ANHAN
Pirassununga 2017
DOUGLAS FERNANDO OLIVA
TECNOLOGIA MECÂNICA NO PROCESSO INDUSTRIAL
METALURGICO DIRECIONADO À MOLDAGEM DE PÓS
POR INJEÇÃO NA SINTERIZAÇÃO DE PEÇAS DO SETOR
Pirassununga 2017
TECNOLOGIA MECÂNICA NO PROCESSO INDUSTRIAL
METALURGICO DIRECIONADO À MOLDAGEM DE PÓS
POR INJEÇÃO NA SINTERIZAÇÃO DE PEÇAS DO SETOR
AUTOMOBILÍSTICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhanguera, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
Orientador: Marco Aurélio Soares de Castro.
DOUGLAS FERNANDO OLIVA
DOUGLAS FERNANDO OLIVA
TECNOLOGIA MECÂNICA NO PROCESSO INDUSTRIAL
METALURGICO DIRECIONADO À MOLDAGEM DE PÓS POR
INJEÇÃO NA SINTERIZAÇÃO DE PEÇAS DO SETOR
AUTOMOBILÍSTICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhanguera, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica.
BANCA EXAMINADORA
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(ª). Titulação Nome do Professor(a)
Dedico a todas as pessoas que durante esta jornada acadêmica contribuíram para a realização deste curso.
AGRADECIMENTOS
A todos do Centro Universitário Anhanguera Educacional – Campus Pirassununga, em especial aos professores do curso, pela troca de conhecimentos e profissionalismo.
Aos colegas, pelos momentos em soubemos dividir conhecimentos, trocar experiências na busca de uma interação profissional com base em princípios éticos, morais e de amizade.
OLIVA, Douglas Fernando. Tecnologia Mecânica no Processo Industrial
Metalúrgico Direcionado á Moldagem de Pós Por Injeção na Sinterização de Peças do Setor Automobilístico. 2017. 31 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Anhanguera, Pirassununga, 2017.
RESUMO
A temática do presente estudo baseia-se na tecnologia mecânica no contexto da Indústria Metalúrgica, especificadamente, no processo de Moldagem de Pós por Injeção - MPI. Neste aspecto torna-se necessária a observação sobre sinterização, o processo final de acabamento das peças utilizadas em várias áreas, das quais nos adentraremos à automobilística. A automobilista é uma das indústrias que hoje, mais utilizam peças Sinterizadas, isto devido à otimização da produção mecânica na busca de durabilidade e melhor acabamento. Neste contexto, torna-se imprescindível o estudo dos avanços do processo de moldagem de pós por injeção, já que é um recurso novo e avançado. Para tanto, este trabalho se objetiva a mostrar todas as etapas do processo de moldagem de pós por injeção, bem como, as variações, parâmetros e influências existentes na busca de maior entendimento sobre o assunto.
Palavras-chave: Tecnologia Mecânica, Metalúrgica, Moldagem de Pós por Injeção,
OLIVA, Douglas Fernando. Tecnologia Mecânica no Processo Industrial
Metalúrgico Direcionado á Moldagem de Pós Por Injeção na Sinterização de Peças do Setor Automobilístico. 2017. 31 folhas. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Mecânica) – Universidade Anhanguera, Pirassununga, 2017.
ABSTRACT
The subject matter of the present study is based on mechanical technology in the context of the Metallurgical Industry, specifically, in the Injection Molding - MPI process. In this aspect, it is necessary to observe the sintering process, the final process of finishing the parts used in various areas, from which we will enter the automobile industry. The motorist is one of the industries that today use Sintered parts, due to the optimization of the mechanical production in search of durability and better finish. In this context, it is essential to study the advances of the injection molding process, since it is a new and advanced resource. To do so, this work aims to show all the steps of the injection molding process, as well as the variations, parameters and influences that exist in the search for greater understanding about the subject.
