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FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
BRUNA WESTPHAL SOARES
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO PÓ DE FERRO E LUBRIFICANTE EM UMA LIGA
METÁLICA DE FeCuC EM RELAÇÃO AO EMPENAMENTO DAS PEÇAS APÓS O
PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO
Porto Alegre
2019
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A influencia do tipo de pó de ferro e lubrificante em uma liga metalica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Materiais
TCC sobre a possivel influencia do tipo de pó de ferro e lubrificante em uma liga metalica
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2020
1 / 88
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FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
BRUNA WESTPHAL SOARES
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO PÓ DE FERRO E LUBRIFICANTE EM UMA LIGA
METÁLICA DE FeCuC EM RELAÇÃO AO EMPENAMENTO DAS PEÇAS APÓS O PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO Porto Alegre 2019
BRUNA WESTPHAL SOARES
ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO PÓ DE FERRO E LUBRIFICANTE EM UMA LIGA
METÁLICA DE FeCuC EM RELAÇÃO AO EMPENAMENTO DAS PEÇAS APÓS O PROCESSO DE SINTERIZAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Ritter dos Reis como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Sérgio Luiz Telles Bartex Porto Alegre 2019
Аоs meus pais Emi e Paulo, irmãs Bianca e Gabriela, sobrinho Rafael e ao amor da minha vida, meu marido Gregory que, cоm muito carinho е apoio, nãо mediram esforços para quе еu chegasse аté esta etapa dе minha vida.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente а Deus qυе permitiu qυе tudo isso acontecesse, que еm todos оs momentos é o maior mestre qυе alguém pode conhecer. Aos meus pais Emi Westphal e Paulo de Oliveira, pelo apoio, força e amor incondicional. Sem vocês a realização desse sonho não seria possível. As minhas irmãs Bianca e Gabriela Westphal, e ao meu sobrinho Rafael Westphal pelo amor e companheirismo. Ao meu marido Gregory Lagranha, por todo amor, carinho, paciência e compreensão ao longo desses anos, sem você do meu lado esse trabalho não seria possível. Aos meus sogros Claudia e Dilamar Lagranha, pelo carinho, amor e incentivo ao longo dos anos. As minhas amigas Raquel Oliveira e Walkiria Stangl, agradeço por todo amor, força, incentivo e apoio incondicional. Aos meus colegas Jonas Waszelewski, Sthefan Dambros, Eduardo Porfírio, Felipe Cabral e Everton Brazeiro do departamento de qualidade da empresa onde este trabalho foi realizado, pelo incentivo e grande ajuda com o fornecimento de material para a realização deste trabalho. À empresa por ceder espaço para a realização deste trabalho e pela grande oportunidade disponibilizada. Obrigada Régis Fazenda e Manassés Bonamigo, meus mentores, por me ensinarem a prática dos conhecimentos que adquiri na faculdade. Sou grata a todos os professores que contribuíram com a minha trajetória acadêmica, especialmente ao Sérgio Bartex, responsável pela orientação do meu projeto. Obrigado por esclarecer tantas dúvidas e ser tão atencioso e paciente.
ABSTRACT
The present work aims to analyze the influence of the replacement of iron powder and the variation of lubricant in a metallic alloy of valve guides for internal combustion engines. In order to evaluate these effects, tests were performed on a FeCuC metallic alloy, which currently uses the national iron powder and 0.5% of lubricant denominated as "lubricant A" in this work. Two guides of equal composition, with different dimensions were analyzed. The national iron powder under study is a material obtained through the water atomization process, considered an inferior material in relation to the other powders of atomized irons, due to its lower compressibility. For the study, iron powder was replaced for a more noble imported iron powder. The latter is also obtained through the atomization of water, but due to its high purity and its compact particles structure, it has high compressibility. In addition to the replacement of the iron powder, the type and content of lubricant used was also changed. The results show that the variation of the type and content of lubricant do not present significant changes in relation to the warping of the pieces, on the other hand the use of the imported iron powder caused a significant improvement towards the national iron powder. Key words : Iron powders. Lubricants. Valve guides. Water atomization process. Compressibility.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2 - Comparação entre a porcentagem de aproveitamento final da matéria
