FORMULÁRIO PARA INSCRIÇÃO DE PROJETO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA.
Coordenação/Colegiado ao(s) qual(is) será vinculado: ENGENHARIA MECÂNICA
Curso (s) : ENGENHARIA MECÂNICA Nome do projeto:
RECICLAGEM DE CAVACOS DE USINAGEM POR METALURGIA DO PÓ: UMA ABORDAGEM PARA DESENVOLVIMENTO DE PEÇAS ESTRUTURAIS.
Nome do(s) acadêmico(s) envolvido(s):
Nome do professor orientador: MOISÉS LUIZ PARUCKER
Nome do professor co-orientador: CESAR EDIL DA COSTA (UDESC) Nome do coordenador(a) do Curso: MOISÉS LUIZ PARUCKER
Para a Fundação Educacional Regional Jaraguaense – FERJ, mantenedora do Centro Universitário - Católica de Santa Catarina em Jaraguá do Sul e em Joinville, encaminhamos anexo, Projeto de Iniciação Científica a ser submetido ao Edital nº ----/2013 - PROINPES, e declaramos nosso interesse e prioridade conferida ao desenvolvimento do projeto ora proposto, assim como nosso comprometimento de que serão oferecidas as garantias necessárias para sua adequada execução, incluindo o envolvimento de equipe, utilização criteriosa dos recursos previstos e outras condições específicas definidas no formulário anexo.
__________________, ____ de ___________ de 2013
____________________________________________ _________________________________________________ Acadêmico(a) Acadêmico(a)
____________________________________________ _________________________________________________ Professor orientador Professor coorientador
____________________________________________ Coordenador do Curso
2 – DESCRIÇÃO DO PROJETO
Orientações para organização do texto( projeto): Fonte: Times New Roman ou Arial, 12. Espaçamento entre linhas simples, o texto deverá estar justificado. Todos os autores deverão estar corretamente citados no texto e descritos nas referências.
Título do Projeto:
RECICLAGEM DE CAVACOS DE USINAGEM POR METALURGIA DO PÓ: UMA ABORDAGEM PARA DESENVOLVIMENTO DE PEÇAS ESTRUTURAIS.
Tipo de Projeto ( 06 meses )
( ) Elaborado pelo acadêmico em conjunto com o professor orientador;
(X) Apresentado pela instituição;
Resumo do Projeto
Grandes quantidades de cavacos de usinagem são geradas anualmente pelas indústrias metal-mecânica no mundo inteiro e os cavacos de usinagem de aços e ferros fundidos são os mais importantes quanto ao volume e tonelagem envolvidos, sendo interessante sua reutilização econômica por outros métodos diferentes da simples refusão, onde se tem um baixo rendimento e problemas de poluição ambiental devido à queima do óleo lubrificante que impregna as partículas de cavacos. O aumento dos custos da matéria-prima usadas nos processos de fabricação e o aumento dos custos de energia verificados nos últimos anos, tem levado os pesquisadores a desenvolver novos métodos que permitam reutilizar os cavacos de usinagem como matéria-prima barata para fabricar componentes mecânicos. Um dos métodos promissores para reaproveitamento de cavacos é a técnica da metalurgia do pó em que através de moagem dos cavacos em moinhos de bolas/martelo e ou moinhos de alta energia consegue-se quebrar e romper o cavaco obtendo-se uma eficiente cominuição desse material, transformando-o em pó. O cavaco de ferro fundido cinzento, em particular, é um dos materiais que melhor se adapta à via da metalurgia do pó para ser recuperado e reutilizado na fabricação de peças e componentes sinterizados. Este trabalho visa realizar uma abordagem das principais pesquisas realizadas até o momento sobre o reaproveitamento de cavados metálicos ferrosos por meio da técnica da metalurgia do pó, desde os métodos de produção de pós, de conformação mecânica e de aplicação no desenvolvimento de peças estruturais para a partir de então, definir novos procedimentos viáveis para reutilização de cavacos de usinagem, com foco na produção de peças estruturais.
