SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA – UNISOCIESC
INSTITUTO SUPERIOR TUPY
FAGNER CASAGRANDE
GIOVANE KNIESS
ROSANA CARVALHO
SIDNEI METZNER
USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 304
Joinville
2014/2
1 AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO
Os aços inoxidáveis são ligas de ferro, carbono e cromo com um mínimo de
10,50% de Cr, podendo conter também níquel, molibdénio e outros elementos,
sendo o Cr considerado o mais importante porque dá aos aços inoxidáveis uma
elevada resistência à corrosão e à oxidação. (ArcelorMittal, 2008, pg. 7)
O cromo reage com bastante facilidade com o oxigênio do ambiente,
possibilitando a formação de filmes de óxidos na superfície dos aços que protegem a
liga de ataques, oferecendo uma propriedade não corrosiva ao metal. (ArcelorMittal,
2008, pg. 9)
Os aços inoxidáveis austeníticos formam o maior grupo de aços inoxidáveis
em uso, representando cerca de 65 a 70% do total produzido. São ligas à base de
ferro, cromo (16-30%), níquel (8-35%) e menos de 0,30% de carbono, tendo
excelente resistência à corrosão, elevada tenacidade e boa soldabilidade. A adição
de níquel permite a estabilização da austenita na temperatura ambiente, por isso são
chamados de austeníticos. A estrutura austenítica os torna especialmente
interessantes tanto para aplicações criogênicas (por não sofrerem transição dúctil-
frágil) como para aplicações à temperatura elevada, devido as altas resistências ao
amolecimento e à deformação a quente. (Chiaverini, 1998, pg. 387 e Silva, 2006, pg.
417)
1.1 AÇO AISI 304
O aço 304 é um aço inoxidável austenítico e como os aços inoxidáveis
austeníticos são muito difíceis de usinar, este é um dos mais utilizados na usinagem.
Sua composição química é formada por altos teores de Cromo e Níquel o que lhe
permite uma boa resistência ao desgaste e à corrosão.
Abaixo a composição química de um aço 304.
Tabela 1 – Composição química do aço 304.
Classe C (%) Mn (%) P (%) S (%) Si (%) Ni (%) Cr (%)
304 0,08 0,50-2,0 0,040 0,040 0,20 -1,5 8,0 – 12,0 17,0-21,0
Fonte: Steel Casting Handbook, 1999.
A ASTM Metals Handbook emprega as seguintes propriedades mecânicas ao
aço 304 a temperatura ambiente (24°C).
Tabela 2 – Propriedades mecânicas do aço 304.
Classe Resistencia a
Tração (Mpa)
Limite de Escoamento
(Mpa)
Alongamento
(%)
Redução de
área (%)
304 480 220 26 40
Fonte: ASTM Metals Handbook, 1999.
O aço 304 tem como aplicações: utensílios domésticos; fins estruturais;
equipamentos para indústria química e naval; indústria farmacêutica; indústria têxtil;
indústria de papel e celulose; refinaria de petróleo; permutadores de calor; válvulas e
peças de tubulações; indústria frigorífica; instalações criogênicas; depósitos de
cerveja; tanques de fermentação de cerveja; equipamentos para refino de produtos
de milho; equipamentos para leiteria; cúpula para casa de reator de usina nuclear;
tubos de vapor; condutores de águas pluviais; calhas.
