Desenvolvimento de Selos Mecânicos de Alta Precisão em Metal Duro

Transcrição

1 Desenvolvimento de Selos Mecânicos de Alta Precisão em Metal Duro O desenvolvimento de peças e componentes mecânicos através da metalurgia do pó vem sendo crescentemente utilizado. Destes materiais, o carboneto de tungstênio, conhecido como metal duro, tem se apresentado como excelente aplicação onde desgaste e resistência mecânica são imprescindíveis. No setor petrolífero, muitas são as aplicações possíveis para peças de metal duro, entre elas, os selos mecânicos em tubulações dos diversos derivados do petróleo. O selo mecânico de metal duro requer uma alta precisão dimensional devido a sua função de segurança nos dutos de escoamento de óleos pesados e outros derivados de petróleo. Os selos mecânicos são posicionados na interface de ligação entre os tubos, impedindo vazamento dos fluidos para o meio externo, o que acarretaria inúmeros prejuízos, tanto pelo ponto de vista financeiro, como também pelo ponto de vista ambiental. Este projeto deverá apresentar um método eficiente para fabricação de selos mecânicos de metal duro, com alta precisão dimensional, possibilitando a repetitibilidade do processo na industria interveniente. Fabricação do Pó Os principais passos na preparação do pó de metal duro pronto para prensagem são: - Pesagem do diferentes tipos de matéria-prima - Mistura e moagem em proporções e tamanhos de grãos adequados - Secagem por spray para o pó acabado - Identificação e estoque antes da prensagem. (Pós)

2 Os diferentes tipos de matéria-prima são entregues a fabrica. Dependendo da classe, são usados diferentes misturas e compostos. As principais matérias-primas normalmente são: Carboneto de Tungstênio (WC) - Carboneto de Titânio e carboneto de Tungstênio (Ti,W) C - Cobalto - Carboneto de Tântalo e carboneto de Nióbio (Ta, Nb)C - Polietilenoglicol (fase aglomeraste, cera) O pó, nas proporções adequadas para a classe final, é transportado para a moagem. O pó é misturado com etanol e moído por horas até que o tamanho de grão específico seja obtido. A mistura é movida em um recipiente de coleta especial. A mistura do lote é então transportada para a secagem por spray. Após a moagem, o líquido de moagem (etanol) deve ser separado do pó. Isso é feito bombeando-se a polpa para um funil para secagem por spray. O álcool é evaporado e se formam pequenos aglomerados que caem para o fundo. O pó misturado é passado através de um resfriado e coletado em containeres. O pó de metal duro acabado e pronto para prensagem é colocado em baldes, identificado e estocado. Aproximadamente 30 diferentes misturas de pó de metal duro são estocados, dependendo das proporções da classe com relação à resistência ao desgaste e tenacidade. (Moagem) (Armazenagem.) Os métodos para manufaturar as ferramentas de prensagem são um complicado processo integrado aos sistemas CAD, onde os selos são desenhados para ferramentas de prensagem. Essas ferramentas consistem de uma matriz para prensagem, uma punção superior à outra inferior e um pino central para selos com furo central. A matriz é preenchida com pó de metal duro já misturado. O pó é prensado junto entre as punções superior e inferior. Com várias toneladas de pressão, os selos são compactados para respectiva geometria. Antes da sinterização, os selos prensados são muito sensíveis e macios com giz.

3 Antes da sinterização, os selos prensados possuem o dobro do tamanho de seu respectivo tamanho final. Os selos contraem 50% em volume e 20% em peso no processo de sinterização. Os selos prensados são medidas em peso e altura. As trincas superficiais também são verificadas. Os passos principais no processo de sinterização: - Os selos prensados são colocadas em pratos de grafite - O processo de sinterização leva por volta de 12 horas com uma temperatura de aproximadamente 1500ºC - Processamento de dados, controle ocular e medição. Os selos são colocados em pratos de grafite. Dependendo da classe e do tamanho dos selos, os pratos são preparados para o seu respectivo processo de sinterização. A sinterização é um processo de tratamento térmico no qual fecham-se os poros, ocorrendo a cementação entre o aglomerante e os carbonetos (partículas duras), aumentando também a resistência. Dependendo da classe, diferentes processos são desenvolvidos. Se a temperatura estiver desviando, diferentes tipos de passos de sinterização são usados, bem como fornecimento de diferentes gases e pressões, além de métodos de refrigeração. Os selos agora conseguiram grande tenacidade e resistência ao desgaste. Os selos contraíram-se para o seu respectivo tamanho final, ou seja, aproximadamente 50% em volume. (Compactação) 6LQWHUL]DomR O processo é estritamente controlado por um moderno sistema computadorizado. O menor desvio no processo dará um alarme aos operadores. É feito um controle ocular dos selos após o processo de sinterização. É feita também a medição de certos parâmetros antes dos selos deixarem o departamento de sinterização. Muitos selos são retificados ou lapidados (desbastados) em qualquer formato. As principais operações de retifica são: - Lapidação na superfície superior e/ou inferior -