Key-words: Mechanical Technology, Metallurgy, Injection Molding, Sintering, Automotive Industry.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – História da utilização dos Metais ... 14
Figura 2 – Forjamento através de Martelamento ... 15
Figura 3 – Forjamento através de Prensagem ... 16
Figura 4 – Utilização da MPI em automóveis ... 18
Figura 5 – Processo de Moldagem de Pós por Injeção ... 21
Figura 6 – Máquina de Injeção ... 23
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CIM Ceramic Injection Moding
GM General Motors
MIM Metal Injection Molding MP Metalúrgica do Pó
MPI Moldagem de Pós por Injeção PIM Power Injection Molding
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO...13
1 A INDÚSTRIA METALÚRGICA NO SETOR AUTOMOBILÍSTICO...14
2 NOLDAGENS DE POS POR INJEÇÃO - MPI ...19
3 SINTERIZAÇÃO DE PEÇAS DE AUTOMÓVEIS...24
CONSIDERAÇÕES FINAIS...29
13 INTRODUÇÃO
A temática escolhida, baseia-se na tecnologia mecânica no contexto da Indústria Metalúrgica, especificadamente, nos processos de Moldagem de Pós por Injeção – MPI através da sinterização de peças do setor automobilístico.
A indústria automobilística é um dos principais consumidores de peças produzidas pela metalúrgica e, cada vez mais, busca o diferencial na qualidade e durabilidade das peças utilizadas na montagem dos automóveis, principalmente, aquelas destinadas ao funcionamento do veículo. Para tanto, este estudo se justifica devido a importância da sinterização nos processos de Moldagem de Pós por Injeção – MPI, bem como seus processos para a melhoria do desempenho de peças direcionadas a este mercado. Já que, fatores como tecnologia, competitividade e custos estão forçando as empresas a fazer melhor uso da competência técnica dos fornecedores.
A partir desses fundamentos, quais os avanços tecnológicos da mecânica existentes no processo metalúrgico de Moldagem de Pós por Injeção - MPI em peças do setor automobilístico?
O presente estudo, portanto objetiva a demonstrar os processos tecnológicos da mecânica de Moldagem de Pós por Injeção – MPI, diante da importância da sinterização de peças do setor automobilístico. Com objetivos específicos procurou apresentar um breve histórico sobre a indústria metalúrgica no setor automobilístico; descrever sobre os processos tecnológicos da Moldagem de Pós por Injeção – MPI na obtenção de peças; e abordar sobre a importância da sinterização de peças para automóveis.
O método de pesquisa que foi utilizado é o de Revisão Narrativa de Literatura, através da análise qualitativa de pesquisas bibliográficas. A coleta dos dados foi realizada a partir de referenciais teóricos de livros e artigos sobre o tema proposto e, Internet. Para tanto, este estudo tem carácter descritivo explicativo.
14 1 A INDÚSTRIA METALÚRGICA NO SETOR AUTOMOBILÍSTICO
Na Indústria da Metalúrgica, encontram-se indícios dessa prática desde épocas mais remotas da civilização, onde os equipamentos eram forjados manualmente para utilização.
A humanidade começou a utilizar o ferro metálico há aproximadamente 8.000 anos, conforme a Figura 1, quando começaram a se desenvolver os primeiros produtos essenciais à sobrevivência, como armas e utensílios. Os mais cultos daquela época não conseguiam produzir calor suficiente para fundir o metal, mas utilizavam técnicas de aquecimento e forjamento, algo semelhante a um processo de sinterização (abordado no terceiro capítulo), segundo Brunatto (2011).
A metalurgia do pó é considerada uma técnica relativamente recente, apesar de que na antiguidade, através de ferros obtidos de uma mistura de carvão de lenha e minério de ferro em forno primitivo a baixas temperaturas, possibilitava a confecção de peças (espadas, lanças, armas, objetos de adorno) em forjamento. Os restos destes materiais, considerado o mais antigo dos produtos sinterizados foram transformado em peças na Índia pó volta dos séculos IV e XIII (ZAPATA, 2011).
Figura 1 – História da utilização dos Metais.