1.2 USINABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS E DO AÇO AISI
304
A usinabilidade não se refere a uma única propriedade do material, mas sim
um sistema de propriedades dependentes de interações complexas e dinâmicas
entre os materiais da peça e da ferramenta, do fluido e das condições de corte. Um
aumento da usinabilidade está relacionado com as seguintes características:
aumento vida útil da ferramenta de corte; maior taxa de remoção do material
usinado; melhor acabamento superficial; melhor controle na formação do cavaco;
diminuição das forças de corte. (Camargo, 2008, pg. 14)
Os aços inoxidáveis apresentam pior usinabilidade que os aços comuns e
diferem dependendo dos elementos de liga, tratamento térmico e processo de
fabricação (forjado, fundido etc.). Em geral, a usinabilidade piora à medida que o
teor de elementos de liga aumenta nesses aços, porém existem outros fatores que
exercem grande influência na usinabilidade, tais como o limite de resistência à
tração, taxa de encruabilidade e ductilidade; a usinabilidade piora a medida que
esses fatores são maiores. (Infomet)
A baixa usinabilidade dos inoxidáveis austeníticos se dá principalmente à alta
taxa de encruamento e baixa condutibilidade térmica, esta última dificultando a
formação de cavaco durante a operação de usinagem. O encruamento do material
provoca uma camada de alta resistência que se opõe ao avanço da ferramenta,
enquanto que a baixa condutibilidade térmica não permite uma adequada dissipação
do calor que é gerado pelo atrito na interface metal/ferramenta, resultando em
aquecimento da região de corte. (Infomet)
A figura 1 a seguir mostra uma comparação da usinabilidade relativa entre os
tipos de aços inoxidáveis. Nota-se a superioridade dos aços ferríticos e
martensíticos em relação aos outros aços.
Figura 1 – Comparação da usinabilidade relativa entre os tipos de aços inoxidáveis.Fonte: www.sandvik.coromant.com
Entre os aços inoxidáveis, as ligas austeníticas estão entre as mais difíceis de
se usinar e sua usinabilidade é bastante diferente da usinabilidade dos aços
carbonos e outras ligas. Dentre os fatores que promovem a sua baixa usinabilidade
se destacam a sua ductilidade e a sua capacidade de encruar muito rapidamente.
(Souza e Silva e autores, pg. 6)
O endurecimento por encruamento nos aços inoxidáveis durante a usinagem
se dá pela transformação da austenita, que é uma fase mole, em martensita, uma
fase extremamente dura e resistente. Nesta condição, o endurecimento produz
superfícies duras e cavacos duros, os quais por sua vez, levam ao desgaste tipo
entalhe. Também pode ocasionar no rompimento do material da cobertura e do
substrato da aresta, resultando em lascamento e acabamento superficial pobre.
(Souza e Silva e autores, pg. 6 e Sandvik)
É recomendado o uso de arestas vivas com uma geometria positiva, com
corte sob a camada endurecida e profundidade de corte constante. (Sandvik)
Além dos fatores citados acima, outras características que dificultam a
usinagem deste tipo de aço são: alto coeficiente de atrito, que gera aumento do
esforço e do calor; alto coeficiente de dilatação térmica e elevada tensão de ruptura.
(Camargo, 2008, pg. 5)
O aumento do teor de inclusões não metálicas e do tamanho do grão
austenítico também diminuem a usinabilidade desses aços. (Camargo, 2008, pg. 5)
Devido à grande resistência à deformação desses aços, há uma elevação da
força específica de corte, sendo que a máquina-ferramenta deve ser suficientemente
rígida para suportar o esforço. O aumento do teor de carbono favorece a formação
de carbonetos complexos estáveis que dificultam a usinagem. (Camargo, 2008, pg.
5)
Dentre os fatores que dificultam a usinagem dos aços inoxidáveis
austeníticos, se destacam: grande desgaste das ferramentas e baixa qualidade de
acabamento superficial; quebra do cavaco, causando congestionamento de centros
de usinagem; baixas velocidades de corte levando a baixa produtividade. (Camargo,
2008, pg. 5)
Geralmente, uma condição de baixas dureza, resistência e ductilidade
melhoram a usinabilidade. Porém os aços inoxidáveis austeníticos no estado
solubilizado (recozido) apresentam alta taxa de encruamento e alta ductilidade. O
trabalho a frio reduz ainda mais a usinabilidade, como mostra na figura 2.
