ESTUDO DOS MACRO E MICRO DETERMINANTES DE QUALIDADE DE PEÇAS SINTERIZADAS SUBMETIDAS AO PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

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ESTUDO DOS MACRO E MICRO DETERMINANTES DE

QUALIDADE DE PEÇAS SINTERIZADAS SUBMETIDAS AO

PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

André de Lima

Faculdade de Engenharia Mecânica e de Produção* - Universidade Metodista de Piracicaba Rod. Santa Bárbara – Iracemápolis, Km 01. Santa Bárbara D’Oeste – SP. *femp@unimep.br

Milton Vieira Jr.

Rodolfo Libardi

Honório Alberto Cancilieri

ABSTRACT

The use of Powder Metalurgy parts (sintered parts) is growing meaningfully at the mechanical industries. Applications of PM to the automotive realm are the ones with greater stand up, cause the parts are, generally, of small dimensions and this manufacturing realm aims the reduction of part cost and of the lead-time of production. However, parts dimensions are increasing, but their tolerances are not in the same way; it makes necessary some machining operations to acchieve the tolerances. One of the most used machining processes is grinding, that can change some of the quality determinors of parts. This issue aims to identify the existence of correlations between macro and micro determinors of sintered parts quality that are submited to grinding operations.

1 - INTRODUÇÃO

O processo de Metalurgia do Pó (PM ou sinterização) no Brasil vem ganhando espaço a partir da sua utilização em diferentes setores de mercado, com uma atenção especial para o setor automobilístico. Este segmento no Brasil encontra-se em ascensão, mas é ainda tímido quando comparado a outros países nos quais a tecnologia da PM é melhor explorada (Windfall, 2000). Essa previsão de crescimento é construída em cima de dados como: nos USA são aplicados em um veiculo, cerca de 16,4 Kg de peças originadas da PM; na Europa 7,0 Kg; e no Japão 6,50 Kg. Já no Brasil, e de maneira geral na América do Sul, são utilizadas apenas 4,10 Kg de peças obtidas a partir desse processo. Dentre algumas dessas aplicações, pode-se citar componentes de:

◊ ◊

motores a explosão e motores elétricos; bombas de óleo e bombas da água;

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◊ ◊ ◊ ◊ ◊ freios; amortecedores; câmbios de automóveis.

Tal perspectiva de crescimento explica o fato de que empresas de capital estrangeiro que atuam no ramo da PM vêm se instalando gradativamente no país. Estas empresas apresentam a seus parceiros (clientes) propostas para estudar e desenvolver toda a estratégia de substituição do produto, visando gerar peças em PM no lugar das usualmente utilizadas. Dentro destes estudos, também apontam as vantagens existentes em relação ao custo que a utilização de peça da PM representaria para o produto final (formas e dimensões próximas das finais – “near net shape”).

Entretanto, em algumas aplicações se fazem necessários algum(uns) processo(s) de usinagem complementares para garantir a qualidade dimensional e o acabamento superficial; um dos processos mais utilizados nesses casos é o processo de retificação, a exemplo do que já acontece com as peças produzidas a partir de métodos mais convencionais. Surge daí o interesse por um estudo do comportamento pós-usinagem de peças obtidas a partir da PM (sinterizados), visando garantir a confiabilidade não só dos macros determinantes, como também dos micros determinantes da qualidade do produto.

Dentro deste trabalho procurou-se correlacionar a ocorrência de fenômenos micro-estruturais na camada sub-superficial da amostra e o comportamento da dureza ao longo da camada (análise de micro determinantes de qualidade), com o comportamento da rugosidade superficial (um macro determinante de qualidade) de amostras submetidas à operação de retificação sob condições variadas de operação.

2 - O PROCESSO DE METALURGIA DO PÓ (PM OU SINTERIZAÇÃO) E O PROCESSO DE RETIFICAÇÃO

De forma simplificada, o processo de obtenção das peças sinterizadas pode ser dividido em duas etapas:

moldagem ou compactação aquecimento ou sinterização.

Nesta ultima etapa confere-se à peça a resistência mecânica e outras propriedades, pois apenas compactadas não possuem as características físicas e mecânicas que permitam seu emprego imediato.

Nas indústrias do ramo metal-mecânico o processo de retificação é, geralmente, utilizado para a correção de falhas em peças, originadas em fases anteriores da sua sequência de fabricação, buscando atingir os requisitos de tolerância dimensional, acabamento e integridade superficial (Vieira, 1992). Durante a operação de retificação, as temperaturas na região de contato entre ferramenta e peça (grão abrasivo e peça) são elevadas e podem atingir níveis superiores a 1000ºC em profundidades da ordem de décimos de milímetro, conforme constatou Snoeys (apud Abrão, 1991), situação suficiente para provocar alterações na camada superficial das peças retificadas, identificada como “camada afetada pelo calor -

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CAC” (“heat-affected zone - HAZ”) (Brinksmeier et al, 1982; Shaw, 1994).

