Lição 9.1MoldarCapítulo 9 · Pós e cerâmicas

Metalurgia do pó (prensagem e sinterização)

Prensar o pó em uma matriz e depois sinterizar em um forno de esteira

A metalurgia do pó faz peças metálicas sem nunca fundir o metal: você prensa um pó fino em uma matriz e depois o aquece até as partículas se unirem. Engrenagens pequenas de furadeiras sem fio e buchas de bronze autolubrificadas de ventiladores de mesa são feitas assim. É uma das formas mais baratas de fazer peças metálicas pequenas e precisas aos milhões.

Foto: Alchemist-hp, CC BY-SA 3.0 de, via Wikimedia Commons

Metalurgia do pó por prensagem e sinterização · encher, prensar, ejetar, sinterizarOs números em círculo correspondem às etapas abaixo: a fileira de cima acontece em uma prensa, a de baixo em um forno longo.

Como funciona

Misture. Pó metálico fino, com grãos em sua maioria abaixo de 0,15 mm (mais ou menos como farinha), é misturado com pós de liga, como grafite ou cobre. Cerca de 0,5–1% de lubrificante de cera é adicionado para o pó deslizar na matriz.
Encha. Uma sapata de alimentação desliza sobre a matriz e despeja o pó na cavidade (o vazio que dá a forma). O punção inferior fica em uma profundidade fixa, então cada enchimento leva a mesma quantidade.
Prense. Os punções superior e inferior comprimem o pó pelas duas pontas a cerca de 400–800 MPa (4–8 toneladas por centímetro quadrado). O resultado é uma peça “verde”: forma completa, mas mantida apenas por grãos entrelaçados, então é frágil como giz.
Ejete. O punção inferior sobe e empurra a peça para fora. A sapata de alimentação a varre para o lado ao voltar para reabastecer, então a prensa faz uma peça a cada poucos segundos.
Sinterize. Uma esteira de malha leva as peças por um forno longo cheio de gás protetor (um gás que evita a oxidação, a reação por trás da ferrugem). O lubrificante queima primeiro. Depois, a cerca de 1.120 °C para ferro e aço, os átomos migram através de cada ponto de contato (difusão) e fazem crescer “pescoços” sólidos entre as partículas.
Acabe, se preciso. Muitas peças saem prontas do forno. Outras passam por uma prensa de calibração para dimensões mais justas, por imersão em óleo para mancais autolubrificantes, por tratamento térmico para ganhar dureza ou por usinagem para furos laterais e roscas.

Dados-chave

Materiais: Principalmente ferro e aço; também aço inoxidável, bronze, latão, cobre, alumínio, ligas magnéticas e carboneto de tungstênio
Peças típicas: Engrenagens, rodas dentadas, cames, buchas, peças de fechadura, ímãs, filtros
Tamanho da peça: Geralmente de alguns gramas a cerca de 2 kg, em sua maioria do tamanho de uma palma da mão; a força da prensa limita a área da face
Precisão: Cerca de ±0,05–0,1 mm após a sinterização; mais justo após uma prensa de calibração
Acabamento superficial: Cinza fosco fino, aproximadamente Ra 1–3 µm (Ra é a altura média das irregularidades da superfície)
Tamanho de lote adequado: Alto volume: geralmente de cerca de 10.000 a milhões de peças por ano
Custo de ferramental e máquinas: Conjunto de matriz em torno de US$ 10.000–100.000; prensas e fornos custam de centenas de milhares a milhões de dólares
Velocidade: Cerca de 10–30 peças por minuto por prensa; a passagem pelo forno leva cerca de 1–3 horas, mas funciona sem parar

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Forma quase final (near-net shape): pouca ou nenhuma usinagem e muito pouca sucata
Baixo custo por peça em alto volume
Faz misturas que a fusão não consegue, como cobre-tungstênio ou metal com poros embutidos
Muito repetível de peça para peça

Limites

Poros remanescentes (muitas vezes 5–15% do volume) deixam as peças mais fracas que o aço maciço
Os conjuntos de matriz são caros, então lotes pequenos raramente compensam
As formas precisam sair retas da matriz: sem reentrâncias nem furos laterais
Tamanho e altura são limitados pela força da prensa e por quão uniformemente o pó se compacta

Onde é usado

AutomotivoEngrenagens de bomba de óleo, rodas dentadas de comando, rotores de sincronização de válvulas, cubos sincronizadores de câmbio
Ferramentas elétricas e eletrodomésticosEngrenagens planetárias; buchas autolubrificantes em furadeiras, ventiladores e batedeiras
Fechaduras e ferragensCames de fechadura, alavancas, peças de trinco
ElétricaNúcleos de motor magnéticos moles, ímãs de ferrite e de terras raras
FiltrosFiltros porosos de bronze e aço inoxidável, silenciadores em válvulas de ar
Ferramentas de cortePastilhas e pontas de broca de carboneto de tungstênio

Como reconhecê-lo

Uma superfície cinza fosca uniforme; com uma lupa você pode ver poros minúsculos.
Formas de prisma: o contorno é o mesmo de cima a baixo, com faces planas e degraus apenas na direção da prensagem.
Buchas de bronze que parecem levemente oleosas, porque seus poros guardam óleo.
Chanfros que terminam em um pequeno plano na borda, porque uma aresta de punção afiada como faca quebraria.

Compare com

Moldagem por injeção de metal (MIM)9.2molda uma pasta de pó e plástico, então faz peças menores e mais complexas que ficam quase totalmente densas.Prensagem isostática a quente (HIP)9.3comprime com gás quente de todos os lados para fechar os últimos poros, com um custo por peça muito maior.Fundição sob pressão1.4derrete alumínio ou zinco e o injeta em um molde de aço; serve para carcaças, não para engrenagens de aço.

Assista

MPIF Videos · O caminho completo do pó à peça pronta, segundo a associação do setor

Simeko AG · O que acontece entre as partículas dentro do forno

Comtec Mfg., Inc. · Prensas de compactação reais, um forno de sinterização e peças prontas

GKN Powder Metallurgy · Como o próprio pó metálico é feito, e linhas de produção modernas

Veja fotos reais

Wikipédia: Metalurgia do pó — visão geral do processo, com fotos de peças sinterizadas
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

Prense o pó até dar forma e depois aqueça abaixo do ponto de fusão para as partículas se unirem.
Ideal para peças pequenas de contorno simples, feitas às centenas de milhares com quase nenhum desperdício.
Os poros remanescentes custam um pouco de resistência, mas tornam possíveis mancais autolubrificantes e filtros.