aula 02 - metalurgia do pó

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PROCESSOS DE FABRICAPROCESSOS DE FABRICA ÇÇÃO IÃO I

Aula 1Aula 1 –– Apresentação da disciplina, do conteúdo, do critério de avaliação e do livro texto. Conceitos iniciais

Aula 2Aula 2 –– Metalurgia do pó

Metalurgia do p ó

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Metalurgia do pó - Sinterização

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A metalurgia do pó, também chamada sinterização, é o ramo da indústria metalúrgica que se dedica à produção de peças a partir de pós metálicos e não-metálicos.

Essa tecnologia baseia-se na prensagem de pós em moldesmetálicos e consolidação da peça por aquecimento controlado.

Transformação de pó de metais em peças pela aplicação de pressão e calor (sem fusão do metal base).

O resultado é um produto com a forma desejada, bom acabamento de superfície, composição química e propriedades mecânicas controladas.

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Etapas do processo:

- obtenção dos pós metálicos;- mistura de pós (possivelmente de diferentes metais ou materiais);- Compressão da mistura em matrizes (chamada compactação);- aquecimento para produzir ligação entre partículas (chamada sinterização).

Possibilidade de obtenção de peças de metais de alta dureza como o tungstênio e combinação de materiais metálicos com não metálicos.

Fabricação de ferramentas de usinagem, mancais porosos auto-lubrificantes, filtros metálicos, disco de fricção (à base de cobre ou ferro misturado com substâncias de alto coeficiente de atrito), escovas de corrente elétrica (motores elétricos).

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Vantagens:

• Perda mínima de matéria-prima;

• Controle rigoroso da composição química;

• Boa tolerância dimensional, dispensando operações posteriores de usinagem;

• Homogeneidade estrutural e de propriedades;

• Bom acabamento superficial;

• Uso mais eficiente de energia;

• Processo de fácil automação.

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Limitações:

• Alto custo inicial do ferramental (matrizes e prensas), sendo necessária grandes produções para compensar o investimento;

• Apenas para peças relativamente pequenas (até 15Kg);

• Furos laterais, roscas e reentrâncias só podem ser obtidos por usinagem posterior;

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Métodos para obtenção do pó metálico

Moagem: realizada em moinhos de bola (esferas de metal de alta dureza)

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Atomização: pulverização de metal fundido que se solidifica formando o pó

O metal fundido é vazado por um orifício, formando um filete líquido que é“bombardeado” por jatos de ar, de gás ou de água.Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de grão desejado e produzem a pulverização do filete de metal fundido e seu imediato resfriamento.Depois, o pó é recolhido, reduzido, peneirado e está pronto para ser usado.

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Eletrolítica:

Precipitação eletrolítica de soluções (bom controle do tamanho de grãos com controle da corrente elétrica, temperatura e concentrações químicas)

A solução eletrolítica, na qual passa uma corrente elétrica. Os pós obtidos por esse processo apresentam elevado grau de pureza.

Depois de recolhida do tanque de eletrólise, a massa de pó, em forma de lama, é neutralizada, secada , reduzida e classificada por peneiramento.

Para obtenção de grãos menores, este processo écomplementado por métodos mecânicos.

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Características dos pós

Entre as características mais importantes dos pós metálicos estão a forma e o tamanho das partículas individuais. 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.

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Características dos pós

a) Forma geométrica das partículas: as formas mais comuns são acicular, dendrítica, angular, fibrosa, granular, porosa, nodular, irregular ou esférica.

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1. O pó é confeccionado porprocessos específicos.

2. Os pós sãomisturados para darhomogeneidade à peça.

3. A mistura é colocada na matriz, prensada e depois extraída.

4. A peça é então sinterizadaem fornos especiais.

5. Dependendo do caso, a peça passa por um processo complementar para melhorar tolerâncias (calibragem), Propriedades (tratamento térmico), entre outros.

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Compactação – Conceito

Etapa na qual as partículas de pó são comprimidas umascontra as outras em uma cavidade (ferramenta), resultando na forma do produto desejada. As irregularidades superficiais das partículas intertravam- se por deformação plástica ocorrendo certa solda a frio entre suas superfícies.

