METALURGIA DO PÓ: AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSAMENTO DE CAVACOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO AA1060 E AA3003

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1 Realização Organização METALURGIA DO PÓ: AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE TÉCNICA DO PROCESSAMENTO DE CAVACOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO AA1060 E AA3003 João Victor Costa Alves 1, jvca1997@gmail.com Erlla Silva de Oliveira 2, erlladeoliveira@gmail.com Igor Paulinelly Araújo Silva 3, igorpaulinelly@gmail.com Sérgio Rodrigues Barra 4, barra@ct.ufrn.br 1 Discente do Curso de Engenharia Mecânica da UFRN 2 Discente do Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais da Universidade de Toulouse III - Paul Sabatier 3 Discente do Curso de Engenharia de Materiais da UFRN 4 Professor do Departamento de Engenharia de Materiais da UFRN Resumo: As indústrias do setor metalomecânico geram volumes significativos de resíduos na forma de cavacos. A importância dos custos da matéria-prima e dos insumos aplicados nos processos de fabricação tem levado ao desenvolvimento de novos métodos que permitam agregação de valor, redução e/ou reutilização dos resíduos gerados como no caso específico dos resíduos do processo de usinagem por serramento. Nesta linha de pensamento, um dos métodos de fabricação promissor para o reaproveitamento dos cavacos é a metalurgia do pó. Assim, este trabalho objetiva avaliar a reutilização de cavacos, extraídos via operação de serramento manual com lâminas de serra com 18, 24 e 32 dentes por polegada, das ligas de alumínio AA1060 e AA3003, empregando a metalurgia do pó. Como procedimento experimental, os cavacos foram extraídos manualmente, analisados quanto à sua morfologia via microscopia ótica, submetidos à compactação uniaxial unidirecional (240 e 480 MPa) e, posteriormente, sinterizados em atmosfera controlada de argônio a 550 C (permanência a temperatura de sinterização de 30 e 120 min), sendo analisados via perfil de microdureza Vickers e análise visual de defeitos e/ou falhas. Os resultados mostram que os cavacos obtidos na operação de serramento possuem geometrias irregulares que favorecem a produção de compactados com melhores características de sinterização. Os produtos obtidos com maior pressão de compactação apresentaram maior densidade e dureza. As amostras da liga AA1060 apresentaram uma maior densidade aparente com o aumento do tempo de sinterização. Além disso, os tamanhos das partículas dos cavacos não apresentaram influência significativa nas propriedades analisadas (densidade e dureza), o que mostra a possibilidade do reaproveitamento desse resíduo. Palavras-chave: Cavaco, usinagem, alumínio, sinterização, metalurgia do pó 1. INTRODUÇÃO As indústrias do setor metalomecânico, que utilizam os processos de fabricação por usinagem em suas rotas de fabricação, geram um volume significativo de resíduos na forma de cavacos. Por exemplo, a indústria WHB Pernambuco, responsável pela usinagem de cabeçotes para motores da Volkswagen, gera em torno de 23 toneladas mensais de cavacos de liga de alumínio. Neste caso, o aumento dos custos da matéria-prima e dos insumos aplicados nos processos de fabricação tem levado ao desenvolvimento de novos métodos que permitam a reutilização dos resíduos gerados (por exemplo, particulados na forma de cavaco), promovendo uma reagregação de valor ao resíduo decorrente da nova rota de fabricação de um produto. Neste sentido, um dos métodos de fabricação promissores para o reaproveitamento de cavacos é a metalurgia do pó. Além disso, alguns outros fatores econômicos contribuem para que a metalurgia do pó seja utilizada em larga escala, como o número reduzido de etapas na produção - em relação a outros processos - a manutenção do volume durante a transformação e a obtenção de peças próximas das dimensões previstas em projeto (MORAIS, 2012). Conceitualmente, a metalurgia do pó é definida como um processo de fabricação que permite a obtenção de produtos a partir dos pós de suas substâncias constituintes. É um processo formado por uma série de etapas

