UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS SULMAQ INDUSTRIAL E COMERCIAL S.A.

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS SULMAQ INDUSTRIAL E COMERCIAL S.A. RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR I Período de 12/09 a 16/12 de 2011 Luan Eugênio Merlo Matrícula: Orientador: Márcio Bender Concordamos com o conteúdo do relatório Guaporé-RS Dezembro de 2011

2 Sulmaq Industrial e Comercial S.A. Unidade Microfusão Rodovia RS 129, Km 129 CEP: Guaporé RS - Brasil Fone: +55 (54) Fax: +55 (54)

3 AGRADECIMENTOS A Sulmaq, unidade Microfusão, pela oportunidade do estágio e pelo apoio oferecido ao Curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Ao orientador Márcio Bender, pela atenção e confiança. A todos os colegas da Gestão de Qualidade, principalmente a Wladimir Soares, Valmir Lopes e João Freitas, pelos conhecimentos repassados e amizade. A coordenadoria do curso de Engenharia de Materiais, pela dedicação ao sistema de ensino proposto e ao auxílio prestado durante o estágio. A minha família, pelo encorajamento e confiança incondicional em todos os momentos. 3

4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 7 2. PROCESSO DE MICROFUSÃO INJEÇÃO DA CERA NO MOLDE METÁLICO MONTAGEM DOS CACHOS REVESTIMENTO DECERAGEM CALCINAÇÃO FUNDIÇÃO REMOÇÃO DO MATERIAL REFRATÁRIO SEPARAÇÃO DAS PEÇAS DO CACHO E LIXAMENTO DO CANAL INSPEÇÃO DA PEÇA PROCESSOS FINAIS TESTE DE DUREZA TESTE DE TRAÇÃO TESTE DE GRANULOMETRIA TESTE DE IMPUREZAS TESTE DE PERMEABILIDADE DA CASCA CERÂMICA OBJETIVO DO TESTE COMPONENTES REFRATÁRIOS DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO ANÁLISE DE RESULTADOS CONCLUSÕES TESTES DE QUALIDADE DA CERA TEOR DE ÁGUA TEOR DE CINZAS 25 4

5 8.3 PONTO DE AMOLECIMENTO PROCESSO METALOGRÁFICO CORTE EMBUTIMENTO LIXAMENTO E POLIMENTO ATAQUE QUÍMICO ANÁLISE METALOGRÁFICA CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 30 ANEXO A HISTÓRICO DA EMPRESA 31 ANEXO B MODELO RELATÓRIO ENSAIO DE TRAÇÃO 32 ANEXO C CRONOGRAMA DE ATIVIDADE 33 5

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Etapas do processo de microfusão 8 Figura 2: Peça (garra) 12 Figura 3: Dispositivo com peça para ensaio de dureza 12 Figura 4: Esquema do Skip-lote 13 Figura 5: Máquina universal 14 Figura 6: Agitador com peneiras 15 Figura 7: Tipos de defeitos causados pela baixa permeabilidade 17 Figura 8: Exemplo dos moldes cerâmicos 20 Figura 9: Esquema do teste de permeabilidade 21 Figura 10: Esquema do ponto de amolecimento 26 Figura 11: Etapas do processo metalográfico 27 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Especificações da Sulmaq para chamote médio 15 Tabela 2: Controle da massa de impurezas no teste de sujidade 16 Tabela 3: Controle dimensional da impureza no teste de sujidade 16 Tabela 4: Controle do teste de permeabilidade 22 Tabela 5: Controle do teor de água da cera 24 Tabela 6: Controle do teor de cinzas da cera 25 Tabela 7: Controle do ponto de amolecimento da cera 26 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1: Distribuição do mercado de clientes Sulmaq 8 Gráfico 2: Tensão X Deformação 14 6

7 1. INTRODUÇÃO O relatório tem como objetivo esclarecer as atividades desenvolvidas durante o estágio curricular I, realizado na unidade microfusão da empresa Sulmaq, Guaporé-RS, compreendido no período de 12 de setembro de 2011 a 16 de dezembro de O estágio foi realizado no setor de gestão da qualidade, no laboratório de materiais, assim como no laboratório de metalurgia, o qual ofereceu assistência. O controle de qualidade de um material pode ser estrutural e dimensional. Este, denominado metrologia, fiscaliza as dimensões físicas de um determinado produto. O estagiário se dedicou mais a primeira área, a qual verifica as propriedades e a estrutura do material. Deste modo as atividades realizadas ao decorrer do estágio e que serão abordadas neste relatório são testes de: Dureza Tração Permeabilidade Impurezas Granulometria Qualidade da cera Também foi analisado o processo de microfusão e executado o processo de metalografia. A periodicidade dos testes em sua maioria não são regulares, sendo feitos de acordo com a demanda da produção de peças e a chegada de matéria prima. 7

8 2. PROCESSO DE MICROFUSÃO O processo de microfusão, também conhecido como fundição de precisão ou cera perdida, possibilita a produção de peças com morfologia mais complexas, peças mais detalhadas, com melhor acabamento superficial e precisão dimensional, eliminando na maioria das vezes o processo de usinagem. É utilizada uma diversidade de metais e ligas e ainda possibilita um controle do tamanho de grão e orientação granular, controlando assim as propriedades mecânicas do material. Apesar do processo ser caro e inviabilizar a produção de peças muito grandes, o processo de microfusão vem sendo usado cada vez mais no Brasil, devido a produção de peças mais precisas. As áreas de aplicação do processo são variadas, podendo ser destacada a indústria automobilística, a qual representa 50% dos clientes da Sulmaq, como pode ser visto no gráfico ao lado. Gráfico 1: Distribuição do mercado de clientes Sulmaq O processo de microfusão tem várias etapas, as quais serão definidas abaixo. Tal processo pode ser descrito pela sistemática da figura a seguir: Figura 1: Etapas do processo de microfusão 8

