TECNICA DE RECICLAGEM DE CAVACOS PARA USO EM METALURGIA DO PÓ

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1 TECNICA DE RECICLAGEM DE CAVACOS PARA USO EM METALURGIA DO PÓ Claudio Caetano Franco Junior, Evandro Barbosa Santos, Fábio Gatamorta. Faculdade Anhanguera de Jundiaí. Resumo: A política econômica proporcionou o acesso das camadas mais populares, a uma série de novos produtos manufaturados, usados em atividades cotidianas. Esse novo mercado proporcionou o crescimento na produção e, consequentemente, o crescimento na geração de resíduos. É necessário, portanto, o desenvolvimento de tecnologias de produção que minimizem o efeito ambiental dos resíduos. Alinhados a essa ideia, um grande número de produtos são, atualmente fabricados através da técnica da Metalurgia do Pó. Esse processo quase não gera resíduo sendo que, em alguns casos, esta técnica é a única economicamente viável. O processo de metalurgia do pó vem crescendo principalmente devido à obtenção de peças com geometria final definitiva. Do ponto de vista da qualidade, o processo apresenta controle elevado de composição química, com boa homogeneidade e densidade. A garantia de uma microestrutura bastante homogênea e refinada também é um ponto favorável ao processo [1]. O trabalho realizado tem conceitos da Metalurgia do pó. Foi desenvolvido um dispositivo de moagem para cavacos, uma matriz de ação simples e uma de dupla ação. Foram analisadas a variação da morfologia do cavaco e a dureza durante a etapa de moagem em diferentes tempos: 12 horas, 24 horas e 48 horas. Após a etapa de moagem, o pó obtido foi classificado por peneiramento e compactado com tensões de 240 Mpa e 480 Mpa. O compactado verde foi sinterizado em atmosfera redutora na temperatura de 620 C, durante 4 horas. Os produtos finais foram caracterizados quanto às suas propriedades físicas e mecânicas e apresentaram valores de densidade e porosidade controláveis, bem como valores de resistência ao impacto superior a produtos fabricados por Metalurgia do Pó convencional. Aplicabilidade: A técnica pode ser empregada para a produção de componentes de baixo custo que necessitem alta resistência ao impacto visto que as amostras produzidas possuíam essas características de forma marcante. Objetivo: O objetivo desse trabalho foi o desenvolvimento de um método alternativo para a fabricação de produtos usando a técnica da metalurgia do pó, através do reuso de cavacos gerados no processo de usinagem de Al e resíduos de usinagem de peças em grafite. Foi usado também o pó de Al comercialmente puro ou Al-Cp.

2 1. Introdução A metalurgia do pó é um processo consolidado de manufatura de peças metálicas ferrosas e não ferrosas. No processo, os pós metálicos que fazem parte da matéria prima utilizada, são compactados em ferramental apropriado para a produção do chamado compactado verde. Esse compactado sofre posterior aquecimento controlado com temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base para promover ligação metalúrgica entre as partículas. Esse aquecimento, chamado sinterização, normalmente confere à massa de pó aglomerada as propriedades físicas e mecânicas desejadas. Para alcançar valores mais rigorosos de resistência mecânica, tolerância dimensional e acabamento, podem ser realizadas operações como a calibragem ou tratamentos térmicos [2]. Uma característica comparativa do processo é economia de material, pois não há geração de cavacos. Em uma usinagem convencional, se observa valores de resíduos que podem representar até 50% do peso original da peça bruta. Outro ponto que favorece a metalurgia do pó é o controle da densidade e a porosidade do produto caracterizando assim produtos com elevada rigidez e baixo peso. Mesmo levando em consideração à necessidade de operações posteriores de usinagem, uma peça produzida pelo processo, usa mais de 97% de sua matéria original. A consideração dos aspectos econômicos torna ainda mais significativa quando se fabricam peças de formas complexas, tolerância dimensional rigorosa e grandes lotes de produção [3]. Para redução do custo e do impacto ambiental a utilização de Al reciclado é bastante favorável e tem grande importância para o meio ambiente em termos comerciais [4]. O processo mostra ainda como vantagem ambiental a possibilidade de reuso de matérias primas no processo [5]. 2. Materiais e métodos Para a produção das amostras foram utilizados pó de Al-Cp, cavacos sob a forma de pó decorrentes da usinagem de peças em grafite e cavacos de fresamento da liga identificada como AA 7075 que se apresentavam sob a forma de lascas. Esses formatos de cavaco são característicos do fresamento [6] Caracterização da matéria prima Para caracterização da matéria prima quanto à sua composição química foram realizadas analises químicas por espectrografia. A morfologia do pó de Al-Cp foi analisada por microscopia eletrônica de Varredura (MEV) e as alterações morfológica do cavaco durante a moagem por Microscópio óptico (MO). Foram realizadas ainda medidas de dureza no cavaco através de um durometro portátil marca ecotip e foram realizadas medidas de densidade e porosidade com o uso de um picnometro de gás Hélio. Os valores encontrados na caracterização serviram de parâmetro para a comparação com os valores obtidos durante o processo de moagem, no caso do cavaco, e valores de densidade e porosidade nos pós utilizados. Foi feita ainda a análise granulométrica do pó de Al-Cp e do pó obtido após a moagem do cavaco.