O objetivo é obter um compactado “verde” com nível dedensidade (ou porosidade) desejada e resistência suficientepara suportar o manuseio até a sinterização, sem danos.

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Compactação - Processo de Densificação

Pressões de compactação são da ordem de 5t/cm2

Prensas automáticas possuem capacidade de produção de até 100 peças por minuto.Matrizes são fabricadas em aço de alto carbono e alto cromo, temperado e revenido e são revestidas com cromo. Alto custo, devem durar pela fabricação de centenas de milhares de peças.

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Compactação - Processo de Densificação

•Massa constante•Volume diminui•Densidade aumenta•Porosidade diminui

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Compactação - Ciclo

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Compactação - Compressibilidade

Curva empíricaPressão de compactação x Densidade verde

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Compactação – Problemas típicos

Trincas de alívio Trincas de extração

• Podem surgir devido à expansão diferencial dos punções;=> Minimizado ao manter uma contra-forçaaté o componente ser extraído.

Podem ocorrer devido à expansão docompactado durante a extração da matriz(spring back)=> Minimizado por alterações na quantidade e/ou tipo de lubrificante e melhoria no acabamento do ferramental.

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Compactação – Produto

Peça a verde• Geometria próxima à final• Densidade próxima à final• Dimensões próximas às finais• Resistência adequada aomanuseio (sem ligação metalúrgica)

Controles• Dimensional• Densidade• Peso• Visual

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Sinterização pode ser definida como a remoção dos porosentre as partículas iniciais, acompanhada por retração dapeça combinada com crescimento e formação de ligaçõesfortes entre partículas adjacentes.

O objetivo é elevar significativamente as propriedadesmecânicas do compactado.

Sinterização

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Sinterização

O compactado verde, dentro ou fora da matriz, é aquecido a temperaturas altas, mas que permanecem abaixo da temperatura de fusão do metal base.

Além datemperatura, são controlados a velocidade de aquecimento e resfriamento, o tempo de permanência e a atmosfera em contato com a peça.

O tempo de aquecimento melhora o mecanismo de coesão do compactado para uma determinada temperatura. Em contrapartida, temperaturas próximas às de fusão do metal, geram obtenção da força coesiva máxima em um curto espaço de tempo, geralmente segundos.

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São quatro as funções do controle da atmosfera: previne ou minimiza reações químicas entre o compactado verde e os gases da atmosfera; evita oxidação; remove impurezas superficiais e internas existentes; e eventualmente, fornece um ou mais elementos químicos para se ligarem com o compactado verde.

A sinterização é feita, normalmente, em fornos contínuos, caracterizados por três zonas de operação: pré-aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento. Veja figura a seguir:

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Durante a sinterização ocorrem reações químicas e físicas entre as partículas, reduzindo e em alguns casos até eliminando a porosidade existente no compactado verde. A contração do compactado verde, em comparação com a peça final, chega a ser de 40% do volume, sendo uma redução linear de cerca de 16%.

Metal base: é o material predominante da peça, que irá determinar as características básicas do produto final.

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Os fenômenos que ocorrem na sinterização são os seguintes:

• ligação inicial entre partículas; crescimento da ligação; fechamento dos canais que interligam os poros; • arredondamento dos poros; densificação ou contração dos poros;• crescimento eventual dos poros

Micrografia: compactado verde Micrografia: compactado sinterizado

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Sinterização - Processo

Condições básicas do Processo• Temperatura• Tempo à temperatura• Atmosfera (potencial de carbono e redução)• Velocidade de resfriamento

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Sinterização – Esquema de um forno

Sinterização inicial: rearranjo das partículas de pó e formação de uma ligação forte ou pescoço nos pontos de contato entre partículas; densidade relativa aumenta ~10%.

Sinterização intermediária: tamanho dos contatos aumenta, porosidade diminui substancialmente e partículas se aproximam levando à retração da peça; contornos de grão (e grãos) são formados e crescem lentamente; densidade relativa pode chegar a ~90%; estágio termina quando os poros estão isolados.

Sinterização final: poros se fecham e são eliminados lentamente com pouca densificação; tamanho de grão aumenta.

