BRPI0803956B1

BRPI0803956B1 - composição metalúrgica de materiais particulados e processo de obtenção de produtos sinterizados autolubrificantes

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Publication number: BRPI0803956B1
Application number: BRPI0803956A
Authority: BR
Inventors: Roberto Binder; Cristiano Binder; Gisele Hammes; Moisés Luiz Parucker; Waldyr Ristow Junior; Aloisio Nelmo Klein
Original assignee: Whirlpool S.A.; Universidade Federal De Santa Catarina; Lupatech S.A.
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2018-11-21
Also published as: JP2012502183A; WO2010028470A2; KR20110059760A; JP2016104907A; US9243313B2; WO2010028470A8; WO2010028470A3; CN102202816A; CN102202816B; US20110212339A1; US10835957B2; US20190030607A1; EP2524749A1; KR101321110B1; ES2524371T3; SG177210A1; EP2331279A2; US10166604B2; ES2524262T3; JP5904792B2

Abstract

a composição metalúrgica compreende um material metálico particulado principal, por exemplo ferro ou níquel, e pelo menos um elemento de liga endurecedor do material metálico principal , formadores de uma matriz estrutural (10); um lubrificante sólido particulado (20), como grafita, nitreto hexagonal de boro ou mistura de ambos; e um elemento de liga particulado, capaz de formar, durante a sinterização da composição conformada por compactação ou por moldagem por injeçáo,uma fase liquida, aglomerando o lubrificante sólido (20) em partículas discretas. a composição pode compreender um componente de liga para estabilizar a fase alfa da matriz de ferro, durante a sinterização, para evitar que o lubrificante sólido grafita seja solubilizado no ferro. a invenção envolve ainda um produto sinterizado autolubrificante, obtido da composição e ainda seu processo de obtenção.

Description

(54) Título: COMPOSIÇÃO METALÚRGICA DE MATERIAIS PARTICULADOS E PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PRODUTOS SINTERIZADOS AUTOLUBRIFICANTES (73) Titular: WHIRLPOOL S.A., Empresa Brasileira. CGC/CPF: 59105999000186. Endereço: AV. DAS NAÇÕES UNIDAS, 12.995, 32° ANDAR - BROOKLIN NOVO, SP, BRASIL(BR), 04578-000; UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA. CGC/CPF: 83899526000182. Endereço: Campus Universitário Reitor João David Ferreira Lima, Trindade, Florianópolis, SC, BRASIL(BR), 88040-900; LUPATECH S.A., Empresa Brasileira. CGC/CPF: 89463822000112. Endereço: Rua Dalton Lahn dos Reis, 201, Distrito Industrial, Caxias do Sul, RS, BRASIL(BR), 95112-090 (72) Inventor: ROBERTO BINDER; CRISTIANO BINDER; GISELE HAMMES; MOISÉS LUIZ PARUCKER; WALDYR RISTOW JUNIOR; ALOISIO NELMO KLEIN.

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 21/11/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 21/11/2018

Assinado digitalmente por:

Alexandre Gomes Ciancio

Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

1/27

COMPOSIÇÃO METALÚRGICA DE MATERIAIS PARTICULADOS E PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PRODUTOS SINTERIZADOS AUTOLUBRIFICANTES.

Campo da Invenção [001] A presente invenção diz respeito às técnicas específicas de fabricação de produtos acabados (peças) e semiacabados (artigos diversos) conformados a partir de uma composição metalúrgica de materiais particulados (na forma de pós metálicos e não metálicos) e a serem sinterizados, ditos produtos compreendendo, além dos elementos constitutivos da matriz metálica estrutural do produto a ser formado durante a etapa de sinterização, um lubrificante sólido, em forma particulada, disperso na matriz metálica, levando à formação da microestrutura de um produto compósito autolubrificante, com matriz metálica continua, e capaz de imprimir, aos produtos sinterizados, um baixo coeficiente de atrito aliado a elevadas resistência mecânica e dureza da peça ou produto sinterizado. A invenção abrange a referida composição metalúrgica para formação do produto compósito autolubrificante (peças), por sinterização, a partir da referida composição e ainda as técnicas ou processos alternativos específicos para a obtenção das referidas peças ou produtos por metalurgia do pó.

Histórico da Invenção [002] Na engenharia mecânica, cresce a busca pela obtenção de materiais para aplicações nas quais se requer propriedades como elevada resistência mecânica e ao desgaste, aliadas a um baixo coeficiente de atrito.

[003] Atualmente, problemas de desgaste e corrosão somados, representam perdas de 2% a 5% do PIB mundial; cerca

Petição 870180124654, de 03/09/2018, pág. 11/18

2/27 de 35% de toda energia mecânica produzida no planeta é perdida por deficiência em lubrificação, sendo convertida em calor por atrito. Além da perda de energia, o calor gerado prejudica o desempenho do sistema mecânico pelo aquecimento. Assim, manter o coeficiente de atrito baixo em peças mecânicas que se atritam é de fundamental importância, não só para economizar energia, mas também, para aumentar a durabilidade das mesmas e dos sistemas mecânicos onde operam; além disso, contribui para a preservação do meio ambiente.

[004] A forma utilizada para reduzir desgaste e atrito entre superfícies em movimento relativo é manter estas separadas, intercalando entre elas uma camada de lubrificante. Dentre as possíveis formas de lubrificação, a hidrodinâmica (lubrificantes fluidos) é a mais utilizada. Na lubrificação hidrodinâmica é formada uma película de óleo que separa completamente as superfícies em movimento relativo. Deve ser salientado, no entanto, que o uso de lubrificantes fluidos é muitas vezes problemático, como em aplicações para temperaturas muito altas ou muito baixas, em aplicações onde o lubrificante fluido pode reagir quimicamente e quando o lubrificante fluido pode agir como contaminante. Além disso, em situações de lubrificação limite, decorrentes de paradas de ciclo ou em situações de impossibilidade de formação de um filme de óleo contínuo, existe o contato entre as peças e, consequentemente, o desgaste.

[005]

A lubrificação a seco, isto é, com a utilização de lubrificantes sólidos, é uma alternativa à lubrificação tradicional, pois atua pela presença de uma camada de lubrificante que impede o contato entre as superfícies dos componentes, sem apresentar, porém, o rompimento da camada

3/27 formada .

