Algumas das vantagens mais pronunciadas da metalurgia do pó, como uma tecnologia para a produção de peças metálicas, é a capacidade de formular precisamente a geometria da peça, a composição do material e o processamento térmico, a fim de produzir a solução mais eficaz – em termos de custo e de desempenho – para um determinado projeto
Aproveitando a capacidade de formular ligas metálicas únicas, por meio da mistura de metais em pó, o metalurgista do pó é capaz de personalizar uma mistura para cada aplicação que se encaixe, de preferência, com as características de desempenho pretendidas para o uso final da peça. Pela compactação e projeto das ferramentas, peças bastante complexas podem ser produzidas já na sua forma final (net-shape), de forma consistente (em grandes quantidades, se desejado) utilizando ligas especialmente concebidas e que não podem ser produzidas por quaisquer outras rotas. Além disso, um ciclo de processamento térmico pode ser projetado para atingir as propriedades desejadas para a peça.
O resultado final é um alto desempenho de uma peça metálica fabricada para uma variedade de indústrias que necessitam de projetos customizados para satisfazer as necessidades exatas de uma dada aplicação.
Processamento Térmico
O processamento térmico necessário para uma peça produzida por metalurgia do pó (MP) geralmente envolve três fases distintas: deslubrificação, sinterização e resfriamento. Normalmente produzido num forno de esteira contínua de malha de arame, as condições específicas de processamento são geradas por meio do projeto do forno e dos ajustes das condições controladas.
A deslubrificação é necessária para remover o lubrificante que é, em geral, adicionado a uma mistura de PM (pó metálico) para ajudar na compactação e remoção da peça do molde. Para remover o lubrificante termicamente, a peça deve ser mantida a uma determinada temperatura, numa atmosfera inerte, com uma pequena quantidade de oxidante, tal como ar ou vapor de água, que se combina com os hidrocarbonetos emergentes. O tempo deve ser suficiente para que o lubrificante vaporize e se combine com o oxigênio disponível formando monóxido de carbono que sairá do forno.
A sinterização é realizada movendo-se a peça para uma zona com temperatura mais elevada, com uma atmosfera redutora, que remove os óxidos nas partículas individuais da peça compactada. Em seguida, é mantida em uma temperatura precisa, por um período de tempo definido, o qual seja suficiente para se obter o grau de sinterização, as propriedades físicas e as dimensões finais requeridas pela peça.
Finalmente, a peça é resfriada em uma atmosfera inerte para evitar a oxidação e, então, assim que o resfriamento for suficiente, é retirada do forno.
Endurecimento por Sinterização
Como em qualquer outro processo de produção de peças metálicas, a metalurgia do pó obtém as propriedades físicas finais de uma peça pelo controle da composição química e pelo tratamento térmico ao qual a peça foi submetida. A grande vantagem do endurecimento durante a sinterização é que – ao contrário do tratamento térmico convencional – ele pode ser realizado sem que a peça necessite de reaquecimento. Isto tanto poupa energia quanto reduz as chances de ocorrer distorção térmica. Outra vantagem do endurecimento por sinterização é que, ao contrário dos processos convencionais de aquecimento e têmpera, o endurecimento por sinterização não requer a imersão num líquido, o qual pode ser um problema para as peças devido à sua porosidade inerente.
Conceitos Básicos do Endurecimento por Sinterização
Como mostrado na curva TTT (Fig.1), para um aço-carbono, a taxa de resfriamento da peça para endurecimento deve ser suficientemente rápida para seguir a Curva 1, a fim de formar a estrutura da fase martensítica que é dura. Note que a Curva 3 representa a taxa de resfriamento para a normalização e a Curva 2 é um processo de recozimento. Os dois fatores principais que afetam o endurecimento por sinterização são a taxa de resfriamento e a composição do material. Podem ser utilizados elementos de liga para mover o nariz da Curva A para a direita, permitindo uma velocidade de resfriamento mais lenta para a formação da martensita.
Materiais
Elementos de liga podem ser adicionados à mistura de metal para aumentar a temperabilidade do material, de modo que a transformação microestrutural requerida para o endurecimento possa ocorrer a uma velocidade de resfriamento mais lenta. Molibdênio, cromo, níquel e cobre podem ser utilizados para realizar isto. Devido ao impacto econômico óbvio, quanto menor o teor de elemento de liga, menor será o custo do material da peça.
Ao longo dos últimos anos, os fornecedores de PM desenvolveram uma variedade de mistura de ligas especificamente adaptadas para o uso, como materiais com endurecimento por sinterização. Juntamente aos corretos ciclos de tratamento térmico e sistemas de resfriamento, um grande número de peças de alto desempenho produzidas por MP apresentam vantagens de desempenho e de custo devido à utilização do endurecimento por sinterização.
