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Índice
Histórico 4
Definição 5
O mercado da metalurgia do pó 5
Introdução 5
Características 6
Economias em processos 7
Vantagens 7
Desvantagens 8
Características dos pós metálicos 8
Forma, tamanho e distribuição granulométrica 8
Composição química, perda do hidrogênio e insolúveis 9
Densidade e escoamento 9
Métodos de obtenção dos pós metálicos 9
Atomização 9
Eletrólise 10
Outros processos 10
Detales de fabricação 10
Mistura e compactação de pós 10
Operações secundárias 13
Recompreção 13
Infiltração 13
Impregnação 14
Sinterização. 15
Fornos de sinterização 16
Tratamentos termicos e termoquímicos 17
Têmpera 17
Cementação 18
Carbonitretação 18
Nitretação 19
Tratamento a
vapor.......................................................................
.....19
Acabamento 20
Acabamento superficial 20
Operações de usinagem 20
Torneamento 21
Fresagem 21
Furação e rosqueamento 21
Retífica 21
Rebarbação 22
Peças sinterizadas 22
Detalhes de projeto. 22
Forma, geometria e tolerância 22
Considerações sobre prjeto de peças sinterizadas. 23
Filtros. 23
Aplicações 23
Propriedades de retenção. 24
Conclusão 24
Bibliografia. 24
Índice de Figuras
Figura
1...........................................................................
................................4
Figura 2 5
Figura 3 6
Figura 4 7
Figura 5 9
Figura 6 11
Figura 7 16
Figura 8 16
Figura 9 17
Figura 10 18
Índice de tabelas
Tabela 1 (aumento de peso) 20
1. HISTÒRICO
3000 AC – Egípcios (pó de ferro)
300 DC – Índia – coluna de 6,5 toneladas de pó de ferro reduzido (fig. 01)
1800 – Consolidação do pó de platina por trabalho a quente
1905 – Filamentos de carbono
1910 – Filamentos de tungstênio
1930 – Bronze poroso, Ag, grafites e carbetos
1940 – Ligas de tungstênio, ferro e metais refratários
(Fig. 01)
2. DEFINIÇÃO
Técnica metalúrgica que consiste em transformar pós de metais ou ligas
metálicas e as vezes substâncias não metálicas em peças resistentes, sem
recorrer à fusão, utilizando apenas pressão e calor.
3. O MERCADO DA METALURGIA DO PÓ
Após a Segunda Guerra Mundial, novas oportunidades de negócios surgiram
no Brasil e, antevendo o grande desenvolvimento industrial dos anos
seguintes, em 1954 foi fundada a Brassinter S.A. Indústria e Comércio (hoje
a mais antiga metalúrgica do pó), cuja equipe técnica originou-se de um
grupo de pesquisadores do IPT.
Hoje o mercado nacional, oferece uma enorme quantidade de industrias
especializadas nesse ramo de produção, chegando até a dominar o mercado no
continente Sul-Americano. Colocando a disposição uma linha, com enorme
diversidade de tais produtos, sendo fabricados para diversos setores da
economia mundial. (fig. 02)
4. INTRODUÇÃO
A Metalurgia do pó, comumente denominada sinterização, vem a ser um
processo altamente desenvolvido de manufatura de peças metálicas ferrosas e
não ferrosas.
Basicamente, os pós metálicos são configurados em ferramental
apropriado com posterior aquecimento sob condições controladas a
temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base para promover ligação
metalúrgica entre as partículas.
Esse aquecimento, chamado sinterização, normalmente confere à massa de
pó aglomerada as propriedades físicas e mecânicas desejadas. É comum,
entretanto, a ocorrência de outras fases de processo que permitem alcançar
valores mais rigorosos de resistência mecânica, tolerância dimensional,
acabamento, etc, (fig. 03).
Fundamentalmente, a sinterização é um processo onde a economia de
material é levado ao extremo: não há geração de cavacos (os quais numa
usinagem convencional podem representar até 50% do peso original da peça
bruta, nem carepas e tendo ainda vantagem do controle da densidade,
eliminar pesos mortos indesejáveis no produto final. Mesmo levando em
consideração à necessidade de operações posteriores de usinagem, uma peça
sinterizada normal, usa mais de 97% de sua matéria original).
A consideração dos aspectos econômicos torna ainda mais significativos
quando se fabricam peças de formas complexas, tolerância dimensionais
rigorosas e grandes lotes de produção.
Fluxograma – Metalurgia do Pó (fig. 03)
4-1. Características
Através da metalurgia do pó, consegue-se a fabricação de um componente
de uso universal: os mancais auto lubrificantes. Realmente, a porosidade
existente num mancal sinterizado pode ser preenchida com óleo para garantir
uma lubrificação permanente entre o eixo e o mancal. É também a metalurgia
do pó o único processo conhecido para a produção de determinadas ligas de
altíssima dureza em condições industriais. As técnicas de metalurgia do pó
possibilitam o desenvolvimento de ligas -cerâmicas (CEMET), cuja aplicação
abre um horizonte ilimitado.
Além de poderem ser impregnadas com óleo para funcionarem com mancais
auto lubrificantes, as peças sinterizadas podem ser impregnadas com rezinas
para selar os poros interconectantes, infiltradas com ligas metálicas para
se aumentar a resistência mecânica, tratadas termicamente, cromadas,
niqueladas, ferróxidadas, etc...