[006] Os lubrificantes sólidos têm sido bastante aceitos em áreas de lubrificação problemática. Eles podem ser utilizados em temperaturas extremas, sob altas cargas e em ambientes quimicamente reativos, onde lubrificantes convencionais não podem ser utilizados. Além disso, a lubrificação a seco (lubrificantes sólidos) é uma alternativa ambientalmente mais limpa.

[007] O lubrificante sólido pode ser aplicado aos componentes de um par tribológico, na forma de filmes (ou camadas) depositados ou gerados na superfície dos componentes ou incorporado ao volume do material de ditos componentes, na forma de partículas de segunda fase. No caso da aplicação de filmes ou camadas específicas, quando acontece desgaste destes filmes ou camadas, ocorre o contato metal-metal e o consequente e rápido desgaste das superfícies desprotegidas confrontantes e dos componentes relativamente móveis. Nessas soluções de aplicação de filmes ou camadas, deve ser ainda considerada a dificuldade de reposição do lubrificante, sua oxidação e sua degradação.

[008] Assim, uma forma mais adequada e que permite aumentar o tempo de vida do material, ou seja, dos componentes, é a incorporação do lubrificante sólido no volume do material constitutivo do componente, de modo a estruturar o componente, em um material compósito de baixo coeficiente de atrito. Isto é possível por meio da tecnologia de processamento de materiais a partir de pós, ou seja, pela conformação de uma mistura de pó por compactação, incluindo prensagem, laminação, extrusão e outros, ou ainda por moldagem por injeção, seguida de sinterização, para obtenção

4/27 de um material compósito contínuo, geralmente já na geometria e nas dimensões finais (produto acabado) ou em geometria e dimensões próximas das finais (produto semi-acabado).

[009] Componentes mecânicos autolubrificantes (produtos da metalurgia do pó) apresentando baixo coeficiente de atrito, tal como buchas autolubrificantes sinterizadas, produzidas via metalurgia do pó, a partir de materiais compósitos, compreendendo um precursor particulado, formador da matriz estrutural da peça, e um lubrificante sólido particulado, a ser incorporado na matriz estrutural da peça, vêm encontrando uso em eletrodomésticos e pequenos equipamentos diversos, como: impressoras, barbeadores elétricos, furadeiras, liquidificadores, entre outros. Na maior parte dos casos já bem conhecidos da técnica, para a matriz estrutural utiliza-se bronze, cobre, prata, e ferro puro. Como lubrificante sólido utiliza-se: dissulfeto de molibdênio (MoS₂) , prata (Ag), politetrafluoretileno (PTFE) e disseleneto de molibdênio (MoSe₂) - Este tipo de bucha autolubrificante, principalmente com matriz de bronze e cobre contendo, como partículas de lubrificante sólido, pó de grafita, dissulfeto de molibdênio e selênio e metais de baixo ponto de fusão, tem sido produzido e utilizado há décadas em diversas aplicações de engenharia.

[0010] No entanto, estas peças não apresentam elevada resistência mecânica, em função do seu elevado teor volumétrico (de 25% a 40%) de partículas de lubrificante sólido, o que resulta em um baixo grau de continuidade da fase matriz, que é o elemento microestrutural responsável pela resistência mecânica da peça. Este elevado teor de lubrificante sólido tem sido considerado necessário para a

5/27 obtenção de um baixo coeficiente de atrito em uma situação onde tanto as propriedades mecânicas da matriz metálica (resistência e dureza) quanto os parâmetros microestruturais, como o tamanho das partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz e o livre caminho médio entre estas no material compósito formado, não eram otimizados. 0 elevado percentual volumétrico de lubrificante sólido, que possui baixa resistência intrínseca ao cisalhamento, não contribui para a resistência mecânica da matriz metálica.

[0011] Além disso, a baixa dureza da matriz metálica permite a obstrução gradativa das partículas de lubrificante sólido na superfície de contato do material ou produto sinterizado. Assim, para manter um coeficiente de atrito suficientemente baixo, um percentual volumétrico elevado de lubrificante sólido tem sido tradicionalmente utilizado na composição de materiais compósitos autolubrificantes a seco.

[0012] Um cenário parcialmente diferenciado e mais evoluído, se comparado com o do descrito anteriormente, é apresentado no documento US6890368, que propõe um material compósito autolubrificante para utilização em temperaturas no intervalo entre 300°C a 600°C, com resistência a tração suficiente (6_t 2 400MPa) e coeficiente de atrito menor que 0,3. Este documento apresenta uma solução para a obtenção de peças ou produtos de baixo coeficiente de atrito, sinterizados a partir de uma mistura de material particulado de formação de uma matriz estrutural metálica e incluindo, como partículas de lubrificante sólido em seu volume, principalmente nitreto hexagonal de boro, grafita ou uma mistura destes e afirma que o referido material é adequado para utilização em temperaturas no intervalo entre 300°C a

6/27

600°C, com resistência a tração suficiente (õ_t h 400MPa) e coeficiente de atrito menor que 0,3.

[0013] Ocorre que peças ou produtos obtidos a partir da consolidação de uma mistura de pós na qual estão presentes ao mesmo tempo os pós da matriz estrutural e os pós de lubrificante sólido, como por exemplo, nitreto hexagonal de boro e grafita, apresentam baixa resistência mecânica e fragilidade estrutural após sua sinterização.

[0014] A deficiência acima citada é decorrência da dispersão inadequada, por cisalhamento, da fase lubrificante sólido 20 entre as partículas de pó da matriz estrutural 10, da condição ilustrada na figura IA dos desenhos anexos, para a condição ilustrada na figura 1B, durante as etapas de mistura e de conformação (densificação) das peças ou produtos a serem produzidos. O lubrificante sólido 20 se espalha, por cisalhamento, entre as partículas da fase matriz estrutural 10, tendendo envolvê-las, durante as etapas de mistura e de conformação como por compactação, por prensagens de pós, laminação de pós, extrusão de pós, bem como por moldagem de pós por injeção, as quais imprimem, ao referido lubrificante sólido, tensões que ultrapassam a sua baixa tensão de cisalhamento, conforme esquematicamente ilustrado na figura 1B dos desenhos anexos.