9 2.1 INJEÇÃO DA CERA NO MOLDE METÁLICO É o primeiro passo do processo, nele as matrizes metálicas são feitas de acordo com um projeto. O qual consta as correções necessárias nas dimensões, devido a contração e expansão tanto da cera, como do material refratário e do metal. Após a confecção da matriz, ela é testada e se aprovada é então submetida a injeção da cera sob pressão. Depois de injetada a cera e formado o molde da peça, este é retirado da matriz e repousado em local para secagem completa. Em tal etapa é feito o controle da temperatura e umidade do local, para que não ocorra uma grande diferença nas dimensões das peças. Nesta etapa o molde em cera é um protótipo de como será a peça microfundida. 2.2 MONTAGEM DOS CACHOS Para garantir o acabamento superficial, qualificando o molde em cera, é retirada qualquer imperfeição (rebarba) que esteja presente. Os moldes são então montados/colados, com o auxílio de uma espátula aquecida, em um suporte (canal) feito de cera, por meio da fusão da mesma, formando deste modo os cachos em cera. A montagem é feita para auxiliar e agilizar a etapa seguinte (revestimento), onde o cacho é submetido a banhos de materiais refratários. O número de peças por cacho é variado, dependente de fatores como o tamanho da peça, o peso do cacho montado, entre outros. É feito o controle da temperatura e umidade do local como anteriormente. 2.3 REVESTIMENTO O revestimento dos cachos é feito com lama refratária inicialmente e com material refratário granulado em seguida, de modo que a granulação do material refratário aumente gradativamente. Mergulha-se o cacho na lama refratária e após ele recebe uma chuva com material refratário. A primeira chuva tem granulometria menor, pois este é o material refratário que ficará em contato com o metal, proporcionando deste modo um melhor acabamento superficial à peça. A quantidade de camadas de material refratário pode variar de cacho para cacho, dependendo da espessura e resistência requerida em projeto. Os componentes refratários utilizados são a zirconita, mulita e sílica eletrofundida. Eles resistem ao calor, conservando a integridade física e química do metal a ser vazado. É importante lembrar que anteriormente ao processo de revestimento, os moldes em cera passam por uma lavagem para retirada de impurezas. Para garantir as dimensões requeridas das peças, após cada banho, os cachos permanecem para secagem em um local com umidade e temperatura controlada. 9

10 2.4 DECERAGEM Após a etapa de revestimento e secagem total dos cachos ser concluída, estes são levados até o forno autoclave para retirada da cera do interior dos moldes cerâmicos. Essa eliminação da cera de dentro da casca cerâmica ocorre devido ao amolecimento da cera, a qual cai pela ação da gravidade. A deceragem é feita com temperatura entre 100ºC e 120ºC e pressão controlada, para não ocorrer deformação no molde cerâmico. A cera do canal tem temperatura de amolecimento inferior a da peça, devido a adição de sílica coloidal, auxiliando deste modo a saída da cera sem que ocorra a trinca do cacho cerâmico. A cera está sendo reutilizada, sendo que a produção dos canais é feita utilizando-se 100% desta cera e na produção de novas peças utiliza-se 50% de cera reutilizada. 2.5 CALCINAÇÃO O molde cerâmico é então levado para calcinação em fornos a elevadas temperaturas (1.100ºC), secando e retirando totalmente a cera do interior do molde. Tal etapa também é indispensável, pois ela confere ao molde a resistência necessária para suportar o vazamento do metal líquido, que ocorre na etapa seguinte. 2.6 FUNDIÇÃO É calculada, em massa, a quantidade necessária de ligas metálicas para que a composição química das peças fique de acordo com o pedido. Então as ligas, ainda sólidas, são colocadas no cadinho para formação do metal líquido, por meio de indução. Após algum tempo (30 a 45 minutos em média) é feita a passagem do metal líquido do cadinho para a panela e então o vazamento do mesmo nos moldes cerâmicos. O metal líquido é despejado no molde cerâmico ainda quente, que então, por gravidade se espalha pelas cavidades do molde, formando o cacho em metal, ou seja, a peça bruta unida ao canal. Os cachos são então resfriados ao ar livre para a etapa seguinte. 2.7 REMOÇÃO DO MATERIAL REFRATÁRIO A casca cerâmica que envolve o cacho metálico é então removida por meio de um equipamento vibratório (martelete). Dependendo da complexidade e da geometria da peça, ainda é feita uma limpeza com jateamento de aço carbono ou inox para retirada do excesso de material refratário. Há um projeto em andamento para reutilização da casca cerâmica, porém no momento ela ainda é levada até aterros. 10

11 2.8 SEPARAÇÃO DAS PEÇAS DO CACHO E LIXAMENTO DO CANAL As peças, agora metálicas, são separadas do canal por meio do corte em discos de corte e então lixadas, retirando qualquer saliência que tenha ficado na peça. Em algumas peças é feita a limpeza utilizando soda, para retirada total do material refratário, anteriormente ao lixamento. O canal de metal é reutilizado para futuras fundições do mesmo material, de acordo com a composição química de cada. 2.9 INSPEÇÃO DA PEÇA É feita então a inspeção visual da peça, retirando as peças com porosidade, não preenchidas pelo metal, entre outros defeitos. Também se faz o ensaio não destrutivo de partículas magnéticas, quando solicitado, para avaliar as trincas nas peças. Em algumas peças de cada lote é realizada a inspeção dimensional da peça, no laboratório de metrologia, assim como testes de propriedades mecânicas, como dureza e tração, entre outros testes requeridos pelo cliente, sendo os resultados incluídos no certificado de qualidade. As peças em desacordo com as especificações são recuperadas com solda se possível e então é refeito o tratamento térmico caso necessário ou elas são destinadas à sucata para posterior utilização, fazendo a fundição novamente PROCESSOS FINAIS Entre os processos finais, pode-se incluir a usinagem e o tratamento térmico superficial como principais, porém ainda são feitos outros tratamentos como a zincagem por exemplo. Caso algum tratamento térmico influencie nas propriedades mecânicas do material são feitos os testes de propriedades mecânicas novamente. Tais processos são feitos de acordo com a necessidade e as especificações do cliente, de modo que dificilmente as peças são pedidas em estado bruto de fusão (sem tratamento), devido a baixa qualidade. 11

