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Aula 10 – Metalurgia do pó Para ter acesso a esse material acesse:

2 Classificação Processos de Fabricação Processos de Fabricação
Com remoção de cavaco Sem remoção de cavaco Usinagem Conformação Mecânica Laminação Forjamento Extrusão Trefilação Estampagem Convencional Não convencional Soldagem Torneamento Jato D’água Fundição Fresamento Jato Abrasivo Furação Fluxo Abrasivo Metalurgia do Pó Retificação Ultrasom

3 A metalurgia do pó (M/P) é o processo de fabricação de peças metálicas que utiliza pós metálicos e não metálicos como matéria-prima.

4 A M/P teve seu uso consolidado pela produção de componentes com características estruturais e físicas que dificilmente poderiam ser obtidas por qualquer outro processo de fabricação. Metal duro Filamentos de tungstênio Buchas autolubrificantes

5 Aplicações Indústria automobilística; Indústria aeronáutica; Eletrodomésticos; Ferramentas elétricas; Equipamentos médicos e odontológicos.

6 Generalidades sobre a metalurgia do pó
O trabalho está estruturado da seguinte forma: 6

7 Características do processo
Permite a fabricação de altos volumes de peças; Baixo custo para produção de peças em larga escala; Ótimo acabamento superficial; Alto aproveitamento da matéria prima; Baixo impacto ambiental quando comparada com as tecnologias concorrentes, como fundição e forjamento, pois exige um menor consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima Baixo impacto ambiental quando comparada com as tecnologias concorrentes, como fundição e forjamento, pois exige um menor consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima Obtenção de porosidade controlada o que permite a fabricação de filtros metálicos e de mancais autolubrificantes; Permite a fabricação de peças com formas complexas e com ótimas tolerâncias dimensionais o que dispensa, na maioria das vezes, operações posteriores de usinagem; 7

8 Características do processo
Permite a fabricação de peças com formas complexas e com ótimas tolerâncias dimensionais o que dispensa, na maioria das vezes, operações posteriores de usinagem; Obtenção de porosidade controlada o que permite a fabricação de filtros metálicos e de mancais autolubrificantes; Baixo impacto ambiental quando comparada com as tecnologias concorrentes, como fundição e forjamento, pois exige um menor consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima Obtenção de porosidade controlada o que permite a fabricação de filtros metálicos e de mancais autolubrificantes; Permite a fabricação de peças com formas complexas e com ótimas tolerâncias dimensionais o que dispensa, na maioria das vezes, operações posteriores de usinagem; 8

9 Limitações do processo
Viabilidade técnica e econômica apenas para peças relativamente pequenas; A peça tem de ser extraída de uma matriz, o que dificulta a produção de peças com certas características geométricas (furos laterais, roscas, reentrâncias e etc.) que só podem ser obtidas por usinagem posterior; Alto custo das matrizes e prensas; Impossibilidade de variações abruptas de espessura e cantos vivos. Baixo impacto ambiental quando comparada com as tecnologias concorrentes, como fundição e forjamento, pois exige um menor consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima Obtenção de porosidade controlada o que permite a fabricação de filtros metálicos e de mancais autolubrificantes; Permite a fabricação de peças com formas complexas e com ótimas tolerâncias dimensionais o que dispensa, na maioria das vezes, operações posteriores de usinagem; 9

10 Etapas do processo Produção de pós Mistura de pós Compactação Sinterização A fabricação de peças via M/P pode se dar por diversas etapas. Mas tradicionalmente, o processo é desenvolvido em quatro etapas básicas que são: Baixo impacto ambiental quando comparada com as tecnologias concorrentes, como fundição e forjamento, pois exige um menor consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima Obtenção de porosidade controlada o que permite a fabricação de filtros metálicos e de mancais autolubrificantes; Permite a fabricação de peças com formas complexas e com ótimas tolerâncias dimensionais o que dispensa, na maioria das vezes, operações posteriores de usinagem; 10

11 Etapas do processo – Produção de pós
Processos para a obtenção de pós metálicos Métodos mecânicos Moagem Atomização Métodos químicos Redução Eletrólise A escolha do processo depende da CQ do pó, mas também de outras características que se deseja obter como a forma do pó, a área superficial, distribuição granulométrica, escoabilidade, densidade aparente e compressibilidade. Composição química do pó; Forma do pó; Área superficial; Distribuição granulométrica; Escoabilidade; Densidade aparente; Compressibilidade. A escolha do processo depende 11

