ESTUDO DO EFEITO DA PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO NA SINTERIZAÇÃO DE CAVACOS FERROSOS
L. Resende (1); S. R. S. Soares (1); M. L. Rodrigues (1); E. K. Dias (1); F. A. Costa
(2)
; U. U. Gomes (2)
Rod. Rondonópolis-Guiratinga, KM 06, Sagrada Família. CEP: 78735-901. Rondonópolis – MT
Resende_leo@hotmail.com
(1) Engenharia Mecânica / UFMT – Universidade Federal de Mato Grosso. (2) DFTE / UFRN – Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
RESUMO
Não é economicamente vantajoso reaproveitar cavacos de aço para se fabricar peças pequenas desse material via siderurgia ou fundição. Um processo alternativo para isso é o reaproveitamento desses cavacos através da compactação em Alta Pressão. Nesse trabalho, compactos de cavacos grosseiros de aço SAE 1050 (≤ 300 µm) provenientes de um processo de usinagem a seco foram sinterizados. As amostras de aço foram compactadas a frio sob pressões uniaxiais de 0,5 GPa e 2,0 GPa. Após foram sinterizadas em forno mufla sob atmosfera carbonetante. A taxa de aquecimento, as temperaturas e tempo de sinterização foram de 20ºC/min, 1100ºC e 1200ºC, e 90 min respectivamente. Os materiais de partida e as amostras sinterizadas foram caracterizados por microscopia óptica, medidas de microdureza, dureza e densidade. O conjunto de resultados desse trabalho mostrou que o aumento da pressão atuou como uma força motriz adicional ao processo de sinterização nas amostras compactadas. Através dela foi possível produzir amostras altamente densificadas com propriedades mecânicas superiores aquelas obtidas nas peças produzidas a partir da baixa pressão.
Palavras-chave: sinterização, cavacos ferrosos, alta pressão, densificação, mecanismos de sinterização.
INTRODUÇÃO
Na indústria em geral, até pouco tempo atrás, os resíduos sólidos tais como cavacos ou pós grosseiros, de materiais ferrosos produzidos em processos de usinagem, eram considerados como sobras dos processos que deveriam ser descartados, sem maiores preocupações quanto à sua destinação (1).
Os resíduos sólidos ou sucatas tais como os cavacos resultantes do processo de usinagem variam de acordo com o material usinado. Eles podem ser classificados por tipos, tais como o contínuo, de cisalhamento e de ruptura (2). Normalmente na reciclagem, os cavacos de aço resultantes das operações de usinagem são coletados, subsequentemente fundidos e transformados em lingotes com composição química muito bem redimensionada, para finalmente serem retrabalhados e transformados em produtos acabados ou semiacabados por conformação plástica, usinagem, fundição ou outros processos de fabricação (3).
A preocupação mundial com o reaproveitamento de resíduos sólidos tais como cavacos tem levado indústrias a buscar alternativas para o destino final dos mesmos. A Metalurgia do Pó é uma delas, pois, por seu intermédio, pode-se transformar esses materiais em compactos de pós ou de cavacos, sob baixa e alta pressão, respectivamente, e a partir disso fabricar peças de grande interesse para setores da indústria tais como a automobilística, eletrodomésticos, ferramentaria e de metal duro, aeroespacial, e uma infinidade de outras aplicações (3).
A compactação a frio sob altas pressões (P>1,0 GPa) é uma rota bastante promissora para melhorar as condições de sinterabilidade de materiais, porque além de promover uma maior compactação do pó ou cavaco de partida, uma tensão externa aplicada irá somar-se à tensão superficial como força motriz para o processo de sinterização. Adicionalmente, pressões extremamente elevadas permitem a deformação plástica, mesmo de materiais de baixa ductilidade, promovendo um contato íntimo e extenso das partículas ou cavacos e eliminando poros e trincas. Isso tende a diminuir o tempo e/ou a temperatura de sinterização, evitando-se o crescimento excessivo de grãos, sem o uso de aditivos. Além disso, as pressões elevadas provocam fratura nos grãos em materiais frágeis ou dúcteis altamente encruados, o que propicia um pó de partida, para a sinterização, mais fino, sem os riscos de contaminação presentes, quando são usados métodos de cominuição prévia do pó (4).
Dentro deste contexto, estudou-se, nesse trabalho, a possibilidade da sinterização de cavacos de aço SAE 1050, de tamanho menor ou igual a 300 µm, previamente compactados em alta pressão e avaliou-se, de uma forma rigorosa e sistemática, a sua densificação.