2 que podem cobrir desde a produção do pó até um eventual pós-processamento da peça. No caso mais simples, as etapas que compõem o processo são: (a) determinação e obtenção dos pós constituintes e aditivos, (b) mistura, (c) conformação do pó (compactação), (d) sinterização e (e) operações complementares (usinagem, inspeção, outras) (MORAIS, 2012). No que diz respeito ao tamanho e à geometria das partículas do pó constituinte, observa-se que pós mais finos e, portanto, com maior superfície específica sinterizam mais rapidamente. Também, a forma irregular das partículas (como, por exemplo, cavacos grosseiros obtidos via operação de serramento) favorece a produção de compactados com melhores características de sinterização, devido ao fato de haver uma maior interação dos contornos das partículas (CHIAVERINI, 1992). Uma vez determinada a mistura adequada dos pós (combinações de propriedades), as etapas de compactação e de sinterização são consideradas fundamentais para a metalurgia do pó. A compactação dos pós afeta a densidade final do material e, consequentemente, interfere nas propriedades mecânicas finais do compactado (DELFORGE et al, 2007). Sabe-se que ao aumentar-se a pressão de compactação, a densidade da massa de pó aumenta e a porosidade diminui. Outro aspecto a considerar na técnica de compactação está relacionado com a lubrificação das paredes das matrizes, assim como a lubrificação da massa de pó pela adição de lubrificantes na mistura. Tais artifícios facilitam o esforço de compactação e tendem a melhorar a distribuição de densidade nos compactados (CHIAVERINI, 1992). As pressões de compactação para o alumínio e suas ligas situam-se, geralmente, na faixa de 100 a 400 MPa (JAMES, 2015). Dentre os diversos modos de prensagem existentes, possíveis de serem utilizados durante a etapa de compactação, destaca-se, pela sua simplicidade e baixo custo associado, a prensagem uniaxial de simples efeito. Neste tipo de prensagem, a compactação dos pós é realizada em uma matriz rígida fechada utilizando um punção móvel. Esta configuração é utilizada para conformar peças com espessuras pequenas e com geometrias simples. Neste caso, a carga é aplicada no punção superior, na direção axial, e, consequentemente, o grau de compactação ou densificação pode variar nas diferentes zonas do componente (MOURA et al, 2015). A densificação e a transmissão da pressão são superiores nas regiões mais próximas ao punção, durante a etapa de compactação (SANTOS, 2012) Por sua vez, a sinterização consiste no aquecimento dos compactados verdes, obtidos na operação de compactação, a temperaturas elevadas, porém abaixo do ponto de fusão do metal ou do principal constituinte da liga metálica considerada, sob condições controladas de tempo, temperatura e atmosfera. Como resultado, as partículas que constituem o compactado ligam-se entre si e o material adquire as características desejadas de densidade, dureza e resistência mecânica. Normalmente, a temperatura especifica de sinterização variam em torno de 70% e 80% da temperatura de fusão do metal ou liga metálica considerada (CHIAVERINI, 1992). O emprego de atmosfera controlada é fundamental para prevenir reações químicas indesejadas entre a peça compactada e o ambiente, principalmente a formação de uma película de óxido. Dependendo da atmosfera adotada, impurezas podem ser removidas ou as transformações de fases inibidas. A sinterização é tipicamente um processo de difusão no estado sólido, porém, podendo ocorrer em fase sólida e líquida (DELFORGE et al, 2007, FERNANDES, 2014). Durante a etapa de sinterização, a temperatura de sinterização e o tempo de encharcamento influenciam nas propriedades do produto final. Sabe-se que o contato químico das partículas aumenta de maneira significativa com pequenos acréscimos da temperatura de sinterização (IASI, 2017) e quanto maior for essa temperatura, menor será a porosidade final do produto e, consequentemente, maior será a densidade e dureza média do mesmo (DUTTA et al, 2012). No que diz respeito ao tempo de sinterização, quanto maior ele for, maior será o contato químico das partículas, devido à maior quantidade de átomos difundidos (IASI, 2017). No caso do alumínio