A maioria das peças sinterizadas pesa menos de 2,5kg (fig. 04), embora
peças com até 15kg, possam ser fabricadas. Em seu desenvolvimento inicial,
a metalurgia do pó produzia peças de formas geométricas bastante simples,
em contraste com a atualidade onde, por motivos principalmente econômicos,
procura-se fabricar cada vez mais complexas, já que os processos
convencionais tornam-nas extremamente onerosas.
(Fig. 04)
4-2. Economias em processos
Em vários casos práticos, tais como em eixos com excêntricos, pinhões
em pontas de eixo, etc, obtêm-se os, economia significativa pela utilização
de peças sinterizadas agregadas a um a peça original simples. Em situações
como esta, o processo de fabricação utiliza-se dos métodos convencionais
para a "peça básica" e da metalurgia do pó para a produção da "parte
complexa".
Algumas peças podem, ainda, ser feitas separadamente na compactação e,
então, juntadas e sinterizadas, produzindo a peça final desejada.
4-3. Vantagens
Reduz ao mínimo as perdas de matéria prima;
Facilita o controle exato da composição química desejada;
Elimina ou reduz operações de usinagem;
Possibilita bom acabamento superficial;
Processo produtivo de fácil automação;
Produtos obtidos de alta pureza;
Permite a utilização de características de resistência exatamente como
requeridos pelo projeto.
4-4. Desvantagens
Limita a forma geométrica da peça (a peça tem que ser extraída de uma
matriz);
Obriga a execução de grandes volumes de produção, já que o custo do
ferramental é elevado;
Limita o tamanho da peça, uma vez que as potências requeridas
para compactação são proporcionais à área transversal. Peças grandes exigem
máquinas de elevada potência para sua compactação.
5. CARACTERÍSTICAS DOS PÓS METÁLICOS
5-1. Forma, tamanho e distribuição granulométrica
Entre as características mais importantes dos pós metálicos estão à
forma e o tamanho das partículas individuais (fig. 05). Para o projeto de
uma peça sinterizada, a distribuição granulométrica das partículas é outra
informação importante. Os vários métodos de obtenção de pó metálicos
conduzem a diversas formas, tamanhos, distribuição e outras características
dos pós, sendo imprescindível o domínio do processo de obtenção e
caracterização dos pós para se chegar a uma peça final que atenda os
quesitos de engenharia.
As partículas de pós metálicos podem ser esféricas, aciculares,
dendríticas, etc.
A medição do tamanho das partículas exige equipamentos especiais:
qualquer dos métodos mais comuns de medição tem sempre alguma aproximação,
contém algum erro inerente. Partículas unidimensionais são, em geral,
acirculares ou parecidas com bastões irregulares. Sua dimensão mais
significativa é, portanto, o comprimento. Partículas em forma de escamas
podem ser consideradas como bidimensionais, onde o comprimento é muito mais
significativo que a espessura. Várias partículas são de natureza
tridimensional, como as esféricas.
O método mais comum de medição do tamanho da partícula que podem variar
de 0,400 a 0,0001mm é o das peneiras padronizadas como, por exemplo, a
Série de Taylor.
Liga – Cobre, bronze e ferro (fig. 05)
5-2. Composição química, perda do hidrogênio e insoluveis
A composição química desejada para o produto final é bastante
controlável na metalurgia do pó. Basicamente, pós de diferentes metais
podem ser misturados nas proporções especificadas, pode-se partir
diretamente de pós pré-ligados ou pode-se, ainda, misturar pós pré-ligados
a pós de metais, para se chegar à composição desejada. Essa grande
versatilidade no manuseio e combinação de pós diferentes é uma das grandes
vantagens de metalurgia do pó, visto que uma gama enorme de composições
químicas pode ser obtida industrialmente através essa técnica.
Relativamente à "pureza" do pó, utilizam-se dois parâmetros de fácil
caracterização: perda do hidrogênio e insolúveis.
5-3. Densidade e escoamento
A massa volumétrica ou densidade aparente de um pó metálico no estado
livre é uma característica muito importante no dimensionamento dos
parâmetros dos ferramentais de compactação de sinterizados, e é expressa em
g/cm3 . Valores típicos são também apresentados na tabela a seguir.
A facilidade de uma massa de pó atravessar orifício tem também grande
importância no enchimento das cavidades de moldes ou matizes. A forma,
tamanho e distribuição granulométrica das partículas de pó têm grande
influência nessa característica. Por normalização aceita
internacionalmente, estabeleceu-se como padrão de referência para
escoamento o tempo, em segundos, que uma massa de 50 gramas leva para se
escoar através de um orifício previamente calibrado em recipiente de
geometria definida.
6. MÉTODOS DE OBTENÇÃO DOS PÓS METÁLICOS
Os dois mais importantes processos conhecidos são a atomização e a
eletrólise.
6-1. Atomização
Na atomização, o metal fundido é vazado através de um orifício
apropriado a essa operação, formando um filete liquido que é "agredido" por
jatos de ar, gás ou água. Esses jatos provocam a pulverização do filete e
seu imediato resfriamento. O pó recolhido é reduzido e peneirado, estando
pronto para ser usado.