12 3. TESTE DE DUREZA Os testes de dureza realizados foram de penetração Brinell e Rockwell, os quais são mais apropriados para utilizar em linhas de produção, pois não é necessária uma preparação dos corpos de prova, apenas o lixamento da região a ser testada. Ambos os testes baseiam-se em produzir uma deformação permanente na superfície da peça, pela aplicação de uma carga definida através do penetrador por um determinado tempo. O durômetro Brinell é mais utilizado para mensurar materiais com estrutura interna não uniforme, devido a maior área de impressão (feita pelo penetrador esférico), também sendo utilizado quando os tratamentos térmicos feitos não acarretam em durezas muito elevadas, como a normalização e o recozimento. Já o durômetro na escala Rockwell, amplamente ocupado, pode ser utilizado tanto para medição de dureza superficial como a normal, dependendo da pré-carga e da carga aplicada. Devido ao penetrador mais pontiagudo, o qual obtém uma impressão localizada na peça, ele é utilizado em materiais cementados e temperados (mais duros) para medir principalmente a camada tratada. É necessário ressaltar a importância da calibração dos durômetros e aferi-los com o padrão antes das medições. Assim como fazer várias medições (três a cinco) em cada peça, evidenciando desta forma uma melhor concepção do valor real, descartando possíveis medições equivocadas (regiões com rechupe, não lixadas, etc). Uma dificuldade encontrada neste teste foi a medição em peças com morfologia complexa (figura 2), dificultando a peça ficar pressionada pelo penetrador de maneira conveniente. Uma solução encontrada foi a utilização de dispositivos, onde colocava-se a peça, ficando deste modo mais alinhada, possibilitando a medição de forma mais adequada (figura 3). Figura 2: Peça (garra) Figura 3: Dispositivo com peça para ensaio de dureza 12

13 De acordo com o tipo de dureza pedida pelo cliente, pode ser feita uma conversão da escala Brinell para Rockwell através de uma tabela, aceita em norma, ou é feita a leitura diretamente no mostrador acoplado ao durômetro Rockwell, quando feita a medição neste. Possibilitando desta forma a medição no durômetro mais conveniente com o tipo de material e tratamento da peça. A peça é enviada para o controle de qualidade para o teste de dureza com uma ordem de fabricação, contendo o número da peça. Com este número, é feita uma busca no sistema da empresa pelo certificado de qualidade do cliente, o qual contém as especificações tanto de dureza como de composição química (a qual é verificada anteriormente) da peça. De posse destas especificações é possível comparar o valor obtido com o valor requerido, reprovando ou aprovando o lote. Os resultados obtidos são emitidos no sistema da empresa e no certificado de qualidade da Sulmaq, o qual, contém o tipo de material utilizado na peça, assim como seu número, a ordem de fabricação, e o número da corrida (vazamento do metal líquido). Vários números são utilizados para uma melhor rastreabilidade da peça/lote tanto pelo fornecedor como pelo cliente. A empresa Sulmaq utiliza o sistema de skip-lote em algumas peças. O skip-lote é uma regra de inspeção inteligente que se ajusta a qualidade do produto, não sendo necessário uma inspeção em todos os lotes, consequentemente agilizando o processo. Tal sistema requer confiança e crédito entre o fornecedor e o cliente. Esta função segue a norma MIL STD-105. Ele funciona, por exemplo, de acordo com o fluxograma abaixo. Figura 4: Esquema do Skip-lote A inspeção em skip-lote deixa de ser aplicada quando houver a reprovação de um lote na inspeção de recebimento, ou a quebra de qualidade do cliente ou do processo interno da empresa, ou ainda quando a peça ficar mais de seis meses sem fornecimento O skip-lote não é aplicável para matérias primas e para itens que são exigidos ensaios de tração, além do ensaio de dureza. 13

14 4. TESTE DE TRAÇÃO O teste de tração é um ensaio destrutível, o qual gera um gráfico (gráfico 2 e Anexo B), extraindo assim as informações necessárias para determinação das propriedades mecânicas de um material em questão. O ensaio de tração é feito na máquina universal (figura 5), a qual traciona o corpo de prova (CP), cilíndrico em sua maioria, até a sua ruptura. Este tipo de ensaio é feito para reproduzir, o mais real possível, as condições que o material ensaiado irá sofrer em serviço, podendo deste modo determinar se o material está apto ou não para o tipo de serviço desejado. O objetivo do teste é determinar as propriedades mecânicas do material, como por exemplo, a tenacidade, resiliência, coeficiente de encruamento, limite de escoamento, limite de resistência, alongamento, estricção, entre outros. As duas últimas são obtidas através de um extensômetro, o qual é acoplado a máquina, fornecendo essas propriedades diretamente. Figura 5: Máquina universal Gráfico 2: Tensão X Deformação Por exemplo, para o material 410/CA15, de acordo com a norma ASTM A 217/07 para o corpo de prova (CP), as propriedades requeridas são: Limite de Escoamento: Representado pelo número 1 do gráfico 2, é a tensão que da término a deformação elástica e início da plástica (permanente) no material. Seu limite mínimo é 450 MPa. Limite de Resistência: Representado pelo número 2 do gráfico 2, é a quantidade máxima de tensão suportada pelo material. Seu limite deve variar de 620 MPa a 795 MPa. Alongamento: É a quantidade, em porcentagem, que o CP alongou. É obtido pelo extensômetro e seu valor mínimo é de 18% de aumento em relação ao comprimento inicial. Estricção: Inicia após a tensão máxima, é uma redução do raio do CP, localiza-se perto da região onde ocorreu a fratura. É obtida pelo extensômetro, sendo seu valor de 30% no mínimo. 14

