Desenvolvimento de um compósito de alta resistência mecânica e propriedades autolubrificantes pela técnica de 2C-PIM - moldagem de pós por injeção de multimateriais

Abstract

A técnica 2C-PIM (Moldagem de Pós por Injeção de Multimateriais), derivada da tradicional injeção de materiais metálicos, pode possibilitar a união entre diferentes materiais metálicos com uma interface metalúrgica contínua e sem a necessidade de processos adicionais. Dentro desse contexto, esse trabalho propõe a utilização da técnica 2C- PIM para a união e obtenção de peças que apresentem, ao mesmo tempo, propriedade de alta resistência mecânica, por meio da adição de elementos de liga (Si e Ni) a um aço baixo carbono, com um aço autolubrificante, por meio de uma matriz ferrosa com nódulos de grafite formados in situ. O trabalho foi dividido em três etapas, a primeira focou no estudo de dilatometria das ligas para verificar a compatibilidade entre elas; a segunda etapa foi a caracterização da interface das amostras cossinterizadas, por meio de microscopia óptica, eletrônica, espectroscopia dispersiva de energia e porosidade; a terceira etapa focou na caracterização das propriedades mecânicas como ensaios de microdureza, flexão e tribologia . Os resultados mostraram que as combinações das ligas foram satisfatórias, apresentando ligações metalúrgicas com pouca porosidade e a resistência mecânica da ligação entre os materiais atingindo valores entre 802,18 e 1009,74 MPa, acima dos valores das ligas individuais. As análises de microestrutura indicaram que a interface entre as ligas teve influência dos elementos de liga adicionados, sendo que a formação de perlita nessa região influenciou os resultados da microdureza, resistência e porosidade. A análise química da interface indicou que a difusão dos elementos de liga na interface das amostras não foi abrupta, algo comprovado pelos resultados de tribologia que mostraram que os nódulos de grafite formados no aço autolubrificante mantiveram a lubricidade do material sem influenciar a outra liga. Os ensaios em triboscopia mostraram que o coeficiente de atrito em toda a amostra cossinterizada foi semelhante ao das ligas individuais, confirmando que a transição de características na interface entre as ligas foi sutil, assim como os resultados das outras caracterizações. Os resultados dos testes indicaram a viabilidade de produzir componentes mecânicos pela união em injeção e sinterização de aço baixa liga com aço autolubrificante devido à semelhança entre as composições químicas das ligas co-injetadas.

Abstract: The 2C-PIM technique (Powder Injection Molding of Multimaterials), derived from traditional metal injection molding, can enable the joining of different metallic materials with a continuous metallurgical interface and without the need for additional processes. In this context, this work proposes the use of the 2C-PIM technique for the joining and production of parts that exhibit, at the same time, high mechanical strength properties, by adding alloying elements (Si and Ni) to low-carbon steel, with a self-lubricating steel, through a ferrous matrix with graphite nodules formed in situ. The work was divided into three stages: the first focused on the dilatometry study of the alloys to verify their compatibility; the second stage involved characterizing the interface of the co-sintered samples using optical microscopy, electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, and porosity analysis; the third stage focused on the characterization of mechanical properties, such as microhardness, bending, and tribology tests. The results showed that the combinations of the alloys were satisfactory, presenting metallurgical bonds with low porosity, and the mechanical strength of the bond between the materials reached values between 802.18 and 1009.74 MPa, exceeding those of the individual alloys. Microstructural analyses indicated that the interface between the alloys was influenced by the added alloying elements, with the formation of pearlite in this region affecting the microhardness, strength, and porosity results. The chemical analysis of the interface indicated that the diffusion of the alloying elements in the interface of the samples was not abrupt, as evidenced by the tribology results, which showed that the graphite nodules formed in the self-lubricating steel maintained the lubricity of the material without influencing the other alloy. Tribological tests revealed that the coefficient of friction across the entire co-sintered sample was similar to that of the individual alloys, confirming that the transition of characteristics at the interface between the alloys was subtle, as were the results of the other characterizations. The test results indicated the feasibility of producing mechanical components by joining and sintering low-alloy steel with self-lubricating steel due to the similarity in the chemical compositions of the co-injected alloys.