O tamanho e a forma das partículas variam em função de vários
parâmetros, entre os quais se destacam; a espessura do filete, a pressão da
água ou gás, a geometria do conjunto de pulverização e, evidentemente, o
tipo de atomização. A atomização a água normalmente conduz a partículas
irregulares e angulosas, enquanto que a atomização a ar produz partículas
mais esferoidais.
6-2. Eletrólise
A fabricação de pós metálicos a partir da eletrolise é outro processo
comumente utilizado para a produção de pós de cobre. Os pós produzidos
apresentam elevada pureza, baixa densidade aparente e tem grãos de
estrutura nitidamente dendrítica. Após recolhida dos tanques de eletrólise,
a massa de pó, sob a forma de uma lama, é neutralizada, secada, reduzida e
classificada por peneiramento.
6-3. Outros processos
Vários outros processos podem ser utilizados para a obtenção de pós
metálicos, cada qual produzindo pós com características especificas:
Métodos mecânicos: trituração e moagem;
Métodos físico-químicos: pirólise (obtenção de pós de ferro e
níquel de alta pureza);
Métodos químicos: redução de óxidos por hidrogênio ou monóxido de
carbono; corrosão: pós de aço inoxidável.
7. DETALHES DE FABRICAÇÃO
7-1. Mistura e compactação de pós
Os pós são misturados em misturadores tipo "Y" ou "duplo cone" .
Mesmo quando se utilizam pós pré-ligados, há necessidade de se
adicionarem lubrificantes sólidos (estearato de zinco, por exemplo) para
diminuir o atrito entre os componentes do ferramental de compactação. A
compactação convencional e sempre executada em prensas mecânicas ou
hidráulicas. Uma quantidade predeterminada de pó é colocada numa cavidade
formada pela matriz e macho, e é então compactada por uma série de
deslocamentos dos punções superiores e inferiores, matriz e macho, à
temperatura ambiente.
Trate-se, aqui, da compactação de um tarugo de ferra, mas a conclusão
podem ser estendidas a qualquer outro compactado.
A matriz é uniformemente preenchida com pó de densidade aparente (neste
caso particular) de 2,4g/cm3.
Ambos os punções se deslocaram uma pequena distância. O pó foi
levemente compactado (pressão de compactação de 0,1t/cm2) e a densidade
aumentou de 2,4 para 2,9g/cm3 que corresponde à densidade de um pó "socado"
(fig. 06).
Até aqui, a compactação apenas causou o adensamento do pó, sem
deformação das partículas e, evidentemente, sem nenhuma adesão entre elas.
Fluxograma da mistura e compactação (Fig. 6)
Se o pó for removido da matriz, tornará urna forma esboroada, sem
contornos definidos. A partir desse ponto, o aumento da pressão aplicada
resultará em deformação plástica das partículas. As partes mais finas de
cada partícula individual se deformarão ou quebrarão, e uma "solda fria",
devida ao entrelaçamento dos grãos, acontecerá, já que eles procurarão
ocupar os espaços vazios entre eles.
Parte dessa pressão é transmitida através da massa de pó, causando
considerável atrito entre as partículas de pó e a matriz e machos. A
densidade aproximada de 3,2g/cm3, que corresponde a uma pressão da ordem de
0,16t/cm2, já haverá adesão intergranular suficiente para se ter uma peça
cilíndrica, porém sem resistência mecânica suficiente sequer para ser
manuseada industrialmente.
A compressão continua, bem como a influência do atrito contra as
paredes da matriz; além da fricção interna entre as partículas. A densidade
já alcançou 4,8g/cm3, ou seja, dobro da densidade inicial. A pressão é da
ordem de 1,2t/cm2. Quando a pressão de compactação alcança cerca de
2,2t/cm2, a densidade estará por volta de 5,5g/cm3.
A densidade alcançou 6,0g/cm3, correspondente a uma pressão de
3,3t/cm2.
Aqui a peça está com sua altura reduzida a 1/3 da original.
A densidade de 5,5g/cm3 é a menor densidade utilizada em peças de
ferro. Se uma peça com densidade inferior a essa for sinterizada, suas
propriedades mecânicas será muito pobres, para aplicações práticas. Para
mancais autolubrificantes de ferro, são comuns densidades entre 5,7 e
6,2g/cm3. Após esses valores de densidade, as pressões de compactação
envolvidas sobem cada vez mais acentuadamente, causando consideráveis
deformações plásticas entre as partículas e conseqüente atrito interno e
contra as paredes da matriz.
É obvio, do ponto de vista econômico, que não se deve levar a densidade
a valores extremos. Já que isso acarreta rápido desgaste do ferramental. Na
prática, em cerca de 90% dos casos, procura-se trabalhar na faixa de 5,7 a
6,8g/cm3 para peças de ferro, conduzindo a processos bastante econômicos.
Para mancais autolubrificantes do bronze, as densidades mais usadas
estão entre 5,8 e 6,9 g/cm3. Na produção de uma peça mais complexa, como
uma engrenagem simples com um furo achatado no centro, por exemplo, o ciclo
completo de compactação pode ser visualizado pela seqüência mostrada na
figura abaixo.
