UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO

CENTRO DE ENGENHARIAS CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ALYSSON FERNANDO ANDRADE MENDONÇA

AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS DE SINTERIZAÇÃO

MOSSORÓ 2019

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AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS DE SINTERIZAÇÃO

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Dr. Zoroastro Torres Vilar

MOSSORÓ 2019

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AVALIAÇÃO DE PARÂMETROS DE SINTERIZAÇÃO.

Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado em:

BANCA EXAMINADORA

Zoroastro torres Vilar, Prof. Dr. (UFERSA) Presidente

Prof. MSc. Ramon Rudá Brito Medeiros – (UFC) Primeiro Membro

Eng. Dácio Germano Xavier Rebouças Júnior – (UFERSA) Segundo Membro

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A minha família, por todo o apoio que me deram ao logo desta caminhada, em especial ao meu pai, Antônio Vicente de Mendonça, e à minha mãe Raimunda Batista de Andrade Mendonça, pois sem a força deles não teria obtido êxito.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente à Deus, por todas as provações que tive que passar nessa caminhada, sem sua força nos momentos difíceis não conseguiria.

Aos meus pais Antônio Vicente de Mendonça e Raimunda Batista de Andrade Mendonça por todo apoio, carinho e paciência, que tiveram durante todo esse tempo. Mostraram-me que com determinação, força e perseverança conseguimos conquistar nos objetivos.

Ao meu orientador Zoroastro Torres Vilar, por todos os ensinamentos, paciência e atenção para a realização deste trabalho.

Agradeço aos técnicos de laboratório Euclides Moreira e Fabricio de Almeida, pela disponibilidade e por todo auxílio para realização deste trabalho.

Ao monitor do laboratório de ensaios Lucas de Almada pela disponibilidade e auxilio na realização do ensaio de microdureza.

Não poderia deixar de agradecer a minha namorada Anyelle Paiva Rocha Elias, que entrou na minha vida meio conturbada e me fez progredir ainda mais como pessoa. Obrigado por tudo e tenho certeza que juntos iremos conquistar mais objetivos.

Aos meus familiares e amigos, pelo apoio e carinho. Especialmente aos amigos que conheci na UFERSA, amizades que levarei pela vida toda.

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O futuro tem vários nomes. Para os fracos é o inalcançável. Para os temerosos, o desconhecido. Para os valentes é a oportunidade.

Victor Hugo

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RESUMO

O processo de metalurgia do pó ou sinterização como também é conhecido, consiste em transformar pós metálicos e não metálicos em peças resistentes sem utilizar fusão, empregando apenas pressão e calor. Este trabalho teve como objetivos a confecção de moldes para obtenção de amostras para sinterização e bem como a análise da razão de compactação com a aplicação de diferentes pressões. Para isso primeiro foi desenvolvido um projeto em 2D de duas matrizes e dois punções (superior e inferior) para obtenção das amostras, utilizando o SOLIDWORKS 2017 versão estudantil. As amostras foram produzidas utilizando aço inoxidável AISI 316, estabelecendo diferentes pressões, e uma variação de massa, no intuito de obter diferentes alturas. Após as amostras foram sinterizadas a uma temperatura aproximadamente de 1000º C, por 45 min. Em seguida foram analisados os efeitos das pressões, que resultaram na obtenção de razões de compactação variadas. Na sinterização, visivelmente aconteceu o esperado, quando comparado à literatura, ocorreu deformação das amostras, causando mudanças dimensionais, tornando-as mais resistentes em comparação ao compactado verde. Os resultados coletados possibilitaram fazer uma análise previa do comportamento de parâmetros de sinterização como pressão de compactação e área compactada.

Palavras-chave: Amostras de aço inoxidável. Amostras sinterizadas. Metalurgia do pó.

Pressão. Razão de compactação.

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ABSTRACT

The process of powder metallurgy or sintering as well as known, consists of transforming metallic and non-metallic powders into resistant parts without using melting, using only pressure and heat. This work had as objectives the preparation of molds to obtain samples for sintering as well as the analysis of the compaction ratio with the application of different pressures. For this purpose, the 2D design of two matrices and two punches (upper and lower) were used to obtain the samples using SOLIDWORKS 2017 student version. The samples were produced using AISI 316 stainless steel, establishing different pressures, and a mass variation, in order to obtain different heights. After the samples were sintered at a temperature of approximately 1000 ° C, for 45 min. Then the effects of the pressures were analyzed, which resulted in obtaining compaction ratios varied. In the sintering, visibly what was expected, when compared to the literature, the samples deformed, causing dimensional changes, making them more resistant in comparison to the green compacted. The results obtained allowed to make a previous analysis of the behavior of sintering parameters such as compression pressure and compacted area.

Key-words: Stainless steel samples. Sintered samples. Powder metallurgy. Pressure.

Compaction ratio.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Etapas do processo de metalurgia do pó ... 12

Figura 2 – Esquema da operação de compactação de pós metálicos ... 13

Figura 3 – Matriz simples de compactação de pós metálicos com seus diversos componentes ... 15

Figura 4 – Estágios de sinterização em fase sólida ... 16

Figura 5 – Estágios de sinterização em fase líquida ... 17

Figura 6 – Tipo comum de forno de sinterização utilizado em metalurgia do pó ... 18

Figura 7 – Etapas do processo na obtenção de amostras sinterizadas ... 19

Figura 8 – Tornos utilizados para fabricação dos moldes e punções. (A) torno CNC: fabricação de moldes e punções e (B) torno horizontal: utilizado para fazer o furo passante nos moldes ... 20

Figura 9 – Balança de precisão utilizada para medir a quantidade de massa ... 21

Figura 10 – Etapas para obtenção de amostras: (A) punção antes da compactação, (B) compactação na prensa hidráulica, (C) punção após a compactação e (D) retirada da amostra do molde ... 22

Figura 11 – Processo de sinterização de amostras: (A) forno utilizado para sinterização das amostras e (B) as amostras dentro do forno antes sinterização e (C) amostras sinterizadas ... 23

