Os aços inoxidáveis se dividem basicamente em cinco grupos principais: austeníticos, feriticos, martensíticos, duplex e endurecíveis por precipitação. Devido à excelente combinação de propriedades mecânicas, alta resistência à corrosão e custo/benefício são materiais de grande interesse para a indústria, para ciência e para o comércio, em particular para mercados críticos como indústrias químicas e petroquímicas. Em geral, os requisitos essenciais exigidos para uma liga metálica relacionada à indústria petroquímica são resistência mecânica e resistência à corrosão.

Segundo Nunes et al^[4], uma grande parcela das aplicações industriais dos aços inoxidáveis duplex (AID) encontra-se ainda nas indústrias de papel e celulose, processos de soldagem em vasos (tratadores eletrostáticos), tubulações de água produzida e injetada, tubos permutadores, evaporadores de água, hard pipes, no abastecimento em tubulações e em trocadores de calor. No Brasil, a utilização destes materiais cresceu a partir da década de 90.

Esses aços são materiais baseados no sistema Fe-Cr-Ni. Sua composição química e o processamento termomecânico conferem-lhes uma microestrutura bifásica com proporções aproximadamente iguais de ferrita e austenita. São tipicamente ligas Fe-Cr (de 20 a 30%) - Ni (de 5 a 10%)^[3], com teores muito baixos de carbono (menores de 0,03%) e podem ter ainda adições de nitrogênio, molibdênio, tungstênio e cobre^[8].

Segundo Ramos^[5], a dificuldade de usinagem aumenta de acordo com o teor de elementos de liga, o que desgasta de forma intensa as ferramentas e reduz a qualidade de acabamento superficial. Carbonetos abrasivos presentes nos aços inoxidáveis altamente ligados causam rápido desgaste nas ferramentas. A quebra do cavaco também é dificultada, aumentando a deformação na zona de cisalhamento primária com consequente redução da velocidade de corte.

Os aços inoxidáveis em geral apresentam comportamentos diferentes na usinagem, quando comparados com outros aços. Eles são caracterizados principalmente por altas taxas de encruamento – que induzem modificações mecânicas e comportamento heterogêneo nas superfícies geradas, e que levam à instável formação de cavacos e vibrações^[6] –; e por sua baixa condutibilidade térmica^[1]. A condução de calor corresponde a aproximadamente 1⁄4 do valor encontrado na usinagem de um aço comum^[2]. Desta forma, o calor se propaga menos para o material de trabalho.

A junção de parâmetros, condições e variáveis podem fazer da usinagem um meio especulativo. Tais ações refletem diretamente nos desgastes de ferramentas, acabamento e integridade estrutural. Em processos de usinagem, o cavaco é considerado um descarte sem interesse de análises e pouco observado com relação à morfologia tal como aos tipos e formas apresentados. No entanto, seu mecanismo de construção não é tão óbvio e fácil de explicar, pois a interação entre peça e ferramenta não é um simples fato de corte durante o qual o mais duro corta ou risca o mais mole. Tais aspectos, específicos na conformação mecânica, também ocorrem de forma rápida e dinâmica em processos de usinagem.

Figura 1 – Amostra do aço inoxidável duplex (como recebida)

A análise de contornos de grãos é um procedimento muito utilizado no meio metalúrgico para acompanhar os efeitos de tratamentos térmicos e processos de conformação. Quando se observa os contornos e tamanho de grãos, alguns parâmetros e propriedades podem ser avaliadas, tal como forças, velocidade de deformação e, respectivamente, dureza e resistência à deformação e a propagação de trincas. Em operação de usinagem, o mecanismo de formação de cavacos sofre os mesmos processos da conformação e, dependendo do caso, do tratamento térmico, lembrando que as diferenças estão no dinamismo do processo. Contudo, analisar cavacos pode ser um caminho interessante para determinar qual parâmetro seria ideal para melhoria da usinabilidade.