De acordo com Shaw (1994), é possível identificar a ocorrência de danos à camada sub-superficial da peça em operações de retificação sem controle ou mal elaboradas. Em Vieira et al (1998), foi identificada a necessidade de maior controle sobre algumas das variáveis envolvidas nas operações de retificação plana e que podem ter grande influência na formação da CAC. Apresentaram-se com maior destaque a dressagem e o avanço, além, é claro, das condições de lubri-refrigeração.

3 - EXPERIMENTAÇÃO

Para verificar a ocorrência de alterações na microestrutura da camada sub-superficial originadas na operação de retificação de peças em materiais sinterizados, foram realizados alguns ensaios com a intenção de quantificar as influências das condições de retificação sobre a camada sub-superficial de peças construídas em materiais sinterizados (dureza aparente aproximada de 40 HRC).

Os parâmetros de usinagem foram selecionados a partir das análises feitas por Vieira et al (1998), e foram estabelecidas as seguintes condições: Vw=0,1m/s (velocidade da peça); Vs=33m/s (velocidade de

corte do rebolo); avanço (a) variando entre 0,05mm e 0,25mm; dressagem agressiva (sem preocupação em medir o grau de recobrimento de dressagem – Ud). Tais condições de usinagens foram escolhidas tendo

como preocupação manter um nível de acabamento superficial considerável, segundo os parâmetros estipulados pelos usuários finais. Os ensaios foram realizados com o uso abundante de fluido lubri-refrigerante direcionado para a região de contato entre rebolo e peça, visando minimizar os efeitos da falta de refrigeração no aquecimento da peça.

O material sinterizado escolhido para os ensaios foi o FLN-4205 (material similar a aços carbonos de baixa liga), cuja indicação na norma MPIF35 é para substituição de aços 43XX e 86XX (aços de boa temperabilidade).

A análise dos resultados foi realizada com o auxilio de um “software” de aquisição e análise de imagens (Global Lab Image-view), a partir de aquisições discretas de imagens por meio de uma câmara CCD de alta resolução acoplada a um microscópio de uso metalográfico. Ainda foi analisada, por meio de um micro-durômetro, o comportamento de dureza ao longo da camada sub-superficial das amostras; essas análises têm como propósito caracterizar os micro determinantes da qualidade, referentes a formação ou não da CAC na sub superficie das amostras.

Para a caracterização do macro determinante de qualidade das amostras foi utilizado um rugosímetro Mitutoyo Surftest (com “cut-off”=0,8mm), com o qual foram analisadas as condições de acabamento superficial das amostras retificadas.

5 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

A partir dos ensaios realizados, foram possíveis obter os resultados descritos a seguir.

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A formação da CAC foi identificada com facilidade conforme mostrado nos casos descritos na Tabela1. Também foi identificada uma tendência de acréscimo na rugosidade e na dureza superficial das peças (pré-carga de 3Kg, penetrador 15N) de mesmo comportamento da CAC. Essas tendências podem ser mais bem visualizadas nos gráficos das figuras 1 e 2.

Avanço (mm)

Rugosidade

(µm Ra) Superficial Dureza (HRC) CAC (mm) 0,075 0.530 20 0,022 0,150 0.852 42 0,120 0,200 1.060 49 0.180 0.250 1.010 52 0.230

Ta bela 1- Valo res obtidos nas amostras retificadas em função do avanço

C o m p o r t a m e n t o d a R u g o s i d a d e e d a C A C e m f u n ç ã o d o a v a n ç o 0 0 , 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 1 1 , 2 0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 a v a n ç o ( m m ) Ra e CAC R a ( u m ) C A C ( m m )

Figura 1 - Comportamento da rugosidade e da CAC em função do avanço

H R C superficial em função do avanço

0 20 40 60 0 0,1 0,2 0,3 a va nço (m m ) HRC HRC

Figura 2 – Comportamento da dureza superficial das amostras em função do avanço

Nota-se que em todos os casos pode ser estabelecida uma correlação entre os comportamentos apresentados tanto pelos macro determinantes,

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como pelos micro determinantes da qualidade. Essa correlação fica clara ao observar os gráficos das figuras 3a e 3b, nas quais percebe-se que existe uma clara tendência de crescimento da CAC conforme crescem a rugosidade superficial e a dureza superficial das amostras.