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Características químicas da liga de FeCuC em estudo ............................ 37 Tabela 2 - Relação de peneiras utilizadas para o ensaio de granulometria .............. 40 Tabela 3 - Amostras produzidas................................................................................ 41 Tabela 4 - MEV das partículas do pó de ferro importado (esquerda) e do pó de ferro nacional (direita) ........................................................................................................ 50 Tabela 5 - Resultados do ensaio de escoabilidade no ferro nacional ....................... 51 Tabela 6 - Resultados do ensaio de escoabilidade no ferro importado ..................... 52 Tabela 7 - Resultados do ensaio de densidade aparente no ferro nacional .............. 52 Tabela 8 - Resultados do ensaio de densidade aparente no ferro importado ........... 53 Tabela 9 - Média dos resultados da análise dimensional das amostras feitas com a peça 1........................................................................................................................ 54 Tabela 1 0 - Média dos resultados da análise dimensional das amostras feitas com a peça 2........................................................................................................................ 55 Tabela 1 1 - Média dos resultados de densidade das amostras feitas com a peça 1 56 Tabela 1 2 - Média dos resultados de densidade das amostras feitas com a peça 2 56 Tabela 1 3 - Média dos resultados de dureza das amostras feitas com a peça 1 ...... 57 Tabela 1 4 - Média dos resultados de dureza das amostras feitas com a peça 2 ...... 58 Tabela 1 5 - Compressibilidade de ambos os pós de ferro utilizados ........................ 59 Tabela 1 6 - Inspeção de empenamento nas amostras da peça 1 produzidas com o material importado e diferentes teores do lubrificante A ........................................... 59 Tabela 17 - Inspeção de empenamento nas amostras da peça 2 produzidas com o material importado e diferentes teores do lubrificante A ........................................... 60 Tabela 18 - Inspeção de empenamento nas amostras da peça 1 produzidas com o material importado e diferentes teores do lubrificante B ........................................... 61 Tabela 19 - Inspeção de empenamento nas amostras da peça 2 produzidas com o material importado e diferentes teores do lubrificante B ........................................... 62 Tabela 2 0 - Inspeção de empenamento nas amostras das peças 1 e 2, produzidas com o material nacional e com 0,5% do lubrificante A .............................................. 62 Tabela 2 1 - Metalografia das amostras com o pó de ferro importado e o lubrificante A .................................................................................................................................. 63 Tabela 2 2 - Metalografia das amostras com o pó de ferro importado e o lubrificante B .................................................................................................................................. 64
Tabela 2 3 - Metalografia das amostras com o pó de ferro nacional e o 0,5% do lubrificante A.............................................................................................................. 65
- Figura 1 - Diagrama do planejamento experimental
- metalúrgicos prima e consumo de energia por Kg de peças fabricadas, para variados processos
- sinterização Figura 3 - Rota produtiva de produtos sinterizados: Mistura, compactação e
- Figura 4 - Tipos de misturadores
- Figura 5 - Fluxo do processo de atomização a água
- compactado Figura 6 - Efeito da pressão de compactação sobre a pressão de ejeção do
- Figura 7 - Esquema de uma prensa uniaxial
- Figura 8 - Estágios de sinterização
- Figura 9 - Efeitos da temperatura de sinterização
- Figura 10 - Forno contínuo e suas zonas
- Figura 11 - Tipos de empenamento
- Figura 12 - Temperatura, tensões e microestrutura relacionadas
- Figura 13 - Funcionamento das válvulas de admissão e escape
- Figura 14 - Válvula, guia de válvula e assento de válvula
- sucção; c) Entrada de óleo no momento da exaustão Figura 15 - a) Guia com desgaste excessivo; b) entrada de óleo no momento da
- Figura 16 - Equipamentos para ensaio de densidade aparente e escoabilidade
- Figura 1 7 - Agitador eletromagnético
- Figura 18 - Misturador Lödige
- Figura 19 - Prensa unixial utilizada para a realização dos testes
- Figura 20 - Ciclo térmico de sinterização
- Figura 21 - Medição do comprimento das peças
- Figura 22 - Definição das zonas
- Figura 23 - Medição do diâmetro externo
- Figura 24 - Medição do diâmetro interno
- Figura 25 - Pesagem da peça fora e dentro da água
- Figura 26 - Definição das zonas
- Figura 27 - Zonas de dureza
- 1 INTRODUÇÃO
- 1.1 JUSTIFICATIVA
- 1.2 DIRETRIZES DE PESQUISA
- 1.3 QUESTÃO DE PESQUISA
- 1.4 OBJETIVO DE PESQUISA
- 1.4.1 Objetivo principal
- 1.4.2 Objetivos específicos
- 1.5 METODOLOGIA DE PESQUISA
- 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
- 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
- 2.1 METALURGIA DO PÓ
- 2.1.1 Misturas
- 2.1.2 Pós de ferro
- 2.1.2.1 O processo de atomização a água
- 2.1.2.2 Aspectos gerais
- 2.1.2.2.1 Propriedades metalúrgicas
- 2.1.2.2.2 Propriedades geométricas
- 2.1.2.2.3 Escoabilidade
- 2.1.2.2.4 Densidade aparente
- 2.1.2.2.5 Compressibilidade
