Comportamento Tribológico de Ferramentas de Conformação

Estudo do desgaste de ferramentas com e sem

revestimentos de filmes finos utilizadas em operações de

conformação a frio

Aluno: Marco Aurélio R. S. Mendes

Orientador: Prof. Dr. Roberto Martins de Souza

São Paulo

2009

Apresentação do trabalho de mestrado

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Sumário1. Introdução2. Revisão bibliográfica3. Objetivos4. Materiais e métodos

1. Trabalho em campo2. Ensaio em laboratório

5. Resultados e discussões1. Ferramentas industriais2. Ensaios em laboratório

6. Conclusões

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• Conformação a frio (Ex. estampagem)

– Processo de conformação mecânica sem remoção de cavacos

– Vantagens:– Alta produção– Reduzido custo por peça– Bom acabamento– Grande uniformidade na produção

– Principal desvantagem:– Alto custo de construção/manutenção do ferramental (punção e matriz). Ex. custo do ferramental para 1 automóvel 4 portas = R$ 12 milhões

– Oportunidade tribológica

1 - Introdução

Referência: Fernando A C de Arruda Penteado. Cursos, Estudos e Tutoriais via Internet

Fonte: Santos, A. M. M. M; Pinhão, C. M. de A . Relatório setorial BNDES 1998

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• Desgaste das ferramentas

– Esfolamento (galling): fim de vida da ferramenta

– Revestimentos PVD (TiN, TiCN, AlTiCrN, etc)

• Aumento da vida útil

• Fim do esfolamento

• Caracterização (MEV, MO e perfil de rugosidade) de

ferramentas com e sem revestimentos PVD utilizadas em

indústria

• Ensaio de deslizamento em torno CNC (avaliar desempenho

de materiais)

1 - IntroduçãoHeide e Schipper, 2003

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• 1 – Aços para ferramentas– Evoluíram de ligas de Fe e C (até 1868) para ligas com vários

elementos (Ti, Cr, V, W, Mo, Mn ...) com maior dureza e/ou tenacidade

– Seleção se baseia, muitas vezes na vida útil da ferramenta

2 – Revisão Bibliográfica

Fonte: Chiaverini, V

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• 2 – Desgaste de ferramentas de conformação a frio:

– Abrasivo e/ou por deslizamento (Rooij, 1998)

• A abrasão implica na penetração superficial por uma partícula dura (aspereza, partícula abrasiva)

• Por deslizamento, inicia-se com adesão (preferencialmente nos defeitos), não há, inicialmente, um abrasivo.

Não há uma fronteira bem definida entre esses dois tipos de desgaste, podendo

inclusive, ocorrerem simultânea ou consecutivamente. (Hutchings, 1992)

(Schedin, 1994)

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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento:

– Formação de partícula de desgaste. Não mostra riscos. (Sasada,1979)

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• 2 – Desgaste por deslizamento:

– Partícula aderida encruada promove abrasão. (Stachowiack e Batchelor, 2000)

Forte adesão

Forte adesãoPartícula transferida

Deslizamento

Ranhura

Trincas causadas pelas tensões de tração durante o deslizamento

Sulcamento

Esfolamento

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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Esfolamento:

– Contradição na literatura: quando ocorre o esfolamento (galling).

Burnishing

Wear

Scoring

Fonte: Budinski, K; Budinski, M; Kohler, MNorma ASTM G40

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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Esfolamento:

– Contradição na literatura: quando ocorre o esfolamento (galling).

Fonte: Andreasen; Bay; Chiffre

Heide e Schipper

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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento• Principais variáveis envolvidas no desgaste por

deslizamento

• Q, volume de material removido por unidade de distância de deslizamento;

• W, carga normal;• H, dureza do material mais mole• K, coeficiente de desgaste por deslizamento,

adimensional

HKWQ = Archard, 1953

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2 – Revisão Bibliográfica• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)

K engloba diversas variáveis

Gráficos de coeficiente de desgaste (K) x

• mecanismo de desgaste;

• velocidade de deslizamento;

• rugosidade;

• lubrificação;

• revestimentos.