[0015] Por outro lado, a presença da camada de lubrificante sólido entre as partículas (do pó) da matriz estrutural, quando se trata de um lubrificante sólido solúvel na matriz, não atrapalha a formação de necks de sinterização entre as partículas da matriz metálica estrutural do compósito. No entanto, neste caso, o lubrificante sólido, ao ser dissolvido, durante a

7/27 sinterização da peça, perde a sua função de lubrificar, pois a fase de lubrificante sólido desaparece por dissolução na matriz. Quando se trata de lubrificante sólido insolúvel na matriz estrutural, como é o caso do nitreto hexagonal de boro, a camada 21 formada por cisalhamento (ver Figura 1B) atrapalha a formação de contatos metálicos entre estas partículas formadoras da matriz estrutural 10 do compósito durante a sinterização; isto contribui para a diminuição do grau de continuidade da fase matriz estrutural 10 do material compósito, fragilizando estruturalmente o material e os produtos obtidos.

[0016] Em função das limitações acima, torna-se necessária uma solução técnica tanto para evitar a solubilização dos lubrificantes solúveis na matriz estrutural, como para reagrupar o lubrificante sólido não solúvel, disperso na forma de camada 21 nas etapas de homogeneização mecânica e de conformação (densificação) da mistura de materiais particulados, em partículas discretas durante a sinterização.

[0017] Situação semelhante à descrita ocorre quando da mistura de partículas de lubrificante sólido não solúvel com partículas da matriz estrutural do material compósito, o lubrificante sólido 20 possuindo tamanho de partícula muito menor do que aquele das partículas do material que forma a matriz estrutural 10 do compósito (ver figura 2B dos desenhos anexos). Neste caso, as partículas muito mais finas do lubrificante sólido 20 tendem a formar uma camada 21 relativamente contínua entre as partículas do pó metálico da matriz estrutural 10, mesmo sem tensões cisalhantes durante as etapas de processamento anteriores à sinterização. A camada 21, quase contínua, de particulado fino do

8/27 lubrificante sólido 20, prejudica a sinterização entre as partículas da matriz estrutural metálica 10, fragilizando estruturalmente a peça final. Em casos de fases insolúveis, uma distribuição mais adequada é aquela em que as partículas do material particulado da matriz do compósito e as partículas do lubrificante sólido a ser disperso na matriz apresentam tamanho de partícula da mesma ordem de grandeza (ver figura 2A).

[0018] Como a matriz estrutural 10 metálica é o único elemento microestrutural da composição que confere resistência mecânica ao material compósito a ser formado, quanto maior o grau de continuidade da matriz metálica do referido compósito, maior será a resistência mecânica do artigo ou peça sinterizada produzida com o material. A manutenção do elevado grau de continuidade da matriz estrutural metálica do material compósito autolubrificante a seco sinterizado requer, além de baixa porosidade, baixo percentual volumétrico da fase lubrificante sólido, já que este não contribui para a resistência mecânica do material e, em decorrência, não contribui para a resistência mecânica dos produtos sinterizados.

[0019] Portanto, torna-se necessária uma solução técnica tanto para evitar a solubilização dos lubrificantes quando solúveis na matriz, como para reagrupar o lubrificante sólido que, por cisalhamento, durante as etapas de homogeneização mecânica da mistura e de conformação (densificação), resultou em uma distribuição na forma de camadas no volume do material, atrapalhando a sinterização o grau de continuidade da matriz estrutural 10 do compósito.

lubrificante sólido 20 deve estar disperso no volume do

9/27 material compósito, na forma de partículas discretas, distribuídas uniformemente, isto é, com um livre caminho médio, λ, regular entre as partículas da matriz estrutural 10, metálica (ver figura 3). Isto permite gerar maior eficiência de lubrificação e, ao mesmo tempo, maior grau de continuidade da matriz do compósito, garantindo maior resistência mecânica ao material compósito autolubrificante, formado durante a sinterização, conforme ilustrado na figura 3 .

[0020] As composições preparadas para gerar compósitos autolubrificantes que apresentam como material para formação da matriz, o elemento metálico ferro ou ligas ferrosas e tendo, ao mesmo tempo, a grafita como lubrificante sólido, resultam em um material compósito sinterizado autolubrificante com uma matriz que pode resultar excessivamente dura e fragilizada e com um coeficiente de atrito acima do esperado e desejado, em decorrência da solubilizaçao do carbono pela matriz ferro.

[0021]

Nas elevadas temperaturas de sinterização

723°C) o elemento químico carbono da grafita é solubilizado na estrutura cúbica de faces centradas do ferro (ferro gama) ou da liga ferrosa austenítica. Assim, a utilização de lubrificante sólido contendo grafita resulta em uma indesejável reação do carbono com o ferro, durante a sinterização, a partir de temperaturas acima de 723°C, resultando em uma peça com reduzida ou nenhuma propriedade autolubrificante, pois todo ou grande parte do carbono da grafita deixa de operar como lubrificante sólido, formando carboneto de ferro.

[0022] O referido documento US6890368 apresenta uma

10/27 solução de material de formação de matriz metálica no qual, para evitar a interação do lubrificante sólido, definido pela grafita, com as partículas da matriz estrutural ferrosa, é provido o revestimento prévio das partículas de grafita com um metal que, durante as altas temperaturas de sinterização, minimiza a possibilidade de interação da grafita encapsulada a matriz estrutural ferrosa.

[0023] Apesar de a solução sugerida no documento US6890368 resolver o problema de perda do lubrificante sólido grafita durante a sinterização da peça pelo encapsulamento da grafita, este mesmo encapsulamento dificulta o espalhamento da grafita para formação de uma camada na superfície de trabalho das peças quando em serviço (quando atritadas em movimento relativo), diminuindo a realimentação com lubrificante sólido, tornando a lubrificação menos eficiente. Além disso, apenas o encapsulamento da grafita não resolve o problema de fragilização da matriz metálica quando o lubrificante sólido contém nitreto hexagonal de boro, que pode, por cisalhamento, gerar um filme entre as partículas da matriz durante as etapas de mistura mecânica em moinhos e de conformação (densificação). 0 problema de fragilização da peça sinterizada, em função do cisalhamento do lubrificante sólido nitreto hexagonal de boro, não é discutido no referido documento norte-americano anterior, apesar desse documento considerar a compactação e a pré-sinterização como uma das possíveis técnicas de moldagem da peça a ser sinterizada, contendo o referido lubrificante sólido de baixa tensão de cisalhamento.