- 2.1.2.2.6 Resistência verde
- 2.1.2.2.7 Spring Back
- 2.1.2.2.8 Mudanças dimensionais
- 2.1.3 Lubrificantes
- 2.1.4 Compactação
- 2.1.5 Sinterização
- 2.1.6 Fornos contínuos
- 2.1.7 Empenamento
- 2.2 VÁLVULAS E GUIAS DE VÁLVULAS
- 3 MATERIAIS E MÉTODOS
- 3.1 MATERIA PRIMA UTILIZADA
- 3.2 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
- 3.3 ESCOABILIDADE
- 3.4 DENSIDADE APARENTE
- 3.5 GRANULOMETRIA
- 3.6 MISTURA
- 3.7 COMPACTAÇÃO
- 3.8 SINTERIZAÇÃO
- 3.9 ANÁLISE DIMENSIONAL
- 3.10 DENSIDADE
- 3.11 DUREZA
- 3.12 INSPEÇÃO EMPENAMENTO
- 3.13 ENSAIO MICROGRÁFICO
- 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
- 4.1 MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA (MEV)
- 4.2 ESCOABILIDADE
- 4.3 DENSIDADE APARENTE
- 4.4 GRANULOMETRIA
- 4.5 ANÁLISE DIMENSIONAL
- 4.6 DENSIDADE
- 4.7 DUREZA
- 4.8 COMPRESSIBILIDADE
- 4.9 INSPEÇÃO DE EMPENAMENTO
- 4.10 ENSAIO MICROGRÁFICO
- 5 CONCLUSÃO
- REFERÊNCIAS
- importado e com diferentes teores do lubrificante A ANEXO A - Tabela dimensional da peça 1 produzida com o pó de ferro
- importado e com diferentes teores do lubrificante A ANEXO B - Tabela dimensional da peça 2 produzida com o pó de ferro
- importado e com diferentes teores do lubrificante B ANEXO C - Tabela dimensional da peça 1 produzida com o pó de ferro
- importado e com diferentes teores do lubrificante B ANEXO D - Tabela dimensional da peça 2 produzida com o pó de ferro
- e 0,5% do lubrificante A ANEXO E - Tabela dimensional da peça 1 produzida com o pó de ferro nacional
ANEXO F - Tabela dimensional da peça 2 produzida com o pó de ferro nacional e 0,5% do lubrificante A .......................................................................................... 75 ANEXO G - Tabelas de densidade das amostras da peça 1 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante A ............................ 76 ANEXO H - tabelas de densidade das amostras da peça 2 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante A ............................ 77 ANEXO I - Tabelas de densidade das amostras da peça 1 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante B ............................ 78 ANEXO J - Tabelas de densidade das amostras da peça 2 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante B ............................ 79 ANEXO K - Tabelas de densidade das amostras das peças 1 e 2 produzidas com o pó de ferro nacional e com 0,5% do lubrificante A ................................... 80 ANEXO L - Tabelas de dureza das amostras da peça 1 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante A ................................. 81 ANEXO M - Tabelas de dureza das amostras da peça 2 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante A ................................. 82 ANEXO N - Tabelas de dureza das amostras da peça 1 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante B ................................. 83 ANEXO O - Tabelas de dureza das amostras da peça 2 produzidas com o pó de ferro importado e com diferentes teores do lubrificante B ................................. 84 ANEXO P - Tabelas de dureza das amostras das peças 1 e 2 produzidas com o pó de ferro nacional e com 5% do lubrificante A ................................................. 85 ANEXO Q - Resultados do ensaio de granulometria no ferro nacional .............. 86 ANEXO R - Resultados do ensaio de granulometria no ferro importado .......... 87
1.1 JUSTIFICATIVA
Em motores de combustão interna, as guias de válvula possuem a função de posicionar adequadamente as válvulas que controlam a entrada e saída de gases do motor. Possíveis falhas geométricas nas guias podem promover problemas de funcionamento, como por exemplo, consumo excessivo de combustível e óleo, batidas internas, pressão excessiva no cárter e fumaça negra nos gases descartados. De certo período, uma empresa do ramo automobilístico, que produz guias e assentos de válvulas, vem se deparando com elevado número de sucata devido ao empenamento de guias de válvulas após o processo de sinterização. Após diversos testes já realizados com intuito de sanar o problema, porém, sem êxito, o presente estudo foi proposto. 1.2 DIRETRIZES DE PESQUISA As guias de válvula são componentes que ficam localizadas no interior do cabeçote do motor, responsável por realizar função de suma importância, pois a mesma tem função de guiar a válvula para a liberação dos fluidos. Além disso, as guias também estão sujeitas a esforços de fricção lateral, gerados pelo movimento alternativo das válvulas, são responsáveis também pela dissipação de calor das hastes das válvulas e por manter o alinhamento correto do conjunto, para o selamento correto da câmara de combustão. O perfeito funcionamento das guias é essencial para o bom desempenho do motor, possíveis falhas geométricas nas mesmas poderiam causar inúmeros problemas de funcionamento. 1.3 QUESTÃO DE PESQUISA Alterações no pó de ferro e lubrificante utilizados em uma liga metálica de guias de válvula promovem influência no empenamento das peças após o processo de sinterização?