Figura 12 – (A) Amostras embutidas para etapa de lixamento. (B) Amostras após a etapa de lixamento ... 23

Figura 13 – Microdurômetro HMV Shimadzu, utilizado na realização do ensaio ... 24

Figura 14 – Projeto matrizes com punções para obtenção de amostras compactadas ... 24

Figura 15 – Matrizes e punções superior e inferior fabricados ... 25

Figura 16 – Processo de térmico de tempera nos punções. (A) forno e (B) punções após o tratamento ... 25

Figura 17 – Amostra de 12 mm retirada da matriz de compactação ... 29

Figura 18 – Amostra de 10 mm retirada inteira (A) e partida da matriz (B) ... 30

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Figura 19 – Comportamento das razões de compactação em função da variação de massa ... 34 Figura 20 – Amostras após o processo de sinterização ... 35 Figura 21 – Comparativo de dureza entre as amostras com variação de diâmetros (A12-2 e A10-1,4) e de massa (A10-2, A10-2,5 e A10-3) ... 36 Figura 22 – Região de uma das amostras que apresentou um vazio interno após a etapa de lixamento ... 37

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Cifras indicativas das pressões de compactação recomendadas ... 14

Tabela 2 – Indicação de temperatura, tempo e atmosfera recomendados para vários materiais ... 18

Tabela 3 – Condições de tratamento com têmpera para o aço 1045 ... 26

Tabela 4 – Propriedades do Aço 1045 disponível no mercado ... 26

Tabela 5 – Valores de folga calculados para o punção com diâmetro de 10 (mm) ... 27

Tabela 6 – Valores de folga calculados para o punção com diâmetro de 12 (mm) ... 28

Tabela 7 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 12 mm e massa de 2 g ... 31

Tabela 8 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 1,40 g .. 31

Tabela 9 – Razão de compactação para a matriz de diâmetro de 10 mm e massa de 2 g ... 32

Tabela 10 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 2,5 g .. 33

Tabela 11 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 3 g ... 34

Tabela 12 – Dureza (média ± DP) obtida a partir de cinco endentações, para cada uma das amostras ... 36

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 12 mm de diâmetro e massa de 2 g ... 31 Gráfico 2 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 1,40 g ... 32 Gráfico 3 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 2 g ... 32 Gráfico 4 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 2,5 g ... 34 Gráfico 5 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 3 g ... 35

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 10

1.1. OBJETIVO GERAL ... 11

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 11

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12

2.1. Metalurgia do Pó ... 12

2.2. Compactação de Pós ... 13

2.2.1 Matrizes de compactação... 14

2.3. Sinterização ... 15

2.3.1 Sinterização em fase sólida... 16

2.3.2 Sinterização em fase líquida ... 17

2.3.3 Fornos para sinterização ... 18

3. MATERIAL E MÉTODOS ... 19

3.1. Fabricação das matrizes e punções ... 19

3.2. Obtenção das Amostras ... 20

3.2.1 Etapas para obtenção das amostras ... 21

3.3. Sinterização das amostras ... 22

3.4. Ensaio de microdureza...23

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 244

4.1. Moldes e punções ... 244

4.2. Amostras de aço inoxidável ... 288

4.3. Sinterização das amostras ... 355

4.4. Ensaio de microdureza ... 356

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 38

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 39

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1. INTRODUÇÃO

Por muitas décadas o mercado industrial utilizou-se de processos tradicionais como a fundição e a usinagem para obtenção de peças metálicas. Esses métodos eram demorados e alguns de alto custo, com pouco aproveitamento do material, gerando resíduos, além de não possuírem bom acabamento superficial. Tornando a obtenção do produto final demorada, devido à necessidade de mais uma etapa no processo, não atendendo a demanda de mercado (CHIAVERINI, 1986).

Durante a segunda guerra mundial, com a necessidade de uma alternativa para suprir produções em grande escala, deu-se início ao estudo mais detalhado do processo de metalurgia do pó, que consiste em transformar pós metálicos e não metálicos em peças resistentes, sem utilizar a fusão, empregando apenas pressão e calor. Embora esta técnica seja recente em termos de aplicação na indústria, devido até aquele momento não ser economicamente viável, há vestígios de sua utilização a centenas de anos, na fabricação de espadas, lanças, etc. Através desse estudo sobre o método, tornou-se possível à produção de peças com materiais refratários e duros, que antes eram impossíveis ou difíceis de serem obtidos pelos métodos metalúrgicos tradicionais (CHIAVERINI, 2001). A metalurgia do pó possui algumas etapas para o processamento de um material metálico, esta técnica abrange, entre outras, a obtenção e moagem do pó, bem como a conformação e sinterização de peças, possibilitando a produção de peças com formas definitivas (BRAGA et al., 2007).

O Método de aquecer peças já compactadas a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do metal de base e em condições controladas é denominada de sinterização. A utilização deste processo possibilita bom acabamento superficial e aproveitamento de mais 97% da matéria prima, eliminando ou reduzindo as operações de usinagem. As peças sinterizadas apresentam maior resistência mecânica e alta pureza quando comparado a outros processos, além de possibilitar obtenção de peças com características estruturas especiais, como porosidade controlada. (SAGAWA et al., 1984; ORMEROD, 1989; revisão em ESPINOZA et al., 2010).

Nos últimos anos, a metalurgia do pó tem experimentado um grande e acelerado desenvolvimento, devido as suas características já mencionadas, além da facilidade de automação do processo produtivo. A metalurgia do pó se tornou uma fonte produtora de peças em diversas áreas da indústria, entre elas a área de informática, aeroespacial, de materiais eletroeletrônicos, equipamentos eletrodomésticos, maquinários, entre outros (DELFORGE, 2007). Entretanto, uma área em especial vem se destacando na utilização desse método, que é

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da indústria automobilística, especialmente, o segmento de autopeças (GONÇALVES, 1995;

DAVID, 2005).