15 5. TESTE DE GRANULOMETRIA O ensaio de granulometria é utilizado para se determinar o tamanho das partículas, em massa, das matérias primas (MPs), como por exemplo, o chamote, que é utilizado no revestimento da casca cerâmica. Os chamotes finos têm granulometria entre 180 µm e 800 µm e o médio de 425 µm a 850 µm. As matérias primas são pedidas ao fornecedor com especificações feitas pela Sulmaq (a granulometria e a composição química tabela 1). O teste da composição química é feito apena pelo fornecedor, deste modo, faz-se o teste de granulometria. O teste ocorre da seguinte maneira: Em uma balança calibrada é pesado 100 gramas de matéria prima. Selecionam-se as peneiras desejadas e essas são colocadas em um agitador (de acordo com a figura 6), despejando a matéria prima, a qual fica entre 8 e 10 minutos vibrando. Retira-se todo material da peneira, pesando a quantidade que é aprisionada em cada uma. São comparados os resultados obtidos com as especificações, aprovando ou reprovando o lote da MP. Caso no primeiro teste os resultados não condizerem com as especificações, é refeito o teste de granulometria deste mesmo lote. Figura 6: Agitador com peneiras Um exemplo de especificações feitas pela Sulmaq para uma das MPs é verificado a seguir. Tabela 1: Especificações da Sulmaq para chamote médio 15

16 6. TESTE DE IMPUREZAS O teste de impurezas, também conhecido como teste de sujidade, é requerido por algumas empresas, para determinadas peças automotivas. O teste é importante, pois ele determina a quantidade de sujeira presente na peça. Essas impurezas, na maioria das vezes abrasivas, danificam certos componentes do carro, como as tubulações que levam água para arrefecimento do motor. O procedimento para o teste é o seguinte: Pesa-se o microfiltro limpo (3 vezes). É feita a limpeza interna da peça com a utilização de um solvente. Despeja-se todo o solvente utilizado mais a impureza da peça em um recipiente, passando por um microfiltro para reter as impurezas. Uma bomba a vácuo é acionada para agilizar o processo de filtragem. É colocado o microfiltro em uma estufa por alguns minutos para retirar o excesso do solvente, deixando deste modo apenas as impurezas. Pesa-se o microfiltro sujo (3 vezes), esse é o valor de M. É feita uma análise do tamanho das partículas de sujeira em um microscópio óptico em 3 locais diferentes (3 vezes em cada local), esse é o valor de D. Compara-se os resultados obtidos com as especificações pedidas, sendo M 100 mg e D 1,5 mm, aprovando ou reprovando o lote das peças. (Tabelas a seguir). Tabela 2: Controle da massa de impurezas no teste de sujidade Tabela 3: Controle dimensional da impureza no teste de sujidade 16

17 7. TESTE DE PERMEABILIDADE DA CASCA CERÂMICA A permeabilidade é a capacidade que um fluído ou gás tem ao passar por um material, por unidade de área. Esse material em questão será o molde cerâmico, sendo importante uma alta permeabilidade nas cascas cerâmicas para não ocorrer problemas como o não preenchimento e a porosidade nas peças, o que aumenta o refugo e diminui a qualidade dos produtos. Na Sulmaq, não havia um controle da permeabilidade da casca cerâmica, por isso foi desenvolvido este teste. Como há vários modos de construir a casca cerâmica devido a variedade de componentes refratários e formas de revestimento, foi possível analisar e comparar a permeabilidade da casca com diferentes parâmetros. Foram confeccionados vários moldes, sendo que serão estudados três banhos específicos feitos no revestimento, os quais são mais utilizados na empresa. Será analisada a influência causada na permeabilidade, variando-se a quantidade de camadas do material refratário e a composição desses componentes, assim como a diferença entre o ensaio a quente e a frio. A casca cerâmica deve ser permeável o bastante para que o ar encontrado no interior seja liberado durante o vazamento do metal líquido, consequentemente atingindo a geometria requerida e os detalhes da superfície da peça. Se a casca não for suficientemente permeável, o fundido resultante apresentará defeitos (figura 7) como o não enchimento e porosidade nos locais onde o ar estava aprisionado. Se a casca for muito permeável, a resistência a verde e a estabilidade dimensional podem ser sacrificadas, prejudicando também a qualidade final do produto. Logo, o exagero de uma determinada propriedade pode comprometer alguma outra, deste modo, deve-se controlar os parâmetros e as variáveis do processo. Figura 7: Tipos de defeitos causados pela baixa permeabilidade 17

18 7.1 OBJETIVO DO TESTE Durante o ano de 2011, principalmente no período compreendido entre o mês de agosto e novembro, foi verificado um grande percentual da participação do refugo por defeitos de não enchimento e porosidade, conforme dados a seguir. Estes defeitos podem ser causados pela baixa permeabilidade dos moldes cerâmicos. Foi verificada, então, a necessidade de se iniciar um estudo da permeabilidade das cascas cerâmicas refratárias, na tentativa de diminuir o percentual de refugo das peças causado por estes defeitos. A porcentagem de refugo anual acumulada é inferior a 7%, porém, entre o período compreendido entre 01/08 a 28/11, podemos observar que de um total de peças refugadas: peças foram refugadas pela porosidade, representando 4,26% na participação do total das peças do refugo peças foram refugadas por não enchimento, representando 30,17% na participação do total das peças refugadas. Somando um total de peças refugadas, representando 34,44% do total das peças do refugo, causadas pela baixa permeabilidade, entre outros problemas. O principal objetivo é otimizar o teste de permeabilidade e definir os parâmetros de estudo, tendo também como objetivos analisar a influência que os componentes refratários, a quantidade dos banhos e a temperatura do teste causam na permeabilidade, podendo deste modo melhorá-la ou até mesmo mudar a camada dos banhos ou os componentes refratários durante o revestimento para determinadas peças. 18