Uma engrenagem dupla, por exemplo, exigiria um ferramental mais
complexo (dupla punção inferior) e, evidentemente, uma máquina mais
sofisticada que permitisse o uso desse ferramental. Após a compactação a
peça é chamada de "compactação do verde'. A densidade e a resistência a
verde é dois importantes parâmetros físicos nessa etapa do processo, já que
terão influência decisiva nas propriedades mecânicas da peça final.
Outro detalhe importante é chamado "zona neutra", que é a região onde
as partículas de pó menos sofrem influência do processo mecânico da
compactação. Em muitos casos, a localização da zona neutra inviabiliza a
produção de urna peça em sinterizados. Em outros, como numa peça muito
esbelta (grande altura em relação ao diâmetro ou a dimensão transversal),
não se consegue, em torno dessa zona, grande compactação compatível com as
outras regiões da peça, tornando-a inexeqüível.
A sinterização é a etapa do processo de metalurgia do pó em que uma
massa de partículas, na forma do compactado verde ou confinado em moldes, é
aquecida mediante lenta passagem à temperatura abaixo do ponto de fusão do
metal ou liga, levando em conta condições controladas de temperaturas,
tempo de permanência, velocidade do aquecimento/resfriamento e atmosfera.
Basicamente, a sinterização é um processo de estado sólido, ocorrendo
ligação química e metalúrgica das partículas do pó no sentido de eliminar
ou diminuir a porosidade existente no compactado verde, formando um corpo
coerente provido das propriedades físicas primárias do sinterizado.
Em diversos casos, a temperatura de sinterização é suficientemente alta
para fundir um ou mais componentes do material, caracterizando a chamada
sinterização com fase líquida. Sob o ponto de vista de economia e
funcionalidade do processo, o desejável é ter o produto sinterizado acabado
após esta operação. Entretanto, quando certas características físicas e
dimensionais não são atingidas, pode-se promover operações subseqüentes de
recompressão, resinterização, infiltração com metais de mais baixo ponto de
fusão, etc...
Os efeitos da sinterização sobre as propriedades do produto final é
muito importante e seu conhecimento útil na sua correta aplicação
funcional.
A sinterização é comumente processada em fornos contínuos,
caracterizados por três zonas de operação: pré-aquecimento, manutenção e
resfriamento.
7-2. Operações secundárias
Recompressão
Dependendo da forma geométrica da peça da densidade, liga, etc..., ela
se deforma durante a sinterização. Nos casos em que essa deformação
ultrapassa certo limite, há necessidade de uma operação adicional de
recompressão para garantir tolerâncias apertadas, rugosidade, etc... A
recompressão é uma operação similar à compressão, exceto que, ao invés do
pó, há a compactação de uma peça já sinterizada.
Infiltração
A infiltração é basicamente um processo de fechamento dos poros de
peças (total ou parcialmente) de um esqueleto (compactado ou sinterizado)
de baixa ou média densidade (5,6 at6 6,8g/cm3) com um metal ou liga do
ponto da fusão mais baixo.
0 método mais usado consiste na colocação de uma pastilha compactada do
metal a ser infiltrado em contato com o esqueleto compactado ou pré-
sinterizado e aquecendo-se acima do ponto de fusão do infiltrante e abaixo
do ponto de fusão do esqueleto, o infiltrante se funde e este penetra no
esqueleto por capilosidade preenchendo parcial ou totalmente os poros.
A infiltração pode ser efetuada com o infiltrante e o esqueleto;
somente compactados; e a infiltração e a sinterização ocorre
simultaneamente (sintration) ou o esqueleto já sinterizado e infiltrante
compactado, e somente ocorre à infiltração; este último é o menos
econômico, mas pode-se obter melhor resistência e ductilidade do que o
primeiro.
A infiltração pode ocorrer diretamente onde à pastilha está diretamente
em contato com o esqueleto ou através de uma ponte de ligação entre o
infiltrante e o esqueleto (infiltração indireta). A ponte de ligação é para
evitar erosão ou adesão de resíduos indesejáveis, mas torna-se inviável
devido à compactação da ponte de ligação, do infiltrante e do esqueleto.
A infiltração dos metais tem corno efeito à melhora das propriedades
mecânicas, resistência à corrosão e usinabilidade, e também corno pré-
tratamento para acabamento superficial como cromação, niquelação, e
galvanização e tem como efeitos negativos a grande variação dimensional e
custo elevado devido à compactação do infiltrante e alguns casos da ponte
de ligação e do esqueleto.
Condição fundamental para que a infiltração seja possível:
Temperatura de fusão do esqueleto mais alta do que a do infiltrante,
para que o esqueleto se mantenha rígido durante o processo.
A solubilidade mútua deve ser limitada, para que o infiltrante flua
para os poros e não seja totalmente absorvido.
Não deve reagir mutuamente para evitar formação de uma nova fase que
obstrua a infiltração.
Boa molhabilidade, para penetração uniforme nos poros.
Os metais mais usados como infiltrante da metalurgia do pó são: o
tálio, chumbo, estanho, mercúrio e cobre este último mais usado. Outra
técnica usada na infiltração é mergulhar um compactado sinterizado, porém
poroso, num material infiltrante liquefeito.
A infiltração metálica é usada principalmente para aumentar a densidade
e também utilizada para aumentar a produção de contatos elétricos de W-Cu,
W-Ag, ou Mo-Cu e Mo-Ag.