A técnica de sinterização é relativamente nova, e vem substituindo em parte as técnicas convencionais. Por se tratar de uma técnica recente, mais estudos sobre essa temática ainda são necessários. Portanto, este trabalho busca analisar a relação do efeito da pressão de compactação ao longo do comprimento longitudinal das peças produzidas.

1.1. OBJETIVO GERAL

Analisar a influência da taxa de compactação com a aplicação de diferentes pressões de compactação e avaliar o comportamento da resistência através do ensaio de microdureza de amostras produzidas de aço inoxidável.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Projetar e confeccionar moldes e punções para obter amostras de aço inoxidável sinterizadas.

• Caracterizar amostras.

• Analisar a influência de diferentes pressões em relação a razão de compactação das amostras.

• Realizar ensaio de microdureza, avaliando o comportamento da resistência das amostras.

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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. Metalurgia do Pó

A metalurgia do pó é a técnica que consiste em transformar pós metálicos e não metálicos, em peças complexas com alta qualidade e tolerância, e resistentes, sem recorrer à fusão do material, mas apenas empregando pressão e calor. A operação de aquecer as peças já compactadas e condições controladas de temperatura, tempo e atmosfera denomina-se sinterização (CHIAVERINI, 1986; BRAGA et al., 2007).

Embora a metalurgia do pó seja uma técnica de uso industrial relativamente recente, já que teve a sua consolidação a partir da Segunda Guerra Mundial, no entanto, os metais na forma de pós já eram empregados em peças há vários séculos (BONATO, 2003). Esse novo processo possibilitou estudos para fabricação de materiais refratários com tungstênio e molibdênio, cujos pontos de fusão são extremamente elevados, impossibilitando sua obtenção pelos métodos metalúrgicos convencionais, e posteriormente para materiais duros como o Titânio e Tântalo (CHIAVERINI, 1986).

O processo de Metalurgia do Pó executa algumas etapas até a obtenção do produto final (ver Figura 1). Iniciando pela obtenção do pó, em seguida a mistura, depois compactação e por fim a sinterização, às vezes sendo necessário realizar outras etapas complementares. Os pós depois de serem misturados, são compactados em matrizes onde adquirem a forma da cavidade da matriz. Em seguida, são colocados em fornos para sinterização onde obtém consistência e resistência mecânica (MORO; AURAS, 2007).

Figura 1 – Etapas do processo de metalurgia do pó.

Fonte: MORO.; AURAS (2007).

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Nos últimos anos pode-se observar um rápido crescimento e maior variedade na utilização de peças fabricadas pelo processo de metalurgia do pó em diversos segmentos, a exemplo da indústria automobilística, de informática e aeroespacial, equipamentos eletrodomésticos, máquinas, entre outros (GONÇALVES, 1995). Isto é atribuído ao fato deste ser um processo mais rápido e econômico em comparação a outros, permitindo a manufatura de peças em grande escala, geralmente sem a necessidade da etapa de usinagem ou acabamento. Além da possibilidade de obter propriedades mecânicas em faixas de valores comparáveis com os processos convencionais (SAGAWA et al., 1984; ORMEROD, 1989;

revisão em ESPINOZA et al., 2010).

2.2. Compactação de Pós

Uma das operações básicas do processo de metalurgia do pó é a compactação do pó metálico. O pó é colocado na cavidade de uma matriz montada em prensas de compressão (ver Figura 2), em seguida ocorre o deslocamento simultâneo dos punções superior e inferior, à temperatura ambiente, sendo as pressões determinadas de acordo com as características do tipo de pó, da quantidade e qualidade do lubrificante inserido na mistura (ver Tabela 1).

(MORO; AURAS, 2007).

Figura 2 - Esquema da operação de compactação de pós metálicos.

Fonte: CHIAVERINI, (1986).

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Tabela 1 – Cifras indicativas das pressões de compactação recomendadas.

Materiais Pressão

Peças de Latão 4,0 a 7,0 t/cm²

Buchas Auto Lubrificantes de Bronze 2,0 a 3,0 t/cm²

Escovas Coletoras Cu-grafita 3,5 a 4,5 t/cm²

Metal Duro 1,0 a 5,0 t/cm²

Buchas Porosas de Ferro 2,0 a 4,0 t/cm²

Peças de Ferro e Aço

Baixa Densidade 3,0 a 5,0 t/cm²

Média Densidade 5,0 a 6,0 t/cm²

Alta Densidade 5,0 a 10,0 t/cm²

Fonte: CHIAVERINI, (1986).

O movimento do punção causa apenas o adensamento do pó, sem deformar e gera adesão entre as partículas. Com o aumento da carga aplicada, ocorre a deformação plástica, formando uma espécie de solda fria. A compactação resulta em uma peça com formato final ou aproximada da peça a ser fabricada, denominada compactado verde, de estrutura frágil, necessitando manuseio adequado para evitar o esfarelamento da mesma. Certos tipos de geometria são inviáveis devido à formação de zonas neutras, região na qual as partículas sofrem menos forças de compactação, causando uma peça final heterogênea e com zonas de propriedades distintas. A compactação é realizada em prensas hidráulicas que funcionam com enchimento por peso, processo feito quase manualmente, gerando prejuízo na produção. Em mecânicas que operam com o princípio de enchimento da cavidade da matriz por volume, de maneira automática, obtendo uma produção de várias peças por minuto e ainda existem as prensas hibridas. (MORO; AURAS, 2007; CHIAVERINI, 1986).