MATERIAIS E MÉTODOS
No presente trabalho, foram usados cavacos metálicos obtidos através de operações de corte a seco realizadas num tarugo de aço SAE 1050. Amostras cilíndricas desses cavacos com 8 mm de diâmetro e 3 mm de altura foram compactadas sob pressões uniaxiais de 0,5 GPa e 2,0 GPa, chamadas, respectivamente, de amostras de baixa e alta pressão. Com a finalidade de servir de referência para a análise e discussão dos resultados, foi produzida uma amostra original (AM00) com essas dimensões a partir da usinagem de um tarugo de aço SAE 1050. Os compactos foram sinterizados em atmosfera carbonetante sob uma taxa de aquecimento de 20ºC/min, tempo de 90 minutos e temperaturas de 1100ºC e 1200ºC.
A densidade das amostras compactadas foi medida pelo método geométrico (massa/volume). A densidade das amostras sinterizadas foi medida pelo método picnométrico (6, 7) e foram realizadas 10 medidas com cada uma delas. Para determinar a densidade relativa das mesmas, os valores obtidos foram comparados com o valor de densidade medida na amostra original (AM00) e adotada como teórica no presente trabalho (7,84 g/cm3).
A microestrutura das amostras, previamente polidas com alumina até uma granulometria ≈ 1 µm, foi analisada por microscopia óptica e/ou eletrônica de varredura. Os valores de microdureza (HV) foram obtidos através de um microdurômetro Digimess HV-1000 utilizando carga de 9,8 N, com intervalo de repouso da ponteira de 10 s, e os valores de dureza (HRB) foram medidos em um durômetro Instrutherm DB-300, com carga de 100 kgf e intervalo de repouso da ponteira de 5 s.
Na Fig. 1 (a) é apresentada a morfologia e o tamanho dos cavacos de aço (≤ 300 µm). Nota-se que a sua forma é bastante irregular e o seu tamanho, de acordo com a escala da micrografia, é qualitativamente similar ao medido na peneira. Na Fig. 1 (b) é mostrada a microestrutura da amostra AM00 atacada com Nital 2%. Como pode ser visto as fases constituintes, identificadas por uma região escura e
outra mais clara, são perlita e ferrita, respectivamente. A distribuição destas fases apresentadas nessa figura é, segundo Colpaert (5), típicas de um aço com cerca de 0,5% de carbono ou SAE 1050.
Figura 1: Caracterização do material de partida: (a) Cavaco de 48 MESH (≤ 300 µm) do aço SAE 1050; (b) Microestrutura da amostra AM00 atacada com Nital 2% (tamanho da barra = 400 µm).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Fig. 2 apresenta as microestruturas polidas dos compactos de cavacos submetidos à baixa (AM48-BP) e alta pressão (AM48-AP) respectivamente. Observa-se que na amostra AM48-BP a pressão foi insuficiente para mantê-la integra e isso não permitiu que a sua superfície fosse polida para posterior análise de fases e microdureza em sua microestrutura. Diferentemente, na amostra compactada sob alta pressão foi possível polir a sua superfície e analisar a sua microestrutura e isso é um forte indicativo do efeito do aumento da pressão de compactação na densidade verde dessa amostra e na redução do grau de porosidade em sua microestrutura.
O fato de aparecerem na amostra AM48-AP cavacos menores do que o de partida é um forte indicativo de que a alta pressão contribuiu de uma forma dinâmica e semelhante ao processo de moagem em alta energia para a atuação simultânea ou não da deformação, soldagem, encruamento e fratura desses materiais (8). Isso se traduziu num aumento da densidade de compactação (densidade verde), devido a uma melhor acomodação ou rearranjo desses cavacos no interior das amostras compactadas.
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Figura 2: (a) Compacto de cavaco de aço com 48 MESH prensado sob baixa pressão (AM48-BP); (b) Compacto de cavaco de aço com 48 MESH prensado sob alta pressão (AM48-AP).
A Fig. 3 apresenta as microestruturas das amostras compactadas em diferentes pressões e sinterizadas em 1100ºC, respectivamente. Nota-se que a amostra AM48BP apresenta ainda um elevado grau de porosidade (regiões escuras). Esse resultado, de acordo com a literatura (9), é característico de uma microestrutura em estágio inicial de sinterização, cuja densidade relativa é menor que 92%. A temperatura de sinterização, associada à baixa pressão de compactação, não foi suficiente para promover uma maior ligação entre os cavacos, e assim uma estrutura mais densificada.