[0024] Além das deficiências acima, a referida solução de encapsulamento da grafita apresenta um elevado custo em

11/27 função dos materiais envolvidos e da necessidade de tratamento prévio de metalização desse lubrificante sólido.

[0025] Além disso, os tipos de matriz, em geral utilizados até recentemente, para a fabricação de peças ou produtos, em materiais compósitos autolubrificantes, não apresentam a dureza necessária para evitar que as partículas da fase lubrificante sólido sejam encobertas rapidamente pela fase matriz por micro-deformação plástica, decorrente dos esforços mecânicos a que a superfície de trabalho da peça é submetida, dificultando a manutenção de uma tribocamada pelo espalhamento do lubrificante sólido na referida superfície de trabalho da peça.

[0026] A matriz metálica do material necessita elevada resistência à deformação plástica para operar não só como suporte mecânico com a necessária capacidade de carregamento, como também para evitar que as partículas de lubrificante sólido sejam encobertas por escoamento plástico da matriz estrutural durante o funcionamento da peça (quando atritadas em movimento relativo) , impedindo o espalhamento do lubrificante sólido na interface onde ocorre o movimento relativo entre as peças.

Sumário da Invenção [0027] É, portanto, um objetivo da presente invenção prover uma composição metalúrgica de material compósito, formado por uma matriz estrutural metálica e por um lubrificante sólido não-metálico, e que seja adequada para a fabricação, por meio de operações de conformação (densificação) e de sinterização, de produtos sinterizados (acabados e semi-acabados), apresentando baixo coeficiente de atrito aliado a uma elevada resistência mecânica e elevada

12/27 dureza.

[0028] É igualmente um objetivo de a presente invenção prover uma composição metalúrgica de material compósito para fabricação, por meio de operações de conformação (densificação) e de sinterização, de produtos sinterizados, tal como acima citado e que não exija o tratamento prévio do lubrificante sólido particulado contendo carbono, isto é, da grafita, quando aplicado a uma matriz a base de ferro ou de liga ferrosa, mesmo que esta permita a dissolução do carbono nas temperaturas de sinterização.

[0029] Um objetivo adicional da presente invenção é prover uma composição tal como acima citada e que seja de obtenção fácil e de baixo custo.

[0030] É igualmente um objetivo de a presente invenção prover um produto sinterizado, obtido a partir de uma conformação, por compactação via prensagem, laminação, extrusão e outros ou por moldagem por injeção, seguida de uma sinterização, da composição acima definida e que apresente um alto grau de continuidade da matriz estrutural metálica, um baixo coeficiente de atrito e uma alta resistência mecânica, utilizando um lubrificante sólido compreendendo, por exemplo, grafita, nitreto hexagonal de boro ou mistura de ambos.

[0031] É igualmente um objetivo da presente invenção prover um processo de obtenção de produtos sinterizados, por meio de conformação evite a necessidade composição utilizada, (densificação) e sinterização, e que de preparo prévio de partículas da para garantir a continuidade da matriz metálica e os desejados valores de coeficiente de atrito e de resistência mecânica do produto obtido.

[0032] Em um primeiro aspecto da presente invenção, os

13/27 objetivos acima são alcançados através de uma composição metalúrgica de material compósito, para a fabricação de produtos compósitos autolubrificantes e sinterizados, previamente conformados por uma das operações de compactação e de moldagem por injeção de dita composição, a qual compreende uma mistura de: um material particulado, definidor de uma matriz estrutural metálica; um material particulado, definidor de um lubrificante sólido passível de cisalhar e formar uma camada sobre as partículas do material de formação da matriz estrutural metálica, quando da homogeneização mecânica da mistura dos componentes ou da conformação (densificação) da composição do material compósito; e pelo menos um material particulado definindo um elemento de liga particulado (elemento químico) capaz de formar uma fase líquida durante a sinterização, por reação com a matriz do material compósito, permitindo reverter, durante a sinterização, a distribuição desfavorável do lubrificante sólido presente em forma de camada.

[0033] A fase líquida, formada por interdifusão dos componentes da mistura de particulados, ao se espalhar por sobre as partículas do material da matriz, presentes no material em formação, penetra entre estas e a camada de lubrificante sólido aderido, removendo-o e provocando a aglomeração do lubrificante sólido em partículas discretas dispersas no volume do material da matriz, permitindo a geração de continuidade de matéria entre as partículas da fase matriz durante a sinterização.

[0034] Em um outro aspecto da presente invenção, é provida uma composição metalúrgica de material compósito, para a fabricação de produtos sinterizados a partir de um componente

14/27 previamente conformado (densifiçado) com a composição acima definida e que compreende uma mistura de: um material particulado definidor de uma matriz estrutural metálica (matriz do compósito) e de um material particulado definidor de um lubrificante sólido passível de reação com o material particulado da matriz estrutural metálica, nas temperaturas de sinterização deste último material particulado; e pelo menos um material particulado definindo um componente de liga estabilizador da fase alfa do material da matriz estrutural metálica (matriz do compósito) nas ditas temperaturas de sinterização.

[0035] Em um outro aspecto da presente invenção, os objetivos acima são alcançados através de um produto sinterizado compreendendo uma matriz estrutural metálica obtida por qualquer uma das composições anteriores e apresentando dispersão de partículas discretas de lubrificante sólido, sendo a matriz estrutural metálica contínua e apresentando uma quantidade de lubrificante sólido igual àquela contida na dita composição metalúrgica utilizada para a formação do produto.