2.2.1 Matrizes de compactação

Uma matriz simples de compactação é constituída essencialmente do corpo, da punção superior, do punção inferior, e no caso de peças com furos passantes, do macho (ver Figura 3). Um dos problemas mais importantes a ser considerado está relacionado com as tolerâncias dimensionais. Tolerâncias estreitas podem ser obtidas em formas relativamente simples, já as tolerâncias mais amplas nem sempre são viáveis, uma vez que uma das vantagens do processo é a obtenção de peças de precisão praticamente acabadas. Outro fator importante a considerar são as folgas entre as paredes da matriz e do punção, para que não haja dificuldade no movimento relativo das partes componentes da matriz, além de permitir a saída de gases durante a aplicação de pressão, assim como evitar que os finos pós penetrem nos espaços

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entre as paredes, o que pode atrapalhar o movimento e acelerar o desgaste da matriz. A matriz deve ser produzida com aço indeformável de alto carbono ou alto cromo (CHIAVERINI, 1986).

Figura 3 – Matriz simples de compactação de pós metálicos com seus diversos componentes.

Fonte: CHIAVERINI (1986).

2.3. Sinterização

O processo de sinterização consiste no aquecimento das partículas do pó já compactado, em condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de aquecimento e resfriamento. Este processo deve ser realizado sempre abaixo do ponto de fusão da metal base da mistura, que é o suficiente para causar difusão atômica ou fluxo viscoso. O compactado poroso apresenta redução da área superficial e do seu raio de curvatura, ou seja, perde a sua identidade original, devido à formação de continuidade de matéria entre as partículas e assim, elevando as suas propriedades como densidade, dureza e resistência mecânica. (GERMAN, 1998; BONATO, 2003; DAVID, 2005).

A sinterização pode ser considerada um fenômeno complexo, dado que depende de muitos fatores como a solubilidade mútua, autodifusividade e interdifusividade, e entre outros, que são associados aos materiais e os sistemas que são tão diversos que ainda não foi

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possível encontrar algum modelo padrão específico para cada sistema a ser estudado.

Mediante o tipo de sistema e as fases existentes durante sinterização, podem-se se classificar em dois tipos: sinterização em fase sólida e líquida (FERREIRA, 2008; ABREL; SKURY, 2015).

2.3.1 Sinterização em fase sólida

É o processo que ocorre a uma temperatura em que nenhum dos componentes do sistema atinge o ponto de fusão, promovendo a união das partículas do pó. O procedimento envolve a sinterização de sólidos cristalinos e amorfos. Este tipo de sinterização pode-se dividir em três etapas: inicialmente, é caracterizado pela formação de contornos de grãos na zona de contato entre as partículas ou na formação e crescimento de pescoços até o momento que exista interferência.

A etapa intermediária, onde existe uma grande densificação (eliminação da porosidade) do compactado, sendo caracterizado por estruturas na forma de cilindros interconectados. A densificação a princípio possui a estrutura de 70 a 92% de porosidade e finaliza com aproximadamente 8% de porosidade remanescente. A terceira e última etapa, consiste no isolamento dos poros na área dos contornos de grão e a eliminação sucessiva da porosidade por difusão de vacâncias dos poros, resultando em uma pequena densificação da estrutura (ver Figura 4) (GERMAN, 1990; ABREL; SKURY, 2015).

Figura 4 - Estágios de sinterização em fase sólida.

Fonte: LEE & REINFORTH (1994).; com adaptações: ABREL.; SKURY (2015).

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2.3.2 Sinterização em fase líquida

A sinterização é caracterizada pela presença de uma fase líquida quando é alcança uma temperatura superior ao ponto de fusão de um dos componentes da mistura, na maioria das vezes sendo o componente de menor ponto de fusão e em menor quantidade. Nesta fase a sinterização pode ocorre por dois processos diferentes: o primeiro, quando o líquido permanece presente durante todo o tempo, enquanto o compactado está na temperatura de sinterização e o segundo, chamado de fase líquida transiente, onde o líquido é formado durante o aquecimento do material compactado à temperatura de sinterização e desaparece por interdifusão durante o processo (CHIAVERINI, 2001; ABREL; SKURY, 2015).

Em fase líquida a sinterização pode haver três estágios: o primeiro, conhecido como rearranjo, é caracterizado pelo grande movimento das partículas na fase líquida, em consequência provoca o rearranjo dessas partículas e densificação da estrutura. O próximo estágio é denominado dissolução e precipitação, que ocorre somente se houver uma solubilidade limitada do sólido na fase líquida. Por fim, o terceiro estágio que é chamado como ligação de fase sólida, no qual acontece apenas se não existe uma umidificação completa, podendo ocorrer um rápido crescimento de grão na fase sólida. Tem como objetivo o encerramento do processo de fechamento dos poros e a contração da estrutura (ver Figura 5) (ABREL; SKURY, 2015).

Figura 5 - Estágios de sinterização em fase líquida.

Fonte: GERMAN (1998), FERREIRA (2008).

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2.3.3 Fornos para sinterização

Os fornos para sinterização são de dois tipos: gás e elétricos por resistência ou por indução (fornos geralmente a vácuo). São geralmente do tipo contínuo, com esteira, caracterizado por três zonas de operação: pré-aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento (ver Figura 6) (MORO; AURAS, 2007). Durante a operação deve-se levar em consideração o ambiente adequado para evitar que ocorram interferências indesejáveis.

Portanto, se faz necessária à utilização da chamada atmosfera protetora (ver Tabela 2), que tem como objetivos: remover impurezas presentes, fornece um ou mais elementos químicos para se ligarem ao metal do compactado e o mais importante, evitar a reação de oxidação do material (CHIAVERINI, 2001).

Figura 6 - Tipo comum de forno de sinterização utilizado em metalurgia do pó.

Fonte: CHIAVERINI (1986).

Tabela 2 – Indicação de temperatura, tempo e atmosfera recomendados para vários materiais.

Material Temperatura °C Tempo mínimo Atmosfera

Bronze 760-870 10-20 Hidrogênio, amónia

dissociada, gás exotérmico.

Cobre 840-900 12-45 Idem

Latão 840-900 8-45 Idem

Ferro e Fe-gráfica-Cu 1000-1150 30-45 Idem

Níquel 1000-1150 30-45 Idem

Aço Inoxidável 1090-1285 30-60 Hidrogênio, amônia

dissociada, vácuo.