Análises estereológicas são utilizadas para medir tamanho de grão. Elas podem ser realizadas por meio de ferramentas ou rotinas de programas de processamento e análises de imagens. Um mecanismo para medidas de tamanho de grãos dentro desses programas, por exemplo, são as linhas de intercepto que resultam na razão entre superfície e volume do grão ou fração volumétrica. Uma maneira de beneficiar as análises é o processamento de imagens digitais por meio de filtros: que podem estar no domínio do espaço e da frequência.

O processamento de imagens, no domínio do espaço ou filtros espaciais, pode transformar as intensidades de brilho para cada ponto ou pixels. Por outro lado, no processamento no domínio da frequência, as transformações são baseadas em operadores de frequência espaciais, como Hough, Walsh, Hadamard, Harr, Slant e principalmente Fourier^[9].

Os programas de processamentos envolvem simples operações com pixels, em que uma alteração em um determinado pixel depende dos vizinhos. Um potencial de variedades de métodos de processamento de imagens utiliza operações de multipixels, em que cada pixel final é alterado por contribuições de um número de pixels adjuntos de entrada. O termo usual para essa semelhante operação é convolução ou convolução espacial.

Convoluções envolvem multiplicações de um conjunto de pixels selecionados na entrada da imagem com uma variedade de pixels correspondentes que são fornecidos em uma máscara de convolução ou convolução kernel. As convoluções kernel podem ser designadas à suavização de ruídos em imagens no espaço (média espacial). Para realçar contornos das imagens, podem ser usados filtros gradiente, e Laplaciano passa-alta. Para ajuste de contraste local podem ser usados filtros máximos, mínimos ou medianos. Já para transformação da imagem espacial no domínio da frequência utiliza-se da transformada de Fourier ou Hartley^[9].

Este trabalho caracteriza-se por analisar alguns efeitos morfológicos causados na usinagem do aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205), por meio da operação de fresamento. Ele estabelece correlações entre os parâmetros de corte e suas consequências no mecanismo de formação dos cavacos utilizando um software de processamento de imagens de domínio público.

Materiais e métodos

O material utilizado para o desenvolvimento deste trabalho foi o aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205) no estado como recebido (laminado). De maneira geral, os procedimentos experimentais empregados neste trabalho tiveram como objetivos desenvolver e estabelecer uma metodologia para analisar a microestrutura com os parâmetros de usinagem utilizado no processo de fresamento. Para tanto, chegou-se a uma análise microestrutural do material por meio de uma avaliação morfológica automática dos contornos de grãos dos cavacos gerados e do material da peça.

Os parâmetros de usinagem para o processo de fresamento foram baseados nas instruções do catálogo do fabricante da ferramenta de corte, tais como avanço, velocidade de corte e rotação da máquina. O trabalho de usinagem foi realizado na empresa Tornearia Ano Bom, localizada em Barra Mansa (RJ).

A operação de usinagem foi realizada utilizando uma fresa de topo. As amostras de cavaco foram recolhidas para cada passe correspondente ao parâmetro de usinagem. O aço inoxidável foi fornecido em forma de chapa com as seguintes dimensões: 150 x 80 x 20 mm (comprimento x largura x espessura, respectivamente), conforme figura 1 (pág. 35).

As ferramentas utilizadas no trabalho foram pastilhas de metal duro da Sandvik Coromant com cobertura PVD, raio 2 mm, fixação por parafuso, seis dentes e diâmetro de 80 mm. A máquina-ferramenta utilizada para o fresamento foi uma fresadora CNC Fagor, modelo TR-2. Os parâmetros de

Figura 2 – Microestrutura do aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205) como recebido, com ampliação 100x (ataque com o reagente Flick)

 

corte utilizados neste trabalho estão descritos na tabela 1. Foram realizados oito passes para coleta de cavacos, com parâmetros de usinagem conforme tabela abaixo. Todos os passes foram realizados com a utilização do fluido de corte.

