Danos superficiais causados em aços-ferramenta pelo processo de eletroerosão

O processo de eletroerosão é muito utilizado na fabricação de ferramentais em geral, e proporciona redução de custo, tempo de execução e melhoria de acabamento superficial, sendo, muitas vezes o único processo aplicável quando os ferramentais já se encontram temperados e revenidos. 

Entretanto, o processo deve ser cuidadosamente controlado em seus parâmetros de operação, pois podem causar modificações microestruturais importantes na superfície usinada, diminuindo a resistência a fratura e induzindo à formação de trincas superficiais que podem se propagar e promover a fratura catastrófica da ferramenta. 

A fabricação de ferramentais encontra um amplo espectro de aplicações na manufatura de produtos em geral. As principais aplicações incluem processos de injeção de polímeros, deformação a frio e a quente e fundição de ligas não ferrosas. 

Estes processos possuem características específicas que necessitam da seleção de diferentes aços-ferramenta, que são tratados termicamente para diferentes níveis de resistência mecânica, dureza. A dureza pode variar amplamente em função do tipo de ferramental. 

Por exemplo, ferramentais para o setor de injeção de polímeros são, frequentemente, tratados termicamente para a faixa de 30 a 40 HRC, os aplicados na fundição de não ferrosos entre 45 e 48 HRC e aqueles para conformação e corte a frio em níveis que variam de 58 a 62 HRC.

A necessidade de tratamento térmico para o endurecimento tem um efeito direto na sequência de fabricação de ferramentais. Em geral, os ferramentais são pré-usinados na condição de baixa dureza, recozidos, para a forma e dimensão mais próxima possível da final. Nesta etapa, é considerado um sobremetal, um valor em excesso de dimensão, para ser retirado após o tratamento térmico de têmpera e revenimento. 

Isto porque as expansões e contrações que os aços sofrem durante o tratamento térmico alteram as dimensões na ordem de décimos ou até em unidades de milímetros. Esta variação dimensional depende: do tipo de aço, da dimensão e geometria do ferramental e do processo de tratamento térmico utilizado; banho de sal ou vácuo.

Assim, o processo final de fabricação do ferramental exige a usinagem de precisão do aço, em geometria complexa, na condição de elevada dureza onde os processos convencionais de usinagem por remoção de cavaco não são mais aplicáveis. É nesta etapa que o processo de usinagem por eletroerosão (EDM – Electrical Discharge Machining) é amplamente aplicado. 

O processo de eletroerosão se tornou a tecnologia mais importante na indústria de manufatura para a obtenção de formas complexas utilizando o corte a fio ou a penetração como os procedimentos mais difundidos. Desenvolvida no final da década de 40 do século passado, tem sido aceita em todo o mundo como um processo padrão para a fabricação de ferramentais. De uma forma geral, é considerado como o quarto mais popular na usinagem de ferramentais. Os processos mais utilizados são: fresamento, torneamento e retificação.

A EDM é um processo térmico com um mecanismo complexo de remoção de metal. O mecanismo primário faz uso da energia elétrica que se transforma em energia térmica por uma série discreta de descargas elétricas que ocorrem entre o eletrodo e a ferramenta imersa em um fluído dielétrico. 

O sistema gera um canal de plasma entre o catodo e o anodo capaz de elevar a temperatura a níveis próximos de 8.000 ~ 12.000ºC. Como resultado, ocorre a vaporização e fusão do metal na superfície resultando em transformações metalúrgicas que alteram o perfil de tensões residuais e podem levar ao trincamento e fratura. Por isso, a EDM tem um papel importante na integridade superficial e na vida do ferramental.

Os principais processos utilizados na indústria de ferramentais são a eletroerosão a fio e a eletroerosão por penetração. Estes processos estão ilustrados na figura.

Figura 1 – Representação esquemática dos processos de eletroerosão 


Aspectos metalúrgicos da eletroerosão

A característica de elevado aquecimento localizado na EDM, seguido de resfriamento rápido pelo fluido dielétrico é responsável por modificações metalúrgicas importantes na superfície do ferramental, independente do tipo de aço-ferramenta em uso. 