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O forjamento pode ser considerado como um processo mecânico, que resulta em uma mudança permanente nas dimensões finais e nas características metalúrgicas de uma peça, ou seja, deforma o material forjado por martelamento ou por prensagem e, usa-se para se obter produtos mais resistentes, pois refina a estrutura metalúrgica do metal. Assim, dependendo do tipo de processo utilizado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de material e uma boa precisão dimensional (BÊDE, 2007).
Há várias técnicas produtivas para se conseguir forjar peças e melhorar as características metalúrgicas, algumas dessas técnicas são milenares, com baixo grau tecnológico, caras e demoradas e outras técnicas são de última geração e com elevado grau de automatização.
Existem duas formas de forjamento uma através de martelamento e outra por prensagem. O Martelamento, conforme Figura 2 é feito através de pancadas, golpes ou batidas, rápidas e sucessivas no metal, exercendo pressão sobre as peças. Esta pressão é absorvida pelo metal que se deforma rapidamente, alterando as propriedades de elasticidade e de plasticidade do metal. Sobre elasticidade e plasticidade (CHIAVERINI, 2010).
Figura 2 – Forjamento através de Martelamento.
Fonte: CHIAVERINI (2010).
Conforme Leal e Chaeffer (2010), a elasticidade ocorre quando a propriedade do material metálico se deforma, quando é aplicado um esforço sobre ele, e este volta à forma anterior quando o esforço aplicado parar de existir. Já, a plasticidade é a propriedade que o material metálico tem de manter uma determinada deformação,
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se um esforço for aplicado sobre ele, e permanecer deformado quando o esforço parar de existir, assim, este esforço aplicado ao metal é maior e mais prolongado.
Figura 3 – Forjamento através de Prensagem.
Fonte: CHIAVERINI (2010)
Na Prensagem, conforme a Figura 3, o metal recebe uma força de compressão em baixa velocidade, e a pressão atinge seu grau máximo antes de ser retirada, de modo que até as camadas mais profundas da estrutura do material são atingidas, conformando-se mais homogeneamente e melhorando ainda as características metalúrgicas, assim são usadas prensas hidráulicas, onde as forças aplicadas podem ser absurdamente elevadas (LEAL; SCHAEFFER, 2010).
Os pós de ferro, conforme Brunatto (2011) foram fabricados sob processos técnicos por volta de 1000 a.C., época em que os árabes e alguns povos germânicos produziam espadas de alta qualidade para época. Este pó era produzido a partir de ferro já oxidado quando então eram juntados, aquecidos e forjados, um processo repetitivo até que as impurezas estivessem eliminadas e, o carbono baixo o suficiente para que o ferro estivesse transformado em aço.
No decorrer do tempo, a metalurgia do pó caiu em esquecimento, onde através da descoberta de fundições em maiores temperaturas, obtinham-se peças em ferro e cobre.
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A prática da metalurgia do pó foi estabelecida por volta do século 19, onde houve produção de pós de ferro reduzidos por hidrogênio para fins farmacêuticos. A partir de então as técnicas de fabricação de peças sinterizadas avançou, acompanhando o nível geral de desenvolvimento tecnológico da humanidade (CHIAVERINI, 2010).
A Metalúrgica do Pó – MP pode ser considerada como um processo de manufatura pelo qual os pós metálicos são compactados em matrizes com a forma desejada, sendo em seguida aquecidas (sinterizadas) em atmosfera controlada para ligar as superfícies de contato das partículas e estabelecer as propriedades desejadas. Geralmente são realizadas operações secundárias (calibragem, recompressão) para melhorar a precisão dimensional, acabamento superficial, resistência mecânica e diminuir a porosidade (BÊDE, 2007).
Os princípios dos processos baseiam-se em etapas como: obtenção e mistura dos pós, sua compactação em uma matriz na dimensão e forma final do produto e a sinterização, que podem ser definidas como um tratamento térmico a uma temperatura inferior ao do ponto de fusão do principal constituinte, em condições controladas de temperatura, tempo e atmosfera, onde inúmeras operações adicionais podem ser feitas após a etapa de sinterização, conforme as exigências do produto.
