BRPI0805606A2 - composição de materiais particulados para formação de produtos autolubrificantes em aço sinterizado, produto em aço sinterizado autolubrificante e processo de obtenção de produtos autolubrificantes em aço sinterizado - Google Patents

Abstract

COMPOSIçAO DE MATERIAIS PARTICULADOS PARA FORMAçAO DE PRODUTOS AUTOLUBRIFICANTES EM AçO SINTERIZADO, PRODUTO EM AçO SINTERIZADO AUTOLUBRIFICANTE E PROCESSO DE OBTENçAO DE PRODUTOS AUTOLUBRIFICANTES EM AçO SINTERIZADO A composição compreende o ferro como material metálico particulado principal; pelo menos um elemento de liga particulado, com função endurecedora matriz estrutural ferrosa; e um composto particulado não-metálico, precursor, geralmente um carboneto ou um carbonato, capaz de gerar, pela sua dissociação durante a sinterização, nódulos de grafita, cuja formação é facilitada: pelo próprio composto precursor quando este compreende um elemento químico estabilizador da fase c~ do ferro da matriz estrutural ferrosa; ou por um elemento de liga adicional, incluído na composição e definido por um elemento químico estabilizador da fase c~ do ferro durante a sinterização. A composição pode ser conformada por compactação ou por moldagem de pós por injeção. O processo da invenção conduz à obtenção de produtos em aço sinterizado autolubrificante a partir da referida composição.

Description

"COMPOSIÇÃO DE MATERIAIS PARTICULADOS PARA FORMAÇAO DEPRODUTOS AUTOLUBRIFICANTES EM AÇO SINTERIZADO, PRODUTO EMAÇO SINTERIZADO AUTOLUBRIFICANTE E PROCESSO DE OBTENÇÃODE PRODUTOS AUTOLUBRIFICANTES EM AÇO SINTERIZADO"

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se às técnicas específicas defabricação de produtos acabados (peças) e semi-acabados(artigos diversos), conformados a partir de umacomposição de materiais particulados (na forma de pósmetálicos e não metálicos) a serem sinterizados, ditosprodutos compreendendo, além dos elementos constitutivosda matriz metálica estrutural do produto a ser formadodurante a etapa de sinterização, uma fase precursora deum lubrificante sólido, em forma particulada, que, pordissociação durante a etapa de sinterização, geraprecipitados de lubrificante sólido no volume da matrizmetálica, levando a formação da microestrutura de umproduto autolubrificante, com matriz metálica continua, ecapaz de imprimir, aos produtos sinterizados, um baixocoeficiente de atrito aliado à elevada resistênciamecânica e dureza da peça ou produto sinterizado. Ainvenção abrange a referida composição metalúrgica para aformação do material autolubrificante, "in situ" durantea sinterização, as peças ou produtos em aço sinterizado,obtidos a partir da referida composição e ainda astécnicas ou processos alternativos específicos para aobtenção das referidas peças ou produtos por metalurgiado pó.

Histórico da Invenção

Dado o avançado estágio de desenvolvimento tecnológicorequer-se o desenvolvimento de materiais funcionais comelevado desempenho, projetados especificamente para cadagrupo particular de aplicações. Em diversas aplicações daengenharia mecânica necessita-se de materiais que possuemao mesmo tempo elevada resistência mecânica e aodesgaste, aliadas a um baixo coeficiente de atrito.

Estima-se que cerca de 35% de toda energia mecânicaproduzida no planeta é desperdiçada por deficiência emlubrificação, sendo convertida em calor por atrito. Alémda perda de energia, o calor gerado prejudica odesempenho do sistema mecânico pelo aquecimento. Assim,manter o coeficiente de atrito baixo em peças mecânicasque se atritam é de fundamental importância, não só paraeconomizar energia, mas também, para aumentar adurabilidade das mesmas e dos sistemas mecânicos ondeoperam; além disso, contribui para a preservação do meioambiente, pela diminuição de descarte de material.

A forma utilizada para reduzir desgaste e atrito entresuperfícies em movimento relativo é manter estasseparadas, intercalando entre elas uma camada delubrificante. Dentre as possíveis formas de lubrificação,a hidrodinâmica (lubrificantes fluidos) é a maisutilizada. Na lubrificação hidrodinâmica é formada umapelícula de óleo que separa completamente as superfíciesem movimento relativo. Deve ser salientado, no entanto,que o uso de lubrificantes fluidos é muitas vezesproblemático, como em aplicações para temperaturas muitoaltas ou muito baixas, em aplicações onde o lubrificantefluido pode reagir quimicamente e quando o lubrificantefluido pode agir como contaminante. Além disso, emsituações de lubrificação limite, decorrentes de paradasde ciclo ou em situações de impossibilidade de formaçãode um filme de óleo contínuo, existe o contato entre aspeças e, conseqüentemente, o desgaste.

A lubrificação a seco, isto é, com a utilização delubrificantes sólidos, é uma alternativa à lubrificaçãotradicional, pois atua pela presença de uma camada delubrificante sólido que impede o contato entre assuperfícies dos componentes, sem apresentar, porém, orompimento da camada formada.

Os lubrificantes sólidos têm sido bastante aceitos emáreas de lubrificação problemática. Eles podem serutilizados em temperaturas extremas, sob altas cargas eem ambientes quimicamente reativos, onde lubrificantesconvencionais não podem ser utilizados. Além disso, alubrificação a seco (lubrificantes sólidos) é umaalternativa ambientalmente mais limpa.