Figura 2 – Efeito da redução a frio na usinabilidade de um aço AISI 304Fonte: (Camargo, 2008, pg. 7)
A presença de inclusões influencia a usinabilidade de acordo com a sua
composição. Os óxidos, principalmente a alumina, são duros e abrasivos, e,
portanto, prejudicam a usinabilidade. (Camargo, 2008, pg. 7)
A usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos pode ser melhorada através
de alguns métodos. O método mais conhecido e utilizado é a adição de enxofre ao
aço, promovendo a formação de sulfetos de manganês na matriz, que são maiores e
mais globulares, sendo mais benéficos para a vida da ferramenta do que os
menores e mais alongados; contudo, provoca queda da plasticidade a quente do
aço, além de provocar queda da resistência à corrosão. Inclusões como esta têm um
efeito positivo lubrificando na aresta de corte e facilitam a quebra do cavaco na zona
de cisalhamento. (Camargo, 2008, pg. 7 e 8)
A figura 3 mostra o aumento do número de peças usinadas e da penetração
da broca causada pelo aumento da usinabilidade pela adição do enxofre.
Figura 3 – Efeito do teor de enxofre na usinabilidade do AISI 304Fonte: (Camargo, 2008, pg. 9)
2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
As peças utilizadas para o estudo da seleção de ferramentas são
apresentadas a seguir.
Figura 4 – Peça 1
A sequência de usinagem da peça 1 é descrita a seguir:
Rebaixo de 5 mm em formato retangular com raio de 10 mm com uma fresa
com 20 mm de diâmetro;
Rebaixo de 15 mm em formato circular com diâmetro de 90 mm com a
mesma fresa utilizada no rebaixo anterior;
Oito furos de 10 mm de diâmetro com broca escalonada de 10x15 mm.
Quatro furos de 19 mm de diâmetro com broca escalonada de 19x25 mm.
Figura 5 – Peça 2
A sequência de usinagem da peça 2 é descrita a seguir:
Com uma ferramenta de facear: usinar a face, desde o chanfro de 3x45º, mais
o diâmetro de 19 mm até o ressalto com diâmetro de 25 mm (dois passes);
Com uma ferramenta de sangramento: cortar o tarugo na dimensão de 65
mm.
2.1 SELEÇÃO DAS FERRAMENTAS
A seguir são apresentadas as ferramentas e suas respectivas características
para as duas peças.
2.1.1 Peça 1
Para os furos foram selecionadas brocas escalonadas com seus respectivos
diâmetros. A broca escalonada para o furo de 10x25 mm tem suas características
apresentadas a seguir.
...
Para os rebaixos de 5 e 15 mm foi selecionada uma fresa com 20 mm de
diâmetro, com características apresentadas a seguir.
Figura 6 – Fresa para o rebaixo de 5mm da peça 1.Fonte: ISCAR
As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.
Tabela 3 – Propriedades da pastilha.
Classe Material Vel. de corte Fz (min) Fz (max)
M 14 Aço inox austenítico 83-138 m/mm 0.10 0.25
Para o cálculo da rotação da máquina se utiliza a seguinte expressão:
n=1000 vπd
n=r otações por minuto ;
v=v elocidade decorte ( mmin ) , é tabelada ;
d=d iâmetro da fresa.
n=1000.110
π 19→n=1842 RPM
Para o cálculo do avanço da mesa se utiliza a seguinte expressão:
f=fz . n. k
f z=( mmaresta ) , é tabelado ; n=RPM ;
k=número dearestas da fresa.
f=0,15.1842 .2→f=552mm/min
2.1.1 Peça 2
A ferramenta para o faceamento da peça 2 tem suas características
apresentadas a seguir.
Figura 7 – Fresa para a operação de faceamento da peça 2.Fonte: ISCAR
As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.
Tabela 3 – Propriedades da pastilha.