[0036] Em um outro aspecto da presente invenção, os objetivos acima são alcançados através de um processo de obtenção de um produto sinterizado a partir da composição metalúrgica acima definida e apresentando dispersão de partículas de lubrificante sólido, dito processo compreendendo as etapas de: a- misturar, em quantidades prédeterminadas, os materiais particulados definidores da composição metalúrgica e realizar a homogeneização, por exemplo mecânica e em moinho/misturador; b- prover a conformação (densificação) da mistura obtida, imprimindo à

15/27 dita mistura, o formato do produto (peça) a ser sinterizado; e c- sinterizar o material pré-compactado.

[0037] Quando a conformação da composição metalúrgica, previamente à sinterização, for realizada por extrusão ou por moldagem por injeção é necessário incluir na dita composição um ligante orgânico par imprimir fluidez à composição durante a fase de conformação.

[0038] 0 material compósito autolubrificante obtido com a presente invenção pode ser utilizado para a fabricação de componentes de elevada resistência mecânica, ou seja, para fabricação de componentes mecânicos tais como engrenagens, pinhões, coroas, garfos e acionadores, pistões e bielas para compressores, etc. e não só para buchas autolubrificantes a seco.

[0039] O elevado desempenho mecânico e tribológico simultâneos são decorrentes da aplicação de uma série de requisitos específicos relacionados às propriedades mecânicas da matriz e aos parâmetros micro-estruturais projetados para o material da composição, que são os seguintes: dureza e resistência mecânica da matriz, tamanho e livre caminho médio entre as partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz; grau de continuidade da matriz; percentual volumétrico de partículas de lubrificante sólido dispersas na matriz metálica; e estabilidade relativa entre a fase lubrificante sólido e a matriz.

Breve Descrição dos Desenhos [0040] A seguir, a invenção será descrita com base nos desenhos em anexo, dados a título de exemplo de concretizações da invenção e nos quais:

[0041] A figura IA representa, esquematicamente, uma

16/27 porção da microestrutura da composição de material particulado da técnica anterior, compreendendo uma matriz estrutural e um lubrificante sólido contendo nitreto hexagonal de boro e/ou grafita, antes de ter sido submetida à operação de homogeneização mecânica da mistura dos materiais particulados e de conformação (densificação) da peça, antes da sinterização;

[0042] A figura 1B representa uma vista semelhante à da figura IA, mas ilustrando a microestrutura da mesma composição de material particulado da técnica anterior, após ter sido homogeneizada e conformada, com a formação de uma camada de lubrificante sólido entre as partículas da matriz estrutural;

[0043] A figura 2A representa, esquematicamente, uma porção da microestrutura da composição ou mistura do material particulado da matriz estrutural metálica com o material do lubrificante sólido particulado tendo um tamanho de partícula semelhante (mesma ordem de grandeza) ao tamanho de partícula da matriz estrutural metálica, favorecendo o grau de continuidade da mesma;

[0044] A figura 2B representa, esquematicamente, uma porção da microestrutura da composição do material particulado da matriz estrutural, com o lubrificante sólido tendo tamanho de partícula muito menor que o da matriz estrutural metálica, com o que as partículas muito mais finas do lubrificante sólido tendem a formar uma camada relativamente contínua entre as partículas da matriz estrutural metálica, mesmo na ausência de tensões cisalhantes durante as etapas de processamento anteriores à sinterização; [0045] A figura 3 mostra, esquematicamente, o lubrificante

17/27 sólido na forma de partículas discretas distribuídas uniformemente, com um livre caminho médio λ regular entre elas, em uma porção da microestrutura da composição de material particulado objeto da presente invenção;

[0046] A figura 4 representa uma fotografia da microestrutura do produto sinterizado autolubrificante cuja matriz estrutural é uma liga ferrosa, evidenciando as partículas de grafita e de nitreto hexagonal de boro e a provisão da fase líquida dispersa entre o material particulado da matriz estrutural durante a sinterização.

[0047] A figura 5 representa, esquematicamente e em diagrama simplificado, um exemplo de compactação na formação de uma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado, dita compactação sendo feita de modo a prover uma camada autolubrificante em duas faces opostas do produto a ser sinterizado;

[0048] As figuras 6A, 6B e 6C representam exemplos de produtos cuja conformação é obtida por compactação, realizada por extrusão, respectivamente, de uma barra de material compósito autolubrificante, de um tubo em material compósito autolubrificante e de uma barra com núcleo em liga metálica revestido com uma camada externa com material autolubrificante; e [0049] A figura 7 representa, esquematicamente e em diagrama simplificado, um exemplo de compactação na formação de uma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado, dita compactação sendo feita por laminação de um material compósito autolubrificante sobre as faces opostas de uma chapa ou tira em liga metálica.

Descrição da Invenção

18/27 [0050] Conforme já anteriormente mencionado, um dos objetivos da invenção é o de prover uma composição metalúrgica de materiais particulados, que possa ser homogeneamente misturada e conformada (densifiçada) por compactação (prensagem, laminação, extrusão) ou por moldagem por injeção, para que possa assumir uma geometria definida (peça) a ser submetida a uma sinterização, para a obtenção de um produto que apresente elevada dureza, resistência mecânica e reduzido coeficiente de atrito, em relação aos produtos obtidos pelos ensinamentos do estado da técnica. A composição metalúrgica em questão compreende um material metálico particulado principal, preponderante na formação da composição, e pelo menos um elemento endurecedor de liga, particulado, sendo esses componentes os responsáveis pela formação de uma matriz estrutural 10 no produto compósito a ser sinterizado.

[0051] De acordo com a invenção, o material metálico particulado principal é geralmente ferro, definindo uma matriz estrutural ferrosa.

[0052] Na composição que utiliza o ferro como material metálico particulado principal, o elemento endurecedor de liga particulado, com função endurecedora da matriz, é definido, por exemplo, por pelo menos um dos elementos selecionados de cromo, molibdênio, carbono, silício, manganês e níquel, devendo ser entendido que poderão ser utilizados outros elementos que realizem a mesma função na matriz estrutural 10. Deve ser observado que a invenção requer a provisão de um elemento endurecedor de liga que possa realizar uma função de endurecimento da matriz estrutural 10 a ser formada, não devendo esse aspecto ser limitado aos

19/27 exemplificados elementos de liga aqui apresentados.