O lubrificante sólido pode ser aplicado aos componentesde um par tribológico, na forma de filmes (ou camadas)depositados ou gerados na superfície dos componentes ouincorporado ao volume do material de ditos componentes,na forma de partículas de segunda fase. No caso daaplicação de filmes ou camadas específicas, quandoacontece desgaste destes filmes ou camadas, ocorre ocontato metal-metal e o conseqüente e rápido desgaste dassuperfícies desprotegidas confrontantes e dos componentesrelativamente móveis. Nessas soluções de aplicação defilmes ou camadas, deve ser ainda considerada adificuldade de reposição do lubrificante, sua oxidação esua degradação.

Assim, uma forma mais adequada e que permite aumentar otempo de vida do material, ou seja, dos componentes, é aincorporação do lubrificante sólido no volume do materialconstitutivo do componente, de modo a estruturar ocomponente, em um material compósito de baixo coeficientede atrito. Isto é possível por meio das técnicas dametalurgia do pó, ou seja, pela conformação de umamistura de pó por compactação, incluindo prensagem,laminação, extrusão e moldagem por injeção, seguida desinterização, para obtenção de um material compósitocontínuo, geralmente já na geometria e nas dimensõesfinais (produto acabado) ou em geometria e dimensõespróximas das finais (produto semi-acabado).

Componentes mecânicos autolubrificantes apresentandobaixo coeficiente de atrito, tal como buchasautolubrificantes, são produzidos pelas técnicas dametalurgia do pó, a partir de pós metálicos que formam amatriz estrutural metálica da peça sinterizada,misturados com pós de lubrificante sólido. Taiscomponentes vêm encontrando uso em eletrodomésticos epequenos equipamentos diversos, como: impressoras,barbeadores elétricos, furadeiras, liqüidificadores,entre outros. Na maior parte dos casos já bem conhecidosda técnica, para a matriz estrutural utiliza-se bronze,cobre, prata, e ferro puro. Como lubrificante sólidoutiliza-se: dissulfeto de molibdênio (MoS2), prata (Ag),politetrafluoretileno (PTFE) e disseleneto de molibdênio(MoSe2). Buchas com estes tipos de materiaisautolubrificantes, principalmente com matriz de bronze ecobre contendo, como partículas de lubrificante sólido póde grafita, dissulfeto de molibdênio e selênio e metaisde baixo ponto de fusão, vem sendo produzidas eutilizadas há décadas em diversas aplicações deengenharia.

No entanto, estas peças não apresentam elevadaresistência mecânica em função do seu elevado teorvolumétrico (de 25% a 40%) de partículas de lubrificantesólido, o que resulta em um baixo grau de continuidade dafase matriz, que é o elemento microestrutural responsávelpela resistência mecânica da peça. Este elevado teor delubrificante sólido tem sido considerado necessário paraa obtenção de um coeficiente de atrito baixo em umasituação onde tanto as propriedades mecânicas da matrizmetálica (resistência e dureza) quanto os parâmetrosmicro-estruturais, como o tamanho das partículas delubrificante sólido dispersas na matriz e o livre caminhomédio entre estas no material compósito formado, não seencontram otimizados para aplicações onde se requerelevada resistência mecânica da peça. 0 elevadopercentual volumétrico de lubrificante sólido, que possuibaixa resistência intrínseca ao cisalhamento, nãocontribui para a resistência mecânica da matriz metálica.Soma-se a isto o fato de que as partículas delubrificante sólido cisalham facilmente e alteram suaforma em função de forças cisalhantes que ocorrem duranteas etapas de homogeneização mecânica da mistura de pós(realizado em misturadores) e da compactação da mistura,diminuindo ainda mais o grau de continuidade da matrizestrutural metálica do compósito autolubrificanteformado.

Além disso, a baixa dureza da matriz metálica permite aobstrução gradativa das partículas de lubrificante sólidona superfície de contato do material ou produtosinterizado. Assim, para manter um coeficiente de atritosuficientemente baixo, um percentual volumétrico elevadode lubrificante sólido tem sido tradicionalmenteutilizado na composição de materiais compósitosautolubrificantes a seco.

Um cenário parcialmente diferenciado e mais evoluído, secomparado com o descrito anteriormente, é apresentado nodocumento US6890368, que propõe um material compósitoautolubrificante para utilização em temperaturas nointervalo entre 300°C a 600°C, com resistência a traçãosuficiente (Rm 400MPa) e coeficiente de atrito menorque 0,3. Este documento apresenta uma solução para aobtenção de peças ou produtos de baixo coeficiente deatrito, sinterizados a partir de uma mistura de materialparticulado de formação de uma matriz estrutural metálicae incluindo, como partículas de lubrificante sólido emseu volume, principalmente nitreto hexagonal de boro,grafita ou uma mistura destes e afirma que o referidomaterial é adequado para utilização em temperaturas nointervalo entre 300°C a 600°C, com resistência a traçãosuficiente (Rm ;> 400MPa) e coeficiente de atrito menorque 0,3.

Conforme descrito no pedido de patente (N° provisório018080057518) depositado em 12/09/2008 em nome dos mesmosrequerentes, peças ou produtos obtidos a partir daconsolidação de uma mistura de pós na qual estãopresentes ao mesmo tempo os pós da matriz estrutural e ospós de lubrificante sólido, como por exemplo, nitretohexagonal de boro e grafita, apresentam baixa resistênciamecânica e fragilidade estrutural após sua sinterização.

A deficiência citada decorre do espalhamento (dispersão)inadequado, por cisalhamento, da fase lubrificante sólidoentre as partículas de pó da matriz estrutural durante asetapas de mistura e de conformação (densificação) daspeças ou produtos a serem produzidos. O lubrificantesólido se espalha, por cisalhamento, entre as partículasda fase matriz estrutural, tendendo envolvê-las, duranteas etapas de mistura e de conformação as quais imprimem,ao referido lubrificante sólido, tensões que ultrapassama sua baixa tensão de cisalhamento.