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– Coeficiente de desgaste por deslizamento x lubrificação

Fonte: Hutchings, 1992

HKWQ =

Filme fino K

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– No desgaste por deslizamento K é maior do que no oxidativo (~ 10x). Mudança de mecanismo

– Ra x quantidade de picos de rugosidade

Viáfara e Sinatora, 2009

Leite, Gomes e Sinatora, 2008

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• 2 – Desgaste por deslizamento (variáveis)

– Velocidade menor adesão maior K maiorBonnet et al. 2008 Claudin et al. 2008

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• 3 – Revestimentos para ferramentas

– Aplicados por (PVD) deposição física do vapor de 250 °C a 500 °C

– Evapora-se um material sólido (Ti, Al, Cr, C) por aquecimento, feixe de

elétrons ou íons positivos

– Aumento de vida útil (3X – 100X)

– Melhora a qualidade superficial da peça produzida

– Aumenta produtividade

– Reduz consumo de lubrificante

– Ferramenta com DLC estampou 5 mil peças de Al x 5 peças sem rev.

Vetter et al. 1996

Murakawa et al. 1995

Smith, 1995

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2 – Revisão Bibliográfica• 3 – Revestimentos para ferramentas

– Revestimentos com Al geram coeficientes de atrito menoresClaudin et al. 2008

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• 3 – Revestimentos para ferramentas

– Limitações

– Revestimentos sempre apresentam defeitos:

• sulcos, picos, poros e vazios que se formam durante o processo de

deposição

– Induzidos

• pelo substrato (riscos, asperezas, resíduos de polimento, sujeiras)

• pelo próprio processo de deposição

(Panjan et al. 2009)

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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios para reproduzir o esfolamento

– Norma ASTM G98 estabelece configuração

Fonte: ASTM G98

•Rotação manual;

•Carga crescente a cada

ensaio;

•Contato conforme

•Repetição de trilha

Esfera para aplicação de força

Pino rotacionado

Disco fixo

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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios

– Na literatura há críticas ao ensaio ASTM G98

• Não considera a natureza estatística do fenômeno

• Ausência de velocidade constante

• Necessidade de grande número de amostras

• Equipamento capaz de aplicar elevadas cargas

– Proposição de outros ensaios

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– Gurumoorthy et al. 2007

Contato conforme

Acionamento mecânico

Cargas elevadas: 9,81 kN;

14,72 kN e 19,62 kN

Repetição de trilha

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2 – Revisão Bibliográfica• 4 – Ensaios não conformes

Controle de velocidade

Uma amostra por ensaio

Repetição de trilha

Hummel, 2001Podgornik et al 2004

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Podgornik et al 2004

Claudin et al. 2008

Gaard, Bergstrom e Krakhmalev, 2009 •Contato não conforme

•Velocidade controlada

•Não repete trilha

•Ensaios por amostra

•Equipamentos específicos

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•Podgornik et al. 2004

Dis

tânc

ia d

e de

sliz

amen

to (m

)

Car

ga c

rític

a (N

)

Car

ga c

rític

a (N

)

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3 – Objetivos

– Analisar o desgaste em ferramentas de conformação a

frio e tentar reproduzir o desgaste por deslizamento com

ensaios em um torno CNC

– Qualificar o desempenho das amostras ensaiadas

quanto sua resistência ao desgaste e quanto à força

tangencial medida.

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4 – Materiais e métodos• 1 – Trabalho em campo

Calibragem Pranchamento

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4 – Materiais e métodos• 1 – Trabalho em campo

Estampagem de chapas de aço AISI 5115 (~0,15 %C) 140 HV, de espessura igual a 0,8 mm e lubrificadas com óleo para estampagem (aditivos EP)

Substrato AISI M2 – 750 HV

Substrato AISI H13 – 595 HV

Revestimento TICN – 3000 HV

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4 – Materiais e métodos• 2– Ensaio em laboratório

•LFS e FSA

•Velocidade de

deslizamento até 0,5 m/s

•Profundidade de

penetração

programada:

0,1 mm e 0,3 mm

•Aquisição da

força tangencial de cima para baixo

à 2500 Hz

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4 – Materiais e métodos• 2– Ensaio em laboratório Cabeçote do

porta ferramenta

Pastilha ou ferramenta ou amostra

Diâmetro da amostra 18 mm

Espessura da amostra 6 mm

AISI M2

870 HV

AISI 1045

250 HV

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4 – Materiais e métodos• 2– Revestimentos

– TiN de 4,6 μm e 2300 HV0,2 (DUROTIN Tm)

– AlTiCrN de 4,9 μm e 3300 HV0,2 (EXXTRAL PLUS Tm)

AlTiCrN

-1

0

1

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

milímetro

mic

rôm

etro

TiN

-1

0

1

2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

milímetro

mic

rôm

etro

AlTiCrN TiN

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4 – Materiais e métodos• 2– Revestimentos