Isso pode trazer um indicativo de que é possível existirem situações

críticas para uma inspeção de liberação de produto conforme ou não

conforme usando como parâmetro de controle apenas o nível de

rugosidade da peça. Corre-se o risco de que peças consideradas

conformes, sob o ponto de vista dos macro determinantes, apresentem uma transformação microestrutural indesejada em sua camada sub superficial – o que pode originar falhas durante a utilização das peças.

a) CAC (mm) x Ra 0 0,1 0,2 0,3 0 0,5 1 1,5 Ra CAC CAC (mm) b) CAC (mm) x HRC 0 0,1 0,2 0,3 0 20 40 60 HRC CAC CAC (mm)

Figura 3 – Comportamento da CAC em relação à rugosidade (a) e à dureza superficial (b) É importante salientar, pelos dados obtidos nos ensaios, que a rugosidade teve uma variação relativamente pequena (de 0,53 à 1,06 µm Ra) para as diferentes condições de avanços, quando comparada às outras características mensuradas; isso é um indicativo de que para uma inspeção de qualidade confiável, faz-se necessária a medição de outros parâmetros, além da rugosidade. Esse fato fez com que fosse acrescentado aos ensaios uma amostra retificada com a=0,05mm, e com dressagem agressiva (condição de retificação mais branda que as anteriores). Como esperado, obteve-se uma leitura de rugosidade baixa (0.39 µm Ra), mas cuja análise

de micro determinante aponta para a existência de uma possível

deformação da camada mais próxima da superfície (até 0,016 mm), apesar de não haver indicativos de ter ocorrido alterações de fase em virtude do calor. Isso se confirma com uma análise das micro durezas medidas ao longo da suposta camada afetada nesse caso (348HV1 na camada afetada e 613HV1 no núcleo da peça), e mostra que, mesmo tendo um bom nível de acabamento superficial, a peça não esta livre de danos a sua camada subsuperficial.

A medição das micro durezas também apontou para uma outra situação interessante: a existência de uma camada intermediária entre o núcleo da peça e a suparfície que, possivelmente, sofreu algum tipo de revenimento e apresentou redução considerável na sua micro dureza. A Tabela 2 mostra os valores dessas micro durezas medidas em três pontos diferentes (próximo à superfície ou camada afetada, região intermediária e núcleo) nas amostras retificadas com a=0,15mm e a=0,25mm, respectivamente.

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Avanço (mm) Local da medição Micro dureza (HV1) 0,25 Camada 805 0,25 Intermediária 330 0,25 Núcleo 571 0,15 Camada 686 0,15 Intermediária 378 0,15 Núcleo 571 Tabela 2 – Micro dureza das amostras medidas em três pontos

Essa análise mostra que o material sinterizado apresenta tendências de formação de camada, seja ela devido ao calor (CAC), seja devido à deformação plástica do material ou por ambos. Isso propicia maior possibilidade de acúmulo de tensões, o que é prejudicial à peça, pois pode-se, a partir desse ponto, iniciar a propagação de uma trinca ou o surgimento de outro tipo de falha.

Também nota-se a formação de uma camada intermediária advinda de um possível revenimento que pode tornar-se outro ponto de preocupação em função das falhas que possam surgir nas regiões de transição entre as camadas e o núcleo.

6 – CONCLUSÕES

As análises realizadas permitem as seguintes conclusões:

- o material sinterizado apresenta-se susceptível à formação de camadas afetadas, seja em função do calor, seja em função da deformação dos grãos de sua micro-estrutura;

- dependendo a aplicação da peça no campo, é importante incorporar ao cronograma de inspeção de conformidade da peça uma análise micro estrutural, a fim de detectar possíveis formações de camadas as quais podem vir a comprometerem o desempenho da peça.

- nem sempre peças com um bom nível de acabamento superficial estão livres de danos à sua integridade superficial; portanto não podem ser consideradas como produtos em total conformidade.

- a formação da camada nas peças sinterizadas pode ter influência sobre o comportamento da peça durante sua utilização. Isso deve ser creditado à formação de uma camada intermediária revenida, que aumenta a região de transição entre o núcleo e a superfície da peça; - é indicada a realização de um tratamento de alívio de tensões após a

retificação, caso esta seja realizada sob condições mais severas. 7 - AGRADECIMENTOS

Agradecemos às empresas Windfall e Bosch Freios pelo fornecimento de material para a realização deste estudo.

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8 – REFERÊNCIAS

ABRÃO, A.M. Sistema para Avaliação de Desempenho Térmico de Pares Rebolo-Peça em Retificação. Dissertação de Mestrado EESC - USP, 1991.

BRINKSMEIER, E.; COMMETT, J.T.; KÖNIG, W.; LASKOVAR, P.; PETERS, J.; TOENSHOF, H.K. Annals of the CIRP, 31/2, 1982, p.49.

SHAW, M. Heat-Affected Zones in Grinding Steel. Annals of the CIRP, v43/1, 1994, pp 279-282.

VIEIRA, M., Jr. Metodologia Para Determinação das Condições de Usinagem e de Operação no Processo de Retificação. Dissertação de Mestrado, EESC - USP, São Carlos, 1992.

VIEIRA, M., Jr.; LIMA, A.; LIBARDI, R.; CANCILIERI, H. Análise da Camada Afetada Pelo Calor na Superfície de Peças Retificadas. IV Seminário de Desgaste, Associação Brasileira de Metalurgia – ABM, São Paulo, Julho, 1998.

WINDFALL PRODUCTS DO BRASIL II Seminário de Metalurgia do Pó. Campinas – SP, Outubro, 2000.