Ímãs Alnico 1215-1300 120-150 Hidrogênio

Metal Duro 1425-1480 20-30 Hidrogênio – vácuo Fonte: CHIAVERINI, (1986).

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3. MATERIAL E MÉTODOS

Para realização deste trabalho foram seguidas as etapas representadas no fluxograma abaixo (Figura 7), contendo uma visão geral dos processos para obtenção das amostras sinterizadas a serem analisadas.

Figura 7 – Etapas do processo na obtenção de amostras sinterizadas.

Fonte: Autoria própria, (2019).

3.1. Fabricação das matrizes e punções

Para obtenção das amostras foram fabricadas duas matrizes (moldes) e dois punções (superior e inferior) com diâmetros diferentes. O projeto em 2D das peças foi desenvolvido utilizando o software Solidworks 2017 versão estudantil (ver Figura 14). Em seguida, as peças foram produzidas através do processo de torneamento (Figuras 8), sendo as matrizes de 10 mm e 12 mm de diâmetro interno, dimensões escolhidas devido ao ferramental disponível

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no laboratório, são constituídas de aço 1020 e os punções superiores e inferiores com aço 1045 (ver Figura 15). Para evitar uma possível deformação dos punções nas aplicações das cargas estabelecidas, foi feito um tratamento de têmpera seguindo as condições para o material (Ver Tabela 3) (GGD METAIS, 2019).

Figura 8 – Tornos utilizados para fabricação dos moldes e punções. (A) torno CNC:

fabricação de moldes e punções e (B) torno horizontal: utilizado para fazer o furo passante nos moldes.

Foto: Autoria própria, (2016).

3.2. Obtenção das Amostras

Para a produção das amostras foi utilizado o aço inoxidável AISI 316. Este tipo de material foi escolhido especificamente, devido ao forno da instituição UFERSA, não possuir proteção atmosférica desejada, podendo causar a oxidação de peças com composição de outras ligas. Inicialmente foram estabelecidas três pressões (5, 6 e 7) tnf de acordo com o tipo do pó trabalhado conforme Tabela 1, adotando massa de 2 g para a matriz com diâmetro interno de 12 mm. Já para a matriz de 10 mm de diâmetro, foram aplicadas as mesmas pressões, porém calculando a quantidade de massa adotada pela relação de volume, para gerar amostras com aproximadamente a mesma altura do molde de 12 mm, totalizando seis amostras.

Posteriormente foram feitas nove amostras utilizando apenas a matriz de 10 mm, aplicando as mesmas pressões já citadas anteriormente, sendo alteradas apenas as massas para (2; 2,5; 3) g. Estas diferentes amostras foram produzidas para obter-se uma variação de alturas e verificar o comportamento da razão de compactação.

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3.2.1 Etapas para obtenção das amostras

A primeira etapa foi medir a quantidade de pó a ser utilizado para cada molde, com auxílio de uma balança analítica de precisão digital (ver Figura 9).

Figura 9 – Balança de precisão utilizada para medir a quantidade de massa.

Foto: Autoria própria (2018).

A segunda etapa consistiu na lubrificação do interior da matriz e ao longo do punção superior, utilizando lubrificante composto de 5% de estearato de zinco e álcool, utilizando um algodão para aplicação. A terceira etapa se destinou a inserção do pó na matriz, seguida do posicionamento do punção na cavidade da matriz. Com o pó inserido, foi medida a sua altura inicial com o auxílio de um paquímetro, com resolução de 0,05 mm (Mitutoyo®), para cada amostra. O corpo (matriz e punções) foi colocado em uma prensa hidráulica, aplicando as pressões para compactação. Ainda com a carga aplicada sobre o corpo, foram estabelecidos cinco minutos de espera, antes de retirar a carga sobre o punção superior e medido a sua altura final. Logo após a amostra foi retirada da matriz (Figura 10).

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Figura 10 – Etapas para obtenção de amostras: (A) punção antes da compactação, (B) compactação na prensa hidráulica, (C) punção após a compactação e (D) retirada da amostra do molde.

3.3. Sinterização das amostras

A temperatura de sinterização utilizada foi de aproximadamente 1000º C, com o tempo de sinterização de 45 minutos de acordo com o tipo de material (ver Tabela 2). As amostras foram colocadas para aquecer junto com o forno a uma taxa de aquecimento de 30º C/min, até atingir a temperatura de sinterização (ver Figura 11). A temperatura de sinterização escolhida está um pouco abaixo da faixa ideal para o aço inoxidável, isso foi estabelecido devido à limitação do forno disponibilizado pela UFERSA. Após o tempo estabelecido para sinterização do material, o forno foi desligado e as amostras foram deixadas dentro para resfriar até a temperatura ambiente.

(28)

23

Figura 11 – Processo de sinterização de amostras: (A) forno utilizado para sinterização das amostras e (B) as amostras dentro do forno antes sinterização e (C) amostras sinterizadas.

3.4. Ensaio de microdureza

Antes da realização do ensaio, as amostras sinterizadas foram lixadas para se obter uma superfície plana e homogênea, conforme a norma ISO 4507, e para facilitar o manuseio neste procedimento as amostras foram embutidas, ver Figura 12. Utilizou-se do processo de embutimento a frio, com uma resina do tipo poliéster e um catalizador para reduzir o tempo de cura.

Figura 12 – (A) Amostras embutidas para etapa de lixamento. (B) Amostras após a etapa de lixamento.

Com a superfície das amostras prontas, realizou-se o ensaio de microdureza no microdurômento (Shimadzu®) Figura 13, aplicando uma carga de 490 mN durante 10 segundos. Para este trabalho foram estabelecidas cinco medições de dureza Vickers (HV) no sentido longitudinal das amostras, iniciando-se a endentação do centro até a extremidade, ou seja, utilizando como base de medição o seu raio.