Taxa de Resfriamento
O outro fator importante no projeto do processo de endurecimento por sinterização é a velocidade de resfriamento que pode ser atingida pelo forno. Os fornos contínuos de esteira utilizam jaquetas de água como resfriadores, as quais resfriam as peças por convecção livre. Para peças pequenas, geralmente, esta taxa de resfriamento é suficiente para atingir o endurecimento por sinterização.
Com o objetivo de reduzir a quantidade de elementos de liga para se atingir o endurecimento desejado, os fabricantes de fornos têm desenvolvido uma variedade de unidades de resfriamento acelerado que empregam o resfriamento por convecção forçada nas peças. O custo de capital é mais elevado, mas o custo do material é mais baixo, o que sugere um ponto de inflexão dos elementos de liga contra o equipamento.
Apesar de variar na sua implementação, as ofertas principais de produtos, pelos fabricantes de fornos, para endurecimento por sinterização, é o sistema de recirculação da atmosfera refrigerada do forno (Fig. 2). O calor é removido da atmosfera do processo por meio de algum tipo de trocador de calor resfriado a água, e a atmosfera resfriada é direcionada para as peças com alta velocidade conforme saem da câmara de aquecimento. Esta atmosfera com velocidade mais alta irá resfriar a peça de forma mais rápida do que a alcançada com convecção livre, devido ao coeficiente de refrigeração da convecção ser superior.
Aplicações do Endurecimento por Sinterização
As variáveis que contribuem para o endurecimento por sinterização como uma solução técnica viável para a peça incluem a composição química do material, massa e a espessura da seção transversal, bem como a velocidade e a temperatura da atmosfera recirculada. Por exemplo, a maioria das unidades de resfriamento acelerado que está disponível atualmente direciona o fluxo da atmosfera a partir do topo da seção de resfriamento utilizando um ventilador direto, ventilação com tubos rotativos ou por arranjos de jatos que irão colidir com a peça (impinging jet arrays). O fluxo de atmosfera incidente aumenta a taxa de transferência de calor, resultando em uma taxa de resfriamento mais rápida, por convecção forçada.
Devido à geometria do fluxo da atmosfera refrigerada, que é do topo para a base das peças que estão sobre a esteira, as peças mais grossas terão um gradiente de dureza, considerando que a parte superior da peça irá resfriar mais rapidamente do que a parte inferior (que está em contato com a esteira do forno). Por essa razão, nem todas as peças são adequadas para o endurecimento durante a sinterização e podem ser melhor adaptadas ao tratamento térmico convencional.
Tecnologia de Conjunto de Jatos Colidindo com a Peça
Utilizando tecnologia de conjunto de jatos colidindo (Impinging Jet Array Technology) com a peça (Fig. 3), a Sinterite’s HyperCooler produziu um fluxo acelerado da atmosfera de resfriamento de forma a balancear exatamente os fluxos fornecidos e de escape. Isto faz com que todo o fluxo de atmosfera seja vertical à esteira, o que provoca a ausência do fluxo lateral que desestabilizaria os gases do processo. Isto resulta num fluxo de atmosfera horizontal dissociada a partir da velocidade do ventilador de modo que as alterações na taxa de resfriamento não influenciem no fluxo horizontal da atmosfera.
Além disso, as taxas de resfriamento são mais elevadas do que era possível anteriormente, devido ao efeito do jato. Foi demonstrado que a taxa de resfriamento é proporcional à velocidade do soprador, tornando simples para retornar ao processo definido anteriormente, o que reduz o tempo de set-up. Devido ao projeto de conjunto de jatos, é assegurada a uniformidade do resfriamento através da esteira e em direção à esteira. A variabilidade dos parâmetros das peças é reduzida, permitindo uma produção com tolerância mais apertada.
Existem outras tecnologias que são aplicadas de forma eficaz para uma variedade de aplicações de endurecimento por sinterização. Estas tecnologias executam a função de resfriamento acelerado através de diferentes projetos, os quais incluem ventiladores com convecção forçada e tubos rotativos conectados a um soprador para a circulação posicionado acima das peças que estão sobre a esteira (Fig. 4).
Conclusão
A metalurgia do pó e o endurecimento por sinterização fornecem uma excelente solução para o projeto e a produção de peças de metal na forma acabada e com dureza controlada, com distorção mínima durante o tratamento térmico e um alto volume de produção. Se projetado e implementado corretamente, esta tecnologia pode fornecer resultados superiores para certas aplicações, em comparação com outros tipos de tecnologias de fabricação.
Para mais informações, contate: Jeff Danaher, gerente de vendas e serviços técnicos, Sinterite, uma empresa da Gasbarre Furnace Group Company, EUA; tel: +1 814-834-2200; e-mail: jdanaher@gasbarre.com; web: www.sinterite.com ou www.gasbarrefurnacegroup.com.