– Distribuição de altura de asperezas

AlTiCrN

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 500 1000 1500 2000 2500

TiN

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 500 1000 1500 2000 2500

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de corte 175 (mil) 63 x na lupa

Contato não conforme

Alteração de textura não constitui esfolamento

ASTM G98 e Budinski

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de corte 175 (mil). MEV

Deformação plástica da matriz

Riscos contornando carbonetos

50 μm

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de dobra 175 (mil)

Alteração de textura não constitui esfolamento

ASTM G98 e Budinski

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de calibragem (32 mil)

•Material aderido (setas pretas)

•Riscos radiais (seta vermelha)

•Material aderido supõe esfolamento na chapa

10 x na lupa

•Contato não conforme

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (sem revestimento)Punção de pranchamento (94 mil)

•Riscos na matriz contornando carbonetos

•Esfolamento de Andreasen, Bay e Chiffre

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5 – Resultados e discussões• 1 – Ferramentas industriais (revestidas)

Punção de calibragem (32 mil)

•Material aderido (setas pretas)

•Riscos radiais (seta vermelha)

Punção de calibragem com TiCN (1milhão)

Não houve qualquer esfolamento

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•Falhas no revestimento

•Desplacamento localizado

Punção de pranchamento (94 mil)

sem revestimentoPunção de pranchamento com TiCN (1 milhão)

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Punção de pranchamento com TiCN (1 milhão)

Desplacamento do revestimento

Dano iniciando nos defeitos

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5 – Resultados e discussões

• 2 – Ensaios em laboratório

– LFS – Mini Torno Fresadora Conjugados (MDSI)

• Registrou-se cargas tangenciais de até 55 N

– FSA – Romi Centur 30 S

• Mais robusto, proporcionou maior rigidez

• Registrou-se cargas tangenciais até 120 N

• Partículas de desgaste azuladas

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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório (LFS)

Diferença de carga e revestimento

0,1 mm 0,3 mm

AlTiCrN

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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório (FSA)

Diferença apenas de carga

0,1 mm 0,3 mm

AlTiCrN

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5 – Resultados e discussões

• 2 – Ensaios em laboratório– Menor velocidade maior influência absoluta da adesão sobretudo na não

revestida picos iniciais

– Revestida não sofreu influência perceptível da variação de velocidade devido a

baixa parcela de adesão em relação à não revestida (μ

= cte)

μ ≅ 0,3Bonnet et al. 2008

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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Profundidade de penetração (mm)

Forç

a ta

ngen

cial

(N)

FSA-SRFSA-TiNFSA-AlTiCrNLFS-SRLFS-TiNLFS-AlTiCrN

Inversão entre AlTiCrN e TiN

Al μ, K

+ defeitos

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– Ferramentas sem revestimentos LFS

• Mais material aderido para maior penetração

Penetração de 0,1 mm Penetração de 0,3 mm

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– Ferramentas sem revestimento FSA


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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório TiN

LFS

FSA


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5 – Resultados e discussões• 2 – Ensaios em laboratório AlTiCrN


LFS

FSA

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5 – Resultados e discussões2 – Ensaios em laboratório

Adesão preferencial nos “defeitos”

TiNAlTiCrN

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5 – Resultados e discussões2 – Ensaios em laboratório

0,1 mm FSA (menor esforço)

Sentido de avanço

Desgaste severo

Saliências macroscópicas

ESFOLAMENTO !

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– 0,3 mm; TiN; FSA (maior esforço)

Sentido de avanço

Não há esfolamento

Acabamento melhor!

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– 0,3 mm; AlTiCrN; FSA (maior esforço)

Sentido de avanço

Não há esfolamento

Acabamento melhor!

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6 – Conclusões• Ensaio relativamente fácil: equipamento pronto (CNC)

– Qualificação de ferramentas quanto ao desgaste por deslizamento

– Condição mais próxima dos ensaios mais recentes e da situação real de conformação

• Ferramentas industriais– Sem revestimento:

• Esfolamento para Andreasen, Bay e Chiffre; Heide e Schipper. Perfil de rugosidade

• Não o esfolamento da ASTM G40 ou Budinski– Com revestimento:

• Não se observou do esfolamento. Desplacamento• Importância do acabamento superficial do filme• Resultados mais próximos da condição industrial do

que o de Podgornik et al.• Baixa adesão promovida pelos filmes foi mais

importante do que a diferença de dureza entre os filmes

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FIM

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