As etapas do processo metalográfico foram conduzidas no Laboratório de Metalografia do Centro Universitário de Volta Redonda (UniFOA). O ataque químico realizado teve como objetivo a revelação microestrutural, como contornos dos grãos. Foram realizados testes com dois tipos de reagentes distintos. Os reagentes foram aplicados na amostra com tratamento térmico (Flick) e na amostra como recebida (Flick e Kalling), utilizando algodão embebido sobre a superfície

 

polida deixando reagir por 10 segundos. As imagens da microestrutura foram feitas via microscopia óptica, utilizando o microscópio metalúrgico Olympus modelo CX21. Com objetivo de melhorar as análises morfológicas dos cavacos, as imagens dos cavacos foram também obtidas por microscopia eletrônica de varredura, realizadas no Laboratório de Microscopia Eletrônica no Departamento de Engenharia de Materiais (LME-DEMAR-EEL/USP).

Para isso, foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura tipo VP 1450, fabricado pela LEO. O programa utilizado para o processamento e análises de imagens dos contornos de grãos foi o Image J 1.4s, de domínio público. A rotina criada passou pelo processamento, calibragem e análise. As imagens adquiridas foram transformadas em imagens binárias de 8 bits, e estas foram separadas em background da baquelite no processador. Em seguida, utilizou-se o filtro passa-banda para atenuar frequências baixas e altas. As linhas mais finas foram beneficiadas e delineadas utilizando uma outra ferramenta outline do programa.

As imagens foram, então, calibradas para valores micrométricos, tão logo as regiões foram selecionadas para o desenvolvimento do trabalho.

Com as análises estereológicas das partículas e das regiões geravam-se relatórios, tais como medidas de perímetros e valores estatísticos. Esse sistema pode ser considerado como um modo automáticos de medidas de grãos, pois ele existe na norma ABNT de medidas de tamanho de grão. Nela, se utiliza meios matemáticos para as análises e estes são considerados como medida manual.

Resultados e discussão

Para as efetivas comparações foram obtidas imagens do material

Figura 3 – Microestrutura do cavaco obtido após usinagem do aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205), com ampliação 400x (ataque com o reagente Flick)

 

como recebido. Esse resultado do ensaio metalográfico pode ser visualizado na figura 2 (pág. 38), para a qual utilizou-se o ataque químico reagente Flick.

Senatore et al^[7] afirmam que utiliza-se o tratamento termomecânico dentro da faixa de 1.000 a 1.250°C para obtenção da microestrutura duplex e que, nesta faixa, o material apresenta um comportamento muito próximo do equilíbrio estável e metaestável. Baseado nesta afirmação, se observa na figura 3 uma estrutura lamelar com grãos alongados na direção da laminação e composta por uma matriz que se deduz ser ferrítica com ilhas austeníticas. Estas características são típicas do comportamento estável que o aço inoxidável duplex apresenta após sua obtenção. Como o formato dos grãos e a composição austenítica/ ferrítica encontrada na amostra como recebida são compatíveis com os da literatura, foi comprovado que realmente tratava-se do aço inoxidável duplex.

Como parte desse trabalho, na figura 3 também podem ser observadas imagens da microestrutura do cavaco obtidas após a usinagem desse aço inoxidável duplex, resultantes do ataque com o reagente Flick. A morfologia apresentada revela um desencadear da formação original dos grãos, de modo que, na formação dos cavacos, se processa entre suas etapas mecânicas de formação regiões de alta deformação reveladas nos segmentos dos cavacos e nas bordas, ou seja, próximas da zona de fluxo. Para tanto, a parte lisa do cavaco concentra os grãos deformados e, nas regiões próximas, a ruptura parcial e total dos segmentos.

Os cavacos das imagens da figura 4 (pág. 42) mostram, de forma mais abrangente, as camadas sobrepostas do mecanismo de formação e também as linhas de deformação que podem estar ligadas ao processo de fabricação e que, neste caso, são mais visíveis ou acentuadas. Elas se acumulam, encruando mais o material, e ajudam na segmentação e na fratura do cavaco, uma vez que o objetivo de um processo de usinagem é sempre obter cavacos curtos.