3 2.2. Processo de moagem/mistura Para a obtenção do pó, obtido a partir da moagem do cavaco, foi projetado um dispositivo em V. Ele foi produzido em aço inox 316 para evitar contaminação nas etapas e foram utilizadas esferas cerâmicas junto ao cavaco para facilitar o processo de moagem. Na etapa de mistura o dispositivo usado e o procedimento foram semelhantes à etapa de moagem com a troca das esferas cerâmicas por esferas de aço inoxidável. Nos dois procedimentos a proporção de esferas na mistura foi de 40% do volume do pó. A primeira etapa, que foi a de moagem, foi realizada com os cavacos sendo acondicionados no dispositivo acoplado a um torno mecânico. Foram acrescidas as esferas cerâmicas na proporção determinada e o torno foi iniciado com rotação de 75 rotações por minuto. Foram realizadas etapas de moagens em tempos de 12, 24 e 48 horas. Após a moagem do cavaco, ele foi classificado por peneiramento com uso de um agitador de peneiras. Foram utilizadas frequências de 50 Hz com tempos de peneiramento de 10 minutos e peneiras com granulometrias de 6.30mm, 4.75mm, 2.36mm, 1.18mm e 600 µm. O pó escolhido utilizado no trabalho tinha os tamanhos inferiores a 600 µm. Esses valores foram escolhidos para obtenção de uma melhor compactação e eficiência na sinterização. A Figura 1 apresenta o desenho de projeto e o dispositivo utilizado para as etapas de moagem e de mistura. a) b) Figura 1: Dispositivo de moagem/mistura desenvolvido no trabalho: a) moedor fabricado em aço inox 316; b) projeto do dispositivo. A etapa posterior foi a de mistura. Foram adicionados, junto ao pó obtido na moagem, o pó de Al-Cp, um lubrificante e um ligante. A função do lubrificante foi a de melhorar a dispersão entre os dois particulados garantindo a homogeneização. A função do ligante foi de dar coesão ao compactado verde facilitando sua posterior extração. As proporções em massa utilizadas tinham 200 gramas do pó obtido na moagem, 3% de estearato de Zinco; 3% de ácido estearato e; 10% de pó de Al-Cp. O tempo total utilizado na mistura foi de 30 minutos com uso de esferas de aço inoxidável.

4 2.3. Produção do compactado verde Para a fase de produção do compactado verde foi dimensionado e construído um dispositivo de compactação de ação simples e um dispositivo de compactação de dupla ação. Os desenhos dos projetos podem ser observados na Figura 2. a) b) Figura 2: Desenho das matrizes utilizadas nas compactações: a) matriz com sistema de molas para geração de ação dupla; b) matriz de ação simples. Para as compactações foi usada uma prensa hidráulica do tipo ação simples com capacidade de até 100 toneladas de pressão. Nas duas condições de compactação as tensões foram mantidas por um tempo de 5 minutos. Após essa etapa o compactado verde foi extraído. Foram registradas durante as compactações as curvas de compressão. Essas curvas tinham o objetivo de observar o comportamento de acomodação do pó durante a compactação e consequente perda de carga de compressão por retorno elástico. No dispositivo de ação simples o posicionamento da linha neutra é localizado na parte inferior do compactado. Essa característica ocorre pela forma com que a força age sobre as partículas que estão sendo adensadas. Nesse modo a compressão do pó no compactado não se mostrou homogênea fazendo com que o processo de sinterização fosse menos eficiente.