1.4 OBJETIVO DE PESQUISA
O presente item dispõe de objetivos principais e específicos. 1.4.1 Objetivo principal O presente trabalho tem como objetivo principal analisar a influência da troca do pó de ferro e da variação de lubrificante em uma liga metálica de FeCuC e suas relações com as deformações nas peças sinterizadas. 1.4.2 Objetivos específicos a) Substituição no pó de ferro utilizado; b) Sinterização de amostras com diferentes tipos e teores de lubrificantes; c) Análise dimensional de peças sinterizadas; d) Realização de ensaios metalográficos; e) Análise dos resultados encontrados; 1.5 METODOLOGIA DE PESQUISA O presente trabalho caracteriza-se por ser de naturaza quantitava, a partir de ensaios para a análise de relação entre causas e efeitos, tendo em vista a avaliação da influência da troca do pó de ferro e a variação de lubrificante em uma liga metálica em relação a deformações nas peças sinterizadas, a elaboração da pesquisa será realizada mediante a revisão bibliografica. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO Nessa etapa será apresentado o planejamento experimental, a partir dele foi conduzida a realização dos ensaios a serem analisados. Segundo Button ( 2016 , p. 7 ), um planejamento experimental adequado permite, além do aprimoramento de processos, a redução da variabilidade de resultados, a redução de tempos de análise e dos custos envolvidos.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nesta etapa do trabalho será apresentada a fundamentação teórica adotada para a elaboração da estruturação e desenvolvimento do estudo proposto. 2.1 METALURGIA DO PÓ O processo de metalurgia do pó teve grande crescimento principalmente devido à facilidade de produção de peças com diferentes formas e modelos complexos que seriam impossíveis por qualquer outro tipo de processo metalúrgico (STADTLER, 1989). Também chamado por sua abreviação MP ou M/P, o processo é iniciado na produção de pó solidificando nas geometrias desejadas e por fim é compactado com auxílio de matrizes e punções. Os ganhos de resistência mecânica são obtidos na sinterização (DOWNSON, 1990). Segundo Hanejko (1996) a metalurgia do pó é a tecnologia mais moderna atualmente. A indústria automobilística foi a primeira a utilizar desta tecnologia para produção de produtos magnéticos macios. Fazendo uma análise crítica em cima do mercado de produtos desenvolvidos a partir da metalurgia do pó nota-se que 60% dos componentes fabricados tem a necessidade de apenas uma etapa de acabamento posterior. Tendo em vista que operações de usinagem provocam, em média, um acréscimo de 20% no custo total de produção de um componente (HOGANAS, 2004). Devido ao fato da MP ser um sistema de produção onde tem mínimos valores de desperdício de matéria-prima, como pode se observar na compilação apresentada na figura 2, ela vem se tornando um dos processos mais competitivos para a produção de peças com formas complexas (PALLINI, 2006).
Figura 2 - Comparação entre a porcentagem de aproveitamento final da matéria prima e consumo de energia por Kg de peças fabricadas, para variados processos metalúrgicos Fonte: Adaptado de PALLINI, 2006 A metalurgia do pó pode ser distinguida entre duas áreas distintas, a produção de pós-metálicos e o processo de produção de peças. Em geral a metalurgia do pó é reconhecida por ser dividia em três etapas principais, a mistura, compactação e a sinterização (WHITTAKER, 2000). Figura 3 - Rota produtiva de produtos sinterizados: Mistura, compactação e sinterização Fonte: PALLINI, 2006