Isso se deve à pressão exercida no recalque somada à passagem pela superfície de saída ou zona de aderência da ferramenta de corte. Esses mecanismos e a geometria da ferramenta podem ter auxiliado na pressão exercida no material removido, fazendo com que ele se curvasse e deformasse até formar a geometria

Figura 4 – Camadas sobrepostas do mecanismo de formação e linhas de deformação (MEV)

Figura 5 – Tipos de cavacos obtidos em função dos parâmetros de usinagem (20x de ampliação)

serrilhada semelhante a das imagens da figura 3.

Para melhor entender o processo resultante dos parâmetros escolhidos, pode-se observar nas imagens da figura 5 a morfologia dos cavacos em função da variação dos parâmetros de usinagem propostos no trabalho. A imagem (a) apresenta cavacos do tipo helicoidal e as imagens (b) e (c), do tipo lasca.

Neste caso, o avanço definiu o tipo de cavaco, ou seja, a medida em que foi aumentado, modificou a geometria e o tamanho. As imagens das figuras 6 (pág. 43) e 7 (pág. 44) são exemplos de todo o processo, conforme a tabela 1. Comparando as imagens com as respectivas velocidades da figura 7, não se observa quase nenhuma diferença na morfologia.

Com relação às imagens da figura 7, algumas diferenças são perceptíveis. Verificou-se, por exemplo, que, com o aumento da velocidade e do avanço, os cavacos ficaram mais segmentados. Além disso, a velocidade de 200 m/min pode ser mais viável, uma vez que a maior quebra dos cavacos diminui o tempo de permanência na saída da ferramenta, o que reduz seu desgaste.

Um fator interessante notado foi a velocidade de 100 m/min., quando foram apresentados cavacos bem segmentados, com possibilidade de quebra instantânea. As outras condições desenvolvidas comprovaram a morfologia de cavacos de características cisalhante, o que pode ser explicado pelas características de resistência da austenita.

Como proposto pela metodologia, os contornos de grão foram analisados no programa descrito. Para efeito de comparação, as imagens das figuras a seguir mostram as aplicações da metodologia desenvolvida. Assim foram analisados os contornos de grãos do material recebido e os cavacos do processo de fresamento da liga. A figura 8 (pág. 46) representa o resultado da rotina aplicada para o duplex como recebido, ou seja, a amostra sem deformações.

Na figura 8, podem ser observados os contornos das fases do material como recebido depois de processado automaticamente, mediante a rotina de processamento, calibragem e análise geométrica da morfologia. Com a utilização do filtro e as operações de processamento, os contornos ficaram mais visíveis, permitindo a obtenção de dados mais confiáveis e acurados das análises comparativas estereomorfológicas e estatísticas.

Por meio da figura 9 (pág. 46) pode ser visualizada a aplicação dessa metodologia para os contornos de fases dos cavacos. Foram selecionadas várias regiões, pois as próxi-

Figura 6 – Morfologia dos cavacos

mas ao segmento de formação ou recalque visualmente variavam na sua morfologia perante ao resto do segmento formado. Logo, as regiões próximas aos picos dos gomos formados ficaram quase sem definição na revelação metalográfica, causada pela deformação instantânea criada na hora do corte. Assim, o processamento passou a ter importância

Figura 7 – Cavacos para vários parâmetros escolhidos

para as análises. A aplicação do filtro passa-banda auxiliou na diminuição dos componentes de alta e baixa frequências, tornado mais visíveis os contornos das fases.

Todos os cavacos foram analisados e as regiões avaliadas foram selecionadas conforme se tinha uma busca mais abrangente e mais clara de espaço. Para cada imagem gerada, foram analisadas em média três regiões retangulares como pode ser observado na figura 9. O resultado para cada região pode ser observado nas tabelas das figuras 8 e 9. O programa também fornece um sumário de todas as áreas analisadas, que deu origem a relatórios de medidas estatísticas.

A tabela 2 mostra os resultados das análises automáticas dos grãos do aço inox Duplex UNS S31803 (SAF 2205) como recebido e dos cavacos gerados de todos os passes do processo de fresamento.

