fornecimento de material didatico para disciplinas do curso de Engenharia Mecnica.

Received on December 07, 2007.

Accepted on July 15, 2008.

Referencias

BENEDICT, G.F. Nontraditional manufacturing process. New York: Marcel Dekker, 1987.

CRUZ, C. Analise da usinagem do aco-villares: VC-131 para matrizes com diferentes termicos no processo de usinagem por eletroerosao. In: COBEM, 10., 1989, Rio de Janeiro. Anais... Rio de Janeiro: ABCM, 1989. p. 5 .

FERNANDES, L.A. Efeito da adicao de SiC em po no fluido dieletrico, sobre o desempenho da usinagem por descargas eletricas do aco-rapido ABNT M2. 1999. Dissertacao (Mestrado em Engenharia Mecnica)-Universidade Federal de Uberlncia, Uberlndia, 1999.

KOBAYASHI, K. et al. EDM by powder-suspended working fluid. Nagoya: Toyota Technological Institute and Mitsubishi Electrical Corporation, 1989.

KOBAYASHI, K. The present and future technological developments of EDM and ECM. ISEM. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM FOR ELECTROMACHINING, 11., 1995, Lausanne. Proccedings... Lausanne/Suica. 1995. p. 121.

KREMER, D. et al. Quantificacao da integridade das superficies. In: CONGRESSO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA--CIDIM'97, 3., 1997, La Habana. Anais ... La Habana: Instituto Superior Politecnico Jose Antonio Echeverria, 1997. p. 38.

OKADA, A.; UNO, Y. Surface generation mechanism in electrical discharge machining with silicon powder mixed fluid. Int. J. Electrical. Machin., Japan, v. 25, n. 2, p. 48-52, 1997.

PANDEY, P.C.; SHAN, H.S. Modern machining process. New Delhi: McGraw Hill, 1985.

RODRIGUES, J.R.P. et al. Efeito da adicao de carboneto de silicio em po na topografia da superficie usinada por descargas eletricas do aco rapido ABNT M2. In:

CONEM, 4., 2006, Recife. Anais... Recife: ABCM, 2006. p. 115.

Jean Robert Pereira Rodrigues (1) *, Claudionor Cruz (2), Sinesio Domingues Franco (2), Jose Roberto Pereira Rodrigues (3) e Wellinton de Assuncao (1)

(1) Departamento de Engenharia Mecnica, Centro de Ciencias Tecnologicas, Universidade Estadual do Maranhao, Av. Lourenco Vieira da Silva, s/n, 65055-310, Tirirical, Sao Luis, Maranhao, Brasil. (2) Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Uberlndia, Uberlndia, Minas Gerais, Brasil. 3Departamento de Engenharia de Materiais, Faculdade de Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Sao Paulo, Brasil. * Autor para correspondencia. E-mail: [e-mail]

Tabela 1. Caracteristicas especificas da peca de aco rapido ABNT
M2.

Ponto            Ponto de        Resistivida        Modulo de
de Fusao         Ebulicao        de Eletrica       Elasticidade
([degrees]C)   ([degrees]C)   ([micro] [ohm]m)   (N [mm.sup.-2])

1.083              2.580            0.017           124 x 103

Ponto
de Fusao                                Acabamento
([degrees]C)    Utilizacao    Custo    superficial

1.083              Larga      Baixo      Preciso

Tabela 2. Propriedades quimicas dos fluidos dieletricos identificados
por seus respectivos fabricantes e usados nos ensaios definitivos para
usinagem no regime de desbaste do aco rapido ABNT M2.

              Viscosidade       Massa            Ponto
Fluidos        cSt a 40      especifica p      de Fugor
dieletrico   ([grados]C)     [cm.sup.-3]    ([grados]C)

Oleo A            4,1            0,873            150
Oleo B            1-2          0,76-0.82        150-300
Oleo C          3,7-4,7       0,836-0.933      min. 104

Tabela 3. Condicoes de corte adotadas para usinagem do aco
rapido ABNT M2 com eletrodo-ferramenta de cobre eletrolitico
no regime de desbaste.

            Tensao    Corrente (A)      Ton          Toff
Regime       (V)                     ([micro]s)   ([micro]s)

Desbaste      60           25           200           10

Tabela 4. Espessura media das camadas superficiais e
subsuperficiais e zona afetada pelo calor (ZAC) sobre a superficie
usinada do aco rapido ABNT M2, com e sem adicao de SiC no
fluido dieletrico no regime de desbaste (Unidade: [micro]m).

                        Camada    Camada    Camada
Oleo                  Refundida   Branca   Revenida    ZAC

A      S/po de SiC     43,27       22,87     12,98    28,61
       C/po de SiC     44,27       14,85     13,31     34,1
B      S/po de SiC     38,14       14,02     15,88    43,82
       C/po de SiC     30,79        7,86     12,23    28,56
C      S/po de SiC     42,24       19,53      16,2    45,62
       C/po de SiC     40,55        6,47     16,98    42,16

Fonte: Fernandes (1999).