Alguns aços-ferramenta são mais propensos a estas alterações, em geral, aqueles com maior quantidade de elementos de liga como os aços para trabalho a frio e aços-rápido, mas aços para trabalho a quente e para moldes de injeção de polímeros também podem sofrer danos por EDM.

O aspecto mais importante relacionado à variação localizada de temperatura é a mudança microestrutural que ocorre na região erodida. Esta mudança de microestrutura na superfície promove uma alteração de propriedades mecânicas fundamentais como a dureza e a resistência à fratura, além de alterar o padrão de tensão residual. A combinação destes efeitos pode levar à nucleação e propagação de trincas, ocasionando até mesmo a fratura catastrófica do ferramental.

A microestrutura de partida de quase a totalidade dos aços-ferramenta é constituída de uma matriz de martensita revenida, com elevada dureza, formada na têmpera e revenimento. O aquecimento na região de erosão pode ser suficiente para as seguintes modificações microestruturais.

Formação de fase líquida, refusão, e re-solidificação

Na região mais externa da superfície, onde as temperaturas são extremas, além da vaporização do metal pode ocorre uma fusão localizada. Esta fina capa de líquido em contato com o fluído dielétrico se solidifica rapidamente e na sequência do resfriamento se transforma em martensita. Como se sabe, a martensita é uma fase de elevada dureza e elevada fragilidade. 

Em aços de alto carbono e alta liga o fato se agrava, pois esta martensita fica com excesso de carbono e elementos de liga, mesmo comparando com a composição original do aço. Por exemplo, no aço AISI D2 o teor de carbono na martensita após a têmpera convencional é em torno de 0,58%, mas com a formação de fase líquida na EDM o teor de carbono da martensita pode atingir 1,5% pois todos os carbonetos são dissolvidos e o resfriamento extremamente rápido do filme líquido impede a nova formação de carbonetos. 

Por isso a fragilidade da martensita de EDM é superior a aquela que o próprio aço teria no estado temperado. O excesso de carbono pode ainda gerar uma elevada fração de austenita retida. Esta região é denominada de “camada branca” por seu aspecto ao microscópio óptico. 

Formação da Zona Termicamente Afetada (ZTA)

Abaixo da camada re-solidificada o excesso de calor promove mudanças estruturais importantes na matriz do aço originalmente temperado e revenido. O excesso de calor é responsável por promover transformações de fase localizadas e alterar a microestrutura de forma a modificar a resistência mecânica e a resistência à fratura na região. Duas alterações podem ocorrer pelo superaquecimento:

(1)   A re-austenitização de uma fina camada que, por ação do resfriamento rápido, forma martensita “fresca”, não revenida, o que eleva localmente a dureza e;


(2)  Abaixo desta região o calor transferido promove um excesso de revenimento da microestrutura original e isso diminui localmente a dureza. A figura 2 ilustra estas regiões afetadas durante o processo de aquecimento e resfriamento na eletroerosão.




Figura 2 – Região com microestrutura modificada termicamente pela EDM 

Geração de tensões residuais 

As transformações de fase que ocorrem na superfície alterada pela eletroerosão causam mudanças importantes de propriedades mecânicas pelo aumento de dureza, com consequente diminuição na resistência à fratura, provocada pelo aparecimento da martensita de alto carbono na “camada branca” re-solidificada e pela martensita fresca de re-têmpera. Na região super-revenida ocorre uma diminuição na dureza, mas não são estes os únicos efeitos presentes. 

Toda vez que o aço é submetido a ciclos de aquecimento e resfriamento ocorre expansão e contração térmica. Entretanto, quando ocorre uma transformação de fase também ocorre uma expansão ou uma contração e, dependendo da transformação, o peso desta variação volumétrica é de importância predominante. 

A transformação martensítica é caracterizada pela expansão volumétrica e esta expansão é maior quanto maior for o teor de carbono dissolvido na martensita. Este fato é particularmente significativo quando se considera a formação da “camada branca” e da zona retemperada por EDM, tendo em vista que a “camada branca” é uma martensita de teor de carbono elevado, superior ao do aço, e com uma expansão significativamente maior que a normal da têmpera. Ainda, não se deve desconsiderar que a presença de uma re-têmpera, abaixo da “camada branca”, também promove uma expansão em uma região que originalmente era revenida.