Sobre o Processo da metalúrgica do pó Chiaverini (2010) acrescenta:
A metalurgia do pó é uma técnica de fabricação que possibilita a obtenção de materiais e componentes já na sua forma final, sem ou quase nenhum acabamento posterior, e com alto índice de aproveitamento de material. Economicamente, formas geométricas complexas, precisão dimensional rigorosa, grandes lotes de produção e propriedades químicas e mecânicas tornam este processo mais atrativo e competitivo que as técnicas convencionais (CHIAVERINI, 2010, p.53).
Nos últimos anos, a metalurgia do pó tem experimentado um grande e acelerado desenvolvimento como uma ciência nova para os metalúrgicos, está em plena fase de pesquisa para o desenvolvimento de novas aplicações e misturas metálicas (ligas). Consiste na combinação de injeção de polímeros com pós-metálicos ultrafinos, onde os polímeros servem de ligantes e os pós-pós-metálicos são a liga metálica desejada (CHIAVERINI, 2010).
O principal consumidor de peças produzidas por metalurgia do pó é a indústria automobilística, conforme Figura 4. Na América do Norte, este mercado é
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responsável por 70,3% da produção de componentes sinterizados. No Japão, a marca é de 85%, na Europa Ocidental atinge 80% e na América do Sul 90%. Outros setores que utilizam componentes sinterizados: indústria de motores e controladores industriais e hidráulicos, ferramentas elétricas, eletrodomésticos, equipamentos de escritório, armas de fogo, implementos agrícolas e materiais médicos e odontológicos (BONALDI; SCHAEFFER, 2011).
Tais mudanças se refletem nas novas relações que se têm estabelecido entre a automobilística e em grandes empresas de autopeças (CHIAVERINI, 2010).
Figura 4 – Utilização da MPI em automóveis.
Fonte: Bonaldi; Schaeffer (2011).
Fatores como tecnologia, competitividade e custos estão forçando as empresas a fazer melhor uso da competência técnica dos fornecedores. Novas tendências começam a surgir no relacionamento comprador-fornecedor, tais como: maiores prazos de contrato, envolvimento de fornecedores na engenharia de produto e processo, co-design, maior troca de informações, menor número de fornecedores, prática de preços, gerenciamento da qualidade.
19 2 MOLDAGEM DE PÓS POR INJEÇÃO – MPI
A metalurgia dos pós metálicos é uma ciência nova para os metalúrgicos, está em plena fase de pesquisa para o desenvolvimento de novas aplicações e misturas metálicas (ligas). Consiste na combinação de injeção de polímeros com pós metálicos ultra-finos, onde os polímeros servem de ligantes e os pós metálicos são a liga metálica desejada, segundo Bonaldi e Schaeffer (2011).
A moldagem por injeção teve início há muitos anos, com a produção de plásticos, proporcionando facilidades na obtenção de peças de tamanho pequeno e formato complexos. Na década de 1920 combinou-se essa técnica com processamento de pós cerâmicos, já, na segunda grande guerra á técnica se estendeu aos pós metálicos (KLEIN,2013).
No Brasil, o uso e fabricação de peças com esta tecnologia é mais recente ainda, poucas empresas possuem a tecnologia de fabricação dominada, fazendo com que as mesmas estejam em constante pesquisa para melhorar o processo, tanto tecnologicamente, como em relação aos custos envolvidos no mesmo, segundo Callister (2002).
Para Coutinho (1992), a moldagem de pós por injeção (MPI) é conhecida internacionalmente por Powder Injetion Molding (PIM) e divide-se em Metal Injection Molding (MIM) e Ceramic Injetion Molding (CIM).
A partir de 1970, o processo de moldagem de pós por injeção retomou o seu desenvolvimento, principalmente, enfocando as matérias-primas específicas ao processo, o que nos anos 80, o processo já estava consolidado, sendo que o reconhecimento desta técnica como um autêntico processo de fabricação ocorreu em 1987 (BRUNATTO, 2011).
Atualmente, a moldagem de pós por injeção compete diretamente com diversas técnicas, tais como: microfusão, fundição em cera perdida, usinagem e compactação de pó em matriz.