e suas ligas, as partículas podem ser consolidadas em uma grande variedade de componentes estruturais por meio da metalurgia do pó (HATCH, 1984). No entanto, como citado anteriormente, um problema na consolidação do pó de alumínio, principalmente durante as etapas de compactação e sinterização, é a existência de uma camada firme e intensa de óxido na superfície de suas partículas (GOKÇE et al, 2008). A aferição das peças produzidas pela metalurgia do pó adota os Ensaios Não Destrutivos (ENDs) como ferramenta auxiliar no controle de qualidade dos insumos e produtos. Nesse caso, o papel principal dos END é identificar problemas no processo de fabricação e, portanto, evitar uma potencial formação de defeitos. A avaliação por meio dos ENDs pode ser incorporada no processo de fabricação para monitorar parâmetros importantes e controlar o processo de produção a fim de obter produtos isentos de defeitos. Dessa forma, a avaliação por ENDs pode ser empregada na caracterização do pó, na avaliação de componentes a verde, no monitoramento do processo de sinterização e na realização da inspeção do produto final (MARTIN et al, 2003). 2

3 Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade técnica do processamento de cavacos das ligas de alumínio AA1060 e AA3003 (alumínio comercialmente puro e liga Al-Mn, respectivamente), obtidos em operação de usinagem por serramento manual, empregando a metalurgia do pó como processo de fabricação e o ensaio visual como ferramenta auxiliar na avaliação do processo de fabricação. AA1060 AA3003 Elemento: Porcentagem em peso (%) Elemento: Porcentagem em peso (%) Al 99,6 (mínima) Al 98,6 - - Mn 1,2 - - Cu 0,12 Tabela 1 Composição química das ligas de alumínio AA1060 e AA3003 (EFUNDA, 2018) 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A partir da operação de serramento manual de tubos das ligas de alumínio AA1060 e AA3003 foram produzidos cavacos com diferentes dimensões, por meio da utilização de três lâminas de serra, com 18, 24 e 32 dentes por polegada (lâminas de serras comerciais). O serramento foi feito na direção radial dos tubos e a velocidade e força de usinagem foi mantida aproximadamente constante durante a operação. Para minimizar a contaminação dos cavacos durante a etapa de serramento, a tinta de identificação das serras foi removida com o solvente. Em seguida, os cavacos passaram por um processo de limpeza química empregando-se uma solução comercial para limpeza de alumínio (à base de ácido linear alquil benzeno sulfônico, ácido oxálico, coadjuvante, neutralizante, acidificante, corante e veículo) com o objetivo de remover restos de tinta proveniente das serras e outras impurezas. Durante este processo, os cavacos permaneceram imersos na solução por 2 min e, posteriormente, foram lavados em banho ultrassônico com água destilada por 5 min e secos em uma estufa a 100 C por 1h. A morfologia dos cavacos foi verificada via Microscópio Ótico (MO) e os tamanhos médios das partículas foram determinados por da análise de imagem empregando o software Image J. Nesse caso, para cada tipo de cavaco foram realizadas dez medidas do comprimento máximo e mínimo e, em seguida, foram calculados os tamanhos médios e o desvios padrões das partículas dos cavacos. Depois de secos, os cavacos foram pesados e submetidos a compactação uniaxial de simples efeito (unidirecional), à temperatura ambiente. A massa de pó necessária para cada amostra foi calculada através do produto da massa específica do material constituinte (aproximadamente 2,7 g/cm 3 ) pelo volume do corpo de prova (aproximadamente 0,1 cm 3 ), resultando numa massa de pó de 0,27 g por amostra. O conjunto de compactação consistia em uma matriz rígida fechada, com cavidade interna cilíndrica e um punção móvel. O conjunto de compactação foi lubrificado com estearato de zinco e, em seguida, os Corpos de Prova (CPs) foram compactados em forma de cilindros de 5 mm de diâmetro e 5 mm de altura. Após a compactação, as faces foram diferenciadas em dois tipos, face que ficou voltada para o punção (FP) e face que ficou voltada para a parte inferior da matriz (FM) durante a etapa de compactação, utilizando um marcador