19 7.2 COMPONENTES REFRATÁRIOS Os componentes refratários são os materiais utilizados para a construção da casca cerâmica. Eles são resistentes ao calor e operam a temperaturas elevadas, conservando a sua forma e suas dimensões, não alterando as propriedades físicas e químicas do material que está a ser processado (metal). Por este motivo, no processo de microfusão eles são utilizados na criação do molde cerâmico para suportar o vazamento do metal líquido, criando a peça metálica com sua morfologia específica e com elevada precisão. Os materiais refratários podem ser subdivididos na lama refratária e no material refratário granulado. Os componentes deste material são a zirconita, mulita e sílica eletrofundida. Zirconita: É utilizada no pré-revestimento como primeiro banho, principalmente devido a sua melhor fluidez no modelo em cera e por ser um material que possui baixa reatividade com a maioria das ligas, contendo também uma expansão térmica intermediária entre a expansão da sílica eletrofundida, a qual é aplicada depois, e da maioria dos metais. Em sua composição química há principalmente o óxido de zircônio (63%) e o óxido de silício (35%), além de outros óxidos. Devido a sua elevada densidade, a areia de zircônio é aplicada por meio de uma chuva de areia. Mulita: Devido ao baixo coeficiente de expansão térmica, tem uma excelente resistência ao choque térmico e apresenta também uma excelente estabilidade térmica e química, requisitos básicos para a vazada do metal. É aplicada em todos os banhos por ter as propriedades acima descritas. A mulita sinterizada é o principal constituinte dos chamotes finos e médios. Em sua concentração há principalmente o óxido de silício (25%) e o óxido de alumínio (74%), entre outros óxidos. Sílica eletrofundida: Também conhecida como dióxido de silício, é produzida a partir da conversão da sílica cristalina em sílica não cristalina (vítrea), apresenta um coeficiente de expansão térmica extremamente baixo, possui baixa condutividade térmica e baixa densidade comparada com os outros materiais refratários. É utilizada sob variados tamanhos de grão durante o revestimento, sendo que a granulometria aumenta ao decorrer do processo. Além disso, a sílica eletrofundida é solúvel em soda cáustica, a qual é utilizada para a remoção dos resquícios das cascas cerâmicas do metal. A sílica eletrofundida utilizada na Sulmaq apresenta uma pureza mínima de 99,7%, sendo as impurezas sob a forma de diferenciados óxidos. 19

20 7.3 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO O molde cerâmico utilizado foi feito a partir do processo usual da empresa, ele tem a forma de uma esfera conectada a um cilindro (figura 8). O estudo foi feito a partir de três banhos que a Sulmaq utiliza com mais frequência na fabricação de moldes cerâmicos. Os banhos utilizados são: Concentração de mulita e sílica nos chamotes, dois banhos de areia de zircônio (prérevestimento), um banho de chamote fino e cinco de chamote médio (M+S 2-1-5). Concentração de mulita e sílica nos chamotes, dois banhos de areia de zircônio (prérevestimento), um banho de chamote fino e quatro de chamote médio (M+S 2-1-4). Concentração de mulita nos chamotes, dois banhos de areia de zircônio (pré-revestimento), um banho de chamote fino e quatro de chamote médio (M 2-1-4). Figura 8: Exemplo dos moldes cerâmicos Após confeccionado o molde em cera, a partir da matriz, e feito o revestimento com os banhos acima, foi feita então a deceragem normal no autoclave. As primeiras amostras da casca cerâmica foram trincadas, logo não foram usados tais moldes, devido a passagem do gás (nitrogênio) pelas trincas, o que impossibilita uma análise eficiente do teste. Colocou-se então o molde cerâmico, com a cera internamente, para calcinação direta (1.100ºC), o que resultou em melhores moldes cerâmicos para teste, porém ainda impróprios para teste (um pouco trincados). Após as duas tentativas acima descritas foi pensado em banhar as partes cilíndricas das amostras em sílica, fazendo desta forma com que a deceragem ocorresse de forma mais controlada, já que essa abaixa o ponto de amolecimento da cera. Posteriormente colocaram-se as amostras para calcinação direta a uma temperatura de 850ºC por cinco minutos, não ocasionando trincas. Após feito o processo de calcinação e a retirada da cera do interior dos moldes, estes foram submetidos ao teste de permeabilidade, conforme o procedimento abaixo. 20

21 1. É medido o diâmetro da esfera em cera (d 1 ) em cm, antes dos banhos (revestimento). 2. É medido o diâmetro (d 2 ) da esfera cerâmica em cm. 3. Calcula-se o valor de D, sendo ( d 2 d D 1) 2 4. Calcula-se o valor da área da esfera cerâmica (A). 5. O equipamento deve ser montado de acordo com a figura Os testes a quente foram conduzidos a uma temperatura determinada (900 C) em um forno de laboratório (forno mufla). 7. Os testes a temperatura ambiente foram realizados com cuidado para garantir a integridade das cascas visto que pequenas trincas podem mascarar os resultados do teste. 8. A taxa do rotâmetro (F) é mantida constante em 100 cm³/min. 9. É registrada a leitura do manômetro (P) em polegadas de água (1 polegada = 25,4 mm). Calcula-se a permeabilidade (K) a partir dos valores mencionados acima, sendo: D F K ( ) P 2,54 A O valor de K conforme o calculado é igual ao fluxo de gás em cm³/min por cm 2 de área do molde, ou seja, é a quantidade de gás (nitrogênio) que passa pela casca cerâmica, não Figura 9: Esquema do teste de permeabilidade ficando aprisionado. Uma dificuldade encontrada durante a realização do experimento foi a vedação do tubo vycor no molde cerâmico e na mangueira, devido a sua fragilidade, o aperto deste deveria ser de modo gradual. E caso fosse colocado outro material, como um aço, ao invés do tubo vycor, causaria um aquecimento nele e consequentemente derreteria a mangueira. Uma solução encontrada foi a utilização da massa refratária para a vedação. O equipamento para o teste demorou para ser montado, devido a falta de material, o qual foi orçado e pedido. Devido a este imprevisto, além do problema mencionado acima durante a deceragem, não foi obtido uma grande proporção de resultados, porém a análise dos resultados que foram obtidos se encontra a seguir. 21

