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

 

Objetivos

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

 

Relevância

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

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

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

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

 

Revisão bibliográfica

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

• cobres (incluindo o cobre ligado com prata) - C 10100 a C 13000,
• cobres ligados – C 14000 a C 16000 e
• ligas de cobre – C 17000 a C 70000.

 

Cobres

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

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

 

Liga de bronze-alumínio

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

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

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

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

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

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

 

Torneamento

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Procedimento experimental

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

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

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

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

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

Figura 1 – Pontos de medição das rugosidades

Resultados obtidos

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

As figuras 2 e 3 ilustram a variação da rugosidade Ra em função dos parâmetros de corte v_c, a_p, f_n e das geometrias da ferramenta.

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

Figura 2 – Variação de Ra com ferramenta de geometria negativa

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

Figura 3 – Variação de Ra com ferramenta de geometria positiva

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

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

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

Figura 4 – Cavacos obtidos no torneamento de bronze-alumínio

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

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

Conclusões

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

• A geometria negativa da ferramenta propiciou a obtenção de baixas rugosidades Ra de 0,27 μm e rugosidade R_t de 2,15 μm, com avanços relativamente baixos (0,05 mm/rot).
• Os fatores velocidade de corte v_c, avanço f e profundidade de corte a_p exercem influência significativa no tempo de vida da ferramenta, e o aumento de cada um deles contribui para a redução. Porém, não foi evidenciado nenhum desgaste da ferramenta de corte de metal duro durante o torneamento.
• O excesso de vibração, ocasionado pela falta de rigidez da máquina-ferramenta e pelo diâmetro do corpo de prova, é um fator que influencia a vida da ferramenta. Para o experimento em questão, não foi verificado nenhum tipo de desgaste e avaria nas ferramentas de corte.

 

Referências

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

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

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

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

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

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

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

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