Por outro lado, a presença da camada de lubrificantesólido entre as partículas (do pó) da matriz estrutural,formada por cisalhamento, atrapalha a formação decontatos metálicos entre estas partículas formadoras damatriz estrutural do compósito durante a sinterização;isto contribui para a diminuição do grau de continuidadeda fase matriz estrutural do material compósito,fragilizando estruturalmente o material e os produtosobtidos.

Tais problemas podem ser solucionados, em grande parte,através das soluções propostas no pedido de patenteanterior acima mencionado, resultando na obtenção demateriais compósitos com resistência mecânica maior doque a encontrada nas soluções do estado da técnica.Entretanto, na solução proposta no referido pedido depatente anterior, dos mesmos requerentes, o lubrificantesólido particulado não-metálico, por exemplo nitretohexagonal de boro, grafita ou ambos, tem que sermisturado aos materiais metálicos formadores da matrizestrutural do produto compósito a ser sinterizado,exigindo ainda a adição de pelo menos um elemento de ligaparticulado, para formar, durante a etapa de sinterizaçãoda composição metalúrgica conformada, uma fase líquidaentre o material particulado formador da matrizestrutural e o lubrificante sólido particulado, paraaglomerar esse último em partículas discretas e evitarque o lubrificante sólido particulado se espalhe porcisalhamento, entre as partículas da fase matrizestrutural, tendendo a envolvê-las durante as etapas demistura e conformação (densificação) das peças ouprodutos a serem produzidos, fragilizando estes últimos.

Diante dos inconvenientes acima passa a ser desejávelprover-se uma solução que não exija a mistura prévia departículas de lubrificante sólido na composiçãometalúrgica a ser sinterizada e ainda a adição de umelemento de liga na composição metalúrgica, para formaruma fase líquida nessa última durante sua sinterização.

Sumário da Invenção

É portanto um objetivo da presente invenção prover umacomposição de materiais particulados para formação deaços sinterizados, compreendendo uma matriz estruturalmetálica que permita, por si só e durante suasinterização, a formação de um produto em aço sinterizadoautolubrificante, acabado ou semi-acabado, com elevadograu de continuidade da matriz estrutural e apresentandoelevadas resistência mecânica e dureza, com uma finadistribuição de uma fase lubrificante sólido gerada nasinterização.

É igualmente um objetivo de a presente invenção prover umproduto em aço sinterizado autolubrificante, obtido apartir de uma conformação, por compactação de pós viaprensagem, laminação e outros ou por moldagem porinjeção, seguida de uma sinterização, da composição acimadefinida e que apresente um alto grau de continuidade damatriz estrutural metálica, um baixo coeficiente deatrito e elevadas resistência mecânica e dureza, com umafina distribuição de uma fase lubrificante sólido degrafita, gerada na sinterização.

É igualmente um outro objetivo da presente invençãoprover um processo para obtenção de produtos em açosinterizado autolubrificante, tal como acima definidos, apartir da referida composição de materiais particulados,dito processo não incluindo nem a mistura prévia departículas de lubrificante sólido na composiçãometalúrgica a ser sinterizada e nem a adição de umelemento de liga na composição metalúrgica, para formaruma fase líquida nessa última durante sua sinterização.Em um primeiro aspecto da presente invenção, os objetivosacima são alcançados através de uma composição demateriais particulados, para a fabricação de produtos emaço sinterizado autolubrificante, previamente conformadospor uma das operações de compactação e de moldagem porinjeção de dita composição, a qual compreende: o ferrocomo um material metálico particulado principal; pelomenos um elemento de liga particulado, com a função deendurecer o ferro, formando com ele uma matriz estruturalferrosa; e um composto não metálico, precursor de umafase lubrificante sólido de grafita, a ser formada noproduto durante a sinterização.

Em uma forma de realização da invenção, o compostoparticulado não-metálico é um composto do tipo carbonetoou carbonato incluindo um elemento químico estabilizadorda fase α do ferro da matriz estrutural ferrosa. Em umaoutra forma de realização, o composto particulado nãometálico é desprovido de qualquer elemento químicoestabilizador da fase α do ferro sendo então necessária ainclusão, na composição metalúrgica, de um elemento deliga particulado adicional que tenha a funçãoestabilizadora da fase α do ferro.