Texto limitado em até 200 palavras Problematizacão (Problema de pesquisa)
Grandes quantidades de cavacos de usinagem são geradas anualmente pelas indústrias metal-mecânicas no mundo inteiro, tanto de materiais ferrosos como de ligas não ferrosos, principalmente ligas de alumínio, bronze e latões.
Os cavacos de usinagem de aços e ferros fundidos são os mais importantes quanto ao volume e tonelagem envolvidos, sendo interessante sua reutilização econômica por outros métodos diferentes da simples refusão no forno, onde se tem um baixo rendimento e problemas de poluição ambiental devido à queima do óleo lubrificante que impregna as partículas de cavacos.
Um dos métodos promissores é a técnica da metalurgia do pó em que através de moagem dos cavacos em moinhos de bolas/martelo e ou moinhos de alta energia consegue-se quebrar e romper o cavaco obtendo-se uma eficiente cominuição desse material. O cavaco de ferro fundido cinzento, em particular, é um dos materiais que melhor se adapta à via da metalurgia do pó para ser recuperada e reutilizado na fabricação de peças e componentes sinterizados. A obtenção de pós finos, a partir de cavacos de ferro fundido cinzento é favorecida pela fragilidade das partículas de cavaco, que rompem com facilidade; torna-se necessária, neste caso, a eliminação ou redução de excesso de grafita para aumentar as propriedades mecânicas do material. Neste sentido, a abordagem de problematização está relacionada a: como utilizar de forma eficiente os cavacos de ferro fundido cinzento para fabricação de peças estruturais?
Texto limitado a 20 linhas Justificativa (descrever o problema de pesquisa e sua importância científica , tecnológica e sócio-econômico-ambiental para a região )
O ser humano está cada vez mais consciente de que os recursos naturais são finitos e que a má gestão deles pode acarretar prejuízos irrecuperáveis. Frente a esta tomada de consciência, ganha espaço cada vez maior, a preocupação com o desperdício, o uso inadequado de recursos, a produção abundante de rejeitos, o consumo excessivo e a mobilização incompleta das potencialidades humanas.
Os resíduos industriais são gerados em cada estágio da utilização de materiais, da extração e processamento a seu abandono como itens usados. As sobras são denominadas refugo, sucata, entulho, dependendo do tipo de material de que se trata e onde estão localizados.
Parte dessa sobra pode ser recuperada e reutilizada como recursos secundários e sempre é vantajoso às indústrias e ao ambiente reciclar o máximo possível. A reciclagem, se bem orientada, é uma maneira eficaz de combater o problema, mas deve estar agregada a uma política de gestão integrada que vise à adoção de medidas tendentes a diminuir a geração de resíduos, a introdução de tecnologias mais limpas na produção industrial; o reaproveitamento de tudo o que for possível e por fim, o adequado tratamento e reutilização destes resíduos.
Portanto, a iniciativa de desenvolvimento de métodos viáveis de reaproveitamento de resíduos industriais exigem a transformação de técnicas e processos industriais, e, dar um destino nobre para estes materiais é objeto de pesquisa de diversas entidades em todo o mundo.
Dentre os resíduos industriais gerados por diferentes indústrias, os resíduos metalúrgicos ganham destaque pela gama de materiais produzidos e pela preocupação crescente com o meio ambiente, pela disposição destes materiais obtidos por diferentes e variados processos desta indústria.
Os cavacos provenientes da indústria metal-mecânica, dos processos de usinagem, são um exemplo de resíduo que merece destaque. Estima-se que somente países mais desenvolvidos e preocupados com o reaproveitamento industrial e o ambiente, como o Japão, geram mensalmente 10.000 toneladas deste resíduo e seu reaproveitamento pelo baixo rendimento de refusão e altos custos energéticos envolvidos levam a desenvolver métodos mais rentáveis como a moagem, transformando-o em pó e utilizando-o como matéria-prima pela técnica da metalurgia do pó na confecção de componentes mecânicos.
resíduo de baixa qualidade.