22 7.4 ANÁLISE DE RESULTADOS A análise dos resultados foi feita a partir da tabela a seguir, onde se pode estudar e comparar a influência que determinados parâmetros alteram na permeabilidade, como por exemplo, a quantidade de camadas feitas durante o revestimento e a composição dos componentes refratários, assim como a diferença entre o ensaio a quente e a frio. Tabela 4: Controle do teste de permeabilidade 7.5 CONCLUSÕES Teoricamente quanto maior a temperatura do ensaio, maior será a fluidez do gás, ou seja, mais gás sairá do molde cerâmico, devido ao aumento da permeabilidade, o que foi concretizado com os resultados obtidos. Outro fator devido ao aumento da temperatura é a mudança que ocorre na estrutura do poro e também a expansão térmica resultante dessa modificação, fatores que consequentemente aumentam a permeabilidade da casca cerâmica. Outro fator que altera a permeabilidade é a porosidade. Quanto maior for a quantidade de poros na casca cerâmica, maior será a permeabilidade, porém é importante ressaltar que o exagero na porosidade do material pode comprometer alguma outra propriedade como a resistência a verde e a resistência durante a queima. De acordo com a tabela pode-se afirmar que o revestimento com (M+S e M+S 2-1-5) tem uma porosidade maior (maior permeabilidade), devido a presença de sílica na mistura. Fato que pode ser fundamentado devido ao tamanho de cristal regular da mulita pura, a qual deste modo tem menor porosidade, retendo mais gás no interior do molde cerâmico. Acredita-se também que a há uma maior permeabilidade nos moldes com menos camadas, devido a menor quantidade de matéria. Supõem-se, além disso, que um dos moldes banhados apenas com mulita tenha umidade excessiva, a qual causou uma menor permeabilidade. Deixo como sugestão este assunto para o próximo estagiário, o qual pode complementar mais minuciosamente o projeto, a fim de melhorar a permeabilidade da casca cerâmica no revestimento. 22

23 8. TESTES DE QUALIDADE DA CERA O processo de microfusão, como visto anteriormente, utiliza a cera para formação de réplicas exatas em cera do modelo da peça microfundida. Os componentes utilizados na sua produção são carnaúba, breu, parafina e etileno vinil acetato (EVA), os quais serão descritos a seguir. Tais componentes são necessários para a obtenção de requisitos imprescindíveis para a cera como a resistência a verde (para o manuseio dos cachos), viscosidade (para o preenchimento das cavidades na matriz) e estabilidade dimensional (garantindo a cópia exata da peça). Carnaúba Cera vegetal extraída de árvores, responsável pela tenacidade e acabamento superficial. É o componente que mais influencia na quantidade de cinzas, também aumentando o teor de água. Na Sulmaq é utilizada a cera de carnaúba tipo 3 filtrada em escamas. Breu Resina natural e componente em maior quantidade na cera, responsável pela estabilidade dimensional durante a contração da cera no resfriamento. Gera pouca água a nenhuma cinza. Parafina Derivado do petróleo, controla a temperatura de injeção da cera e sua fluidez na matriz, garantindo uma melhor formação da peça em cera. Na cera do canal adiciona-se mais parafina, consequentemente abaixando o ponto de amolecimento da cera. Ela aumenta o teor de água, porém não altera a quantidade de cinzas. Etileno vinil acetato (EVA) Composto orgânico que melhora as características superficiais da cera e garante uma redução na contração da mesma à variação de temperaturas. Não gera cinzas nem água. Para assegurar a qualidade da cera, ou seja, os requisitos necessários que ela deve ter, é feito o controle: da quantidade das matérias primas utilizadas para formação da cera microfundida, a temperatura de injeção, a quantidade formada de cinzas e de umidade e o ponto de amolecimento da cera. É importante lembrar que a cera utilizada para a produção do canal e das peças são feitas separadamente, cada qual com as suas especificações e características e que a cera utilizada é uma mistura entre a cera nova e a cera recuperada (reutilizada), cada uma com sua proporção definida. Tais testes são de grande importância e indispensáveis para um melhor controle do processo de microfusão, visto que qualquer variação nas propriedades da cera influenciam na qualidade final das peças. Os testes da qualidade da cera realizados pelo estagiário, e que serão abordados a seguir são: Teor de Água Teor de cinzas Ponto de amolecimento 23

24 8.1 TEOR DE ÁGUA É o teste que visa determinar a quantidade de umidade presente na cera. Tal teste é importante pois a umidade excessiva causa uma maior porosidade superficial no molde em cera, entre outros defeitos, causando consequentemente a formação da peça em metal com uma superfície indesejada. Deste modo é feito o controle do teor de água para amenizar os defeitos no molde em cera, garantindo uma melhor qualidade no produto final. O procedimento ocorre da seguinte maneira, sendo que simultaneamente é coletado e testado o teor de água da cera do canal e da peça. Pesam-se os cadinhos, os quais foram calcinados a temperatura de 1.000ºC (P1). Pesam-se os cadinhos com aproximadamente duas gramas das ceras a serem testadas, a do canal e da peça (P2). Colocam-se os cadinhos em uma estufa aquecida entre 100ºC e 110ºC, onde ficam por três horas. Os cadinhos são retirados da estufa e repousados no dessecador por trinta minutos até sua temperatura abaixar. Pesam-se os cadinhos (P3). P2 P3 O calulo do teor de água é feito a partir da equação: % Água ( ) 100 P2 P1 São considerados satisfatórios os valores abaixo de 0,80% para ambas as ceras. A seguir segue uma tabela com os resultados referente ao teste realizado. Evidencia-se que os valores encontrados estão de acordo com a especificação, consequentemente havendo um maior controle do processo. Tabela 5: Controle do teor de água da cera 24