5 Na compactação com o dispositivo de dupla ação a compactação na matriz se mostrou mais homogênea e a presença da placa flutuante acarretou em um posicionamento central da linha neutra e uma maior eficiência da sinterização. Para a compactação foram utilizados duas taxas de compactação com tensões de 480 MPa e de e 240 MPa (ação dupla). O objetivo foi verificar a influencia das duas condições e sua correlação com a densidade e porosidade final do produto e com os tempos de tratamento Sinterização Para a sinterização do compactado verde e obtenção dos produtos finais, os compactados foram embalados em papel alumínio e acondicionados em um cadinho de grafite. Todos os produtos foram identificados e cobertos por cavaco em pó de grafite obtidos no processo de usinagem. Após isso o cadinho foi acondicionado para sinterização em um forno elétrico na temperatura de 620 C, com a duração de 4 horas. A Figura 3 apresenta a montagem do cadinho antes do processo de sinterização. O uso do grafite objetiva promoção de uma atmosfera redutora que inibe o processo de oxidação dos compactados aumentando a eficiência da sinterização. Figura 3: Montagem do cadinho utilizado no processo de sinterização com o uso do pó obtido pela usinagem do grafite.

6 2.5. Caracterização do produto Após a obtenção das amostras sinterizadas foram realizados suas medidas de densidade por picnometria. O picnômetro de gás determina o volume verdadeiro de um sólido, mesmo que poroso, por variação da pressão de gás numa câmara de volume conhecido [7]. As amostras também foram ensaiadas quanto à dureza e quanto à resistência ao impacto por um equipamento tipo Drop Test em cada uma das peças sinterizadas. 3. Resultados e discussões 3.1. Caracterização do pó produzido Os resultados das analises químicas, tanto no cavaco quanto no pó de alumínio comercial, através da espectrometria são apresentados na Tabela 1. Os valores de composição química do Al-Cp estão dentro dos parâmetros previstos na ASTM E Os valores de composição química do cavaco identificam-no como 7075 ASTM 920 A. Tabela 1: Composição química encontrada no cavaco e no pó comercial Al Mg Si Cl K Mn Fe Cu Zn Ag Cavaco Mass. 0,9 0,9 0,7 0,3 0,3 1,0 1,6 3,0 1,00 Al-Cp Mass. - 0, ,54 0,46 0,14 0,06 - As medidas de redução no volume dos cavacos (em porcentagens relativas), após o processo de moagem, e a dureza média do cavaco, em cada etapa de tempo determinada são apresentas na tabela 2. Pode ser observado que pós 12 horas de moagem houve uma redução significativa de 84,3% do volume inicial. Esse percentual representa a eficiência do moedor V para o processo de redução de volume. Nos tempos a partir de 24 horas o percentual de redução foi de 94,3% mantendo-se estável até 48 horas. Foram medidas as variações de dureza e não é possível afirmar que ocorreu elevação desse parâmetro durante a moagem. Isso mostra que o processo não alterou as características do material original não interferindo no processo de comportamento plástico do pó. Tabela 2: Ensaio de dureza do cavaco em (HRB) e porcentagens relativas de diminuição de volumes. Medição inicial 12 horas 24 horas 48 horas Dureza Vol (%) Dureza Vol (%) Dureza Vol (%) Dureza Vol (%) 95,8 100% 95,0 83,7% 90,2 94,3% 90,8 94,4% 90,3 100% 92,1 83,8% 92,1 94,4% 90,4 94,3% 94,2 100% 92,5 84,0% 93,7 94,1% 91,5 94,3% 91,3 100% 93,1 84,1% 90,3 94,3% 92,9 94,2% 90,3 100% 93,5 84,3% 94,6 94,2% 90,9 94,4%