Visando contribuir para uma solução na disposição final deste resíduo, como matéria-prima para produção de pós, propõem-se neste trabalho de pesquisa, o estudo da sua reutilização na confecção de um aço sinterizado, através da avaliação das qualidades e propriedades do pó e dos materiais sinterizados obtidos utilizando a técnica da metalurgia do pó e, finalmente, otimizando e viabilizando o processo para a fabricação de uma peça estrutural.
Texto limitado a 20 linhas Objetivo Geral: ( Onde estamos....Onde queremos chegar.)
Produzir uma liga de aço a partir do reaproveitamento de cavacos de usinagem de ferro fundido cinzento pela técnica da metalurgia do pó.
Texto limitado a 05 linhas Objetivos específicos ( Etapas que devem ser cumpridas para se atingir o objetivo geral.)
- Realizar levantamento bibliográfico sobre a reciclagem aplicada ao reuso de cavacos por meio de
técnicas convencionais e por metalurgia do pó.
- Realizar estudo da moagem de cavacos de usinagem e realizar caracterização físico-química e microestrutural dos pós obtidos.
- Realizar estudo de compressibilidade e sinterabilidade dos pós. - Realizar avaliação mecânica e microestrutural de sinterizados.
Texto limitado a 15 linhas Metodologia (Descrição dos procedimentos, instrumentos( questionários, formulários, entrevistas, softwares), técnicas e materiais(equipamentos) a serem utilizados na execução do projeto).
O trabalho será concentrado em:
- Levantamento bibliográfico especializado (artigos e patentes) sobre os temas: reciclagem de cavacos, metalurgia do pó, aços sinterizados e mancais autolubrificantes. A biblioteca Universitária da Católica de Santa Catariana e da UDESC possui sistema informatizado para busca de referência através do site da BU, além de serviços de comutação bibliográfica e empréstimos de teses, dissertações e publicações especializadas. A biblioteca da UDESC também disponibiliza busca de material especializado por meio do site de periódicos da CAPES. Esta etapa tem como pretensão a busca de literatura especializada para fundamentar as atividades e metodologia que será utilizada no desenvolvimento da pesquisa experimental.
- Realizar estudo de moagem dos cavacos. As condições de moagem serão definidas em conjunto com o grupo de pesquisa ao qual o projeto está vinculado. Os experimentos serão realizados no laboratório de metalurgia do pó da Universidade do Estado de Santa Catarina-UDESC. A caracterização físico-quimica e microestrutural dos pós será realizada por meio de análise granulométrica, análise química, difratometria de Raio-X e análise microestural.
- Realizar estudo de compressibilidade e sinterabilidade. Será realizada levantamento de curva de compressibilidade dos pós obtidos utilizando prensa de compactação unidirecional. As condições de sinterização serão determinadas experimentalmente e será realizada em forno industrial com atmosfera controlada. Os equipamentos serão disponibilizados pela UDESC.
- Realizar avaliação mecânica e microestrutural de sinterizados. A caracterização mecânica será
Texto limitado em 02 página
Fundamentação Teórica
A metalurgia do pó (M/P) tem se desenvolvido muito nos últimos anos e pelos estudos e dados disponíveis na atualidade, pode ser considerada como uma técnica consolidada e com um futuro promissor no desenvolvimento de novos materiais. Uma das grandes vantagens deste processo tecnológico é de se poder obter produtos e componentes acabados com uma homogeneidade e precisão dimensional superior à conseguida por outras técnicas e com um custo menor, devido principalmente à economia de matéria-prima, mínimas operações secundárias e baixo consumo de energia. Outra vantagem é a de se obter produtos que somente podem ser produzidos por este processo.
Um dos principais usuários de peças da metalurgia do pó é a indústria automotiva com uma média de componentes de 6 a 7 Kg/carro[ZAPATA, 1986].
Os típicos automóveis americanos possuem aproximadamente 14 quilos de peça/carro confeccionado por técnicas de metalurgia do pó, com tendência de crescimento deste valor a cada ano[P/M FACTS, 1998].