Impregnação
Aproveita a porosidade da peça sinterizada para impregnar substâncias
como óleos, graxas, impermeabilizantes, etc..., evitando temporariamente a
corrosão. Proteger contra a oxidação por impregnação com óleo,
principalmente no caso de outras aplicações superficiais, metálicas ou
sólidas, serem impraticáveis.
Existem três métodos básicos, que são o de banho quente e frio, o de
banho parcial da peça e o método vácuo.
O método de banho quente e frio é o mais comum. Por este método a peça
é submetida a vários banhos consecutivos em diferentes temperaturas. Este
método tem a intenção de remover as inclusões de ar pela variação conjunta
pela viscosidade do ó1eo e da expansão (contração) do arco (nos poros) e no
corpo sinterizado.
No método de imersão rasa a peça é parcialmente submergida no ó1eo que
penetra na peça por ação capilar. 0 método é efetivo, mas lento. Na parte
superior da peça o ar sai na medida que o óleo sobe, mas na parte submersa
pode acontecer de bolhas de ar ficarem completamente fechadas pelo ó1eo.
No método de vácuo as peças são colocadas numa câmara de vácuo onde,
após retirado todo o ar da mesma, abre-se uma válvula quer permite a
entrada de óleo que submerge totalmente às peças. Possui desvantagem em
relação aos métodos dos banhos quente e frio, pois os componentes de baixa
viscosidade do óleo vaporizam-se deixando-o mais viscoso. O efeito de
lavagem no primeiro método (movimentação do óleo para dentro e para fora)
inexistente neste método (O óleo penetra de fora para dentro).
Variáveis, na impregnação com óleo, a porosidade interligada é de
importância relevante. Somente com todos os poros abertos (comunicante com
a superfície) teremos uma impregnação completa.
8. SINTERIZAÇÃO
A sinterização consiste no aquecimento das peças comprimidas a
temperaturas especificas (Fig. 07), sempre abaixo do ponto de fusão do
metal base da mistura, eventualmente acima do ponto de fusão do metal
secundário da mistura, em condições controladas de velocidade de
aquecimento, tempo a temperatura, velocidade de resfriamento e atmosfera do
ambiente de aquecimento.
Em alguns casos certas peças de metal duro entre outros procede-se a
uma sinterização prévia, a uma temperatura mais baixa com o objetivo de
conferir a briquetes de compactadas condições de serem usinadas antes da
sinterização final. Esta operação é denominada pré-sinterização.
A temperatura ideal de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da
temperatura de fusão da liga considerada. Basicamente a sinterização é um
processo de estado sólido ocorrendo ligação química e metalurgia do pó, no
sentido de eliminar ou diminuir a porosidade existente no compactado (fig.
08); formando um corpo coerente provido das propriedades físicas primárias
do sinterizado.
Em diversos casos, a temperatura de sinterização é suficientemente alta
para fundir um ou mais componentes do material, caracterizando a chamada
sinterização com fase liquida. A sinterização em presença de fase líquida
faz presente, por exemplo, na produção de buchas alto lubrificantes de
bronze onde os pós principais de cobre (cerca de 90%) e estanho (cerca de
10%) são previamente misturados, na sinterização que é elevada a efeito
aproximadamente a formação de estrutura cristalina típica do bronze. De
qualquer modo a fase líquida presente não deve comparecer em quantidade tal
que possa promover uma modificação sensível nas dimensões do compactado.
A sinterização é comumente processada em fomos contínuos ou semi-
contínuos, caracterizado por 3 zonas de operação:
Pré-aquecimento;
Manutenção;
Resfriamento.
.
(fig. 07)
Gráfico (fig. 08)
8-1. Fornos de sinterização
Os fornos de sinterização são a gás ou elétricos, por resistência ou
indução (fornos a vácuo geralmente) (fig. 9). Nos fornos a resistência, os
elementos de aquecimento, em fios, ou barras, são de Ni-Cr para temperatura
até 1150oC, de carboneto de cilício (Globar) até da temperatura da ordem de
1400oC, de molibdênio ou tungstênio, até temperatura da ordem de 1550oC
(neste caso, exigindo a atmosfera protetora redutora de hidrogênio).
Os fornos de sinterização trabalham normalmente com atmosfera protetora
com objetivo de evitar a oxidação das peças e reduzir os eventuais óxidos
contidos nos pós e que poderiam prejudicar o grau de sinterização.
(Fig. 9)
Basicamente existem 4 tipos de fornos:
Forno de Esteira (até 1150oC);
Forno Wakkingbean (até 1300oC);
Forno Pussher (até 1300oC);
Forno a vácuo (até 1350oC).
9-TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS
As peças sinterizadas de ferro são tratadas para obter aumento de
resistência a tração ao desgaste, dureza, ou uma combinação entre elas. Os
tratamentos usuais a que podem ser submetidas as peças sinterizadas incluem
a têmpera, cementação, carbonitretação, nitretação e tratamento a vapor. A
seleção do tratamento a ser feito depende basicamente da aplicação e da
densidade da peça.