7 A tabela 3 apresenta os valores de tamanho de partículas e suas porcentagens relativas após a etapa de peneiramento e separação de tamanhos. Pode ser observada que a maior frequência nos tamanhos menores que 600 µm, favoráveis ao processo, ocorre no maior tempo de moagem. Isso indica a necessidade de um estudo mais aprofundado sobre os tempos de moagem para obtenção de um maior percentual de partículas com características favoráveis. Tabela 3: Valores de tamanho de partículas e suas porcentagens relativas após a etapa de moagem Tamanho Moagem (12 hs) Moagem (24 hs) Moagem (48 hs) Até 600 µm 7,29% 13,54% 21,91% 600 µm até 1,18mm 10,87% 27,12% 40,51% 1,18 até 2,36mm 23,61% 46,39% 37,57% 2,36 até 4,75mm 48,4% 12,9% 0 4,75 até 6,3mm 9,78% 0 0 Foram avaliadas as microestruturas durante os tempos de moagem e o resultado é apresentado nas figuras 4a, 4b e 4c. Nas imagens é possível observar que a microestrutura das partículas não sofrem alterações significativas. A imagem mostra que a propagação de trincas (ou ruptura mecânica) é a forma com que ocorre a redução do tamanho das partículas. a) b) c) Figura 4: micro estruturas dos particulados: a) tempo de 12 horas; b) tempo de 24 horas; c) tempo de 48 horas.

8 Em 4a) com o tempo de 12 horas é possivel observar o inicio de tricas provocadas por ação mecânica. Para tempos de 24 e 48 horas, em 4b) e 4c) ocorre o aumento das trincas até a ruptura e consequente redução de tamanho das particulas. Foram analizadas tambem a dureza do cavaco e a dureza dos particulados durante o processo de moagem. A tabela 4 apresenta os valores de dureza encontradas Os resultados de ensaios de dureza e as imagens mostram que não houve encruamento na microestrutura do material. Essa alteração de microestrutura é comum em processos de conformação a frio como e não foram observados durante a moagem. Esses resultados comprovam a quebra mecânica como mecanismo de redução do tamanho do particulado que nesse caso ocorreu por propagação de trinca, resultado da exposição dos cavacos a uma carga cíclica, também conhecida como fadiga Curvas de compressão do compactado verde A figura 5 apresenta as curvas obtidas na produção do compactado verde nas duas condições de compactação. Pode ser observada que nas duas tensões empregadas durante o processo de acomodação do pó não houve perda significativa de carga durante o período que a tensão foi mantida. Isso mostra que em ambos os casos o retorno elástico não foi significativo. As taxas de compressão são importantes para dar resistência mecânica ao compactado verde e auxiliam na eficiência do processo de difusão atômica responsável pela consolidação ou sinterização do produto final. Tensão (MPa) Figura 5: curvas médias de compressão utilizadas na produção do compactado verde.

9 3.3. Caracterização do produto sinterizado. Após o processo de sinterização foram obtidos dois diferentes tipos de produtos. A figura 6a e 6b apresenta o aspecto visual dos produtos obtidos para duas diferentes condições de compressão: compressão em matriz de ação simples e taxa de compactação de 480 MPa e; compressão com ferramenta de dupla ação e taxa de compactação de 240 MPa. a) b) Figura 6: Produtos obtidos após a etapa de sinterização com diferentes condições de compactação: a) compressão uniaxial 480 MPa e; b) compressão em dupla ação 240 MPa. Na imagem é possivel observar o melhor aspecto visual da amostra produzida com a dupla ação. A ocorrencia da linha neutra centralizada na condição de dupla ação implica em uma compactação mais homogênea e consequentemente uma melhor sinterização do produto. A tabela 4 apresenta os valores de medidas de densidade e porosidade encontrados nos produtos obtidos, por picnometria à gás Hélio. Pode ser observado que a taxa de compactação influencia a densidade e a porosidade das amostras. Em ambos os casos se observa que, pela ocorrência da dupla ação nas tensões de 240 MPa, a taxa de compactação apresenta valores compatíveis com os produtos produzidos por ação simples e taxa de 480 MPa.

