ESTUDO DO EFEITO DO TEMPO NA COMPACTAÇÃO DE CAVACOS FERROSOS SOB ALTA PRESSÃO

Transcrição

1 ESTUDO DO EFEITO DO TEMPO NA COMPACTAÇÃO DE CAVACOS FERROSOS SOB ALTA PRESSÃO M. L. Rodrigues¹; S. R. S. Soares¹; E. K. Dias¹; L. Resende¹; U. U. Gomes² Rodovia Rondonópolis-Guiratinga, KM 06 Sagrada Família CEP: Campus Rondonópolis MT ¹Engenharia Mecânica / UFMT Universidade Federal de Mato Grosso ²DFTE / UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte RESUMO A preocupação mundial com a reciclagem de resíduos e sucatas têm levado indústrias a buscar alternativas para o destino final dos mesmos. A técnica de Alta Pressão (P>1,0 GPa) é uma delas, pois por seu intermédio pode-se produzir, peças de pequeno porte e de grande interesse para aplicações nas indústrias automobilística, ferramentaria e aeroespacial. O uso de altas pressões é uma rota bastante promissora. Elevadas pressões deformam plasticamente esses materiais, promovem um contato íntimo e extenso de suas partículas ou cavacos. Pretende-se nesse trabalho, investigar o efeito do tempo de compactação no comportamento da densidade verde e microdureza de amostras obtidas sob Alta Pressão (2 GPa). Os compactos obtidos serão caracterizados através de microscopia óptica, e medidas de densidade verde e microdureza. Espera-se que as alterações microestruturais nos compactos, forneçam valores de dureza superiores a aqueles obtidos na amostra original (oriunda de processo convencional). Palavras Chave: Alta Pressão, Tempo de Compactação, Densidade Verde INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, o mundo tem assistido ao aumento exponencial do custo da energia, principalmente devido ao crescimento das aglomerações urbanas, aliado a utilização exagerada de recursos naturais, o que vem ocasionando sérios danos 6352

2 ao meio ambiente. A reciclagem de resíduos é considerada, por vários setores industriais, como prática a contribuir para a minimização de problemas tais como o aumento na geração e a alteração do padrão qualitativo do lixo urbano (¹). Na indústria em geral, até pouco tempo atrás, os resíduos sólidos, tais como cavacos ou pós grosseiros, de materiais ferrosos produzidos em processos de usinagem eram considerados como sobras dos processos, que deveriam ser descartados, sem maiores preocupações quanto à sua destinação. Sabe-se que a reciclagem de materiais representa uma economia considerável de minério de ferro, carvão e cal, materiais utilizados na obtenção do aço. Por isso geralmente os metais ferrosos são direcionados para as usinas de fundição, onde a sucata é colocada em fornos elétricos ou a oxigênio, e aquecidos à temperatura de aproximadamente 1.550ºC, sendo posteriormente moldados em lingotes e conformados para aplicação em forma de tarugos ou chapas (²). A fundição, que foi citada anteriormente como uma forma de reciclagem de resíduos, é também um processo de fabricação, e dentre os vários processos de fabricação existentes, a Metalurgia do Pó vem se destacando como um processo importante, principalmente devido a esta preocupação mundial com a reciclagem de resíduos. Do ponto de vista econômico ela é uma técnica bastante usada para a produção de peças de pequeno porte. É possível por seu intermédio a partir de uma prévia cominuição de resíduos sólidos tais como cavacos ferrosos ( 850 µm), se produzir peças sinterizadas altamente densas. No entanto sem essa prévia cominuição dos cavacos a produção de corpos bem sinterizados através de técnicas convencionais de sinterização necessitaria ou do uso de aditivos ou de temperatura significativamente maiores do que 1250 ºC. Uma rota alternativa para se produzir amostras sinterizadas altamente densas sem fase líquida de sinterização a partir da compactação de cavacos ferrosos ( 850 µm) é a técnica de Alta Pressão que foi estudada neste trabalho quando aplicados diferentes tempos de compactação. MATERIAIS E MÉTODOS Para a realização do presente trabalho foi desenvolvido um sistema de alta pressão reprodutível para a produção dos compactos ferrosos e um sistema de medição de densidade reprodutível para se realizar medidas dessa propriedade em 6353