Na presente invenção, ocorre a formação de partículas degrafita pela dissociação de uma fase precursora durante aetapa de sinterização das peças ou produtos. Comoexemplos de fases precursoras para a realização doinvento, pode-se citar: carboneto de silício (SiC),carboneto de molibdênio (Mo2C) , carboneto de cromo(Cr3C2), entre outros. Na etapa de preparação da misturade pós que irá constituir o novo material compósito,carbonetos na forma de finas partículas de pó(preferencialmente de 5 a 25 μιτι) , são misturados ao pó deferro (componente majoritário) e demais pós de elementosde liga presentes na mistura de pós. Os carbonetos quesão mais indicados para causar a precipitação de nódulosde grafita em matriz ferrosa, formando um aço sinterizadoautolubrificante, são aqueles que possuem na sua fórmulaum elemento químico que seja forte estabilizador da faseα do ferro, como por exemplo, o elemento Si presente nocarboneto de silício (SiC). Durante a etapa desinterização, isto é, na temperatura de sinterização daspeças ou produtos, o carboneto de silício (SiC) sedissocia e o elemento químico silício entra em soluçãosólida no ferro, ou seja, na matriz estrutural ferrosa. Àmedida que a dissociação do SiC progride, aumenta aquantidade de Si solubilizado na matriz ferrosa navizinhança das partículas de SiC em dissociação. Conformepode ser verificado no diagrama de equilíbrio Ferro -Silício, o elemento químico silício é forte estabilizadorda fase α do Ferro; o vertex do Ioop α <—> (α + γ) nodiagrama Fe-Si ocorre para valores de Si de 2,15% em peso(4,2%at). Assim, durante a sinterização do açosinterizado, realizada tipicamente entre 1125 a 1250°C,quando a concentração de silício solubilizado no ferro aoredor da partícula de SiC em dissociação alcança o limitede solubilidade da fase y, ocorre transformação do ferroγ em ferro a. Nos primeiros instantes do processo dedissociação do SiC, enquanto a concentração de Si nãoatingiu o valor necessário para estabilizar a fase α aoredor da partícula de SiC em dissociação, o carbonoresultante da dissociação também entra em solução sólidae se difunde para o interior da matriz, mas logo que amatriz ferrosa ao redor da partícula de SiC emdissociação se transformou em fase α, o processo desolubilização do carbono é interrompido por que asolubilidade de carbono na fase α do ferro é muito baixa(valor máximo é de 0,022% em peso em 727°C) . Assim, ocarbono, liberado em conseqüência da dissociação docarboneto, forma nódulos de grafita, os quais seencontram envolvidos por uma camada de ferro a, embora orestante da matriz possa continuar apresentando a fase γ.

Breve Descrição dos Desenhos

A seguir, a invenção será descrita com base nos desenhosem anexo, dados a título de exemplo de concretizações dainvenção e nos quais:

As figuras IA ,IB e IC representam, em seqüência eesquematicamente, a evolução da microestrutura durante aetapa de sinterização, em decorrência da dissociação daspartículas de carboneto misturadas com o pó de ferro(matriz), sendo que a figura IA representa amicroestrutura bifásica do material na fase inicial doprocesso, em que as partículas de carboneto ainda seencontram intactas, isto é, a reação ainda não iniciou,enquanto que a Figura IB representa a situação em que jáocorreu dissociação parcial dos carbonetos e a Figura ICmostra a situação em que a dissociação já se completou;

A figura 2 mostra, esquematicamente, a situação idealdesejada (modelo microestrutural) para a distribuição daspartículas ou nódulos de lubrificante sólido no volume deum material compósito, em aço, de baixo coeficiente deatrito, permitindo manter elevado grau de continuidade damatriz do material compósito, sendo que em uma situaçãoideal, o lubrificante sólido deve encontrar-se na formade partículas ou nódulos discretos distribuídosuniformemente no volume do material, com um livre caminhomédio "λ" regular entre as partículas ou nódulos;

A figura 3 é uma fotografia da microestrutura do materialdo presente invento no estado já sinterizado, após adissociação das partículas de carbonetos, mostrando osnódulos de grafita rodeados por uma camada clara que éformada pela fase a, e a matriz do material compósito;

A Figura 4 mostra detalhe da estrutura da grafita nointerior do nódulo gerado durante a sinterização, sendouma fotografia obtida com elevado aumento (aumento de20.000 X) no Microscópio eletrônico de varredura comemissão de campo (MEV-FEG), que evidencia a estrutura emforma de cascas ou lamelas de espessura nanométrica dagrafita;

A figura 5 representa, esquematicamente e em diagramasimplificado, um exemplo de compactação na formação deuma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado,dita compactação sendo feita de modo a prover uma camadaautolubrificante em duas faces opostas do produto a sersinterizado, devendo esse processo ser utilizado quandose deseja apenas uma camada autolubrificante em uma oumais faces da peça sinterizada;

As figuras 6A, 6B e 6C representam exemplos de produtoscuja conformação é obtida por compactação, realizada porextrusão, respectivamente, de uma barra de materialcompósito autolubrificante, de um tubo em materialcompósito autolubrificante e de uma barra com núcleo emliga metálica revestido com uma camada externa commaterial autolubrificante; e

A figura 7 representa, esquematicamente e em diagramasimplificado, um exemplo de compactação na formação deuma peça ou produto, a ser posteriormente sinterizado,dita compactação sendo feita por laminação de um materialcompósito autolubrificante sobre as faces opostas de umachapa ou tira em liga metálica.

Descrição da Invenção

Conforme já anteriormente mencionado, um dos objetivos dainvenção é o de prover uma composição de materiaisparticulados, que possa ser homogeneamente misturada econformada (densifiçada) por compactação (prensagem,laminação) ou por moldagem via extrusão ou injeção depós, para que possa assumir uma geometria definida (peça)a ser submetida a uma sinterização, para a obtenção de umproduto que apresente elevada dureza, resistênciamecânica e reduzido coeficiente de atrito, em relação aosprodutos obtidos pelos ensinamentos do estado da técnica.

A composição em questão compreende: um material metálicoparticulado principal, preponderante na formação dacomposição e pelo menos um elemento de liga particuladocom a função de endurecer o material preponderante, sendoesses componentes os responsáveis pela formação de umamatriz estrutural no produto compósito, em aço, a sersinterizado; e um material particulado precursor quepermite a obtenção de nódulos de lubrificante sólidoquando da sua dissociação durante a sinterização.