Comparando a microestrutura da amostra de alta pressão com a de baixa pressão pode-se observar um aumento da densificação da primeira. Isso está relacionado ao efeito da alta pressão na redução do grau de porosidade presente nos compactos e consequentemente na energia necessária para sinterizar as amostras. Embora a alta pressão melhorou as condições de sinterabilidade dos cavacos de aço SAE 1050, porque, além de promover uma maior compactação do pó de partida, uma tensão externa aplicada aos compactos somou-se à tensão superficial dos cavacos como força motriz para o processo de sinterização, ainda não se obteve sinterizados com densidade máxima ou mais próximo da teórica. A temperatura ainda não foi suficiente para produzir sinterizados em estágio final de sinterização.
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Figura 3: (a) Micrografia da amostra AM4811-BP, com tamanho de cavaco de 300 µm, compactada a 0,5 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV); (b) Micrografia da amostra AM4811-AP, com tamanho de
cavaco de 300 µm, compactada a 2 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV).
A Fig. 4 apresenta as micrografias das amostras compactadas em alta pressão e sinterizadas em 1100ºC (AM4811-AP) e em 1200ºC (AM4812-AP), respectivamente.
Comparando estas microestruturas, observa-se uma evolução significativa na densificação da amostra sinterizada em 1200ºC. Esta amostra, por apresentar uma significativa presença de poros esféricos e grande redução da quantidade de poros grandes em sua microestrutura encontra-se no estágio final de sinterização (≥ 95%). A temperatura de 1200ºC foi suficiente, como força motriz, para aumentar a densificação dos cavacos compactados.
Figura 4: (a) Micrografia da amostra AM4811-AP, com tamanho de cavaco de 300 µm, compactada a 2 GPa e sinterizada em 1100°C (MEV); (b) Micrografia da amostra AM4812-AP, com tamanho de
cavaco de 300 µm, compactada a 2 GPa e sinterizada em 1200°C (MEV).
A Tab. 1 apresenta os valores de densidade, microdureza e dureza das amostras. A tabela apresenta o valor da densidade considerada como teórica medida na amostra original (AM00), assim como os valores de microdureza e dureza
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também medidos nesta amostra, com a finalidade de comparar os resultados com as amostras produzidas.
Observa-se que as amostras compactadas em alta pressão apresentaram elevada densidade à verde quando comparadas com a amostra de baixa pressão. Esse resultado de densidade, até onde se sabe, é improvável de ser obtido através de técnicas convencionais de compactação (10).
Nota-se que o valor de densidade sinterizada da amostra compactada sob baixa pressão e posteriormente sinterizada é significativamente inferior aquele apresentado para as densidades verdes das amostras compactadas sob alta pressão. Esse resultado é um forte indicativo do efeito da alta pressão na sinterização dos cavacos compactados, e mostra a inviabilidade industrial para se sinterizar cavacos tão grosseiros através de técnicas convencionais de compactação.
Além disso, observou-se que o valor de densidade relativa da amostra compactada sob alta pressão e posteriormente sinterizada em 1100ºC é de 93,75 %, estando no estágio intermediário de sinterização, e da amostra sinterizada em 1200ºC é de 95,80 %, estando no estágio final de sinterização, como discutido anteriormente sobre as microestruturas das amostras sinterizadas.
Também na Tab. 1 são apresentados os resultados de microdurezas das amostras sinterizadas em 1100ºC e 1200ºC. A amostra compactada em baixa pressão e sinterizada em 1100ºC apresenta valor de microdureza inferior à metade do valor apresentado para a amostra original, de 210,23±16,62 HV. Isso está relacionado com a pobre sinterabilidade ou baixo grau de ligação dos cavacos dessa amostra, mostrado na Fig. 3 (a).
Já nas amostras compactadas em alta pressão e sinterizadas em 1100ºC e 1200°C os valores de microdureza são coerentes com suas microestruturas apresentadas anteriormente na Fig. 4 e com os valores de densidade sinterizada e relativa. Como a amostra AM4811-AP encontra-se no estágio intermediário de sinterização, seu valor de microdureza está bem abaixo daquele apresentado para a amostra AM00 e AM4812-AP, sendo que esta última encontra-se no estágio final de sinterização.
Embora a amostra AM4812-AP encontre-se em estágio final de sinterização, o seu valor médio de microdureza é inferior aquele apresentado para a amostra original. Isso é um indicativo de que os valores de microdureza dependem
significativamente da densificação, do grau de deformação plástica presente nas amostras compactadas e posteriormente sinterizadas e das fases formadas em suas respectivas microestruturas finais.
Um fator importante de ser observado é a elevada dispersão apresentada em todas as medidas de microdureza. A fim de melhor investigar esse fato, foram realizadas medidas de dureza nas amostras com o objetivo de identificar o valor representativo dessa propriedade nesses materiais.