Estas variações volumétricas de expansão são responsáveis por alterar o perfil de tensão residual na superfície do ferramental erodida pela EDM. Originalmente todo ferramental se encontra em um estado de tensão interna que depende de sua microestrutura, de seu histórico térmico. Quando ocorre a formação de martensita na EDM, seja na camada branca ou na ZTA, a expansão desta fina camada é restrita pelo volume do núcleo do ferramental, resultando na geração de intensas tensões residuais de tração.

A figura 3 mostra o perfil de tensões residuais em diferentes condições operacionais de EDM onde claramente se observa a presença de um pico de tensão residual de tração na superfície que atinge valores tão elevados quanto 600 MPa. O elevado valor desta tensão residual só pode ser aliviado pela geração de trinca e estas trincas ocorrem nas fases de elevada fragilidade presentes na camada branca e na região retemperada. Uma vez que estas trincas sejam nucleadas elas podem se propagar para o interior do ferramental a ponto de causar a fratura catastrófica.

Figura 3 – Perfis de tensão residual após a EDM, em diferentes condições de operação, no aço ferramenta tipo AISI H11 


A figura 4 ilustra a formação destas trincas em uma superfície eletroerodida de um aço do tipo AISI H11. Observam-se as diferentes zonas microestruturais geradas pelo superaquecimento na eletroerosão e a presença de trincas de tensão de tração que se formam perpendicularmente a superfície e se propagam em direção ao núcleo da ferramenta.


Figura 4 – Camada superficial do aço ferramenta tipo AISI H11 com microestrutura modificada por EDM 


Estudo de caso 

Uma prática comum em ferramentaria é a retirada de punções de corte a frio a partir de blocos temperados e revenidos de aços-ferramenta do tipo: AISI O1 AISI D6 e AISI D2. Como estes aços se encontram na dureza em torno de 60 HRC, o corte de punções por eletroerosão a fio é o processo empregado. 

Este estudo de caso mostra a fratura em um bloco redondo de aço tipo AISI O1, com 39,9 kg, temperado e revenido para a dureza de 58 – 60 HRC que sofreu trinca no início da remoção de um punção por eletroerosão a fio. A figura 5 mostra região do bloco com o pré-furo por onde se iniciou a EDM a fio e a trinca originada no processo.

Figura 5 – Bloco de aço VND com trinca de eletroerosão

Figura 5 – Bloco de aço VND com trinca de eletroerosão

O exame metalográfico detalhado realizado na região do corte a fio mostra as mudanças microestruturais resultantes da operação de EDM. O aço apresentou as variações microestruturais típicas esperadas para o dano por EDM, mostradas na figura 6. 

Observa-se junto à região mais superficial uma camada de coloração mais clara do que o núcleo, correspondente a região de re-têmpera por EDM, indicada pelas setas vermelhas. Nesta região retemperada ocorre uma expansão pela transformação martensítica e a geração de elevadas tensões residuais de tração, responsáveis por trincamento. Por decorrência deste aquecimento, abaixo da região retemperada o aço sofreu um aquecimento capaz de re-revenir localmente a região indicada pelas setas brancas, camada mais escura que o núcleo. Uma gota, do líquido originado na EDM pode ser observada, indicada pela seta amarela.

Figura 6 – Microestrutura na região de corte a fio por EDM no aço AISI O1

Figura 6 – Microestrutura na região de corte a fio por EDM no aço AISI O1

Um segundo caso é apresentado para a eletroerosão por penetração realizada em uma ferramenta construída com o aço AISI D6. 

A figura 7 mostra a ferramenta na forma em que foi recebida, antes do tratamento térmico e a ferramenta já temperada e revenida, mas danificada após a eletroerosão. É claro o dano extenso provocado pela eletroerosão.


Figura 7 – Ferramenta em aço AISI D6 recebida para o tratamento térmico e após o dano por eletroerosão 

As variações microestruturais observadas no dano por EDM são particulares deste tipo de liga e mostrados na figura 8. As setas amarelas mostram a camada branca originada na re-têmpera. Como o aço VC-131 (D6) possui um teor de carbono muito elevado, cerca de 2,2%, esta martensita se apresenta com uma série de trincas perpendiculares à superfície. Estas trincas são originadas pelas tensões residuais de tração geradas pela formação da camada branca e indicadas na figura pelas setas brancas. 