12 Etapas do processo – Mistura dos pós
Nesta etapa se realiza a preparação dos pós para a compactação, nela se processa a mistura entre o pó da matriz, os componentes de liga, os lubrificantes e ainda os ligantes caso haja necessidade. O processo de mistura deve ser conduzido de maneira que a mistura obtida seja tão próxima quanto possível de uma mistura homogênea. A adição de lubrificantes é realizada com o objetivo de minimizar o atrito entre as partículas de pó durante a etapa de compactação, e desta com o ferramental de compactação, bem como, para facilitar a extração. A presença do lubrificante reduz os gradientes de densidade na compactação, diminui o desgaste do ferramental de compactação e minimiza a carga de extração da peça, evitando ocorrência de falhas como trincas Já os ligantes são adicionados ao pó quando este, após a compactação, não apresenta resistência a verde suficiente para a sua extração e o seu manuseio. Lubrificantes: Minimiza o atrito entre as partículas de pó; os gradientes de densidade na compactação; o desgaste do ferramental e a carga de extração da peça Ligantes: Aumentar a resistência a verde para a extração e manuseio 12

13 Etapas do processo – Compactação
Na compactação são definidas as dimensões da peça acabada. Nessa etapa ocorre densificação da massa de pós que depende da carga aplicada e das características do pó como: ductilidade, tamanho e formato das partículas. Existem várias maneiras de se conformar o pó, dentre as principais técnicas de compactação com aplicação de pressão pode-se citar: Compactação uniaxial Moldagem por injeção de pós metálicos Compactação isostática Compactação uniaxial: é o processo mais indicado para produção de grandes lotes aliado a uma alta precisão dimensional e baixo custo. Utiliza-se uma prensa onde é montado um ferramental rígido, geralmente composto por matriz e punções. O ciclo de compactação uniaxial consiste de quatro movimentos básicos: enchimento, compactação, extração e remoção. A densificação por compactação simples vai de 85% a até 92% da densidade teórica do material e é indicado para peças com pouca espessura, sendo um processo rápido com maquinário simples (Iervolino, 2013). O rearranjo das partículas durante a compactação depende do formato, tamanho, da deformabilidade e da densidade aparente das partículas (Thümmler, et al., 1993). Quando for necessária densidade mais elevada, isto é, menor porosidade, pode-se obtê-la pela utilização da dupla compactação e dupla sinterização (2P2S). Neste procedimento as peças são compactadas, pré-sinterizadas, recompactadas e, finalmente, sinterizadas, podendo-se atingir densidades de até 95 % da teórica. Caso passe pela etapa de forjamento a quente, o material poderá chegar a 100% de densificação e obter propriedades superiores ao do forjado convencional. O peso das peças varia de 1 grama a 4 kg e a produtividade é de 800 a 2000 unidades por hora (Iervolino, 2013). 13

14 Etapas do processo – Sinterização
A sinterização propriamente dita é um tratamento térmico da peça compactada, sob alta temperatura, mas abaixo do ponto de fusão do elemento químico preponderante, com a finalidade de gerar continuidade de matéria entre as partículas e aumentar a resistência mecânica da mesma. Deve-se realizar o controle da velocidade de aquecimento e resfriamento, do tempo e temperatura de tratamento e da atmosfera do forno. 14

15 Os poros são essenciais para a produção de determinados componentes, mas em outras aplicações a presença dos mesmos impede a densificação total da peça reduzindo as suas propriedades mecânicas em comparação com os materiais totalmente densos dificultando, assim, o uso da técnica em componentes onde as solicitações mecânicas são muito altas. Uma das características das peças produzidos por M/P é a presença de poros.

16 Técnicas para aumento de densidade
É de conhecimento que várias propriedades mecânicas dos materiais sinterizados são melhoradas através de um aumento da densidade de massa dos mesmos. Nesse sentido, têm-se buscado técnicas para diminuir a porosidade dos materiais sinterizados e assim, aumentar o campo de utilização de peças sinterizadas. Dentre as diversas técnicas existentes para aumento de densidade, será abordada a dupla-compactação/dupla-sinterização e o forjamento a frio de pré-formas sinterizadas 16

17 Dupla compactação dupla sinterização
Este é um processo no qual a peça passa pelas seguintes etapas: Primeira compactação Pré-sinterização Segunda compactação Sinterização final O trabalho está estruturado da seguinte forma: 17

18 Dupla compactação dupla sinterização
Primeira compactação Na primeira compactação, produz-se um compactado com forma e dimensões próximas das finais. O trabalho está estruturado da seguinte forma: 18