[0053] Além dos componentes formadores da matriz estrutural 10, a composição em questão compreende um lubrificante sólido particulado 20, não-metálico que é preferivelmente, mas não exclusivamente, definido por nitreto hexagonal de boro, grafita ou ainda por uma mistura de ambos em qualquer proporção, dito lubrificante sólido particulado 20 representando um percentual volumétrico menor ou igual a cerca de 15% do volume do material compósito a ser formado, o que constitui um percentual muito menor do que os usuais 25% a 40% da técnica anterior, contribuindo, de modo relevante, para um maior grau de continuidade da matriz estrutural 10 e, consequentemente, para uma maior resistência mecânica do produto sinterizado a ser obtido.

[0054] Conforme já mencionado na discussão da técnica anterior e ilustrado nas figuras IA, 1B, 2A e 2B, em razão da baixa tensão de cisalhamento do lubrificante sólido particulado e não-metálico utilizado na formação da composição e, posteriormente, do produto sinterizado compósito, durante as etapas de mistura dos materiais particulados da composição e de sua conformação, por compactação ou por moldagem por injeção, as tensões aplicadas ao lubrificante sólido 20 promovem seu espalhamento por entre as partículas formadoras da fase matriz estrutural 10, tendendo a envolvê-las em um filme ou camada 21, prejudicando a formação do necks de sinterização entre as partículas de formação da matriz estrutural metálica 10, quando o lubrificante sólido particulado 20 for insolúvel no material da matriz estrutural 10, como ocorre com o nitreto hexagonal de boro em relação a uma matriz estrutural 10 ferrosa.

20/27 [0055] Para evitar a deficiência acima, a composição da presente invenção compreende ainda pelo menos um elemento de liga particulado, capaz de formar, nas temperaturas de sinterização da composição metalúrgica conformada, uma fase líquida entre o material particulado formador da matriz estrutural 10 e o lubrificante sólido particulado 20, forçando esse último a aglomerar-se em partículas discretas, homogeneamente dispersas no material da matriz estrutural 10, conforme ilustrado na figura 3. A formação da fase líquida e sua ação sobre o lubrificante sólido particulado 20 permitem a obtenção de um elevado grau de continuidade da matriz estrutural 10 no produto compósito sinterizado a ser obtido.

[0056] Quando a composição metalúrgica da invenção é conformada por compactação e utiliza uma matriz estrutural ferrosa, o material metálico particulado principal de ferro apresenta, preferivelmente, um tamanho médio de partícula situado entre cerca de 10 grn a cerca de 90 qm. Por sua vez, o elemento endurecedor, com função endurecedora da matriz estrutural 10, e o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada por compactação (densificação), apresentam um tamanho médio de partícula menor do que cerca de 4 5 μτη, devendo ser entendido que o tamanho médio de partícula do material metálico particulado principal de ferro deve ser preferivelmente maior do que o tamanho médio de partícula do elemento endurecedor e do elemento de liga.

[0057] A composição metalúrgica com matriz estrutural 10 a base de ferro, acima descrita e conformada por compactação ou por moldagem por injeção, pode ser completada com o elemento

21/27 endurecedor e com o elemento de liga quando o lubrificante sólido particulado 20 for do tipo insolúvel na referida matriz estrutural 10 ferrosa, por exemplo o nitreto hexagonal de boro, pois não ocorre a reação do lubrificante sólido particulado 20 com o material formador da matriz estrutural 10 com as temperaturas de sinterização de cerca de 1125°C a cerca de 1250°C. A reação do lubrificante sólido particulado 2 0 com a matriz estrutural 10 faz com que o primeiro desapareça parcial ou totalmente no material da segunda, prejudicando ou mesmo eliminando a característica autolubrificante do produto sinterizado a ser obtido.

[0058] No entanto, no caso de a matriz estrutural 10 ser, por exemplo, a base de ferro e de lubrificante sólido particulado 20 ser pelo menos parcialmente solúvel na matriz estrutural 10, nas temperaturas de sinterização da composição metalúrgica conformada por compactação ou por moldagem por injeção, como ocorre, por exemplo, com a grafita ou uma mistura de grafita e nitreto hexagonal de boro, a composição metalúrgica em questão deve compreender ainda pelo menos um componente de liga capaz de estabilizar a fase alfa do ferro, durante a sinterização da composição metalúrgica e, assim, evitar que ocorra a solubilização e a incorporação do lubrificante sólido particulado 20 no ferro da matriz estrutural 10.

[0059]

De acordo com a invenção, o componente de liga, estabilizador da fase alfa do ferro, é definido por pelo menos um dos elementos selecionados de fósforo, silício, cobalto, cromo e molibdênio. Apesar desses elementos serem considerados os mais adequados para, separada ou conjuntamente, agirem na estabilização de fase alfa do ferro

22/27 nas temperaturas de sinterização (cerca de 1125°C a cerca de

1250°C) deve ser entendido que a da estabilização da fase alfa do ferro e não no fato de o ou os componentes de liga utilizados serem necessariamente aqueles aqui exemplificados.

[0060]

Preferivelmente, para a composição tendo matriz estrutural 10 a base de ferro e com lubrificante sólido particulado 20 pelo menos parcialmente solúvel na matriz estrutural 10, sendo constituído, por exemplo, por grafita ou por uma mistura de grafita e nitreto hexagonal de boro, o elemento endurecedor de liga particulado, com função endurecedora da matriz estrutural 10, o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20, e o componente de liga, com função estabilizadora da fase alfa do ferro, são definidos, por exemplo, por um elemento selecionado de silício, em teores de cerca de 2% a cerca de 5% em peso da composição metalúrgica, e de uma mistura de silício, manganês e carbono, em teores de cerca de 2% a cerca de 8% em peso da composição metalúrgica.

[0061] Quando a composição metalúrgica da invenção é conformada por moldagem por injeção e utiliza uma matriz estrutural ferrosa, o material metálico particulado principal de ferro apresenta, preferivelmente, um tamanho de partícula situado entre cerca de 1 μιη a cerca de 45 gm. Da mesma forma, o elemento endurecedor, com função endurecedora da matriz estrutural 10, o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado 20, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada por moldagem por injeção e o

23/27 lubrificante sólido particulado, apresentam um tamanho de partícula também entre cerca de Igm a cerca de 45μπι.