(29)

24

Figura 13 – Microdurômetro HMV Shimadzu, utilizado na realização do ensaio.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Moldes e punções

O projeto dos punções e matrizes de 10 e 12 mm, estão representados na Figura 14 abaixa. Com o desenho 2D possibilitou a fabricação dos punções e matrizes conforme a Figura 15.

Figura 14 – Projeto matrizes com punções para obtenção de amostras compactadas.

(30)

25

Figura 15 – Matrizes e punções superior e inferior fabricados.

Quando é aplicada uma carga sobre o punção, o mesmo sofre deformações nas direções axiais e radiais. Deste modo alguns fatores devem ser considerados, pois o punção não pode sofrer uma deformação plástica e a pressão aplicada não deve atingir a tensão de escoamento da liga que o constitui (aço 1045). Porém, foi observado que para baixas pressões não se formou amostras contundentes, sendo então necessário aumentar a carga a ser aplicada.

De modo que foi feito um tratamento térmico de tempera nos punções superiores, com a finalidade de se obter uma resistência a deformação superior, seguindo as condições de têmpera para o aço 1045 (ver Tabela 3). Os punções foram colocados dentro do forno já aquecido, em uma temperatura de austenitização de 850º C por 60 minutos e logo em seguida resfriados com a agitação em água (Figura 16).

Figura 16 – Processo térmico de têmpera nos punções. (A) forno e (B) punções após o tratamento.

(31)

26

Tabela 3 – Condições de tratamento com têmpera para o aço 1045.

Tipo do Aço

Temperatura de Austenitização

(ºC)

Duração (min)

Tipo de Resfriamento

Aço

1045 820 - 850

60 min por cada 25

mm de espessura

Água ou Polímero e

Óleo

Fonte: Adaptado de GGD METAIS, (2019).

Outro fator importante, é que mesmo no regime elástico, é possível que o punção sofra uma variação de deformação que cause a fixação do mesmo na parede da matriz, fazendo com que fique preso. Diante desta possibilidade é necessário projetar uma folga, utilizando às equações do princípio de resistência dos materiais (Equações de 1 a 5, descritas no 4.1.

Moldes e punções), obtendo os valores a serem reduzidos, considerando a nomenclatura do aço 1045 disponível no mercado (ver Tabela 4), para os punções com os diâmetros de 10 mm e 12 mm respectivamente.

Tabela 4 – Propriedades do Aço 1045 disponível no mercado.

Tipo de aço

Teor de Carbono

(%)

Módulo de elast.

(GPa)

Limite de elast.

(Gpa)

Limite de esco.

(Mpa)

Limite de resist. à

tração (Mpa)

Alonga- mento (%)

Coef.

de Poisson

Aço 1045 45 210 250 310 560 17 0,30

Fonte: Adaptado de AÇOESPECIAL, (2018).

Devido à necessidade de projetar folgas para cada um dos punções, foram feitos cálculos utilizando uma adaptação das equações de tensão normal, lei de Hooke, deformação na direção longitudinal ou axial, coeficiente de Poisson e deformação elástica, expressas pelas seguintes fórmulas:

𝜎 = ^𝑃

𝐴 (1)

𝜎 = 𝐸𝜀 (2)

∈_{𝑙𝑜𝑛𝑔} = ^𝛿

𝐿 (3)

(32)

27

𝑣 = − ^∈^𝑙𝑎𝑡

∈_{𝑙𝑜𝑛𝑔} (4)

𝛿 = ^𝑃𝐿

𝐴𝐸 (5)

onde (1) é a relação entre a força normal interna resultante dividida pela área da seção transversal; (2) é a relação entre o módulo de elasticidade do material multiplicado pela deformação; (3) é a relação entre o alongamento específico pelo comprimento; (4) é a relação entre a deformação radial pela deformação longitudinal; (5) é a relação entre força axial interna na seção multiplicado pela distância, dividido pela área da seção transversal multiplicado pelo módulo de elasticidade do material (ver HIBBELER, 2010). Considerando os valores das propriedades do aço 1045 (ver Tabela 3), na qual as pressões aplicadas não podem ultrapassar o limite de escoamento do material, para que não ocorra deformação plástica, foram obtidos os seguintes resultados para serem reduzidos dos dois punções (Tabelas 5 e 6).

Tabela 5 – Valores de folga calculados para o punção com diâmetro de 10 (mm).

Tonelada (tnf)

Força (kN)

Pressão (Mpa)

Deformação Axial (mm)

Deformação Radial (mm)

1 9,81 124,90 0,0281 0,0084

2 19,62 249,81 0,0562 0,0169

3 29,43 374,71 0,0843 0,0253

4 39,24 499,62 0,1124 0,0337

5 49,05 624,52 0,1405 0,0422

6 58,86 749,43 0,1686 0,0506

7 68,67 874,33 0,1967 0,0590

8 78,48 999,24 0,2248 0,0674

9 88,29 1124,14 0,2529 0,0759

10 98,10 1249,05 0,2810 0,0843

Fonte: Autoria própria (2016).

(33)

28

Tabela 6 – Valores de folga calculados para o punção com diâmetro de 12 (mm).

Tonelada (tnf)

Força (kN)

Pressão (Mpa)

Deformação Axial (mm)

Deformação Radial (mm)

1 9,81 86,74 0,0195 0,0059

2 19,62 173,48 0,0390 0,0117

3 29,43 260,22 0,0585 0,0176

4 39,24 346,96 0,0781 0,0234

5 49,05 433,70 0,0976 0,0293

6 58,86 520,44 0,1171 0,0351

7 68,67 607,18 0,1366 0,0410

8 78,48 693,92 0,1561 0,0468

9 88,29 780,65 0,1756 0,0527

10 98,10 867,39 0,1952 0,0585

Verificou-se que para os punções de 10 e 12 mm, a carga ideal a ser aplicada seria de 2 e 3 tnf respectivamente, respeitando o limite de escoamento do material (ver Tabela 4), no entanto para estas cargas e as demais inferiores não obteve-se amostras contundentes, sendo descartadas a sua utilização. Sendo necessário utilizar cargas mais elevadas, adotando 5, 6 e 7 (tnf) conforme a Tabela 1, onde para se projetar a folga seriam reduzidos os valores de 0,0590 mm do punção de 10 mm e 0,0410 mm para o punção 12 mm. Os diâmetros dos punções foram medidos com auxílio de um micrometro (Mitutoyo®), observando-se que as medidas estavam menores do que os valores que seriam adotados para as folgas. Isto se deve, possivelmente pela imprecisão obtida no processo de usinagem na sua fabricação. Assim os valores de folgas encontrados não foram adotados.