De acordo com a invenção e conforme ilustrado na figura2, o material metálico particulado principal é o ferro,definindo uma matriz estrutural ferrosa 10, e as fasesprecursoras para a geração de nódulos 20 de lubrificantesólido por dissociação durante a sinterização sãocompostos a base de carbonetos ou carbonatos,preferencialmente formados com elementos químicos que sãoestabilizadores da fase α do ferro na matriz estruturalferrosa 10. Quando a fase precursora utilizada nãopossui, na sua composição, um elemento químico que sejaestabilizador da fase α do ferro na matriz ferrosa 10, umelemento de liga adicional específico, em quantidadesuficiente para estabilizar a fase α do ferro, deve aindaser adicionado à composição do material do presenteinvento.

O elemento de liga, com função de endurecer a matrizestrutural ferrosa, é definido, por exemplo, por um doselementos selecionados entre cromo, molibdênio, carbono,silício, fósforo, manganês e níquel, devendo serentendido que poderão ser utilizados outros elementos querealizem a mesma função na matriz estrutural e mais de umelemento de liga ao mesmo tempo. Deve ser observado que ainvenção requer a provisão de um elemento endurecedor deliga que possa realizar a função de endurecimento damatriz estrutural ferrosa a ser formada durante asinterização, por interdifusão dos componentes(homogeneização química), não devendo esse aspecto serlimitado aos elementos de liga aqui exemplificados.

As figuras IA, IB, IC e 2 mostram, esquematicamente, asdiversas etapas da evolução da microestrutura docompósito em função da dissociação do carboneto (SiC)durante a sinterização. A Figura 3 mostra uma fotografia,obtida por microscopia ótica, da microestrutura domaterial compósito formado, após a sua sinterização e aFigura 4 mostra a estrutura da grafita precipitada,apresentando, no interior dos nódulos, uma forma de"cascas ou folhas" de espessura nanométrica. Estaestrutura favorece a formação de uma camada tribológicana interface das superfícies em movimento relativo do partribológico, aumentando a eficiência da lubrificaçãosólida.

A adição paralela de outros elementos de ligaestabilizadores da fase α do ferro na mistura de pós queirá formar o compósito acelera o surgimento da fase α namatriz durante a sinterização, aumenta a tendência degerar nódulos de grafita 20 pela dissociação departículas de carbonetos misturadas no volume domaterial.

Os elementos de liga estabilizadores da fase α do ferro,provenientes da dissociação de carbonetos, além deevitarem que o carbono se solubilize na matriz, porinduzirem uma camada de fase alfa 12 ao redor dapartícula 11 em dissociação, contribuem com o aumento dadureza da matriz quando em solução sólida; no entanto, seo aumento de dureza alcançado pela presença desteselementos de liga em solução sólida no ferro não forsuficiente, outros elementos de liga devem adicionalmenteser acrescentados a mistura de pós, para que venham a sersolubilizados na matriz durante a sinterização, visandoatingir a dureza e a resistência mecânica necessária àaplicação.

Assim, no presente invento, a matriz metálica estruturaldo material é formada por ferro automaticamenteendurecido por solução sólida com os elementos de ligaestabilizadores da fase alfa do ferro, como por exemplo,silício e molibdênio, dissolvidos na matriz ferrosa emconseqüência da dissociação dos carbonetos misturados aopó de ferro no processamento do material por metalurgiado pó.

Além destes elementos de liga estabilizadoresnecessariamente presentes, outros elementos de liga podemser adicionados a mistura dos pós com a função de ajustara resistência mecânica e a dureza da matriz, permitindoalcançar elevada performance em relação ao comportamentotribológico e mecânico do material compósitoautolubrificante a seco gerado durante a sinterização.

Como exemplos de outros elementos de liga, utilizadosvantajosamente no presente desenvolvimento, para aumentara resistência mecânica e a dureza da matriz, além doselementos Si, Mo, e P, que são fortes estabilizadores dafase alfa do ferro, citamos os elementos Cr, Ni, Mn, W,V, e C.

Quanto aos tipos de carbonetos utilizados, a composiçãoda mistura de pós formulada para a produção de produtospor metalurgia do pó na presente invenção, é formada porduas alternativas distintas:

Alternativa 1: Pó de ferro + partículas 11 de pó decarbonetos que são formados por elementos químicosestabilizadores da fase α do ferro (misturados empercentual volumétrico < 10 %) , os quais, na temperaturade sinterização, geram nódulos de grafita 20 pela suadissociação, + partículas de pó de outros elementosquímicos chamados elementos de liga, que possuem a funçãode aumentar a dureza e a resistência da matriz estruturalferrosa 10;

Alternativa 2: Pó de ferro + partículas de pó decarbonetos que não são formados por elementos químicosestabilizadores da fase α do ferro (misturados empercentual volumétrico < 10 %), + pó de elementos de ligaestabilizadores da fase α do ferro que tem a função deestabilizar a fase α da matriz ferrosa, para evitar que ocarbono proveniente da dissociação dos carbonetos sejadissolvido pela matriz ferrosa, + elementos de ligaoutros presentes para ajustar as propriedades mecânicasda matriz estrutural do compósito.

Uma vez que a matriz estrutural ferrosa 10 metálica é oúnico elemento microestrutural da composição que confereresistência mecânica ao material compósito a ser formado,quanto maior o grau de continuidade da matriz do referidocompósito, maior será a resistência mecânica do artigo oupeça sinterizada produzida com o material. A manutençãodo elevado grau de continuidade da matriz estruturalmetálica do material compósito autolubrificante a secosinterizado requer, além de baixa porosidade, baixopercentual volumétrico da fase lubrificante sólido, jáque esta não contribui para a resistência mecânica domaterial e, em decorrência, não contribui para aresistência mecânica dos produtos sinterizados. Alémdisso, o lubrificante sólido presente no volume domaterial deve estar disperso na forma de partículas ounódulos 2 0 discretos, distribuídos uniformemente novolume, isto é, com um livre caminho médio, "λ", regularno interior da matriz estrutural ferrosa 10 (ver figura2) . Isto permite gerar maior eficiência de lubrificaçãoe, ao mesmo tempo, garante maior grau de continuidade damatriz, que por sua vez garante maior resistênciamecânica ao material compósito.