[0062] Quando a conformação da composição metalúrgica, previamente à sinterização, é realizada por extrusão ou por moldagem por injeção, a composição deve compreender ainda pelo menos um ligante orgânico selecionado preferivelmente do grupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão em proporção variando geralmente de cerca de 15% a cerca de 45% do volume total da composição metalúrgica quando da conformação por extrusão e de cerca de 40% a 45% quando da conformação por moldagem por injeção. 0 ligante orgânico é extraído da composição após a etapa de conformação, por exemplo por evaporação, antes de o produto conformado ser conduzido à etapa de sinterização.

[0063] As composições metalúrgicas acima descritas são obtidas por meio da mistura, em misturadores adequados quaisquer, de quantidades predeterminadas dos materiais particulados selecionados para a formação da composição e para a subseqüente obtenção de um produto sinterizado autolubrificante.

[0064] A mistura dos diferentes materiais particulados é homogeneizada e submetida a uma operação de densificação por compactação, ou seja, por prensagem, laminação ou extrusão, ou ainda por moldagem por injeção para que possa ser conformada em um formato desejado para o produto a ser obtido por sinterização.

[0065] No caso de conformação por moldagem por injeção, a mistura dos componentes contendo o ligante orgânico é homogeneizada em temperaturas não inferiores àquela de fusão do ligante orgânico, sendo a mistura, assim homogeneizada,

24/27 granulada para facilitar seu manuseio, armazenamento e alimentação a uma máquina injetora.

[0066] Após a conformação da composição, a peça conformada é submetida a uma etapa de extração do ligante orgânico, geralmente por processo térmico.

[0067] A composição metalúrgica homogeneizada e conformada pode ser então submetida a uma etapa de sinterização, em temperaturas de cerca de

1125°C a cerca de 1250°C.

Considerando que ambas as composições metalúrgicas, com matriz estrutural a base de ferro, compreendem pelo menos um elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida, durante a sinterização é formada a referida fase líquida pelo elemento de liga particulado e promovida a aglomeração do lubrificante sólido particulado 20 em partículas discretas e dispersas no volume da matriz estrutural 10.

[0068] Quando a composição metalúrgica compreender um lubrificante sólido particulado pelo menos parcialmente solúvel em uma matriz estrutural a base de ferro, como ocorre com a grafita e sua mistura com o nitreto hexagonal de boro, a composição metalúrgica, homogeneizada e conformada, compreende ainda pelo menos um componente de liga, já anteriormente definido e capaz de, durante a etapa de sinterização da composição metalúrgica, estabilizar a fase alfa do ferro da matriz estrutural 10, impedindo a dissolução da porção do lubrificante sólido, definida em grafita, na matriz estrutural de ferro.

[0069] Com a composição metalúrgica aqui proposta passa a ser possível obter peças ou produtos sinterizados autolubrificantes, a partir de materiais particulados que não

25/27 exigem tratamento prévio para o lubrificante sólido particulado, não metálico, peças ou produtos esses apresentando: no caso do uso de uma matriz estrutural 10 em ferro, uma dureza HV > 230, um coeficiente de atrito μ b 0,15, uma resistência mecânica a tração õ_t > 450 MPa e ainda uma dispersão de partículas discretas de lubrificante sólido 2 0 com tamanho medido de partículas entre cerca de ΙΟμτη e cerca de 6 0μπι para os produtos conformados por compactação e entre cerca de 2μπι e cerca de 20μιη para os produtos conformados por moldagem por injeção.

[0070] As figuras 5, 6A, 6B, 6C e 7 dos desenhos anexos têm por finalidade exemplificar diferentes possibilidades de conformação da composição metalúrgica em questão, por compactação de uma certa quantidade predeterminada da composição metalúrgica para um formato qualquer desejado, o qual pode ser aquele da peça ou produto final sinterizado e autolubrificante que se deseja obter ou um formato próximo daquele final desejado.

[0071] Entretanto, em um grande número de aplicações, a característica autolubrificante é necessária apenas em uma ou mais regiões superficiais de uma peça ou componente mecânico, a serem submetidas a contato atritante com outro elemento relativamente móvel.

[0072] Assim, o produto autolubrificante desejado pode ser constituído, conforme ilustrado na figura 5, por um substrato estrutural 30 preferivelmente conformado em material particulado e recebendo, em uma ou em duas faces opostas 31, uma camada superficial 41 da composição metalúrgica 40 objeto da presente invenção. No exemplo ilustrado, o substrato estrutural 30 e as duas camadas superficiais opostas da

26/27 composição metalúrgica 40 são compactadas no interior de um molde M adequado qualquer, por dois punçÕes opostos P, formando um produto compósito 1, compactado e conformado, que é posteriormente submetido a uma etapa de sinterização. Nesse exemplo, apenas as duas faces opostas 31 do substrato estrutural 30 apresentarão as desejáveis propriedades autolubrificantes.

[0073] Nas figuras 6A e 6B são exemplificados produtos na forma de uma barra 2 e de um tubo 3, respectivamente, obtidos por extrusão da composição metalúrgica 40 em uma matriz de extrusão adequada (não ilustrada). Nesse caso, a conformação por compactação da composição metalúrgica 40 é realizada na etapa de extrusão dessa última. A barra 2 ou o tubo 3 podem ser então submetidos à etapa de sinterização, para a formação da matriz estrutural 10 a base de ferro e incorporando partículas discretas e dispersas do lubrificante sólido particulado 20, conforme esquematicamente representado nas f iguras 3 e 4.

[0074] A figura 6C ilustra um outro exemplo de produto formado por uma barra compósita 4, compreendendo um núcleo estrutural 35, em material particulado, circunferencial e externamente envolvido por uma camada superficial 41 formada a partir da composição metalúrgica 40 da invenção. Também nesse caso, a conformação e a compactação (densificação) do núcleo estrutural 35 e da camada externa 41 na composição metalúrgica 40 são obtidas por co-extrusão das duas partes da barra compósita 4, a qual é então submetida à etapa de sinterização.