4.2. Amostras de aço inoxidável

Primeiramente, foram obtidas três amostras para a matriz de 12 mm de diâmetro, após serem expulsas da matriz todas as amostras saíram inteiras, resultando em uma peça com formato final próximo do desejado de acordo com a literatura (CHIAVERINI, 1986).

Percebeu-se na matriz um excesso de parte do material que não foi compactado (ver Figura 17).

(34)

29

Figura 17 – Amostra de 12 mm retirada da matriz de compactação.

Em seguida foram obtidas mais três amostras para a matriz de 10 mm. Levando em consideração que a altura teria que ser aproximadamente igual à altura inicial das amostras de 12 mm, a massa foi calculada utilizando a relação de volume, expressa pela seguinte fórmula adaptada (SILVA, 2016).

𝑚₂ = ^𝑚¹^𝑟²²

𝑟₁² (6)

onde, (6) 𝑚₂ é a massa a ser obtida para as amostras de 10 mm; 𝑚₁ é a massa de 2 g adotadas para obtenção das amostras de 12 mm; 𝑟₂ e 𝑟₁ são os raios das amostras respectivamente.

Após expulsas todas as amostras saíram inteiras, foi estabelecido à utilização dessa matriz para obtenção das demais amostras (ver Figura 18).

Aplicando as mesmas pressões (5, 6 e 7) tnf foram adotadas mais três massas (2, 2.5 e 3) g. Algumas amostras quando retiradas da matriz partiram-se, provavelmente isto ocorreu devido ao atrito entre as paredes da matriz e a amostra, quando aplicada a carga para expulsa- la. Além disso foi observado que na expulsão algumas amostras apresentaram grande perda de material não compactado.

(35)

30

Figura 18 – Amostra de 10 mm retirada inteira (A) e partida da matriz (B).

Foto: Autoria própria, (2018).

Para observar a relação da variação de altura no decorrer do aumento da massa, de acordo com a variação dos diâmetros, foram obtidas as razões de compactação conforme a equação (7) para cada pressão. As tabelas de 7 a 11 mostram a relação da pressão de compactação, pela razão de compactação. O resultado obtido foi como esperado, onde quanto maior a carga aplicada, maior será a razão de compactação. Foram gerados gráficos de 1 a 5 para cada grupo de amostras e um gráfico geral fazendo um comparativo conforme Figura 19 de todos os grupos de amostras. Para simplificação as amostras serão renomeadas e apresentadas nos gráficos da seguinte forma:

A12-2 = Amostra com o diâmetro de 12 mm e massa 2,00 g.

A10-1,4 = Amostra com o diâmetro de 10 mm e massa 1,40 g.

A10-2,5 = Amostra com o diâmetro de 10 mm e massa 2,50 g.

𝑅𝐶_% = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙− 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑥100 (7)

(36)

31

Tabela 7 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 12 mm e massa de 2 g.

Pressão (tnf)

Altura Inicial (mm)

Altura Final (mm)

Razão de Compactação

(%)

5 3,90 1,80 53,85

6 4,00 1,45 63,75

7 3,95 1,30 67,09

Gráfico 1 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 12 mm de diâmetro e massa de 2 g.

Tabela 8 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 1,40 g.

Pressão (tnf)

Altura Inicial (mm)

Altura Final (mm)

(%)

5 4,20 2,55 39,29

6 4,50 2,40 46,67

7 4,00 2,10 47,50

10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8

Razão de Compactação (%)

Pressão (tnf)

A12-2

(37)

32

Gráfico 2 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 1,40 g.

Tabela 9 – Razão de compactação para a matriz de diâmetro de 10 mm e massa de 2 g.

Pressão (tnf)

Altura Inicial (mm)

Altura Final (mm)

(%)

5 5,95 3,00 49,58

6 6,10 2,90 52,46

7 6,20 2,80 54,84

10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8

Pressão (tnf)

A10-1,4

10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8

Pressão (tnf)

A10-2

(38)

33

Tabela 10 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 2,5 g.

Pressão (tnf)

Altura Inicial (mm)

Altura Final (mm)

(%)

5 7,20 4,20 41,67

6 7,15 4,00 44,06

7 7,30 3,85 47,26

Gráfico 4 – Razão de compactação em relação as pressões aplicadas para amostra de 10 mm de diâmetro e massa de 2,5 g.

Tabela 11 – Razão de compactação para o molde de diâmetro de 10 mm e massa de 3 g.

Pressão (tnf)

Altura Inicial (mm)

Altura Final (mm)

(%)

5 8,65 4,70 45,66

6 8,60 4,50 47,67

7 8,70 4,40 49,43

10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8

Pressão (tnf)

A10-2,5

(39)

34

De acordo com o Figura 19, para o grupo de amostras que possuem aproximadamente a mesma altura inicial, verificou-se que com a variação do diâmetro proporcional as razões de compactação foram superiores para A12-2 em relação ao grupo de amostras A10-1,4, onde quanto maior o diâmetro maior será a razão de compactação obtida.

Figura 19 – Comportamento das razões de compactação em função da variação de diâmetro e massa.