3 todos os compactos produzidos sob alta pressão. O material de partida utilizado foi um aço SAE 1050 fornecido na forma de um tarugo. Ele foi usinado para obtenção dos cavacos e também para a produção de uma amostra cilíndrica, chamada de amostra original, a qual será analisada a seguir. Na Fig. 1 é apresentada a microestrutura dessa amostra, (a) sem ataque e (b) com ataque Nital 2%. Como pode ser visto na Fig. (1a) a microestrutura se apresenta com alguns pontos escuros menores que segundo a literatura para esse tipo de aço, podem ser associados a inclusões do tipo silicatos, sulfetos, óxidos e óxidos globulares (³). Os pontos escuros maiores são impressões de medidas de microdurezas que foram realizadas na superfície do aço de partida. Na Fig. (1b) é apresentado de uma forma panorâmica e representativa as fases constituintes desse aço que ampliadas na Fig. (1c) são identificadas por uma região escura e outra mais clara. De acordo com a literatura a região clara é a ferrita e a escura a perlita (³). A distribuição destas fases apresentadas na Fig. (1b) são coerentes com aquelas típicas de um aço 1050 apresentadas na Fig. 2 (4). (a) (b) (c) Figura 1 - Microestrutura do material de partida como recebido: (a) sem ataque (tamanho da barra 400 µm), (b) atacado com Nital 2% (tamanho da barra 400 µm) e (c) um detalhe ampliado da região atacada (tamanho da barra 20 µm). (a) Figura 2 - (a) Aço com cerca de 0,5% de carbono resfriado lentamente. Perlita e grãos de ferrita próeutetóide em rede; (b) aspecto com maior aumento da área indicada na Figura (a). Ataque: Nital. (COLPAERT, 1974) 6354

4 Na Fig. 3 é apresentado a morfologia irregular e qualitativamente o tamanho dos cavacos de aço ( 850 µm). Pela análise da microestrutura é possível observar que a morfologia desses cavacos é bastante irregular e grosseira. O tamanho dos materiais de partida que foram usados para a produção dos compactos é bem diferente e suas formas são muito variadas, em virtude do processo de usinagem usado para obtê-los (5). (a) (b) Figura 3 Cavaco de aproximadamente 850 µm: (a) aumento de 50x e (b) aumento de 100x A rota adotada nesse contexto utilizando uma máquina de ensaios EMIC 60000DL, para a obtenção dos compactos de forma uniaxial com 8 mm de diâmetro e 3 mm de altura foi a seguinte: a) pré compactação de cavacos ferrosos ( 850 µm) à 0,5 GPa (Baixa Pressão); b) processamento das amostras pré-compactadas à 2 GPa (Alta Pressão) em diferentes tempos de compactação (aproximadamente zero, uma, seis e doze horas). As medidas de densidade foram processadas pelo método dimensional e os valores de microdureza (HV) obtidos através de um microdurômetro Digimess HV 1000 utilizando carga de 9,8 N (5). As amostras foram nomeadas de acordo com o Tamanho do Cavaco (20 mesh), com a pressão aplicada (2 GPa) e o tempo de compactação (00/01/06/12 horas) como por exemplo AM RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Fig. 4 são apresentadas as microestruturas típica das amostras compactadas sob a pressão de 2 GPa. Comparando essa figura com a fig. 3 nota-se duas modificações microestruturais. A primeira relacionada a direção de deformação. Independente do tempo de compactação usado, os cavacos de partida e agora compactados se apresentam mais alinhados numa direção preferencial de 6355

5 deformação. A segunda relacionada ao tamanho de cavaco. De acordo com a escala da figura (200 µm) observa-se a presença de cavacos deformados iguais e menores do que aquele apresentado na fig. 3. Esse fato é um forte indicativo de que o cavaco de partida durante a sua compactação não somente deformou como também encruou e consequentemente fraturou, contribuindo dessa forma para uma melhor acomodação e rearranjo desse material durante a sua compactação. Isso foi significativo em todas as amostras compactadas sob alta pressão. (a) (b) (c) (d) Figura 4 Microestrutura das amostras compactadas sob 2 GPa e diferentes tempos de compactação: (a) zero hora, (b) 01 hora; (c) 06 horas e (d) 12 horas (tamanho da escala = 200 µm). Na Tab. 1 é apresentado o comportamento da densidade e microdureza dos compactos produzidos em diferentes tempos de compactação. Independente do tempo usado nota-se que a pressão de 2 GPa gerou valores de densidade nas amostras sem o uso de temperatura foram maiores do que 90% e característico de corpos de prova sinterizados que encontram-se em estágio intermediário de sinterização. Esses resultados mostraram coerentemente com a literatura (6) que a alta pressão é uma rota bastante promissora para melhorar as condições de sinterabilidade de materiais, porque, além de promover uma maior compactação do material de partida, uma tensão externa aplicada irá somar-se à tensão superficial como força motriz para o processo de sinterização. Adicionalmente, pressões extremamente elevadas permitem a deformação plástica dos materiais, promovendo um contato íntimo e extenso das partículas e eliminando poros e trincas. Isso tende a diminuir o tempo e/ou a temperatura necessárias para uma boa sinterização, 6356