permanente. Os cavacos foram compactados empregando-se dois níveis carga de compactação, 240 MPa e 480 MPa. Posteriormente, os CPs compactados foram sinterizados, em atmosfera controlada de argônio, à uma temperatura de 550 C, com uma taxa de aquecimento de 10 C/min. Durante essa etapa, as amostras tiveram dois tempos de permanência à temperatura de sinterização diferentes, 30 e 120 minutos. Quanto ao resfriamento, as amostras permaneceram ao forno até a temperatura ambiente ser atingida. Após a etapa de sinterização, as amostras foram embutidas à frio e as suas duas faces foram lixadas manualmente utilizando lixas d água de 180, 220, 320, 400, 600 e 1200 mesh, respectivamente. Posteriormente, as amostras foram caracterizadas quanto às propriedades mecânicas. Foram realizados ensaios de microdureza Vickers (HV), utilizando uma carga de 100 gf, com tempo de indentação de 15s, sendo feitas sete indentações em cada face (FP e FM) dos CPs, totalizando catorze indentações por amostra. Além disso, as densidades aparentes das amostras, antes e após a etapa de sinterização, foram determinadas empregando-se a relação massa/volume. O controle das etapas de compactação e sinterização das amostras foi realizado por meio de inspeção visual. Nesse caso, ao final de cada uma dessas etapas as amostras foram analisadas visualmente com o objetivo de verificar a presença de falhas e/ou defeitos (geométrico, poros). Ao final dos ensaios visuais, foi feita 3

4 a micrografia ótica da seção longitudinal da amostra sinterizada que apresentou o maior nível de porosidade a fim de verificar a distribuição de poros ao longo do CP. O procedimento experimental foi baseado na modelação experimental via fatorial 2 k. Os CPs foram obtidos e caracterizados dessa forma com o intuito de verificar a influência das variáveis de processamento, em dois níveis, nos resultados dos ensaios de microdureza e densidade aparente e, desse modo, verificar a viabilidade técnica do processamento de cavacos dessa natureza. O fluxograma do procedimento experimental adotado está representado na figura 1. Remoção da tinta de identificação das laminas de serra com solvente Serramento manual de tubos das ligas AA1060 e AA3003 com lâminas de serra (18, 24 e 32 dentes/polegada) Limpeza química, lavagem em banho ultrassônico e secagem dos cavacos Análise da morfologia dos cavacos e medição dos tamanhos médios das partículas via microscópio ótico Lubrificação do conjunto de compactação com estearato de zinco Compactação uniaxial de simples efeito dos cavacos (240 e 480 MPa) e cálculo da densidade aparente dos CPs Sinterização dos CPs em atmosfera controlada de argônio (30 e 120 min de permanência à temperatura de 550 C) Cálculo da densidade aparente, embutimento à frio, lixamento manual e ensaio de microdureza Vickers dos CPs sinterizados Figura 1 Fluxograma do procedimento experimental As condições experimentais dos CPs estão apresentadas na tabela 2. Amostra Material constituinte Tipo de lâmina de serra (dentes/pol) Tensão de compactação (MPa) Tempo de permanência à temperatura de sinterização (min) CP1 AA CP2 AA CP3 AA CP4 AA CP5 AA CP6 AA CP7 AA CP8 AA CP9 AA CP10 AA CP11 AA CP12 AA CP13 AA CP14 AA CP15 AA CP16 AA CP17 AA CP18 AA CP19 AA

5 CP20 AA CP21 AA CP22 AA CP23 AA CP24 AA RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 2 Condições experimentais das amostras Conforme observado na figura 2, os cavacos extraídos das ligas AA1060 e AA3003 apresentaram partículas com geometrias irregulares, independentemente da lâmina de serra utilizada na operação de serramento. Além disso, de acordo com a tabela 3, percebeu-se que quanto maior o número de dentes por polegada da lâmina de serra utilizada, menores os tamanho médios das partículas dos cavacos. As partículas mais finas e com geometrias irregulares tendem a produzir compactados com melhores características de sinterização. Figura 2 - Morfologia dos cavacos (a) AA1060S18 (b) AA1060S24 (c) AA1060S32 (d) AA3003S18 (e) AA3003S24 (f) AA3003S32 Cavaco Magnificação Comprimento da escala (µm) Tamanho médio (µm) Lâmina de serra utilizada (dentes/ pol) (a) AA1060S18 50 x ± (b) AA1060S x ± (c) AA1060S x ± (d) AA3003S18 50 x ± (e) AA3003S x ± (f) AA3003S x ± Tabela 3 Tamanho médio das partículas de cavaco das ligas AA1060 e AA3003 Como mostrado na figura 3, verificou-se que, para as amostras da liga AA3003, as amostras sinterizadas e compactadas com uma carga de compactação de 480 MPa apresentaram valores de densidade aparente superiores. Esse comportamento pode ser observado comparando pares de amostras sinterizadas com cargas de compactação diferentes e as demais condições experimentais iguais (como, por exemplo, o CP1 com o CP3, o CP2 com o CP4 e assim por diante). Tal comportamento é explicado pelo fato de que ao aumentar a carga de compactação, a porosidade do compactado diminui e, consequentemente, a densidade aparente aumenta. Entretanto, o mesmo comportamento não foi observado, de forma clara, nas amostras da liga AA1060. Além disso, observou-se que para as amostras da liga AA1060, a densidade aparente foi maior com o aumento do tempo de permanência à temperatura de sinterização. Esse comportamento pode ser observado 5

6 comparando pares de amostras sinterizadas da liga AA1060 com tempos de permanência à temperatura de sinterização diferentes e as demais condições experimentais iguais (CP1 com o CP2, CP3 com o CP4 e assim por diante). Sabe-se que quanto maior for o tempo de sinterização, maior é o contato químico entre as partículas, devido à maior quantidade de átomos difundidos e, consequentemente, melhor é a densificação do material. Entretanto, o mesmo comportamento não foi observado, de forma clara, nas amostras da liga AA3003. Quanto ao tamanho médio de partícula, essa variável não apresentou uma influência significativa na densidade aparente das amostras, pois não foi observado um comportamento uniforme com a sua variação. (a) (b) Figura 3 Densidade aparente das amostras das ligas (a) AA1060 (b) AA3003 A partir dos resultados dos ensaios de microdureza Vickers, representados na figura 4, observou-se que as amostras compactadas com uma maior carga de compactação (480 MPa) apresentaram valores superiores de microdureza. Isso pode ser observado comparando pares de amostras com cargas de compactação diferentes e as demais condições experimentais iguais (CP1 com o CP3, CP2 com o CP4 e assim por diante). Essa observação é explicada pelo fato de que quanto maior a carga de compactação, maior a densificação do material, menor o nível de porosidade e, consequentemente, maior o valor de microdureza do material. Além disso, comparando os resultados dos ensaios de microdureza Vickers e de densidade aparente das amostras sinterizadas, de uma forma geral, as amostras que apresentaram valores de densidade aparente maiores, também apresentaram valores de microdureza maiores. Quando a densidade aparente aumenta, o nível de descontinuidades diminui, assim como a dispersão da microdureza, e, dessa forma, os valores de microdureza aumentam. Por outro lado, o tempo de permanência à temperatura de sinterização e o tamanho médio das partículas não mostraram uma influência significativa nos valores obtidos nos ensaios de microdureza Vickers. Entretanto, ao contrário do previsto, os valores de microdureza Vickers foram, de uma forma geral, maiores na FM, quando comparados aos valores de microdureza Vickers na FP. Após as compactações era evidente a formação de uma espécie de lábio na face superior, que ficou em contato com o punção. Esta última constatação deve ter relação com o aspecto geométrico do punção, devido à folga existente em relação a matriz, gerando alteração na distribuição da carga aplicada em cada ponto da FP (ALVES, 2018). Outro aspecto que pode ter levado a esse resultado é a não uniformidade da distribuição da porosidade ao longo da amostra (DUTTA et al, 2012) 6