O seu lugar de destaque entre as técnicas de processamento de materiais a partir do pó pode ser explicada em função da capacidade de produzir componentes com geometria complexa, tolerâncias dimensionais equivalentes às apresentadas pela fundição de precisão e com a flexibilidade de escolha de material encontrada na metalurgia do pó (COUTINHO, 2002).
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Na moldagem de pós por injeção, o desenvolvimento e a produção de ferramentas especiais para microcirurgias médicas e odontológicas é o grande mercado nos últimos 10 anos (ZAPATA, 2011).
Para Bonaldi e Schaeffer (2011), a moldagem de pós por injeção deve ser aplicada quando se deseja produzir um elevado número de peças, de alta complexidade geométrica e alto desempenho em termo de propriedades. Assim, o componente deve apresentar pequenas dimensões e alta complexidade geométrica.
Segundo Guy (2009), é indicada na produção de componentes com massa da ordem de 1 (um) grama ou menos, já que outros processos exigem muitas operações complementares. Da mesma forma, para componentes com mais de 20 gramas, esta técnica não é competitiva, já que a etapa necessária para a remoção do ligante seria bem extensa.
A moldagem de pó por injeção esta cada vez mais sendo aceita como um processo apropriado e de custo competitivo para a produção de grandes volumes de peças pequenas, complexas e de alto desempenho. A técnica envolve a homogeneização do pó com um sistema de ligantes, a injeção dentro de um molde, a remoção do ligante e então a sinterização para a consolidação da peça até sua densidade final. O controle de cada uma das etapas deste processo e a seleção apropriada dos materiais iniciais, o pó metálico e o ligante, são fatores importantes para o sucesso total do processo (BONALDI; SCHAEFFER, 2011).
O processo de moldagem de pó por injeção, conforme figura 5, mostra as etapas de mistura entre o pó metálico e o sistema aglutinante, onde forma-se a carga injetável, a peletização1 e assim, moldagem por injeção; extração do
aglutinante e a sinterização.
A preparação da carga consiste em pó, aglutinante e lubrificante. Assim, há várias técnicas utilizadas na produção de pós, estas são aplicadas à moldagem de pós por injeção, das quais são influenciadas diretamente no pó, como, tamanho, forma, microestrutura, composição química e custo do pó (ZAPATA, 2011).
No processo de moldagem de pós por injeção, as ligas de ferro e os aços inoxidáveis consideram os materiais mais empregados industrialmente. Assim, entre os aços inoxidáveis destacam-se aqueles da série 316 e 17-4 (CALLISTER, 2009).
1 Peletização é um processo de aglomeração de partículas ultrafinas, transformando-as em pelotas
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O aglutinante fornece o pó com a fluidez necessária para a moldagem, e influencia bastante na fração de sólido da mistura que pode ser moldado, a resistência a verde das peças moldada e nas propriedades do produto final apos a extração do ligante. O processo pode ser dividido em alta pressão, i.e., acima de 0,7MPa e baixa pressão. O método a alta pressão tem a vantagem de produção de peças maiores e a desvantagem do alto custo das matrizes.
Na moldagem a baixa pressão a obtenção de peças com mais de 10 cm pode ser critico vai depender da geometria e da massa da peça. As principais vantagens do processo à baixa pressão são o custo menor das matrizes e do próprio equipamento. O processo de moldagem por injeção permite o uso de pós-metálicos, cerâmicos, compósitos e de biomateriais para a produção das peças (BONATTO et al, 2009).
Figura 5 – Utilização da MPI em automóveis.
Fonte: Bonaldi; Schaeffer (2011)
Assim, a moldagem por injeção é considerada um das etapas importantes na preparação de peças sinterizadas, já que, vários defeitos podem aparecer nesta fase como bolhas, formação de linhas de solda, empenamento, baixo controle dimensional, marcas de rechupes, dentre outros. Tais defeitos podem ser ajustado no ciclo de moldagem, através de verificações no tempo, temperatura e pressão durante o processo. A injeção então é realizada através de uma máquina de injeção,
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que pode ser de baixa ou de alta pressão, conforme já abordado (BRUNATTO, 2011).