25 8.2 TEOR DE CINZAS Este teste tem como finalidade a obtenção do valor de impurezas que restam na cera após a calcinação. Impurezas essas resultantes da degradação das matérias primas e principalmente de resíduos da carnaúba, como citado anteriormente. Tal teste é de grande importância, pois controla a quantidade de impurezas (cinzas), a qual pode causar defeitos na superfície das peças microfundidas devido a deposição de resíduos sólidos no interior da casca cerâmica, causando também problemas de inclusão em peças. O procedimento ocorre da seguinte maneira. Pesam-se os cadinhos, os quais foram calcinados a temperatura de 1.000ºC (P1). Pesam-se os cadinhos com duas gramas aproximadamente das ceras a serem testadas (P2). No interior da capela queima-se a cera dos cadinhos utilizando um bico de Bunsen. Levam-se os cadinhos para o forno mufla, deixando por três horas a temperatura de 1.000ºC. Os cadinhos são retirados do forno e repousados no dessecador até sua temperatura abaixar. Pesam-se os cadinhos (P3). P3 P1 O calulo do teor de cinzas é feito a partir da equação: % Cinzas ( ) 100 P2 P1 Os valores satisfatórios são abaixo de 0,05% para a cera utilizada na produção de peças e 0,08% para a cera utilizada na produção do canal. Tal especificação é baseada quando a cera é 100% nova. O teste foi feito para apurar os valores e definir um novo valor específico, já que não tem uma especificação para a mistura (utilizada a partir do ano passado) de cera recuperada (usada) e da cera nova. Para a cera do canal é utilizado 100% de cera recuperada e para a cera da peça 50%. A seguir segue uma tabela com os resultados referente ao teste realizado. Tabela 6: Controle do teor de cinzas da cera 25

26 8.3 PONTO DE AMOLECIMENTO Esse teste é de grande importância para avaliar e controlar o processo de deceragem. Durante essa etapa os modelos cerâmicos são submetidos a temperaturas elevadas para o amolecimento e retirada da cera da casca cerâmica. A cera, no interior dos moldes, expande ao decorrer da deceragem, porém essa expansão tem que ser controlada para não ocorrer trincas, ou até mesmo a ruptura dos moldes cerâmicos. Por isso deve-se controlar a temperatura de amolecimento das ceras e a temperatura de amolecimento do canal deve ser inferior a da cera da peça, auxiliando deste modo a deceragem, sem que ocorram trincas. O procedimento ocorre da seguinte maneira: Os dois tipos de cera são coletadas diretamente das injetoras e inseridos dentro de anéis. Um béquer de ml é preenchido de água. Os anéis, com cera no interior, são encaixados em um aparato de acordo com a figura 10, e coloca-se sobre os anéis esferas de aço, uma esfera em cada anel. O aparato é submerso em água e acopla-se um termômetro ao sistema. É fornecido calor ao sistema com um bico de Bunsen, fazendo a cera amolecer e sair do interior do anel, consequentemente a esfera cai por ação da gravidade. A temperatura então é registrada quando a esfera tocar a parte inferior do sistema. Para a cera 100% nova de canal a especificação da temperatura de amolecimento é entre 50ºC e 63ºC e para a cera das peças situa-se entre 63ºC e 75ºC. Como a cera utilizada é uma mistura entre a cera recuperada (reutilizada) e a nova, há uma variação nessas temperaturas, podendo ser evidenciada na tabela abaixo, a qual mostra os resultados encontrados no teste. Figura 10: Esquema do ponto de amolecimento Tabela 7: Controle do ponto de amolecimento da cera 26

27 9. PROCESSO METALOGRÁFICO A metalografia é utilizada na Sulmaq pois ela permite analisar diversas características do material que influenciam nas propriedades finais da peça. Entre elas pode-se destacar o tamanho do grão, a morfologia (estrutura) da amostra, a presença de trincas e o tratamento térmico feito, como por exemplo o tamanho da camada cementada. Há várias etapas a serem seguidas para ser feita tal análise, as quais serão descritas a seguir e podem ser evidenciadas na figura 11. Figura 11: Etapas do processo metalográfico 9.1 CORTE É utilizado para obter amostras de tamanho adequado, podendo ser feita a análise. O corte é feito em um equipamento conhecido como cut-off. Esse equipamento possui discos abrasivos (geralmente de óxido de silicato ou alumínio), refrigerados a todo momento, evitando deformações devido ao aquecimento, o qual afeta a microestrutura. 9.2 EMBUTIMENTO O embutimento é utilizado para aumentar o tamanho da amostra, tornando ela de fácil manuseio nas etapas seguintes. Pode ser feito a quente ou a frio. Na Sulmaq, ele é feito a quente em uma embutidora, utilizando-se uma resina termofixa (baquelite) para se unir a amostra. 27

28 9.3 LIXAMENTO E POLIMENTO Devido ao elevado acabamento que é necessário para a análise da amostra metalográfica, faz-se o lixamento e o polimento da mesma. O lixamento tem por objetivo eliminar os riscos mais profundos, e para isso inicia-se o processo com uma lixa de granulometria maior, e ao decorrer do processo usam-se as lixas de menor granulometria, gradativamente. A lixa utilizada é de carbeto de silício e usa-se água durante o procedimento para retirada de impurezas que estejam sobre a lixa. O lixamento e o polimento são feitos em máquinas semiautomáticas, evidenciado pelo número 3 da figura acima. O polimento é feito para obter uma superfície plana, com acabamento superficial polido, isento de marcas. Foi utilizado óxido de alumínio (alumina) como abrasivo. É importante lembrar que anteriormente ao polimento deve ser feita uma lavagem da amostra para retirada de poeira e abrasivos, a qual usualmente é feita com álcool etílico. 9.4 ATAQUE QUÍMICO A superfície da amostra é colocada em contato com um reagente ácido por um pequeno intervalo de tempo, causando deste modo a corrosão da superfície. Alguns grãos e fases são mais atacados pelo reagente que outros, fazendo com que a luz seja refletida de maneira diferente em cada região, inclusive nos contornos de grão, podendo assim ser feita a análise da microestrutura. Os reagentes ácidos são escolhidos em função do material a ser analisado. Para aços e ferros não ligados, assim como para aços de baixa liga, os quais são mais analisados, é utilizado Nital com concentração de 3%. Antes da amostra sofrer o ataque, é necessário que a mesma esteja perfeitamente limpa e seca, por isso usam-se líquidos de baixo ponto de ebulição, como o álcool, fazendo com que a amostra seja seca de maneira rápida através de um secador, é feita a secagem também após o ataque químico, anteriormente a análise. 9.5 ANÁLISE METALOGRÁFICA Primeiramente pode ser feita a análise macroscópica, a qual é complementada pelo uso do microscópio óptico. A microestrutura varia de acordo com o tipo de material, o processo de fabricação e os tratamentos feitos. Nesta etapa é determinado quais são os microconstituintes que compõem a amostra e o tipo de tratamento térmico. Também é feita a análise do tamanho da camada cementada, do tamanho do contorno de grão e da presença de trincas. Pode-se comparar a foto 6b (aço 1020 bruto/sem tratamento) com a 6d (aço 1020 normalizado). Na foto 6a evidencia-se a presença de trinca na amostra e na 6c pode-se ver o tamanho da camada cementada. Todas as fotos são referente a figura