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Sinterização – Esquema de um forno

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Sinterização - Produto

Peça sinterizada

• Dimensões e densidade próximas ou correspondentes às desejadas• Resistência adequada (com ligação metalúrgica)• Dureza

Controles do Produto

• Dimensional• Dureza / Resistência• Microestrutura

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Calibragem : durante a sinterização, as peças podem sofrer mudanças não esperadas nas dimensões e até empenar. Para corrigir os defeitos, utilizasea calibragem, que é uma deformação plástica por aplicação de pressão em moldes específicos. O resultado é melhorprecisãodimensional.

Operações complementares

Recompressão: uma nova compressão após a sinterização aumenta adensidade e melhora as propriedades mecânicas do material. Os esforços envolvidos são bem maiores que na calibragem e só podem ser aplicados para certos tipos de material. Por exemplo, pastilhas de metal duro, utilizados como ferramentas de usinagem, não podem ser recomprimidas.Caso existam deformações, devem ser lapidadas ou retificadas.

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Operações complementares

Tratamentos térmicos : as peças sinterizadas podem ser submetidas atratamentos térmicos convencionais para melhoria das propriedadesmecânicas. Em tratamentos superficiais (cementação e nitretação) adensidade é fator importante, devido a difusão dos gases através de seus poros (quanto maior a densidade menor é a porosidade).

Usinagem : assim como na fundição, muitas peças sinterizadas sofremposterior usinagem para conseguir a configuração projetada e que não épossível ser feita, como furos, sangrias, roscas, etc.

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Infiltração: é um processo de fechamento dos poros (total ou parcial) deuma peça sinterizada com baixa ou média densidade (5,6 até 6,8 g/cm³)com um metal ou liga de ponto de fusão mais baixo. A infiltração do metallíquido ocorre por efeito de capilaridade (atração molecular), e tem oobjetivo de melhorar as propriedades mecânicas, resistência à corrosão, etambém como pré-tratamento para acabamento superficial, comocromação, niquelação e galvanização.

Impregnação: consiste em impregnar substâncias como óleos, graxas,impermeabilizantes para evitar corrosão / oxidação. É feita com banhoquente, banho parcial (por capilaridade) ou a vácuo.

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Tratamento a vapor – Conceito

É o processo pelo qual se forma uma camada deóxido de ferro estável pela reação química do ferrocom o vapor de água.

Os objetivos são elevar a resistência à oxidação/corrosão, dureza, resistência ao desgaste e conferirrelativa impermeabilização.

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Tratamento a vapor – Fornos tipo poço

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Tratamento a vapor – Produto

Produto

• Tolerância final• Resistência mecânica adequada• Dureza adequada• Maior resistência ao desgaste/corrosão• Relativa impermeabilização

Controles

• Camada• Dureza• Teste de impermeabilização• Dimensional

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Nitretação por Plasma – Conceito

É o processo pelo qual se forma uma camada nitretadapela reação iônica do nitrogênio com o ferro e outros elementos de liga.

O objetivo é elevar a microdureza superficial e a resistência ao desgaste, com baixa deformação no componente e de forma “limpa”.

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Nitretação por Plasma

Nitretação por plasma (resistência ao desgaste – camada e dimensional)

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Nitretação por Plasma - Produto

Produto

• Tolerância final• Maior dureza superficial• Maior resistência ao desgaste

Controles

• Camada• Dimensional

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Sinterhardening – Conceito

É o processo pelo qual se resfria rapidamente aspeças ao final da sinterização, gerando microestruturamartensítica / bainítica.

O objetivo é elevar as propriedades mecânicas, dureza e a resistência ao desgaste.

Este processo elimina necessidade de etapas posteriores de tratamento térmico.

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Sinterhardening

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• Têmpera e revenimento• Têmpera por indução• Niquelação• Carbonitretação

Outros tratamentos

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Aplicação automobilística mundial

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Principais aplicações Materiais Sinterizados


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- Chiaverini, V. - Tecnologia Mecânica, Volume II, 2a ed., Makron Books, 1986- Kalpakjian, S., Manufacturing Engineering & Tecnology, 4th ed, AddisonWesley, 2000- Groover, M. P., Fundamentals of Moder Manufacturing, Prentice Hall, 1996

Contatos com o Professor:

Marcio Antonio Ré

E-mail: [email protected] ou [email protected]

Por celular: 19 9741 9697

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FIM

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