Basicamente o processo produtivo consiste em misturar polímeros aglutinadores com pós metálicos, normalmente fabricados pelo processo de atomização, e obter uma mistura que é conhecida por carga injetável.
Neste processo, após a mistura estar estabilizada, injeta-se a carga em uma matriz onde foi esculpido o formado da peça e que serve de forma para a formação da peça desejada, obtendo-se assim a peça. Este processo é muito similar ao de injeção de plásticos. Um detalhe curioso, é que a peça obtida após a injeção na cavidade da matriz é enorme, se comparada ao tamanho da peça final, e dependendo pode chegar ao dobro do tamanho final da peça desejada, ou até mais (COUTINHO, 2002).
A máquina de injeção, conforme figura 6, normalmente é constituída de várias regiões aquecidas, responsáveis pelo aquecimento gradativo da massa de pós a ser injetada. O ciclo de moldagem consiste em adequar a temperatura de cada região e programar a máquina para as operações de fechamento do molde, injeção, recalque e abertura do molde, onde primeiramente, a mistura é aquecida e cisalhada pelo movimento rotatório do fuso. Após, o fuso comprime o material e então preenche a cavidade do molde. Os parâmetros pressão de injeção e velocidade são controladas; e dependendo do equipamento utilizado, também se pode determinar o tempo e a pressão de recalque (BONALDI; SCHAEFFER, 2011).
Existem inúmeras aplicações dos processos PIM, as principais são a utilização em peças sintetizadas pequenas, complexas, caras e refinadas.
Este processo também é conhecido como Fundição Sob Pressão ou Die Casting, é o processo metal-mecânico no qual o metal líquido fundido, sob pressão é forçado a entrar na cavidade esculpida de uma matriz, normalmente confeccionada em aço, preenchendo-a e formando a peça desejada. Este trabalho é realizado injetando-se o metal na cavidade da matriz. Vasto é o campo onde se pode aplicar peças injetadas. Encontram-se peças no setor Automotivo, Aeronáutico, Agrícola, Eletrônico, Bens de Capital, de Metal-Mecânico, dentre muitos outros, segundo (CALLISTER, 2009).
23 Figura 6 – Utilização da MPI em automóveis.
Fonte: Bonaldi; Schaeffer (2011).
A moldagem é realizada em equipamentos similares aos utilizados no processamento de polímeros termoplásticos. Algumas modificações são introduzidas na máquina injetora, a fim de prevenir eventual desgaste abrasivo a ser provocado pelas partículas de pó, e assegurar uniformidade no preenchimento do molde (BONALDI; SCHAEFFER, 2011).
Após o término da injeção, o material injetado deve ser resfriado para aumentar a resistência e dureza; e assim, iniciar a etapa de remoção do ligante, no menor espaço de tempo possível com o menor impacto na integridade do componente.
Durante a retirada do ligante por degradação térmica, a peça é pré-sinterizada, permitindo sua manipulação em operações como a remoção de rebarbas e o próprio transporte até o local de sinterização, onde será consolidado em atmosfera controlada. A aplicação destas duas técnicas permite uma eficiente extração do ligante. Além disso, é a etapa mais demorada de todo o processo de moldagem de pós por injeção. A etapa de extração química demanda de 12 a 16 horas, e a de remoção térmica de 42 a 64 horas, dependendo do tamanho das peças, segundo Leal e Schaeffer (2010).
Assim a Moldagem Pós por Injeção permite a produção de peças de altíssima precisão, complexas, de alta densidade e ótimo acabamento superficial é hoje muito utilizada na automobilística.
24 3 SINTERIZAÇÃO DE PEÇAS DE AUTOMÓVEIS
Sinterização é a fase do processo de MPI que densifica a peça fabricada, neste serão fornecidas as propriedades mecânicas, que consiste em transportar matéria, ativada termicamente, em uma massa de pós ou um compactado poroso, resultando na diminuição da superfície específica livre pelo crescimento de contatos entre as partículas, redução do volume e alteração da geometria dos poros (BRUNATTO, 2011).