19 Dupla compactação dupla sinterização
Pré-sinterização Essa etapa recupera e recristaliza as partículas que sofreram deformação plástica durante a primeira compactação tornando-as novamente dúcteis, evitando ao mesmo tempo o aparecimento de trincas e descontinuidades no material. Na pré-sinterização deve-se evitar temperaturas altas para que os elementos de liga não se difundam para a matriz ferrosa nem tão abaixas que impeçam a recristalização completa. Essa etapa recupera e recristaliza as partículas que sofreram deformação plástica durante a primeira compactação tornando-as novamente dúcteis, portanto passíveis de nova compactação, evitando ao mesmo tempo o aparecimento de trincas e descontinuidades no material. Durante a etapa de pré-sinterização deve-se evitar temperaturas altas para que os elementos de liga não se difundam para a matriz ferrosa ou em solução sólida com o Fe, o que diminuiria a plasticidade da peça pré-sinterizada, reduzindo o grau de densificação durante a recompactação (Hammes, 2011; Higher Densities of PM-Steels by Warm Secondary Compaction and Sizing, 2011). Por outro lado, temperaturas e tempos reduzidos, na etapa de pré-sinterização impedem que as partículas sejam totalmente recristalizadas, resultando, igualmente, em menores graus de plasticidade durante a re-compactação. Evidenciando-se, desta forma, a necessidade de buscar a temperatura ótima na etapa de pré-sinterização. 19

20 Dupla compactação dupla sinterização
Segunda compactação Confere às peças as dimensões e formas praticamente definitivas e são utilizadas pressões maiores do que as usadas na primeira compactação. A densificação adicional proporcionada nessa etapa é cerca de 0,15 a 0,20 g/cm3. 20

21 Dupla compactação dupla sinterização
Sinterização final Nela são produzidas as peças definitivas, com características e propriedades superiores a aquelas obtidas pelo processo de simples compactação. Para aços ao carbono a temperatura varia entre 1100 ºC e 1200 ºC. 21

22 Dupla compactação dupla sinterização
O ganho de densidade com a dupla compactação é em torno de 2 a 3%, podendo atingir em torno de 95% da densidade teórica porém o aumento da resistência pode ser de 20% e com menor variação dimensional. 22

23 Forjamento Produtos fabricados a partir de pós forjados exibem propriedades dinâmicas superiores, quando comparada com produtos forjados de forma convencional. Além do ganho de desempenho, o forjamento de pós também oferece um custo de processamento menor em comparação com as operação de fundição e forjamento convencionais. 23

24 Forjamento Por exemplo, na fabricação de uma biela com uma liga Fe- Cu-C pelo forjamento de pré-formas sinterizadas há uma redução de custo em torno de 15 a 20% devido a redução de refugos, de massa, e etapas de usinagem. Contudo o principal benefício é a variação de peso entre bielas que no processo de forjamento de pré-formas é de ± 2g contra ±15g do forjamento convencional, o que faz eliminar operações posteriores de balanceamento para o processo de forjamento de pré-formas (Pallini, et al., 2006). 24

25 Forjamento a frio O forjamento a frio de pré-formas sinterizadas é um processo de densificação onde o pré-compactado já sinterizado é submetido a compressão sob temperatura ambiente, de maneira que adquira sua forma final após a deformação. 25

26 Forjamento a frio – Características
Grande precisão dimensional; Diminuição do desgaste de matrizes; Previne a oxidação superficial, uma vez que evita a exposição sob condições de atmosfera não controlada a altas temperaturas; Produz microestruturas com pequeno tamanho de grão o que vem acompanhado com melhorias nas propriedades mecânicas; São necessárias pressões muito altas; O ferramental deve ser rígido; A taxa de deformação é alta. O forjamento a frio de pré-formas sinterizadas apresenta como vantagem sobre o forjamento a quente a grande precisão dimensional, que advém, sobretudo, por ser desnecessário o controle de contrações térmicas e da diminuição do desgaste de matrizes em relação ao processo de forjamento sob alta temperatura. Além disso o processo a frio previne a oxidação superficial uma vez que evita a exposição sob condições de atmosfera não controlada a altas temperaturas. Um benefício adicional é que o processo pode produzir microestruturas com pequeno tamanho de grão o que vem acompanhado com melhorias nas propriedades mecânicas (Geng, 2004). Outras características do processo de forjamento a frio de pré-formas estão descritas abaixo (ASM, 1998): São necessárias pressões muito altas, geralmente maior de 800MPa; O ferramental deve ser rígido; e A taxa de deformação é alta. 26


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