A elevada dureza da camada retemperada, e sua fragilidade, não suportam as tensões de tração e sofre trincamento. Por sua vez, como a matriz do aço VC131 é frágil pela elevada dureza e pela presença de carbonetos eutéticos, partículas brancas, as trincas geradas na camada branca se propagam para o interior do aço ao longo das bandas de carbonetos, sendo as trincas indicadas pelas setas pretas. Uma camada re-revenida também é observada abaixo da camada branca como efeito do aquecimento na EDM.


Figura 8 – Microestrutura na região de corte a fio por EDM no aço AISI D6

Considerações finais 

Estas variações microestruturais na superfície, provocadas pela EDM, são as causadoras da trinca. As elevadas tensões residuais de tração originadas na camada branca de re-têmpera não podem ser acomodadas pela resistência mecânica e há fratura desta região. Ainda, a região que sofreu novo revenimento, com seu limite de escoamento diminuído, e o núcleo original não possuem resistência à fratura para parar a propagação da trinca gerada.

Entretanto, não apenas a correta seleção dos parâmetros operacionais da EDM é importante, mas o tipo do aço-ferramenta escolhido também tem um peso na possibilidade de surgimento de trincas quando utilizado o processo de EDM. Dentre os aços-ferramenta para trabalho a frio citados anteriormente, a prática de tratamento térmico desempenha um papel fundamental no risco das trincas por EDM. 

Os aços AISI O1 e AISI D6, por questões de sua composição química, são sempre revenidos na faixa de 200ºC para se obter a dureza de trabalho. Nesta condição, com revenimento a baixa temperatura, a matriz temperada e revenida possui uma resistência à fratura muito baixa porque o alívio de tensões da martensita não é obtido plenamente, razão da elevada dureza. Assim, no caso de um dano superficial por EDM ocorrer e trincas vierem a ser nucleadas na camada superficial afetada, o núcleo do ferramental, matriz do aço, não terá resistência à fratura suficiente para minimizar a propagação destas trincas e a fratura catastrófica pode não ser evitada.

Também, o calor gerado na superfície irá re-revenir a matriz, originalmente revenida a 200ºC, e irá diminuir localmente a dureza, ou seja, uma camada com menor resistência mecânica também não será capaz de controlar o avanço de uma trinca.

No sentido de se obter uma maior segurança neste processo de fabricação de punções por EDM a fio recomenda-se o uso de aço AISI D2. Este aço possui duas rotas de tratamento térmico. A tradicional e mais antiga, emprega revenimento a baixa temperatura, pois trata o aço D2 como um aço D6 e também produz uma matriz de baixa resistência à fratura. 

Entretanto, tem sido mostrado na literatura que o aço AISI D2, por sua composição química, pode ser revenido a alta temperatura para se obter dureza na faixa de 58-60 HRC e uma matriz com maior resistência à fratura [8]. Como o revenimento é realizado acima de 500ºC, o superaquecimento na EDM causa um efeito muito menor na estrutura de tratamento térmico. Neste caso, quando se utiliza o aço AISI D2, possíveis danos por EDM podem ser acomodados pela matriz de maior resistência à fratura sem a ocorrência de trincas catastróficas.

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Carlos Eduardo Piñedo

Possui graduação em Engenharia Metalúrgica pela Universidade de Mogi das Cruzes, mestrado em Engenharia Metalúrgica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, doutorado em Engenharia de Materiais pelo IPEN/Universidade de São Paulo e Pós-Doutorado pelo Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EPUSP. Coordenador de Pós-Graduação em Engenharia de Processos Metalúrgicos na Universidade de Mogi das Cruzes e Assessor Científico da Fundação de Amparo ao Ensino e Pesquisa da UMC. Sócio-Diretor Técnico da Heat Tech - Tecnologia em Tratamento Térmico e Engenharia de Superfície Ltda. e da HTS Tecnologia em Revestimentos Ltda. Especialista em Processos de Tratamentos Térmicos e Fenômenos de Superfície, atuando principalmente nos seguintes temas: nitretação sob plasma, tratamento térmico, revestimento PVD, desgaste, microestrutura de aços ferramenta e inoxidáveis.