Figura 7 – Peças automobilísticas sinterizadas.
Fonte: Dias (2010).
Do ponto de vista teórico, como uma transformação de estado termodinâmico, espontânea e consequentemente irreversível (BONATO et al, 2009).
Segundo Rei (2009), a sinterização é a operação fundamental da técnica de metalurgia do pó, porque ela constitui a fase final do ciclo de consolidação dos pós metálicos, que se iniciou com a compactação.
A sinterização consiste no aquecimento dos pós compactados, com uma temperatura abaixo da temperatura de fusão do metal ou do principal constituinte da
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liga metálica, sob condições controladas de tempo, temperatura e atmosfera. Assim, as partículas que constituem o compactado ligam-se entre si e o material adquire as características desejadas de densidade, dureza e resistência mecânica.
A sinterização pode ser definida como um tratamento térmico, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de aquecimento e resfriamento, aonde uma massa de pós ou compactado poroso perde a sua identidade pela formação de continuidade de matéria entre as partículas e adquire as propriedades desejadas de densidade, dureza e resistência mecânica (BONALDI; SCHAEFFER, 2011, p.213).
Em alguns casos, a sinterização é a única operação de consolidação, onde as peças são sinterizadas sem terem sido submetidas a uma prévia compactação.
Nesse caso, são exceções referentes a determinados tipos de produtos, como filtros metálicos, em que a compactação é feita sem aplicação de pressão, mas apenas com o pó solto em molde, levados posteriormente à sinterização, ou apenas colocados no interior de matrizes que são submetidas à vibração (DIAS, 2010).
No processo de moldagem de pós por injeção, a sinterização é a principal responsável pela densificação do material, já que durante a moldagem as partículas de pó não sofrem qualquer tipo de deformação plástica (ESPINOZA; SCHAEFFER, 2010). O processo de sinterização pode ser subdividido em três estágios:
1. Formação de contatos: os contatos formados entre duas partículas durante a conformação ou pelo empacotamento natural das partículas tornam-se contínuos, formando o pescoço, denominado de neck; mas ainda é possível identificar individualmente as partículas. Também ocorre crescimento dos poros, sendo que a estrutura porosa é aberta e totalmente irregular;
2. Densificação: ocorre o fechamento dos canais que interligam os poros, em consequência do crescimento acentuado dos pescoços. As partículas perdem a identidade da matriz; é possível distinguir duas fases, matéria sólida densificada e poros. Nesta etapa ocorre a maior densidade e, portanto, as características do componente são predominantes se obtidas nesta fase intermediária;
3. Isolamento, arredondamento e coalescimento dos poros: este processo é governado pela temperatura, pelo tempo, pela atmosfera de sinterização e pela composição química do sistema. É o estágio final da sinterização, onde
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os eventos listados ocorrem simultaneamente, conjugado a um excessivo crescimento de grão. A densificação do componente está entre 90 e 95% da densidade teórica.
Normalmente, a temperatura específica de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga. Para sistemas de vários constituintes, a sinterização é realizada a uma temperatura superior à do metal de menor ponto de fusão ou da formação de fases eutéticas, formando uma fase líquida que favorece as condições de sinterização. Segundo Bonaldi e Schaeffer (2011, p.16):
A operação de sinterização deve ser feita em ambiente adequado para evitar que aconteçam fenômenos indesejáveis durante o processo. Para isso, empregam-se as chamadas atmosferas protetoras. Estas podem manter uma condição de equilíbrio, de modo a evitar que se perca algum elemento da liga presente no compactado.
As temperaturas de sinterização usuais de alguns materiais são indicadas na Tabela 1 a seguir com os tempos no interior da câmara de alta temperatura (temperatura final) dos fornos.
Tabela 1 – Sinterização: Temperatura e Tempo.
Material
Temperatura (ºC) Tempo (min.)