Outro importante setor é o de eletrodomésticos, principalmente nos campos de máquinas e aparelhos eletroeletrônicos, grandes consumidores de mancais autolubrificantes e de pequenas peças estruturais. Assim mesmo, outros setores importantes são os equipamentos para escritórios como calculadoras, computadores, fotocopiadoras; a indústria de filtros; de metais duros, metais refratários; aços rápidos, além das indústrias tecnológicas como a aeroespacial que utiliza como exemplo, ligas de titânio e superligas[ZAPATA, 1995].
Os primeiros trabalhos publicados sobre o uso de cavacos de ferro fundido cinzento como matéria-prima barata para melhorar a economia do processo de forjamento de pós demostrando sua viabilidade técnica é o de BROWN[1972], o qual mostrou alguns valores de resistência à tração obtidos variando a pressão de 200 a 650 MPa, dependendo da utilização de simples compactação e sinterização, forjamento e forjamento seguido de tratamento térmico.
Nesse sentido, outros pesquisadores confirmaram que os cavacos de ferro fundido cinzentos são mais fáceis de moagem que os de aço com uma resistência do produto sinterizado maior que a do produto original e que grande quantidades de cavacos de ferro fundido estão isentos de contaminação de lubrificantes devido à usinagem a seco.
O ferro fundido cinzento é o material que apresenta uma maior facilidade de moagem devido ao fato de que as lamelas de grafita atuam como origem de trincas, quebrando-se com facilidade em pequenas partículas cuja granulometria é função do tempo de moagem e da eficiência do tipo de moagem. Este material possui um teor de carbono total geralmente na faixa de 3,0-4,0% sendo que a grafita constitui 70-80%, encontrando-se o resto na forma combinada. Há interesse em eliminar o máximo possível essa grafita fina, separando-a das partículas de ferro e logo em seguida através de peneiramento, as mesmas são classificadas por tamanho. O tratamento de separação, talvez o mais usado, é o hidrociclone, que aproveita a grande diferença de densidade entre a grafita e as partículas metálicas de ferro do material para separar a grafita com ajuda de água.
Estes tratamentos melhoram a compressibilidade dos pós assim obtidos através da modificação de suas morfologias, e os autores recomendam sinterizar a alta temperatura (>1200°C) podendo tratar-se posteriormente por forja e tratamento térmico para melhorar suas propriedades mecânicas[NAKAGAWA, 1981; RAMAKRIHSNAN, 1985; TAKEDA, 1981]. Citam-se ainda processos de separação magnética e processos de diluição mediante a adição de pós de ferro[TOMIYAMA, 1995; ZAPATA, 1995].
Considerando que a maior ou menor facilidade de separação da grafita do pó de ferro fundido é ponto chave no processo de descarburação, o tipo de ferro fundido e de grafita são fatores muito importantes, sendo que os diferentes tipos de grafita darão origem a diferentes teores de carbono no pó descarburado, tornando mais fácil a extração das lamelas de grafita grandes em relação às pequenas, pois as partículas se rompem ao longo das lamelas separando-se em partículas menores. Se as lamelas são grandes, o conteúdo final de carbono pode-se reduzir até aproximadamente 1,4% e se são pequenas, o teor de carbono cairá para a faixa de 1,6-2,8%, quando da utilização da técnica de separação de grafita livre do pó moído durante peneiramento.
Sinterização do pó descarburado
Uma das primeiras evidências encontradas ao se trabalhar com pós de cavacos de ferro fundido cinzento sem descarburar foi que apesar dos produtos sinterizados serem porosos, sua carga máxima de ruptura era bastante superior à do material de origem, principalmente para as maiores pressões de compactação e muito sensível à temperatura de sinterização. Este fato deve estar ligado a que a sinterização ocorre numa faixa de temperaturas próximas ao ponto de fusão do material, o qual aumenta a mobilidade atômica dos constituintes do compacto provocando um rápido fechamento dos poros e o conseqüente aumento da densidade e da resistência mecânica[NAKAGAWA, 1981].