A matriz metálica do material necessita ainda elevadaresistência à deformação plástica para operar não só comosuporte mecânico com a necessária capacidade decarregamento, como também para evitar que as partículasde lubrificante sólido sejam encobertas por escoamentoplástico da matriz estrutural durante o funcionamento dapeça (quando atritadas em movimento relativo), impedindoo espalhamento do lubrificante sólido na interface ondedeve formar uma de lubrificante sólido.

De acordo com a invenção, o componente de liga adicional,estabilizador da fase alfa do ferro, é definido por pelomenos um dos elementos selecionados de fósforo, silício,cobalto, cromo e molibdênio. Apesar desses elementosserem considerados os mais adequados para, separada ouconjuntamente, agirem na estabilização de fase alfa doferro nas temperaturas de sinterização (cerca de 1125°C acerca de 1250°C) deve ser entendido que a invenção resideno conceito da estabilização da fase alfa do ferro paradificultar a dissolução do carbono e não no fato de o ouos componentes de liga utilizados serem necessariamenteaqueles aqui exemplificados.

Quando a composição da invenção é conformada porcompactação, o material metálico particulado principal(ferro) apresenta, preferivelmente, um tamanho médio departícula situado entre cerca de 5 μτη a cerca de 90 μτη.Por sua vez, o elemento endurecedor, com funçãoendurecedora da matriz estrutural, e o componenteprecursor da fase lubrificante sólido (composto) devemapresentar um tamanho de partícula preferencialmentemenor do que cerca de 4 5 μπί; deve ainda ser entendido queo tamanho médio de partícula do material metálicoparticulado principal, isto é, do ferro, deve sempre sermaior do que o tamanho médio de partícula dos elementosde liga e dos componentes (compostos) precursores da faselubrificante sólido.

Quando a composição da invenção é conformada por moldagempor injeção, o material metálico particulado principal(ferro) apresenta, preferivelmente, um tamanho departícula situado entre cerca de 5 μιη a cerca de 25 μιτι.Da mesma forma, os elementos de liga e os componentes(compostos) precursores da fase lubrificante sólidoapresentam preferencialmente um tamanho de partículatambém entre cerca de 5μπι a cerca de 25μτη.

Quando a conformação da composição, previamente àsinterização, é realizada por extrusão ou por moldagempor injeção, a composição pode compreender ainda pelomenos um ligante orgânico selecionado preferivelmente dogrupo consistindo de parafina e outras ceras, EVA, epolímeros de baixo ponto de fusão em proporção variandogeralmente de cerca de 15% a cerca de 45% do volume totalda composição metalúrgica quando da conformação porextrusão e de cerca de 40% a 45% quando da conformaçãopor moldagem por injeção. 0 ligante orgânico é extraídoda composição após a etapa de conformação, por exemplo,por evaporação, antes de o produto conformado serconduzido à etapa de sinterização.As composições acima descritas são obtidas por meio damistura, em misturadores adequados quaisquer, dequantidades predeterminadas dos materiais particuladosselecionados para a formação da composição e para asubseqüente obtenção de um produto sinterizadoautolubrificante.

A mistura dos diferentes materiais particulados éhomogeneizada e submetida a uma operação de densificaçãopor compactação, ou seja, por prensagem ou laminação, ouainda por moldagem de pós por extrusão ou injeção de pós,obtendo-se nesta operação, além de densificação da massade pós, o formato desejado para o produto a ser obtidopor sinterização.

No caso de conformação via moldagem de pós por extrusãoou injeção, a mistura dos componentes contendo o liganteorgânico é homogeneizada em temperaturas não inferioresàquela de fusão do ligante orgânico, sendo a mistura,assim homogeneizada, granulada para facilitar seumanuseio, armazenamento e alimentação de uma máquinainjetora.

Após a conformação da peça , esta é submetida a extraçãodos ligantes orgânicos, geralmente realizada em duasetapas, sendo a primeira etapa um processo de extraçãoquímica em solventes (por exemplo, hexano) e a segundaetapa um processo de extração por degradação térmica, ouainda, um processo térmico assistido por plasma DC.Com a composição aqui proposta passa a ser possível obterpeças ou produtos sinterizados autolubrificantes com Umadureza de 230 a 700 HV, um coeficiente de atrito μ <0,15, uma resistência mecânica a tração de 350 a 750 MPa(dependendo dos elementos de liga presentes e dosparâmetros de processamento utilizados)e ainda umadispersão de nódulos de carbono amorfo com estruturainterna em formato de cascas com espessura nanométrica,que facilita o espalhamento da grafita na interface dassuperfícies móveis a formando uma camada de lubrificantesólido.As figuras 5, 6A, 6B, 6C e 7 dos desenhos anexos têm porfinalidade exemplificar diferentes possibilidades deconformação da composição em questão, por compactação decerta quantidade predeterminada da composição para umformato qualquer desejado, o qual pode ser aquele da peçaou produto final sinterizado e autolubrificante que sedeseja obter ou um formato próximo daquele finaldesej ado.