9-1. Tempera
Toda peça sinterizada, como as forjadas, deveriam ser temperadas
imediatamente após arrefecer. A têmpera é efetuada de forma similar dos
aços convencionais (fig. 10), tendo como ressalva o tipo de atmosfera
protetora, evitando-se o banho de sal que tende a provocar corrosão pela
retenção do sal nos poros da peça. Pelo mesmo motivo, é recomendável o uso
de um óleo de arrefecimento rápido, com boa circulação. Para se evitar uma
distorção muito acentuada, pode-se aumentar a temperatura do óleo até
níveis em torno de 150oC ou 300oF.
(Fig. 10)
9-2. CEMENTAÇÃO
Peças sinterizadas com baixo teor de carbono (0,1 a 0,2%) podem ser
sementadas por cementos convencionais ou gasosos. Os cementos líquidos não
são recomendados, por causa da dificuldade de lavar a peça, isentando-as do
sal.
Os cementos sólidos, por motivos econômicos não são utilizados em peças
sinterizadas pequenas, produzidas em grandes quantidades. Os cementos
gasosos são mais recomendáveis entretanto, para que seja bem sucedida, a
densidade bem como a precisão de composição devem ser conhecidas.
Para se ter uma peça cementada com razoável homogeneidade de camada e
dureza é necessário uma densidade mínima de 7,2g/cm3.
9-3. Carbonitretação
É uma forma modificada de cementação que consiste na introdução de
amônia na atmosfera gasosa. O nitrogênio contido na amônia difunde na
superfície da peça, simultaneamente, com o carbono, e abaixa a velocidade
critica do resfriamento.
A carbonitretação é feita com temperatura mais baixa (pelo menos 55oC
ou 100oF) e tempo mais curto (meia hora ou mais) do que a cementação. A
baixa taxa de difusão que ocorre nestas temperaturas permitem um controle
melhor da camada e da dureza.
A alta taxa de penetração do carbono e nitrogênio que ocorre como um
resultado da porosidade para peças sinterizadas, feitas na sociedade
americana para teste de materias (ASTN) B-310, classe a - pó de ferro.
9-4. Nitretação
Diferente da carbonitretação principalmente naquela em que a
temperatura usada é completamente dentro do campo fase ferrítica (cerca de
750oC). As condições atmosféricas podem variar, dependendo do processo
especifico. Em um processo próprio, a atmosfera é formado por quantidade do
amônia e gás endotérmico associação americana do gás (AGA) tipo 302. Em um
outro processo, uma atmosfera típica consiste de 35% do amônia e 65% do gás
exotérmico (AGA) tipo 301, nominalmente 97% de nitrogênio o qual pode ser
enriquecido com gás hidrocarbônico assim como metano ou propano.
0 ciclo do tempo para nitretação gasosa geralmente alcança de 1 até 5
horas. Contudo o ciclo do tempo não passa mais que uma hora, geralmente é
recomendado para peças sinterizadas por causa da profunda penetração dos
gases carbonizantes.
9-5. Tratamento a vapor
As propriedades físicas das peças de ferro sinterizadas podem ser
melhoradas por este processo, que consiste em envolver uma camada
superficial e interporos de um óxido azul cinzento aderente. Isto é feito
expondo as peças sinterizadas a uma atmosfera de vapor super aquecido em um
forno tipo poço com temperaturas aproximadas de 430oC a 590oC e a uma
pressão de aproximadamente de 1000mm c.a=0,1bar.
E um processo limpo, seguro e eficiente em termos de custo em que o
resultado é um aumento de dureza e densidade, maior resistência a
compressão, melhora na resistência a corrosão e ao desgaste, mais o
fechamento quase total dos poros.
Em peças de baixa e média densidade a camada de óxido se forma em toda
extensão da peça e nos poros intercomunicantes. Como a dureza de óxido em
torno de 50HCR, a dureza aparente da peça aumenta.
A resistência a compressão de uma peça de baixa e média densidade pode
ser aumentada de 25% a 40%. O óxido formado nos poros ajuda a ligação entre
as partículas aumentando a resistência ao desligamento.
O óxido envolve a peça externa e internamente, protegendo-a de ferrugem
e de outros meios corrosivos. Finalmente, existe a vantagem do fechamento
dos poros por um custo mais baixo que a infiltração de cobre ou resma. O
tratamento a vapor é o meio simples efetivo e barato de se obter mais das
peças sinterizadas.
A quantidade de formação de óxido podes ser determinada pelo aumento de
peso das peças indicado conforme a tabela 1 .
"Densidade "Aumento de peso "
"(g/cm3) "(%) "
"5.7 "6.1 "
"5.8 "5.0 "
"5.9 "4.3 "
"6.0 "3.2 "
"6.2 "2.4 "
"6.4 "1.9 "
(Tabela 1)
10. ACABAMENTO
Devido ao tamanho médio relativamente reduzidas juntamente com os
formatos complexos das peças requer um procedimento e precauções especiais,
diferentes dos fundidos e usinados. Considerando-se as propriedades
inerente da peça do pó demanda considerações especiais em cerca de todas as
operações secundárias, principalmente limpeza e rebarbação.
As rebarbas são formadas nas junções de ferramentas, no diâmetro
externo, furos ou superfícies paralelas a direção de compactação. Para
retirar as rebarbas indesejáveis e as superfícies da peça, o jateamento com
granalhas de aço é muito usada, isto é feito em máquinas especiais onde as
peças ficam girando enquanto um jato de granalha é propulsionado sobre ela.