A atmosfera de sinterização conforme a literatura pode-se dar sob nitrogênio, hidrogênio, misturas N2+H2 e vácuo. O primeiro caso torna-se possível porque o pó de cavaco de ferro fundido não possui
grande quantidade de oxigênio contrariamente ao que ocorre com o pó de ferro. Inclusive a baixas temperaturas de sinterização, 1020°C, os sinterizados sob atmosfera de nitrogênio apresentam uma boa resistência, comparados com os sinterizados sob hidrogênio. Como gás redutor, o hidrogênio limpa bem a superfície das partículas acelerando a difusão de carbono, tendo como resultado um rápido crescimento dos grãos de ferrita sobre os pescoços entre partículas. No caso do nitrogênio, a difusão do carbono na ferrita não é possível. Entretanto, à maior temperatura, os compactos sinterizados em hidrogênio mostram maior resistência que os sinterizados em nitrogênio, pois ocorrem microestruturas ferríticas no primeiro e perlíticas com aglomerados de grafita livre no segundo[ZAPATA, 1995].
Tabela 1- Condições de compactação-sinterização e resistência mecânica de pós de cavaco descarburado[NAKAGAWA, 1981]. Materiais Pressão de compactação MPa Temperatura de sinterização °C Tempo de sinterização Minutos Resistência à tração MPa Variação dimensional % FF base 400-800 1075-1125 30 100-200 <1 Pós A 600-800 1125-1175 60 350-500 <1 Pós B 400-800 1100-1125 30 150-250 <1
Esta tabela mostra que os pós de cavacos descarburados apresentam uma resistência superior aos pós de cavaco sem descarburar, sendo essa resistência bastante mais elevada para os pós A, o que está relacionado ao menor teor de carbono e à variação de forma nas lamelas de grafita. A microestrutura dos produtos sinterizados com pós descarburados apresenta uma importante característica: a grafita muda da forma lamelar para a esférica, o que ocasiona uma aumento da resistência mecânica.
Diluição com pós de ferro
A idéia da mistura-diluição dos pós de cavacos de ferro fundido cinzento surge da necessidade de reduzir o teor de carbono do cavaco devido as dificuldades de atingir-se os teores iguais ou menores a 2%, visando a um aumento da compactabilidade.
Trabalhos sistemáticos com adições diferentes e bem controladas de 20, 40, 60, 70 e 80% de pó de ferro ao pó de cavaco de ferro fundido cinzento compactadas a 800 MPa e sinterizadas entre 1150-1200°C durante 30 minutos, mostraram um aumento da resistência para teores crescentes de pó de ferro, encontrando-se os melhores valores para a faixa de 50-60% de adição. A adição de pós de ferro provoca além de uma melhora geral da resistência, dependente da homogeneidade microestrutural, uma queda da dureza devido ao aumento do teor de ferrita, obtendo-se também uma melhor precisão dimensional, especialmente com o uso de cobre[NAKAGAWA, 1977].
sinterização e forja de cavacos de fundição moídas a partir de material proveniente de usinagem de blocos de cilindros de automóveis, reduzindo seu conteúdo de carbono e misturando-se com pós de ferro puro[VELASCO, 1992].
Outro trabalho, realizado por ZAPATA[1995], misturas de pós de cavaco de ferro fundido cinzento/pó de ferro nas proporções de 70/30, 50/50 e 30/70 foram realizadas e compactadas a 700 MPa. A sinterização foi realizada sob atmosfera de N2-H2 e temperatura de 1150°C. Os resultados
da densidade de sinterização e dureza das ligas preparadas com diferentes teores de ferro atomizado e pós de cavacos com 40 e 60 horas de moagem mostram que diluições de 50% tornam-se promissoras e a pequena diferença na concentração granulométrica dos pós de cavacos nos dois tempos de moagem (40 e 60 horas), não apresenta efeito significativo.
A tabela 2 mostra estes valores comparativamente com outros tratamentos térmicos.