[0075] Quando a compactação da composição metalúrgica 20 é realizada por extrusão, como ocorre, por exemplo, na formação

27/27 das barras 2, 3 e 4 das figuras 6A, 6B e 6C, a referida composição pode compreender ainda um ligante orgânico que é termicamente removido da composição, após a conformação dessa última e antes da etapa de sinterização, por qualquer uma das técnicas conhecidas para a referida remoção.

[0076] 0 ligante orgânico pode ser, por exemplo, qualquer um selecionado do grupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão.

[0077] A figura 7 representa, também esquematicamente, um outro caminho para se obter um produto sinterizado compósito, apresentando uma ou mais regiões superficiais tendo características autolubrificantes. Nesse exemplo, o produto 5 a ser obtido apresenta um substrato estrutural 30 formado em material particulado, conformado previamente em tira, sendo que em pelo menos uma das faces opostas do substrato estrutural 30, em tira contínua, é laminada uma camada superficial 41 da composição metalúrgica 40 objeto da presente invenção. 0 produto compósito 5 é então submetido a uma etapa de sinterização.

[0078] Apesar de a invenção ter sido aqui apresentada por meio de alguns exemplos de possíveis composições metalúrgicas e associações a diferentes substratos estruturais, deve ser entendido que tais composições e associações podem sofrer alterações evidentes àqueles versados na matéria, sem que se fuja do conceito inventivo do controle da distribuição em partículas discretas do lubrificante sólido na matriz estrutural e ainda de eventual tendência de dissolução daquele na referida matriz, durante a etapa de sinterização, conforme definido nas reivindicações que acompanham o presente relatório.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Composição metalúrgica de materiais particulados, para formação de produtos compósitos autolubrificantes, conformados e sinterizados, caracterizada pelo fato de compreender um material metálico particulado principal, na forma de um elemento químico preponderante definido pelo ferro, e pelo menos um elemento endurecedor, formadores de uma matriz estrutural (10) no produto compósito a ser sinterizado sendo que o elemento particulado endurecedor tem a função de endurecer a matriz estrutural (10); um lubrificante sólido particulado (20) não-metãlico, solúvel na matriz estrutural (10), sendo o lubrificante sólido particulado (20) uma mistura consistindo de grafite e nitreto hexagonal de boro; um componente de liga para estabilização da fase alfa do ferro; e pelo menos um elemento de liga particulado e sendo capaz de formar, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada, uma fase líquida entre o material particulado formador da matriz estrutural (10) e o lubrificante sólido particulado (20), aglomerando este último em partículas discretas, sendo que as partículas de lubrificante sólido (20) representam um percentual volumétrico inferior ou igual a 15% do volume do material compósito a ser formado e o elemento endurecedor particulado, o elemento de liga particulado e o componente de liga sendo definidos por silício, na proporção de 2% a 5% por peso da composição metalúrgica.
2. Composição, de acordo com a reivindicação 1, dita composição sendo conformada por compactação e caracterizada pelo fato de o material metálico particulado principal de ferro apresentar

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2/4 um tamanho médio de partícula situado entre 10 pm a 9 0 pm, sendo que o elemento endurecedor, com função endurecedora da matriz estrutural (10), e o elemento de liga particulado, com função de formar a fase líquida e aglomerar o lubrificante sólido particulado, durante a sinterização da composição metalúrgica conformada por compactação, apresentarem um tamanho médio de partícula menor do que 45pm.
3. Composição, de acordo com a reivindicação 1, sendo a composição conformada por moldagem por injeção e caracterizada pelo fato de compreender ainda um ligante orgânico e de o material metálico particulado principal de ferro, o elemento endurecedor, o elemento de liga particulado, formador da fase líquida e o lubrificante sólido particulado apresentarem um tamanho médio de partícula situado entre lpm e 45pm.
4. Composição, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de o ligante orgânico ser selecionado do grupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão, em proporção variando de 40% a 45% do volume total da composição metalúrgica.
5. Processo de obtenção de produtos sinterizados autolubrificantes a partir da composição metalúrgica de materiais particulados, definida em qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

- misturar, em quantidades pré-determinadas, os materiais particulados definidores da composição metalúrgica;

- homogeneizar a mistura dos materiais particulados;

- compactar a mistura de materiais particulados, de modo a

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3/4 imprimir à mistura o formato do produto a ser sinterizado;

- sinterizar a mistura compactada e conformada, em temperaturas de 1125°C a 1250°C, formando, durante a sinterização, uma fase líquida com o elemento de liga particulado e assim promovendo a aglomeração do lubrificante sólido em partículas discretas e dispersas no volume da matriz estrutural.
6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a etapa de compactar a mistura de materiais particulados, definidora da composição metalúrgica (40), compreender um dos processos de: a laminação dessa última em uma chapa ou tira a ser subsequentemente sinterizada; a colaminação dessa última em pelo menos uma das faces opostas de um substrato estrutural (30) em forma de chapa ou de tira de material particulado compatível com o material metálico particulado principal formador da matriz estrutural (10); a extrusão em um dos formatos de barra (2) e de tubo (3); e a co-extrusão da composição metalúrgica (40) na forma de uma camisa tubular (42) em torno de um núcleo estrutural (35) em forma de barra de material particulado compatível com o material metálico particulado principal formador da matriz estrutural (10), de modo a formar uma barra compósita (4).
7. Processo de obtenção de produtos sinterizados autolubrificantes, a partir da composição metalúrgica de materiais particulados, definida de acordo com a reivindicação 3 e contendo um lubrificante sólido não solúvel na matriz estrutural, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:

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- misturar, em quantidades pré-determinadas, os materiais particulados definidores da composição metalúrgica;

- homogeneizar a mistura dos materiais particulados em temperatura não inferior àquela de fusão do ligante orgânico;

- granular a composição para facilitar seu manuseio, armazenamento e alimentação em uma máquina injetora;

- moldar, por injeção, a mistura de materiais particulados, de modo a imprimir à mistura o formato do produto a ser sinterizado;

- extrair o ligante orgânico da peça moldada; e

- sinterizar a mistura conformada, em temperaturas de 1125°C a 1250°C, formando, durante a sinterização, uma fase líquida com o elemento de liga particulado e assim promovendo a aglomeração do lubrificante sólido em partículas discretas e dispersas no volume da matriz estrutural.

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TÉCNICA TÉCNICA

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