Entretanto, em um grande número de aplicações, acaracterística autolubrificante é necessária apenas emuma ou mais regiões superficiais de uma peça oucomponente mecânico, a serem submetidas a contatoatritante com outro elemento relativamente móvel.Assim, o produto autolubrificante desejado pode serconstituído, conforme ilustrado na figura 5, por umsubstrato estrutural 3 0 preferivelmente conformado emmaterial particulado e recebendo, em uma ou em duas facesopostas 31, uma camada superficial 41 da composição 4 0objeto da presente invenção. No exemplo ilustrado, osubstrato estrutural 30 e as duas camadas superficiaisopostas da composição 4 0 são compactadas no interior deum molde M adequado qualquer, por dois punções opostos P,formando um produto compósito 1, compactado e conformado,que é posteriormente submetido a uma etapa desinterização. Nesse exemplo, apenas as duas faces opostas31 do substrato estrutural 3 0 apresentarão as desejáveispropriedades autolubrificantes.

Nas figuras 6A e 6B são exemplificados produtos na formade uma barra 2 e de um tubo 3, respectivamente, obtidospor extrusão da composição 4 0 em uma matriz de extrusãoadequada (não ilustrada). Nesse caso, a conformação porcompactação da composição 4 0 é realizada na etapa deextrusão dessa última. A barra 2 ou o tubo 3 podem serentão submetidos à etapa de sinterização, para a formaçãoda matriz estrutural 10 a base de ferro e incorporandopartículas discretas e dispersas do lubrificante sólidoparticulado 20.A figura 6C ilustra um outro exemplo de produto formadopor uma barra compósita 4, compreendendo um núcleoestrutural 35, em material particulado, circunferencial eexternamente envolvido por uma camada superficial 41formada a partir da composição 4 0 da invenção. Tambémnesse caso, a conformação e a compactação (densificação)do núcleo estrutural 3 5 e da camada externa 41 nacomposição 4 0 são obtidas por co-extrusão das duas partesda barra compósita 4, a qual é então submetida à etapa desinterização.

Quando a compactação da composição 40 é realizada porextrusão, como ocorre, por exemplo, na formação dasbarras 2, 3 e 4 das figuras 6A, 6B e 6C, a referidacomposição pode compreender ainda um ligante orgânico queé termicamente removido da composição, após a conformaçãodessa última e antes da etapa de sinterização, porqualquer uma das técnicas conhecidas para a referidaremoção.

O ligante orgânico pode ser, por exemplo, qualquer umselecionado do grupo consistindo de parafina e outrasceras, EVA, e polímeros de baixo ponto de fusão.A figura 7 representa, também esquematicamente, um outrocaminho para se obter um produto em aço sinterizado,compósito, apresentando uma ou mais regiões superficiaistendo características autolubrificantes. Nesse exemplo, oproduto 5, a ser obtido, apresenta um substratoestrutural 3 0 formado em material particulado, conformadopreviamente em tira, sendo que em pelo menos uma dasfaces opostas do substrato estrutural 30, em tiracontínua, é laminada uma camada superficial 41 dacomposição 4 0 objeto da presente invenção. O produtocompósito 5 é então submetido a uma etapa desinterização.

Apesar de a invenção ter sido aqui apresentada por meiode alguns exemplos de possíveis composições e associaçõesa diferentes substratos estruturais, deve ser entendidoque tais composições e associações podem sofreralterações evidentes àqueles versados na matéria, sem quese fuja do conceito inventivo do controle da distribuiçãoem partículas discretas do lubrificante sólido na matrizestrutural e ainda de eventual tendência de dissoluçãodaquele na referida matriz, durante a etapa desinterização, conforme definido nas reivindicações queacompanham o presente relatório.

Claims (24)

1.- Composição de materiais particulados para formação deprodutos autolubrificantes em aço sinterizado,conformados por compactação ou injeção de pós,caracterizada pelo fato de compreender: o ferro como ummaterial metálico particulado principal; pelo menos umelemento de liga particulado, com a função de endurecer oferro, formando com ele uma matriz estrutural ferrosa; eum composto não metálico, precursor de uma faselubrificante sólido de grafita, a ser formada no produtocompósito durante a sinterização.

2. - Composição, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de o composto particulado não-metálico, precursor da fase lubrificante sólido degrafita, ser um composto do tipo carboneto ou carbonato eque inclui, em sua composição, um elemento químicoestabilizador da fase α do ferro da matriz estruturalferrosa.

3. - Composição, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de o elemento químicoestabilizador da fase alfa do ferro ser selecionadodentre carboneto de silício, carboneto de molibdênio ecarboneto de cromo;

4. - Composição, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de incluir ainda um elemento deliga particulado adicional, estabilizador da fase α doferro, quando o composto particulado não -metálico for umcarboneto ou carbonato desprovido, em sua composição, dequalquer elemento químico estabilizador da fase α damatriz do ferro.

5. - Composição, de acordo com a reivindicação 4,caracterizada pelo fato de o elemento de liga particuladoadicional, estabilizador da fase α do ferro da matrizestrutural ferrosa, ser pelo menos um dos elementosselecionados de silício, fósforo, molibdênio e cromo

6. - Composição, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 2, 3, 4 ou 5, caracterizada pelo fato de ocomposto particulado não-metálico, precursor da faselubrificante sólido de grafita, representar,preferencialmente, um percentual volumétrico menor quecerca de 10% da massa da composição metalúrgica demateriais particulados a ser conformada.

7. - Composição, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizada pelofato de o elemento de liga particulado, com a função deendurecer o ferro da matriz estrutural ferrosa serdefinido por pelo menos um dos elementos selecionados deníquel, cromo, molibdênio, vanádio, manganês, cobre,silício, fósforo e carbono.