Além de retirar as rebarbas a um pequeno aumento quanto a resistência a
corrosão, pela formação de tensão a compressão na superfície da peça.
Um outro processo é o tamboreamento, um tanto mais caro que o
jateamento. Além disso devemos tomar alguns cuidados para não danificar os
cantos vivos das peças e dentes das engrenagens. Um tamboreamento é feito
em tambores rotativos ou vibratórios, utilizando-se abrasivos sólidos em
suspensão meio líquido.
Esse processo é muito usado para arredondamento dos cantos e retirar
rebarbas, porém deve-se tomar cuidados. Um dos cuidados é a escolha correta
dos caipes ou pedras tanto no que se refere a tipo de material como no
tamanho e forma Como normalmente neste processo o líquido utilizado é a
água e contém abrasivos a peça tende a oxidar-se rapidamente, pois o
líquido penetra nos poros no decorrer do processo. Para evitar este
problema é importante secar a peça e proteger em óleo. Deve-se evitar
tempos longos tanto no tamboreamento, como no jateamento, já que acaba
prejudicando as peças mais frágeis e aumenta a probabilidade de batidas
entre as peças.
11. ACABAMENTO SUPERFICIAL
0 acabamento superficial de peças sinterizadas pode ser considerado bom
se comparado as usinadas, micro-fundidas ou forjadas. Entretanto devido as
particularidades do processo, apresenta características diferentes em
termos de rugosidade superficial.
12. OPERAÇÕES DE USINAGEM
A usinagem de peças sinterizadas é comum, especialmente, quando
existirem configurações geométricas impossíveis de serem obtidas
diretamente do processo de compactação, como, por exemplo, furos
transversais, sangrias, roscas, e entrâncias transversais internas ou
externas, etc.
Velocidade e avanços para peças e alta densidade (cerca de 92% da
densidade teórica do metal ) são praticamente os mesmos que para o metal
fundido. Há entretanto necessidade de alguns ajustes quando se usinam peças
de baixa e média densidade.
Deve-se tomar cuidado na usinagem de superfícies que vão atuar em
contato com eixos, nos casos de peças auto-lubrificantes, já que há perigo
de se "fechar" a porosidade nestas áreas. Os óleos de corte utilizados
devem estar bem limpos, já que peças porosas tem tendência a reter
sujeiras.
12-1. Torneamento
Para evitar o "esmagamento" das partículas no torneamento, deve-se
usinar a peça a baixas velocidades de corte, pequeno avanço e ferramentas
muito bem afiadas.
12-2. Fresagem
Podem-se utilizar fresas de aço-rápido ou metal duro.
12-3. Furação e rosqueamento
Em geral, velocidades e avanços para materiais sinterizados, são um
pouco menores (80% a 85%) das utilizadas para os metais fundidos. Quando se
torna necessário abrir furos na mesma direção da compressão, pode-se já
fabricar a peça com chanfro para guiar e facilitar a operação. Roscas
internas ou externas são executadas da mesma forma que para uma peça
convencional. Uma das vantagens da metalurgia do pó é a possibilidade da
execução de um (alivio), para prevenir rebarbas na furação e rosqueamento,
construindo sem problemas na própria fabricação da peça.
12-4. Retífica
As operações de retifica são muito similares que as convencionais.
Entretanto, deve-se evitar ao máximo a retificação de superfícies que
necessitam ser auto-lubrificantes, já que partículas abrasivas podem ficar
retidas nos poros diminuindo acentuadamente a vida do equipamento. Se essa
operação for absolutamente necessária, deve-se proceder a uma limpeza ultra-
sônica posterior.
Os líquidos refrigerantes usados devem estar bem limpos e conter
inibidores de corrosão. Placa magnéticas, normalmente utilizadas em
retificas planas não funcionam adequadamente para peças ferrosas de baixa
densidade.
12-5. Rebarbação
A rebarbação é feita pelos métodos usuais, tomando-se, entretanto,
determinadas precauções: deve-se adicionar inibidores de corrosão a água e,
após o tamboreamento as peças devem ser imediatamente secas. Pode-se
utilizar calor para acelerar a evaporação da água contida nos poros das
peças.
13. PEÇAS SINTERIZADAS
A metalurgia do pó permite a produção seriada de peças simples ou
complexas com a mesma facilidade. Normalmente, a produção de peças
sinterizadas está associada a altos volumes de produção, quando então o
custo do ferramental é diluído a valores que o tornem economicamente
viável. A medida em que a geometria da peça se torna mais complexa,
entretanto, pode-se trabalhar economicamente com lotes mais baixos, pois
muitos custos de usinagem são eliminados ou grandemente reduzidos.
13-1. Detalhamento de projeto
No âmbito da normalização internacional, os produtos da metalurgia do
pó fazem parte da COMISSÃO TÉCNICA ISSO/TC-119-"Powder Metallurgical
Material and Productions"; da Organização Internacional de Standarlização
(ISO). Entretanto, em função de antigas referências, certas normas de
caracter nacional e setorial são extremamente difundidas ainda na
atualidade. A tabela VIII apresenta uma breve relação das especificações
mais utilizadas no projeto de sinterizados.