Os resultados das análises mostraram que, em geral, as regiões dos cavacos ficaram inferiores, mostrando que a deformação destes leva à diminuição das suas áreas. No entanto, o mínimo tamanho se manteve constante, e isso pode ser explicado pelo fato de que o tamanho de grãos muito pequenos não se alterou e nem as fases foram misturadas. Com a deformação extrema, os grãos maiores se juntaram e se alinharam na hora do processamento, podendo formar outros grãos.

Considerações finais

O aço inoxidável duplex UNS S31803 (SAF 2205) se apresentou como esperava, ou seja, de difícil usinagem. Para cada passe e parâmetros uma forma de cavaco aparecia diferente, porém, de forma geral, os cavacos se revelaram do tipo cisalhamento. A deformação nos contornos de grãos seguiu o

Figura 8 – Processamento e análise do material como recebido

 

mecanismo de formação do cavaco e as fases, dependendo das regiões, se confundiam pela alta deformação de recalque.

A aplicação do filtro passa-banda no processamento auxiliou nas medidas. A deformação dos cavacos foi comprovada com a análise automática de contorno de grãos. Para trabalhos futuros, essa metodologia pode auxiliar nas avaliações das melhores condições de usinagem para cada situação. Assim poderemos ter, em função da geometria e da orientação da saída dos cavacos, uma situação boa para usinar materiais como o deste trabalho, pois as técnicas vigentes são na maioria análise de rugosidade e desgaste de ferramentas.

Essa metodologia pode ser uma rotina de análise de determinação de índice de usinabilidade. Outras técnicas podem auxiliar e comprovar a variação dos contornos de grãos e fases tal como a utilização de elementos finitos, como já vem sendo feita. Um outro fato interessante para trabalhos futuros seria analisar as frações volumétricas da austenita e da ferrita antes de usinar e depois de usinado, ou seja, nos cavacos.

Figura 9 – Rotina do processamento e análise do material do cavaco

Isso comprovaria qual dos microconstituintes conduz à quebra do cavaco. Isso poderia ser um auxílio na composição e fração de montagem cavaco. Isso poderia ser um auxílio na composição e fração de montagem.

Referências

1] Korkut, I.; Kasap, M.; Ciftci, I.; Seker, U.: Determination of optimum cutting parameters during machining of AISI 304 austenitic stainless steel. Materials & Design, v.25, p.303-305. 2004.

2] Neves, D.; Camargo, R.; Deonísio, C. C. C.; Novaski, O.: Evaluation of the machinability of stainless steel ABNT 304 and stainless steel Villares 304 UF with HSS TiN coated twisted drills. Proceedings of International Congress of Mechanical Engineering (Cobem), 2003.

3] Noble, D. L.: Selection of wrought duplex stainless steels. Welding, Brazing and Soldering, 1993

4] Nunes, E. B.; Motta, M.; Abreu, H. F. G.; Farias, J. P.; Miranda, C. H.; Junior, F. N. A.: Soldagem & Inspeção, v. 16, no 2, p.156-164, Abril/Junho de 2011, São Paulo.

5] Ramos, C. A. D.: Usinabilidade de aços inoxidáveis para matrizes ABNT 420 e VP 80 no fresamento de topo usando superfícies de resposta. Uberlândia, 229 p., Tese (Doutorado), Universidade Federal de Uberlândia, 2004.

6] Saoubi, R. M.; Outeiro, J. C.; Changeux, B.; Lebrun, J. L.; Dias, A. M.: Residual stress analysis in orthogonal machining of standard and ressulfurized AISI 316L steels. Journal of Materials Processing Technology, v. 96, p.225-233, 1999.

7] Senatore, M.; Finzetto, L.; Perea, E.: Estudo comparativo entre os aços inoxidáveis duplex e os inoxidáveis AISI 304L/316L., Rem: Revista Escola de Minas, v. 60, no 1, Ouro Preto, 2007.

8] Solomom, H. D.; Devine, T. M. A tale of two phases. Conference Duplex Stainless Steels’82. Proceedings, American Society of Metals, p. 693-756. St. Louis (EUA), 1983.

9] Spring, K.; Inoué, S.: Video microscopy the fundamentals. 2o. ed., Plenum Press, Nova York, 1997.