6 evitando-se o crescimento excessivo de grãos, sem o uso de aditivos. Além disso, as pressões elevadas provocam fratura nos grãos em materiais frágeis ou dúcteis altamente encruados, o que propicia um pó de partida, para a sinterização, mais fino, sem os riscos de contaminação presentes, quando são usados métodos de cominuição prévia do pó. Além disso, comparando-se as densidades das amostras entre si observa-se que o tempo influenciou significativamente no aumento da densidade verde. Tabela 1. Valores de Densidade e Microdureza das amostras compacatadas sob alta pressão. Densidade Microdureza (HV) Amostras Compactada Relativa Contorno do Cavaco (g/cm3) (%) Cavaco Aleatório , ,5 342,40 ± 71,37 247,81 ± 32,61 314,35 ± 120, , ,09 344,42 ± 38,68 239,41 ± 33,73 271,52 ± 71, , ,59 339,01 ± 59,52 224,79 ± 35,10 280,94 ± 63, , ,94 319,33 ± 27,45 244,58 ± 19,81 271,54 ± 97,61 OBS: A densidade teórica utilizada como referência foi de 7,84 g/cm3 medida com picnômetro na amostra do aço SAE 1050 de partida com dimensões iguais à das amostras compactadas; microdureza da amostra original de aço médio carbono (sem compactação e sinterização): 202,4 ±23,7HV. Cavaco = medidas no interior do cavaco; Contorno = no contato entre cavacos. Embora a amostra tenha apresentado o maior valor de densidade nota-se que tempos superiores a 12 horas tendem a não produzir algum aumento significativo nessa propriedade. Em cavacos de aço SAE 1050 ( 850 µm) sob 2 GPa foi possível aumentar a densidade verde desse material aumentando-se o seu tempo de compactação a valores de até 12 horas. Outro aspecto interessante observado na tab. 1 é aquele relacionado aos resultados de microdureza. Todas as amostras apresentaram valores de microdureza superiores àqueles apresentados na amostra original. Esse resultado é um forte indicativo de que os cavacos sob 2 GPa sofreram um grau de encruamento significativamente elevado independente da região onde foi realizada a impressão. Comparando-se esses resultados de microdureza entre si nota-se que é possível associar o valor de microdureza com o grau de ligação entre os cavacos. Nos contornos os valores foram menores, mas ainda superiores àqueles observados na amostra original e isso identifica não somente o elevado nível de encruamento dos cavacos, mas também do seu elevado grau de ligação. CONCLUSÕES 6357

7 Para o aumento de tempos de compactação de até 12 horas obteve-se um significativo aumento nos valores da densidade verde das amostras; O encruamento ocorrido nas amostras depende basicamente da pressão e não do tempo de compactação e foi o principal responsável pelo aumento da microdureza do aço; Pressões extremamente elevadas permitem a deformação plástica dos materiais, promovendo um contato íntimo e extenso das partículas e eliminando poros e trincas. Além disso, elas provocam fratura nos grãos e/ou cavacos de materiais frágeis ou dúcteis altamente encruados, o que propicia um pó de partida, para a sinterização, mais fino, sem os riscos de contaminação presentes, quando são usados métodos de cominuição prévia do pó. Foi desenvolvido um sistema de alta pressão que proporcionou uma alta reprodutividade nas condições de compactação realizadas no presente estudo. REFERÊNCIAS 1. LIMA, R. M. R.; FILHO, E. R. A reciclagem de materiais e suas aplicações no desenvolvimento de novos produtos: um estudo de caso. In: Congresso Brasileiro de Gestão de Desenvolvimento de Produto, 3, 2001, Florianópolis, SC. 2. AMBIENTE BRASIL; RESÍDUOS Resíduos Sólidos, classificação Disponível em: < do=./residuos/residuos.html#ressolidos>. Acesso em: 22 abr CALLISTER Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução, traduzido por S. M. S. Soares, Revisado por P. E. V. de Miranda; 5ª Edição, Rio de Janeiro: LTC Editora, (2002). Traduzido de Materials Science and a engineering: Anintroduction. 4. COLPAERT, H. Constituintes dos aços carbono esfriados lentamente. In:. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 3. ed. São Paulo, Edgard Blücher,1974. p

8 5. RESENDE, L., Caracterização e Sinterização de Aço médio carbono na condição de cavaco com adição de grafite e carbeto de Nióbio, Trabalho de Conclusão de Curso do Curso de Engenharia Mecânica Instituto de Ciências Agrárias e Tecnológicas do Campus Universitário de Rondonópolis da Universidade Federal de Mato Grosso, Rondonópolis, SOARES, S. R. S. Sinterização de TiB2 em Altas Pressões. 2003, 124 f. Tese (Doutorado em Ciência dos Materiais) Universidade Federal do Rio Grande do Sul, PGCIMAT/UFRGS-POA, Rio Grande do Sul. TITLE STUDY ON THE EFFECT OF TIME COMPRESSION CHIP FERROUS UNDER HIGH PRESSURE ABSTRACT The worldwide concern with waste recycling and scrap industries have led to seek alternatives to the final destination of the same. The technique of high pressure (P> 1.0 GPa) is one of them, because through it we can produce small parts and of great interest for applications in automotive, tooling and aerospace industries. The use of high pressure is a promising route. High pressures plastically deform these materials, promoting an intimate and extensive contact of its particles or chips. It is intended in this work, to investigate the effect of time compression behavior of green density and hardness of samples obtained under high pressure (2 GPa). The compacts obtained will be characterized by optical microscopy, and measurements of green density and hardness. It is expected that the microstructural changes in the compact to provide the hardness values greater than those obtained in the original sample (deriving from the conventional process). Key Words: High Pressure, Time Compression, Green Density 6359