Estudo de usinabilidade e influência do acabamento gerado por fresamento frontal na resistência à corrosão por pites em aços inoxidáveis duplex

Abstract

Os aços inoxidáveis duplex (DSS) são amplamente utilizados nas indústrias de petróleo, química e energia, devido às boas propriedades mecânicas associadas à alta resistência à oxidação e corrosão, o que resulta em baixa usinabilidade. O fresamento em materiais de difícil corte produz perfis ranhurados nas superfícies usinadas. O presente trabalho analisou a usinabilidade no fresamento frontal a seco de quatro tipos de DSS: LDX 2101, DX 2205, DX 2304 e SDX 2507, em relação aos esforços de corte, formação do cavaco e integridade superficial. A velocidade de corte (vc), o avanço por dente (fz) e a profundidade de corte axial (ap) foram aleatorizadas com o projeto de experimento de Box-Behnken. Investigaram-se as parcelas estáticas e dinâmicas da força de usinagem (FU), enquanto a transformada discreta de Wavelet forneceu informações sobre as vibrações de baixa (A4) e alta frequência (D1) dos sinais adquiridos. Os fatores de entrada fz e o ap influenciaram FU, A4 e D1. A rugosidade apresentou uma maior variabilidade. A microdureza dos cavacos e das chapas foi medida e as suas metalografias identificaram as fases ferrita e austenita. A análise através de microscopia eletrônica de varredura mostrou locais de compactação ao longo do comprimento do cavaco, bordas irregulares, formato de hélice e estruturas de variados tamanhos. Otimizaram-se simultaneamente as quatro variáveis de resposta (µFU, ΔFU, Ra, Rz) e cada DSS apresentou níveis específicos para os parâmetros de corte. A curva de Abbott-Firestone e a função distribuição de amplitudes indicaram que o SDX 2507 apresentou a menor declividade e maior curtose, seguido pelo DX 2304, DX 2205 e LDX 2101. A análise da superfície por interferometria indicou maior curtose para as superfícies otimizadas, com vales predominando (assimetria negativa). O ensaio de corrosão constatou pites de variados tamanhos (maiores no LDX 2101 e DX 2304). A perda de massa diminuiu nas menores rugosidades médias parciais (Rz). Com 1,6 µm < Rz < 3,9 µm, formaram-se de 20 a 30 pites/mm2 (em sulcos e ranhuras deixadas pela ferramenta). Na medição com espectroscopia por energia dispersiva, elevados teores de enxofre (possíveis inclusões) foram obtidos, além de um alto valor de cromo no centro do pite.

Duplex stainless steels (DSS) are widely used in the petroleum, chemical, and energy industries due to their excellent mechanical properties associated with high oxidation and corrosion resistance, resulting in poor machinability. Milling hard-to-cut materials produce grooved profiles on machined surfaces. The present work analyzed the machinability in dry face milling of four types of DSS: LDX 2101, DX 2205, DX 2304, and SDX 2507, about cutting forces, chip formation, and surface integrity. Cutting speed (vc), feed per tooth (fz), and axial depth of cut (ap) were randomized with the Box-Behnken experimental design. The static and dynamic portions of the machining force (FU) were investigated, while the discrete Wavelet transforms provided information about the low (A4) and high frequency (D1) vibrations of the acquired signals. The fz and ap input factors influenced FU, A4, and D1. The surface roughness showed more significant variability. The chips' and plates' microhardness were measured, and their metallographies showed ferrite and austenite phases. Analysis by scanning electron microscopy showed compaction sites along the chip length, irregular edges, helix shape, and structures of varying sizes. The four response variables (µFU, ΔFU, Ra, Rz) were simultaneously optimized, and each DSS presented specific levels for the cutting parameters. The Abbott-Firestone curve and amplitude distribution function indicated that SDX 2507 had the lowest slope and highest kurtosis, followed by DX 2304, DX 2205, and LDX 2101. Surface analysis by interferometry showed higher kurtosis for optimized surfaces, with valleys predominating (negative asymmetry). The corrosion test found pits of different sizes (larger in LDX 2101 and DX 2304). The mass loss decreased in the smallest average maximum height of the profile (Rz). With Rz from 1.6 to 3.9 µm, 20 to 30 pits/mm2 were formed (in scratches and grooves left by the tool). In the measurement with energy dispersive spectroscopy, high levels of sulfur (possible inclusions) were obtained, in addition to a high value of chromium in the center of the pit.