10 Tabela 4: Resultados do ensaio de picnometria (valores médios) Amostra Massa (g) Volume (cm 3 ) Densidade (g/cm 3 ) Porosidade (%) 240 MPa (ação dupla) 5,2327 1,70 2, MPa (ação simples) 5,3656 1,85 2, Caracterização mecânica. A tabela 5 apresenta os valores encontrados no ensaio de impacto tipo Drop-Test. realizado para analisar a resistência mecânica do produto sintetizado. Esses ensaios são frequentemente realizados para medir segurança, qualidade e confiabilidade dos materiais. Por sua simplicidade e rapidez o ensaio de impacto é um ensaio dinâmico muito utilizado no mundo que consta de varias normas técnicas internacionais como ensaio obrigatório Amostra 240 MPa (ação dupla) 480 MPa (ação simples) Tabela 5: Resultados encontrados no ensaio tipo Drop-Test. Energia total (J) Largura (m) Velocidade (m/s) Energia de impacto (J) Deflexão total (mm) 61, ,0000 3, ,1815 2, , ,0000 3, ,6997 2,5546 Média 60, ,0000 3, ,7906 2,2996 Mediana 60, ,0000 3, ,1815 2,5046 Mínimo 59, ,0000 3, ,6997 1,8398 Máximo 61, ,0000 3, ,4906 2,5546 Coeficiente de Variação. 1,4674 0,0000 0,0000 2, ,3525 Desvio Padrão. 0,8880 0,0000 0,0000 1,4918 0,3990 As energias determinadas para o ensaio foram suficientes para o inicio da trinca nos produtos ensaiados. Os resultados mostraram que os corpos de provas apresentaram elevados valores de energia até sua ruptura e foi observado que em todos os ensaios não houve colapso dos produtos após o impacto. Os valores de energia total na amostra e a deflexão mostram a ocorrência no produto de absorção de energia. Verificou se uma relação entre a densidade e a porosidade do produto e seus valores de absorção de energia em impacto.

11 4. Conclusão Os resultados mostram a viabilidade na utilização da moagem de cavacos como método alternativo na produção de pós utilizados para metalurgia do pó; O processo de sinterização com o uso de atmosfera formada por pó de grafite foi eficaz para a sinterização do pó produzido; Os produtos obtidos por compactação na matriz de dupla ação se mostram melhores que os produtos obtidos pela compactação de ação simples mostrando que a ferramenta desenvolvida para dupla ação é eficiente; Os produtos obtidos apresentaram boa resistência mecânica ao impacto e características de absorção de energia podendo ser aplicados na indústria automotiva. É necessário um estudo mais profundado sobre os tempos de moagem para otimização do processo. 5. Referencias Bibliográficas [1] Bollina, R., "In Situ Evaluation of Supersolidus Liquid Phase Sintering Phenomena of Stainless Steel 316L: Densification and Distortion", Ph d. Thesis, The Pennsylvania State University - The Graduate School, [2] C.C.J, Franco.; E.B.; Santos, J. E. Stella, M. F. Franco, W. A. Oliveira, F. Gatamorta, Estudo de Viabilidade Técnica de Reciclagem de Cavacos para uso em Metalurgia do Pó, VIII CONEM Congresso Nacional de Engenharia Mecânica [3]Kenpton H.R., Powder systems and applications. ASTM, Metals Handbook, 9 ed., Ohio, p , [4] Verran, G. O.; Kurzawa, U. An experimental study of aluminum can recycling using fusion in induction furnace. Resources Conservation & Recycling, n. 52, p , [5] Delforge, D.Y.M., Ferreira, I., Silva, C.G.R., Paris, E.A.G., Marcelo, A.L., Novaes, R.H. Sinterização de uma mistura de cavaco de aço inoxidável com pó do mesmo material. Umanova tecnologia para a reciclagem de metais?, Esc. Minas, Ouro Preto, 60(1): ,2007. [6] Diniz, A. E.; Marcondes, F. C.; Coppini, N. L. Tecnologia da Usinagem dos Materiais. Campinas: [s.n.], [7] Webb, P.A., Orr, C., Analytical Methods in Fine Particle Technology. Micrometrics Instrument Corporation, USA, 301 pp., 1997.