7 (a) (b) Figura 4 Resultados dos ensaios de microdureza Vickers nas faces voltadas para o punção (FP) e para a parte inferior da matriz (FM) durante a etapa de compactação das (a) amostras da liga AA1060 (b) amostras da liga AA3003 Por fim, a presença de descontinuidades (por exemplo, porosidade residual entre as partículas de cavaco) foram observadas na superfície dos CPs, conforme ilustrado pela micrografia da figura 5. Na imagem fica evidente que o formato dos poros é irregular e que a sua distribuição não é homogênea em relação a matriz. Figura 5 - Micrografia da seção transversal do CP2, obtida via microscopia óptica, apresentando porosidade aflorada e com forma e distribuição aleatórias (magnificação de 200 x). 4. CONCLUSÃO Com base nas condições experimentais adotadas, é possível inferir que: Os tamanhos médios das partículas dos cavacos obtidos a partir da operação de usinagem por serramento diminui à medida que se utilizam lâminas de serra com um número maior de dentes por polegada e apresentam geometria irregular independentemente do tamanho de partícula. Entretanto, o tamanho do cavaco não apresentou influência significativa nos valores de densidade aparente e microdureza das amostras. As amostras da liga AA3003 obtidas empregando maior carga de compactação (480 MPa) apresentaram maior densidade aparente. Entretanto, o mesmo comportamento não foi observado nas amostras da liga AA3003. Além disso, para as amostras da liga AA1060, a densidade aparente foi maior com o aumento do tempo de permanência à temperatura de sinterização. Entretanto, o mesmo comportamento não foi observado nas amostras da liga AA

8 As amostras obtidas empregando maior carga de compactação apresentaram valores de microdureza Vickers. Também, as amostras que apresentaram valores de densidade aparente maiores, também apresentaram valores de microdureza maiores Por fim, os valores de microdureza Vickers foram, de uma forma geral, maiores na FM, quando comparados aos valores de microdureza Vickers na FP devido à folga existente no conjunto de compactação e da não uniformidade da distribuição da porosidade ao longo da amostra. Dessa forma, conclui-se que o processamento dos cavacos das ligas AA1060 e AA3003 via metalurgia do pó mostrou ser factível, podendo ser uma rota alternativa para o reaproveitamento de resíduos decorrente da fabricação por serramento. 5. REFERÊNCIAS Alves, J. V. C. et al, 2018, Metalurgia do pó: aplicação do ensaio visual como ferramenta auxiliar na avaliação da qualidade de corpos de prova obtidos em condições laboratoriais. ConaEND & IEV 2018, São Paulo, São Paulo. Chiaverini, V.,1992, Metalurgia do pó: técnicas e produtos. 3 ed. São Paulo: ABM. Delforge, D. Y. M. et al., 2007, Sinterização de uma mistura de cavaco de aço inoxidável com pó do mesmo material. Uma nova tecnologia para reciclagem de metais? REM: R. Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): , jan. mar. Dutta, G. et al, 2012, Effect of sintering temperature on density, porosity and hardness of a powder metallurgy component. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. Efunda. AA1060. Disponível em: < e_title=aa%201060>. Acesso em: 19 de dez Efunda. AA3003. Disponível em: < e_title=aa%203003>. Acesso em: 19 de dez Fernandes, M. R. P..,2014, Compósitos de matriz metálica à base de níquel com adição de TaC e NbC produzida via metalurgia do pó. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 124f. Tese (Doutorado). Gokçe, A., Findik, F.,2008, Mechanical and physical properties of sintered aluminum powders. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. VOLUME 30 ISSUE 2 October Q Hatch, J. E., 1984, Aluminum: Properties and Physical Metallurgy. ASM International. Iasi, M. M., 2017, Estudo do efeito de parâmetros de sinterização nas propriedades de um material ferroso com gradiente de função. Dissertação de mestrado, São Paulo, São Paulo. James, W. B., 2015, Powder metallurgy methods and applications. ASM International. Martin, P. et al, 2003, Advanced NDE Techniques for Powder Metal Components.. International Conference on Powder Metallurgy and Particulate Materials, Las Vegas, Nevada, June Morais, G. A.,2012, Desenvolvimento da metalurgia do pó. Natal: EDUFRN. Moura, R. S. C. et al, 2015, Comparação dos efeitos de compressão isostática e compressão uniaxial na obtenção da liga NiTi por metalurgia do pó. Guaratinguetá, São Paulo. Santos, A. A., 2012, Estudo das variáveis no processo de compactação de pós à base de Alumina. Dissertação de mestrado, São Paulo, São Paulo. 8

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