8. - Composição, de acordo com qualquer uma das asreivindicações 1 a 7 , dita composição sendo conformadapor compactação de pós (prensagem, laminação, duplaprensagem ou compactação e caracterizada pelo fato de aspartículas do material metálico particulado principal (póde ferro) apresentar tamanho médio situado entre cerca de 5 μm a cerca de 90 μπι e sendo que as partículas doelemento de liga particulado, com função endurecedora doferro, e as partículas do composto particulado não-metálico, precursor da fase lubrificante sólidoapresentam tamanho menor do que cerca de 4 5μτη.

9. - Composição, de acordo com a reivindicação 8,caracterizada pelo fato de o tamanho médio de partículado material metálico particulado principal, isto é, doferro, ser maior do que o tamanho médio de partícula doelemento de liga particulado e do composto particuladonão-metálico, precursor da fase lubrificante sólido.

10. - Composição, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, sendo a composição conformada porextrusão ou via moldagem por injeção e caracterizada pelofato de o material metálico particulado principal, emferro, e o elemento de liga particulado e o compostoparticulado não-metálico, apresentarem um tamanho departícula situado entre cerca de 5μιτι a cerca de 25μιη.

11. - Composição, de acordo com a reivindicação 10,caracterizada pelo fato de compreender um sistema deligantes orgânicos selecionados do grupo consistindo deparafina e outras ceras, EVA, e polímeros de baixo pontode fusão, em proporção variando de cerca de 4 0% a cercade 45% do volume total da composição metalúrgica.

12. - Produto em aço sinterizado autolubrificante, obtido apartir de uma composição de materiais particulados,conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 11 e submetida a uma conformação anterior à sinterização,caracterizado pelo fato de apresentar dureza entre 23 0 a 700 HV, coeficiente de atrito μ <. 0,15 e resistência àtração entre 350 a 900 MPa.

13. Produto, de acordo com qualquer a reivindicação 12,caracterizado pelo fato de definir pelo menos uma camadasuperficial (41) de referida composição metalúrgica (40) ,incorporada a um substrato estrutural (30).

14. Produto, de acordo com a reivindicação 13,caracterizado pelo fato de o substrato estrutural (30)ser definido em material particulado a ser sinterizado emconjunto com a camada superficial (41) da composiçãometalúrgica (40).

15. Produto, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de o substrato estrutural (30)tomar a forma de uma placa ou tira com pelo menos uma desuas faces opostas incorporando uma camada superficial(41) da dita composição metalúrgica (40) .

16. Produto, de acordo com a reivindicação 14,caracterizado pelo fato de o substrato estrutural (3 0)tomar a forma do núcleo estrutural (3 5) de uma barracompósita (4), incorporando, circunferencial eexternamente, uma camada superficial (41) da referidacomposição metalúrgica (40).

17. Processo de obtenção de produtos autolubrificantesem aço sinterizado, a partir da composição de materiaisparticulados, definida em qualquer uma das reivindicações 8 ou 9, caracterizado pelo fato de compreender as etapasde:- misturar, em quantidades pré-determinadas, os materiaisparticulados definidores da composição metalúrgica;- homogeneizar a mistura dos materiais particulados;- compactar a mistura de materiais particulados, de modoa imprimir à mistura o formato do produto a sersinterizado;sinterizar a mistura compactada e conformada, emtemperaturas de cerca de 11250C a cerca de 1250°C,formando, durante a sinterização, nódulos de grafita peladissociação do composto precursor no volume da matrizestrutural.

18. Processo, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de a etapa de compactar a misturade materiais particulados, definidora da composição (40) ,compreender a laminação dessa última em uma chapa ou tiraa ser subseqüentemente sinterizada.

19. Processo, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de a etapa de compactar a misturade materiais particulados, definidora da composição (40) ,compreender a co-laminação dessa última em pelo menos umadas faces opostas de um substrato estrutural (30) emforma de chapa ou de tira de material particuladocompatível com o material metálico particulado principalformador da matriz estrutural (10).

20. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 18 ou 19, caracterizado pelo fato decompreender, após a sinterização dos materiaisparticulados, a etapa adicional de laminação a frio dachapa ou tira para redução de porosidade residual,seguida de eventual recozimento.

21. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 18 ou 19, caracterizado pelo fato de aetapa de compactar a mistura de materiais particulados,definidora da composição (40), compreender a extrusão emum dos formatos de barra (2) e de tubo (3).

22. Processo, de acordo com a reivindicação 17,caracterizado pelo fato de a etapa de compactar a misturade materiais particulados, definidora da composição (40) ,compreender a co-extrusão dessa última na forma de umacamisa tubular (42) em torno de um núcleo estrutural (35)em forma de barra de material particulado compatível como material metálico particulado principal formador damatriz estrutural (10), de modo a formar uma barracompósita (4).

23. Processo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 21 ou 22, caracterizado pelo fato de acomposição (40) compreender um ligante orgânico a sertermicamente removido do produto, antes da etapa desinterização.

24. Processo de obtenção de produtos autolubrificantesem aço sinterizado , a partir da composição de materiaisparticulados, definida em qualquer uma dasreivindicações 10 ou 11, e caracterizado pelo fato decompreender as etapas de:- misturar, em quantidades pré-determinadas, os materiaisparticulados definidores da composição;- homogeneizar a mistura dos materiais particulados emtemperatura não inferior àquela de fusão do liganteorgânico;granular a composição para facilitar seu manuseio,armazenamento e alimentação em uma máquina injetora;- moldar, por injeção, a mistura de materiaisparticulados, de modo a imprimir à mistura o formato doproduto a ser sinterizado;- extrair o ligante orgânico da peça moldada; e- sinterizar as peças obtidas pela conformação dos pós,em temperaturas de cerca de 1125°C a cerca de 1250°C.