A Figura 19 contém as amostras (A10-2, A10-2,5 e A10-3) que possuem o mesmo diâmetro, variando apenas suas massas. Foi observado que para estes grupos de amostras houve uma diminuição na razão de compactação no decorrer do aumento da massa aplicada,

10 20 30 40 50 60 70

0 2 4 6 8

Pressão (tnf)

A10-3

(40)

35

porém em alguns casos ocorreram alterações obtendo valores diferentes do esperado, já que o aumento da massa gera uma altura inicial maior e consequentemente uma altura final proporcional. Estas alterações possivelmente devem-se a perda de parte do material na etapa de inserção do pó na cavidade da matriz, como também a imprecisão da homogeneidade do pó dentro da matriz, gerando assim diferentes alturas inicias e finais das amostras (Tabela 9 e 11).

4.3. Sinterização das amostras

Após as amostras passarem aproximadamente 17 horas resfriando dentro do forno, foram retiradas e esquematizadas para melhor visualização (ver Figura 19). Observou-se que para algumas amostras de 10 mm que antes estavam partidas, depois do processo uniram-se, isto ocorreu devido à alta temperatura de sinterização. Comparando os resultados obtidos com os existentes na literatura, percebeu-se que, ocorreu deformação, mudanças dimensionais e um aumento perceptível da resistência das amostras em relação ao compactado verde, semelhante aos resultados obtidos em outros estudos de sinterização de amostras de aço inoxidável (FURUKAVA, 2007.; OLIVEIRA, 2008).

Figura 20 – Amostras após o processo de sinterização.

4.4. Ensaio de microdureza

Os resultados de dureza Vickers (HV) obtidos pelo ensaio foram organizados nos Gráfico 8 e 9, que demostram o comportamento da dureza ao longo do raio para diferentes pressões. As medições foram tratadas, obtendo-se a média ± DP, para os cinco valores de cada amostra, contidos na Tabela 12.

(41)

36

Tabela 12 – Dureza (média ± DP) obtida a partir de cinco endentações, para cada uma das amostras.

Amostras Pressão (tnf)

5 6 7

A12-2 317,2 ± 21,84 309,4 ± 48,87 286,2 ± 64,58 A10-1,4 214,2 ± 61,10 231 ± 38,46 267,8 ± 30,82 A10-2 243,8 ± 61,92 243 ± 35,64 330,4 ± 43,24 A10-2,5 284,2 ± 46,73 183,8 ± 21,92 270 ± 77,32

A10-3 284,6 ± 57,22 283,8 ± 26,32 264 ± 51,14

Conforme a Figura 20, que contém a influência da pressão de compactação aplicada no comportamento da dureza para as amostras, utilizando as durezas médias obtidas (ver Tabela 12), observou-se que para A12-2 no decorrer do aumento da carga de compactação houve uma diminuição de sua dureza (HV), possivelmente isto se deve a uma compactação não homogênea do pó, resultando em variações de dureza nas regiões da amostra. Já o grupo A10-1,4 obteve um comportamento de dureza (HV) mais satisfatório, onde o aumento da carga influenciou na obtenção de uma dureza mais elevada, comportamento semelhante foi observado no estudo de (SOARES et al, 2016), para uma liga Fe-Ni-Mo, onde a carga aplicada influenciou no aumento da dureza. Comparando os resultados dos grupos de amostras verificou-se que A12-2 mesmo com algumas alterações no resultado, possui uma dureza (HV) superior a obtida em A10-1,4.

Figura 21 – Comparativo de dureza entre as amostras com variação de diâmetros (A12-2 e A10-1,4) e de massa (A10-2, A10-2,5 e A10-3).

(42)

37

O mesmo procedimento foi adotado para as demais amostras (A10-2; A10-2,5; A10-3) de acordo com a Figura 20, neste caso, além da pressão de compactação, outro parâmetro a ser analisado foi a influência do aumento da massa no comportamento da dureza. Observou-se que a dureza (HV) medida foi irregular para algumas amostras, contrariamente ao da A10-1,4, bem como, do resultado obtido em (SOARES et al, 2016). Provavelmente isto ocorre da mesma forma que na A12-2, não havendo homogeneidade do pó durante a compactação, deixando espaços vazios na sua estrutura interna. O único grupo de amostras que mostrou um pouco mais de coerência foi A10-2. Percebe-se que com aumento da massa, originou-se um aumento significativo na não conformidade do pó, consequentemente houve um aumento dos espaços vazios entre as partículas (ver Figura 21).

Figura 22 – Região de uma das amostras que apresentou um vazio interno após a etapa de lixamento.

(43)

38

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir dos resultados obtidos no presente estudo foi visto que, na utilização dos dois moldes apenas o de 12 mm possibilitou amostras inteiras após sua retirada da matriz. O efeito das pressões resultou na obtenção de razões de compactação variadas. Obtendo-se uma proporcionalidade, em que quanto maior fosse à pressão aplicada, maior seria a razão de compactação. Após a sinterização espera-se que as amostras tenham suas propriedades mecânicas aprimoradas, no entanto, visualmente percebe-se que ocorreu uma deformação das amostras, causando mudanças dimensionais, onde as amostras tornaram-se mais resistentes em comparação ao compactado verde.

Analisado a influência do diâmetro e da massa em relação a razão de compactação, obteve-se que quanto maior o diâmetro, maior será razão e quanto menor a quantidade de massa, maior será sua razão de compactação.

Os resultados do ensaio de dureza (HV), mostraram que no decorrer do aumento da pressão, ocorreu também um aumento da dureza ao longo da superfície das amostras.

Algumas amostras apresentaram uma variação na sua dureza, causada pela não homogeneização das partículas do pó, surgindo vazios entre elas. A massa influenciou a não conformidade do pó, e o aumento dos espaços vazios entre as partículas, gerando falhas internas nas amostras.

Diante dos resultados obtidos e discutidos no presente trabalho recomenda-se a realização de um ensaio como um maior número de endentações, para se obter resultados mais conclusivos e como também, a medição de microdureza no sentido transversal para ter um comparativo maior de dados. Além de análise de microscopia ótica e análise utilizando a microscopia eletrônica de varredura (MEV), a fim de realizar uma melhor caracterização e avaliação das amostras.

(44)

39

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