Tabela 2- Propriedades mecânicas de produtos forjados de cavacos de ferro fundido descarburado com 1,4% C após diversos tratamentos térmicos[NAKAGAWA, 1981; NAGAKAWA, 1985].
Tratamento Térmico Dureza Resistência à Tração MPa Alongamento % Ensaio Charpy J/m2 105
Ferro fundido base RB 83,5 180 - 0,45
Produto sinterizado RB 87 560 - 0,70 Forjado resfriamento ao ar RC 40 992 - 2,1 Recozido 800°C/0,5h RB 86 530 12,7 3,0 Têmpera-revenido 850°C/óleo 600°C/1h RC 36 633 - 2,8 Astêmpera 850°C/0,5h 350°C/sais 10 min RC 37,5 1070 - 6,2 Austêmpera 950°C/1h 500°C/sais 5 min - 1270 -
Verifica-se também que a resistência à tração é da mesma ordem ou superior ao ferro fundido base (>150 MPa), sendo que os valores máximos alcançados nestas experiências preliminares foram da ordem de 240 MPa e os valores de ductilidade, avaliados através do alongamento, estiveram acima do esperado (< 5%).
Texto limitado em até 05 páginas
3. CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO ETAPA OU FASE DO PROJETO
Objetivo Específico Etapa/Fase (O que?) Especificação (Como?) Início Semanas e meses
4. REFERÊNCIAS
( Descrever as utilizadas na elaboração do projeto.Todas as referências deverão estar citadas no corpo do projeto, conforme normas ABNT)
BROWN, G. T. On the Gray Cast Iron Powder for Making Low-cost P/M Forging. Progress in Powder Metallurgy, v. 28, MPIF Princeton, NY, p. 243-258, 1972.
BROWN, G. T. On the Grey Cast Iron Powder of Making Low-cost P/M Forging. Progress in Powder Metallurgy, MPIF, Princeton, NY, v. 28, p. 243-258, 1972.
ILANGO, S. V.; RAMAKRISHMAN, P. Optimization of Sintering Parameters to
KIMURA, T.; WATANABE, M.; KONDO, M. PM Forging from Steel Sheet Stamping Scrap. Metal Powder Report, p. 315-320, june 1983.
NAKAGAWA, T.; DAI, F. S. Sintering and Forging of Decarbonized Cast Iron Powder. Modern Developments in Powder Metallurgy, v. 12, p. 723-743, 1981.
NAKAGAWA, T.; DAI, F. S.; HANAWA, K. Powder Forging from Casting Iron Cylinder Block Machining Swarf. Metal Powder Report, p. 79-83, February 1985.
NAKAGAWA, T.; SHARMA, C. S. P/M Forging and Sintering for the Recycling of Machining Swarf. Modern Developments in Powder metallurgy, v. 9, p. 347-388, 1977.
RAMAKRISHNAN, P.; PALKAR, S. L.; GURURAJ, K. Preparation and Evaluation of P/M Grade Iron Powder from Cast Iron Swarf. Modern Developments in Powder Metallurgy, v. 15, p. 73-84, 1985. TAKEDA, Y.; KUROISHI, N. L.; NOJI, S.; HARA, A. Process and Properties of Newly Developed Pulverized Swarf Forging. Modern Developments in Powder Metallurgy, v. 12, p. 745-755, 1981.
TOMIYAMA, M.; DA COSTA, C. E.; ZAPATA, W. C. Separação Magnética de Pós Metálicos. Projeto Fundo de Apoio à Pesquisa-UDESC, abril 1995.
VELASCO, F.; TORRALBA, J. M.; GARCIA-CAMBRONERO, L. E.; PRIETO, J. M. Las Virutas de Fundición: Problemática y Utilización Pulvimetalurgica. Re. Metal, Madrid, p. 99-111, Octubre 1992. ZAPATA, W. C. Aceros Sinterizados con Níquel y Cobre. Tesis Doctoral, Universidade Politécnica de Madrid, 1986.