4 Retifica na periferia - Retifica de chanfros e fases negativas - Retifica de perfis - Retifica de perfis/formatos especiais. Retífica completa das laterais, raios e chanfros são feitos em modernas máquinas de cinco eixos. Cada selo é fixado automaticamente e passa pela retifica o número de vezes igual ao número de chanfros a ser retificado. As dimensões são controladas por instrumentos especiais. Modernos robôs manuseiam o fornecimento e carregamento de máquinas com selos sem retíficas acabadas para a fábrica. Após as operações de retífica, os selos são transportados para a próxima fase de produção: tratamento de aresta. O tratamento de aresta é realizado em quase todos os selos. Através dessa operação, a aresta de corte é arredondada e reforçada. A vida útil da ferramenta depende fortemente do formato da aresta. Diferentes métodos estão sendo usados. O tamanho da parte arredondada da aresta é de aproximadamente mm ( polegadas). Um método comum para o tratamento da aresta é o escovamento. Outros métodos são o jateamento seco e úmido da mesma. Dependendo do tipo, geometria, classe, raio de canto e tamanho do selo, o arredondamento da aresta e ajustado de acordo. Para acabamento possuem um tratamento de aresta menor, comparado os selos para desbaste. Os selos de metal duros com cobertura são fabricados colocando-se camadas sobre as mesmas, principalmente através do método de Deposição Química de Vapores (CVD - Chemical Vapour Deposition). Basicamente, a cobertura pelo processo CVD e feita através de reações químicas de diferentes gases. Outro método e a Deposição Física de Vapores (PVD - Physical Vapour Deposition) que é feita com uma temperatura de aproximadamente metade (500º C) daquela usada no CVD (1000º C). Tanto a cobertura única quanto à multicamada são feitas através de processo químico com uma temperatura de aproximadamente 1000º C. Para ambos os tipos de cobertura várias substâncias, que reagem quimicamente umas com as outras para formar outros componentes, são injetadas dentro de um forno. Os selos receberem a cobertura são colocadas dentro desse forno. Durante todo o ciclo de cobertura há uma subpressão no forno. O processo leva aproximadamente de oito a dezesseis horas dependendo da classe. A espessura das coberturas dos selos intercambiáveis varia entre 2 a 12 microns (a média

5 de um fio de cabelo tem um diâmetro de 58 microns). O carbonitreto de titânio e normalmente usado como primeira camada, Ti (CN). A cobertura de óxido de alumínio, AI2O3, também e geralmente usada. Uma camada fina de nitreto de titânio, TIN, na superfície do selo proporciona a cor dourada. O processo de cobertura é rigorosamente controlado por um moderno sistema computadorizado. Durante o processo de cobertura, a quantidade de gás, a temperatura e a pressão, para controle da qualidade são de extrema importância. A combinação do substrato otimizado e o processo CVD/PVD desenvolvido resultam na atual geração dos selos de metal duro com cobertura para torneamento, fresamento e furação. Hoje, o controle ocular, gravação, etiquetagem e embalagem dos selos são feitos em maquinas completamente automatizadas. Robôs manuseiam os selos, do carregamento nas maquinas até as prateleiras. O controle ocular do tamanho do selo da geometria e raio de canto também é feito por um sistema computadorizado, Códigos de barra são usados desde o inicio da fabricação dos selos até o estoque. A classe é marcada a laser ao invés de marcação a tinta. As embalagens dos selos são etiquetadas e lacradas por robôs. A etiqueta com dados de corte Corokey e adicionada por último, na superfície das embalagens. Uma inspeção estatística final dos selos, através de microscópio e feita para avaliar dureza, trincas, tamanho do grão, dimensões, acabamento superficial e avarias. A classe e marcada a laser ao invés de marcação a tinta. As embalagens de selos são etiquetadas e lacradas por robôs. A etiqueta com dados de corte Corokey e adicionada por último, na superfície das embalagens. Uma inspeção estatística final dos selos, através de microscópio e feita para avaliar dureza, trincas, tamanho do grão, dimensões, acabamento superficial e avarias. 0DUFDomR &REHUWXUD