29 10. CONCLUSÃO A Sulmaq S.A., onde o estagiário realizou seu primeiro estágio curricular, pode ser considerada uma excelente escola para quem está iniciando sua jornada profissional. Pode-se vivenciar, participar e absorver conhecimentos com o cotidiano da empresa, isto porque foram oferecidas as melhores condições de aprendizado. A experiência foi de grande valia graças a liberdade e confiança depositada nos trabalhos realizados. Aliou-se os conhecimentos teóricos adquiridos até o momento em sala de aula com a prática vivenciada dentro da empresa, agregando ao mesmo tempo valores pessoais e técnicos. Percebeu-se a importância do trabalho em grupo, assim como a convivência dentro da empresa. Ao decorrer do estágio se notou a importância da qualidade dos produtos, sendo esta, um requisito básico para a empresa competir e se manter no mercado de trabalho. Assim a verificação das propriedades e da estrutura do material, controlando a qualidade dos produtos, tornam-se exigências para uma melhor gestão da qualidade do processo e do produto. Durante os trabalhos realizados foram encontrados contratempos, os quais foram possíveis superá-los com o apoio constante dos colegas da Gestão da Qualidade, assim como colegas de outros setores. A experiência foi única e proveitosa, sendo resultado da atenciosa equipe e do excelente ambiente de trabalho. Como sugestão, o próximo estagiário pode desenvolver mais detalhadamente o ensaio de permeabilidade da casca cerâmica, estudando a variação de mais parâmetros, mudando possíveis componentes refratários, com a intenção de minimizar custos e amenizar também a quantidade de refugo. 29

30 11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) INVESTMENT CASTING INSTITUTE, Ceramics Testing Guidebook, Dallas, Texas, 168p. (2) KLINE, Darryl Michael. Controlling Strength and Permeability of silica investment casting molds. Disponível em: < Data de acesso: 24/11/11 (3) SOUZA Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. 5. ed. São Paulo: Edgard Blüncher, (4) SULMAQ S. A., Histórico da Empresa Sulmaq S.A Uma história com muita inovação, Disponível em: < Data de acesso: 30/11/11 (5) CUSTOMPARTNET. Investment Casting Disponível em: < Data de acesso:08/11/11 (6) COLPAERT; Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 3ª Edição, Editora Edgarg Blücher Ltda, São Paulo (7) BAPTISTA, André e NASCIMENTO, Ivaldo; O ensaio metalográfico no controle da qualidade, Disponível em: < Data de acesso: 02/11/11 (8) TORRES SANABRIA, María del Pilar e LOZANO GOMEZ, Luis Fernando. Permeabilidad y resistencia mecánica de cáscaras cerámicas empleadas en el proceso de microfusión. Rev. Inst. investig. Fac. minas metal cienc. geogr. [online]. ene./jun. 2008, vol.11, no.21 [citado 11 Noviembre 2011], p Disponível em: < Data de acesso: 18/11/11 (9) HANDRICKS, Michael J., Processing and firing influences on ceramic shell materials, Foundry Trade Journal,

31 ANEXO A HISTÓRICO DA EMPRESA A SULMAQ Microfusão iniciou suas atividades em 1989, tendo como objetivo inicial fabricar peças diversas para uso próprio da SULMAQ, fabricante de equipamentos para indústria da carne. Baseada em uma filosofia de trabalho que permeia todas as empresas do Grupo Bruno Roos, a SULMAQ Microfusão está focada na busca contínua da inovação e soluções em microfusão, a fim de atender as perspectivas de seus clientes. Atualmente, a empresa fabrica peças microfundidas de alta precisão para as mais diferentes aplicações, com uma produção superior a 80 toneladas ao mês, sendo que mais de 50% desse total são produzidas para o segmento automotivo. Atendendo as rígidas demandas do mercado de peças microfundidas, a SULMAQ Microfusão adaptou-se aos padrões internacionais de qualidade, conquistando certificações importantes, como a ISO 9001, concedida em 1997, ISO 9001/2000, em 2004 e ISO TS 16949, em Isso comprova, ainda mais, a preocupação da empresa em fornecer produtos e serviços de alta qualidade. Parte integrante do Grupo Bruno Roos de empresas, fundado em 1950 e com participação no segmento industrial, de revenda de veículos e utilitários e agropecuário, a SULMAQ Microfusão se destaca a cada dia pela inovação, qualidade e preocupação constante em oferecer soluções diferenciadas e eficientes aos seus clientes. 31

32 ANEXO B MODELO RELATÓRIO ENSAIO DE TRAÇÃO 32

33 ANEXO C CRONOGRAMA DE ATIVIDADE ENGENHARIA DE MATERIAIS ALUNO: LUAN EUGÊNIO MERLO Atividades Desenvolvidas Integração Aprendizado Processo Microfusão Teste de Dureza Teste de Permeabilidade Teste de Tração Teste de Impurezas Teste de Granulometria Testes da Cera Metalografia Elaboração do Relatório Outras Atividades MATRÍCULA: Setembro Outubro Novembro Dezembro 33