Bronze 760-860 10-20
Cobre 845-900 12-45
Latão 845-900 10-45
Ferro, ferro-grafita, etc. 1010-1150 8-45
Níquel 1010-1150 30-45
Aço inoxidável 1095-1290 30-60
Imas AlNiCo 1205-1300 120-150
Ferrites 1205-1480 10-600
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Carbeto de tungstênio 1425-1480 20-30
Molibdênio 2055 120 aprox.
Tungstênio 2345 480 aprox.
Tântalo 2400 aprox. 480 aprox.
Fonte: Dias (2010).
A etapa de sinterização caracteriza-se por uma grande retração dimensional dos componentes, já que após a remoção do ligante, o componente encontra-se com uma imensa rede de poros interconectados. O processo de moldagem de pós por injeção apresenta usualmente uma retração linear superior a 10%, e em algumas situações pode atingir valores da ordem de 30% (DIAS, 2010).
No estágio inicial do processo de sinterização, ocorre transporte de material, sendo que o mecanismo mais importante do transporte de material é a difusão, influenciado pela existência de defeitos cristalinos no reticulado do metal. Assim, nesta difusão, aumenta-se o contato entre as partículas e verifica-se uma ligação inicial entre elas, onde o compactado começa a apresentar boa coesão entre as partículas, embora não se verifique qualquer alteração dimensional do compactado, assim, quanto maior a densidade em verde do compactado mais eficiente essa ligação, devido à maior área de contato presente (REI, 2009).
A sinterização não caracteriza um processo de mecanismo simples, já que, os materiais são sinterizados através da ação combinada de diferentes mecanismos de transporte de massa. Alterando o tamanho de partícula, tempo ou temperatura, provavelmente o mecanismo de sinterização dominante também mudará, devido as diferentes sensitividades dos parâmetros de processo.
Assim, pequenas partículas exibem crescimento rápido do pescoço, e então, necessitam de um menor tempo ou temperatura de sinterização para atingir um determinado grau de sinterização, assim, no oposto, grandes partículas são sinterizadas mais lentamente e requerem tempos mais longos e temperaturas maiores para alcançar o mesmo grau de densidade (ESPINOZA; SCHAEFFER, 2010).
Segundo Dias (2010) a automobilística possui uma das maiores porcentagem de utilitários de peças sinterizadas. A sinterização, segundo Mafra (2009), também
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ocorre na fase líquida, porém, a maioria dos casos a sinterização com fase líquida é realizada com o intuito de obter-se a máxima densidade, com pequena porosidade residual, podendo levar à obtenção de estruturas com excelentes propriedades mecânicas.
29 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A Engenharia de Produção Mecânica no âmbito da otimização do setor automobilístico no processo de Moldagem de pós por injeção e sinterização de peças é uma área de grande expansão na atualidade, para tanto, requer observações e análise de melhoria continua.
A busca de melhores produtos e serviços no setor da automobilística possibilitou a aderência à melhoria das peças e utilitários através do processo de moldagem de pós e sinterização.
Observa-se, neste contexto que a partir da descoberta de novas possibilidades através da moldagem de pós por injeção, os Engenheiros passaram a testar novas técnicas como a mistura de materiais e pós de liga para melhoria e durabilidade de um produto.
O processo de moldagem de pós por injeção torna-se um diferencial no mercado e metalúrgica, possibilitando hoje, a proporções inimagináveis de produção em relação a épocas remotas, quando a civilização possuía apenas meios manuais de forjamento.
Apesar de o forjamento a martelo ser uma técnica, hoje, pouco utilizada, deve se dar importância a sua técnica onde podemos observar a qualidade de certo tipo de armas antigas. Porém, no que se refere a automobilística cada vez mais projetos em mecânica precisam ser desenvolvidos na busca da demanda capitalista. A sinterização, torna-se a fase principal na formação de uma peça, já que é responsável pelo seu acabamento.
Neste contexto, considera-se que o presente estudo torna-se valioso na área de Engenharia de Produção Mecânica e imprescindível na otimização do setor automobilístico como diferencial no mercado.
30 REFERÊNCIAS
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