Forma, Geometria e Tolerância:
Corno em qualquer outra técnica de produção de peças metálicas, a
manufatura de sinterizados segue determinadas regras básicas a fim de se
obter produtos viáveis do ponto de vista econômico de ENGENHARIA. O projeto
da peça e a complexidade do ferramental estão fortemente correlacionados.
Dos grandes fatores que influem no projeto da peça são a ação de compressão
e o comportamento do fluxo do pó.
Os pós metálicos não se comportam como fluidos metálicos e, devido a
aspectos de fricção entre partículas de pó e componentes do ferramental, as
cavidades devem ser sempre homogeneamente preenchidas.
A ação de compressão é feita somente pelos punções superiores e
inferiores do ferramental, governando portanto, detalhes de forma,
contornos, dimensões e comprimento. Outra consideração importante é que o
formato da peça deve permitir sempre a sua extração da matriz. Cuidados
especiais são também tomados na manufatura de peças de paredes finais em
função de dois problemas: enchimento de pó e solicitação mecânica nos
punções acima de seus limites de resistência.
Considerações sobre projetos de peças sinterizadas
Existem certas considerações sobre os projetos de peças sinterizadas
que devemos ter em mente afim de não venhamos projetar peças sinterizadas
enviáveis ou de baixa qualidade. Essas considerações dividem-se em:
1. Quanto a dimensão da peça: tendo em vista a capacidade das presenças
disponíveis e as características dos pós metálicos a limitações quanto
as dimensões das peças, que variam do cerca de 10 mm2 a 0,015 mm2 em
área projetada e de 1 a 150 mm de comprimento.
2. Quanto a forma das peças: apesar de podermos obter uma grande
variedade de seções e perfis através da metalurgia do pó, devemos
entretanto procurar evitar um número exagerado de seção. O perfil da
peça que pode ser de forma complicada, deve permitir fácil ejeção da
matriz, pelo movimento do punção inferior. Na possível obtenção de
esferas perfeitas, as peças esféricas devem prever uma superfície
plana lateral. Com relação a forma das peças podemos reassumir os
cuidados a tomar, levando em conta as seguintes regras:
Regra n° 1 - Evitar furos laterais, ângulos reentrantes, roscas e outras
particularidades que impeçam as retiradas das peças da cavidade da matriz.
Tais particularidades só podem ser conseguidas por usinagem suplementar.
Regra n° 2 - Evitar paredes finas, cantos vivos e particularidades
semelhantes que, dificultam o escoamento do pó na matriz. A prática mostra
que as espessuras das paredes laterais não podem ser menor que 0,7 a 0,8
mm. Devem-se evitar igualmente abruptas alterações da espessura das
paredes, pois podem provocar empenamento e, portanto, inutilização das
peças.
Regra n° 3 - Evitar projetar peças com comprimentos muito superior as
dimensões da seção transversal; em outras palavras o comprimento deve ser
proporcional a área da seção transversal, admitindo-se para limite máximo a
relação 3:1 (preferencialmente 2,5:1). Se essa regra não for seguida
poderia resultar peças com densidade muito inferiores no centro, em relação
as partes superior e inferior.
14. FILTROS
Uma das primeiras aplicações práticas da técnica da metalurgia do pó é
a fabricação de filtros sinterizados. Esses elementos filtrantes são
superposições de monocamadas de partículas esféricas ou arredondadas de pós
metálicos. Esta superposição resulta em malhas que se interceptam e
constituem os poros. O volume de poros nestes filtros pode representar até
60% do volume total.
14-1. Aplicações
Os filtros sinterizados encontram ampla gama de emprego nas atividades
industriais onde se requeiram resistências mecânicas, químicas e a
temperaturas elevadas. Entre essas aplicações, podem-se citar: filtração de
gases a líquidos; filtração de óleos combustíveis e minerais; filtração de
água e ar; separação de água de ar comprimido; abafadores de ruído;
estrangulamento de líquidos e gases; contra-chamas; difusores.
14-2. Propriedades de retenção
Os filtros de bronze, sinterizados apresentam características físicas
bastante definidas em função do tamanho médio das partículas de pó.
15. CONCLUSÃO
É uma técnica metalúrgica que transforma pós metálicos em ligas
metálicas e substâncias não metálicas em peças resistentes utilizando
apenas pressão e calor.
Embora seja uma técnica pouco conhecida, não é nenhuma tecnologia
recente pois acredita – se que em 3000 AC, os egípcios já usavam pó de
ferro. E a prova mais antiga dessa técnica esta na índia, é uma coluna de
6,5 toneladas que resiste a aproximadamente 1700 anos.
Tem como seu maior consumidor o setor automobilístico, justamente por
ser possível fabrica – lo com as características de resistência requerida
pelo projeto.
Embora já sejam fabricadas peças com até 15 Kg, a maioria das peças
pesa menos de 2,5 Kg.
16. BIBLIOGRAFIA
Livros:
Tecnologia Mecânica
Aços e Ferros fundidos
Autor: Vicente Chiaverini
Sites:
www.materia.coppe.ufrj.br
www.sinmec.ufsc.br
www.dcmm.puc-rio.br
www.inmetro.gov.br
www.demet.ufmg.br
www.liberato.com.br
www.joinvelle.udesc.br
www.int.gov.br
www.recompo.com.br
www.ufpb.br
www.ufrn.br
www.poli.usp.br
www.brutt.com.br