Classe Material Vel. de
corte
Ft (min) Ft (max) Ap
(min)
Ap
(max)
M 14 Aço inox 90-270 0.05 0.20 0.20 2.50
austenítico m/mm
Para o cálculo da rotação da máquina se utiliza a seguinte expressão:
n=1000 vπd
n=1000.110
π 19→n=1842 RPM
Para o cálculo do avanço da mesa se utiliza a seguinte expressão:
f=fz . n. k
f=0,15.1842 .2→f=552mm/min
A ferramenta de sangrar tem suas características apresentadas a seguir.
Figura 8 – Ferramenta de sangrar.Fonte: ISCAR
As propriedades da pastilha são descritas na figura e na tabela a seguir.
Figura 8 – Ferramenta de sangrar.Fonte: ISCAR
Tabela 3 – Propriedades da pastilha.
Classe Material Vel. de
corte
Ft (min) Ft (max) Ap
(min)
Ap
(max)
M 14 Aço inox
austenítico
52-138
m/mm
0.08 0.20 - -
2.1.3 Torneamento
Para a usinagem da peça 2 são utilizados dois tipos de fresas. Uma fresa
iniciando na parte superior da peça, fazendo o desbaste de 45º e seguindo com o
desbaste da face exterior até o ressalto inferior, a 5 mm da parte inferior da peça. As
características desta fresa se encontram na figura a seguir.
Figura 7 – Fresa para o desbaste da peça 2.Fonte: ISCAR
As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.
Tabela 3 – Propriedades da pastilha.
Classe Material Vel. de
corte
Ft (min) Ft (max) Ap
(min)
Ap
(max)
M 14 Aço inox
austenítico
100-240
m/mm
0.05 0.20 0.20 2.50
A Outra fresa que faz o sangramento de 90º do ressalto inferior da peça têm
suas propriedades descritas a seguir.
Figura 7 – Fresa para a operação de sangramento da peça 2.Fonte: ISCAR
As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.
Tabela 3 – Propriedades da pastilha.
Classe Material Vel. de
corte
Ft (min) Ft (max) Ap
(min)
Ap
(max)
M 14 Aço inox
austenítico
90-270
m/mm
0.05 0.20 0.20 2.50
2.2 PARÂMETROS DE CORTE
Os resultados obtidos foram calculados a seguir para cada tipo de ferramenta
utilizada.
2.2.1 Furação
2.2.1.1 Cálculo para a força de corte
...
2.2.2 Fresamento
2.2.1.1 Cálculo para a rotação da máquina (RPM)
n=1000 vπd
n=1000.110
π 19n=1842RPM
2.2.1.2 Cálculo para o avanço da mesa
f=fz . n. k f=0,15.1842 .2 f=552mm /min
2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASTM, Properties and Selection: Irons Steels and High Performance Alloys,
Edition 1993.
CAMARGO, Robson; Verificação da Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis
Austeníticos através do Processo de Furação, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE
CAMPINAS, 2008.
CHIAVERINI, Vicenti. Aços e ferros fundidos. São Paulo, SP: Ed. Associação
Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1996.
ISO M Aços inoxidáveis. Disponível em:<
http://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/knowledge/materials/workpiece_materials/
iso_m_stainless_steel/pages/default.aspx > Acesso em: 25 ago. 2014.
Usinabilidade dos aços inoxidáveis, Infomet. Disponível em:<
http://www.infomet.com.br/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?
cod_tema=9&cod_secao=10&cod_assunto=79&cod_conteudo=114 > Acesso em: 25
ago. 2014.
Manual técnico do aço inoxidável. Disponível em:
<http://www.kloecknermetals.com.br/pdf/3.pdf.> Acesso em: 23 ago. 2014.
SOUZA E SILVA, C. Flávia. PEREIRA, A. Janaína. FERREIRA, C. M. Camila.
SILVA, B. Márcio; Análise do torneamento do aço inoxidável abnt 304 através da
temperatura do cavaco, UNIVERSIDADE DEFERAL DE UBERLÂNDIA.
STEEL CASTINGS HANDBOOK, Supplement 2, Edition 1999.