A obtenção de impressões de dureza com regiões maiores permitiu que se considerassem os valores médios de dureza obtidos como representativos do material. A amostra sinterizada em 1100ºC apresenta valor de dureza menor do que aquele obtido para o compacto sinterizado em 1200ºC e também medido na amostra original.
Tabela 1: Medidas de densidade, microdureza e dureza das amostras sinterizadas em diferentes temperaturas. Amostras Densidades (g/cm 3 ) Microdureza (HV) Dureza (HRB)
Verde Sinterizada Relativa (%)
AM4811-BP 5,03 6,77 6,88 5,67±0,04 72,32 83,00±15,20 - AM4811-AP 7,35±0,06 93,75 98,98±21,04 32,58±5,34 AM4812-AP 7,51±0,07 95,80 180,97±41,12 57,57±11,04 Obs.: Densidade considerada como teórica medida na amostra AM00: 7,84 (g/cm3). Microdureza para a amostra AM00: 210,23±16,62 HV.
Dureza para a amostra AM00: 88,33±2,73 HRB. CONCLUSÕES
Obteve-se a produção de corpos bem sinterizados, inviáveis de serem produzidos através de técnicas convencionais de sinterização sem o uso de aditivos e/ou temperaturas significativamente maiores do que 1250ºC.
A alta pressão contribuiu de uma forma dinâmica para a atuação simultânea ou não da deformação, soldagem, encruamento e fratura de materiais dúcteis, tais como o aço SAE 1050 e isso se traduziu num aumento da densidade de compactação.
Os compactos de cavacos grosseiros (≤ 300 µm) apresentaram valores de densidade relativa entre 93,75% e 95,80% quando sinterizados em temperaturas menores ou iguais a 1200ºC.
Os resultados obtidos no presente trabalho abrem perspectivas bastante interessantes de utilização da técnica de Alta Pressão para produção de sinterizados
de cavacos grosseiros (≤ 300 µm) ferrosos e não ferrosos e de difícil sinterização através de técnicas convencionais, tais como a Metalurgia do Pó.
REFERÊNCIAS
1. HÖGANÄS PRESS. O novo mundo da sinterização. Höganäs Press, p. 6-8, set. 2008. Disponível em: <http://www.metallum.com.br/recompo/Hoganas_Press.pdf>. Acesso em: 29 ago. 2012.
2. DINIZ, A.; MARCONDES, E.; FRANCISCO, C.; COPPINI, N. Tecnologia da usinagem dos materiais. 2. ed. São Paulo: Art Liber Editora, 2000.
3. DELFORGE, D. Cavaco de um Aço Inoxidável Austenítico Reciclado por Metalurgia do Pó: Uma Rota Alternativa para o Reaproveitamento de Materiais Metálicos. 2007. 94 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Estadual de Campinas, Campinas. 2007.
4. SOARES, S. Sinterização de TiB2 em Altas Pressões. 2003. 124 f. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2003.
5. COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3. ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1974.
6. REILLY, J.; RAE, W. N. Physico-Chemical Methods. London: Methuen & CO LTD., 1954.
7. PRATTEN, N. A. Review: the precise measurement of the density of small samples. Journal of Materials Science, v.16,p.1737-1747, 1981.
8. COSTA, F. Síntese e Sinterização de Pós Compósitos do Sistema W-Cu. 2004. 195 f. Tese (Doutorado em Ciências na Área de Tecnologia Nuclear - Materiais) – Universidade de São Paulo, São Paulo. 2004.
9. GOMES, U. Tecnologia dos Pós: Fundamentos e Aplicações. Natal: Editora Universitária, 1995.
10. LENEL, F. Powder Metallurgy: Principles and Applications. Princeton, New Jersey: Metal Powder Industries Federation, 1980. 589 p.
STUDY OF EFFECT OF PRESSURE IN THE SINTERING OF FERROUS CHIP. ABSTRACT
It is economically advantageous to recycle iron and steel products by melting and recasting them into semifinished forms for use in the manufacture of small parts. One
alternative process to recycle ferrous metals is the high-pressure technique. In the present work SAE 1050 steel chip derived from machining dry and have been compacted and sinterized. The steel samples with 8 mm in diameter and 3 mm in high were compacted under pressures of 2 GPa and after sintered in an electric furnace. The heating rate, sintering temperature and time were 20°C/min, 1100ºC and 1200ºC and 90 min respectively. The microstructure of samples was characterized by MO, MEV, microhardness, hardness and density measures. The results indicates that samples compacted under high pressure presented highly densified and mechanical properties greater than the ones obtained in low pressure.
Key-words: sintering, ferrous chips, high pressure, densification, sintering mechanisms.
