Os Nossos Projetos Portugal 2020
In-Situ-Cast
Designação do projecto: In-Situ-Cast – Candidatura 033417
Código do projecto: POCI-01-0247-Feder-033417
Objetivo Principal: Reforçar a investigação, o desenvolvimento tecnológico e a inovação.
Região de intervenção: Norte
Entidade beneficiária: FERESPE – Fundição Ferro e Aço,Lda e Universidade do Porto
Data de aprovação: 17-07-2018
Data de início: 01-09-2018
Data de conclusão: 30-08-2020
Custo total elegível: 283.102,81€€
Apoio financeiro da União Europeia: 197.781,18€ FEDER
Objetivos, atividades e resultados esperados/atingidos:
Objetivos:
Este projeto enquadra-se na estratégia de crescimento e reforço da capacidade competitiva e internacionalização da FERESPE, através do desenvolvimento de produtos diferenciados e de elevado valor acrescentado para os segmentos de mercado: “Construction machinery–Offshore and Onshore” e “Dredging equipment–Offshore and Onshore”. Concretamente pretendem-se desenvolver uma nova família de materiais: compósitos de matriz metálica (MMCs) reforçada com partículas cerâmicas produzidas in-situ ou ex-situ ou reforçada com uma espuma cerâmica, para o fabrico de componentes de geometria complexa e com elevadas características tribológicas.
Atividades
Seleção e preparação de reforços cerâmicos; Produção de amostras; Caraterização macro e microestrutural; Caraterização mecânica e química; Fabrico de protótipos; Aplicação da melhor metodologia noutros materiais de base; Promoção e divulgação de resultados.
Resultados Obtidos
Este projeto teve como objetivo investigar e produzir localmente compósitos de matriz metálica (MMCs) em que a matriz de peças ferrosas vazadas é reforçada com carbonetos. Com este propósito, foram desenvolvidas metodologias para produzir reforços in-situ e ex-situ que foram introduzidos na cavidade moldante. Foram utilizados moldações de areia auto-secativa e moldações cerâmicas.
Para a produção dos compactos foram testados os sistemas de pós: Ti+C, Ti+Al+C, Ti+Fe+C e WC+Fe. Após os primeiros ensaios, foram selecionados os sistemas Ti+Al+C e WC+Fe. Os reforços com carbonetos de titânio (TiC) foram formados in-situ através da síntese por combustão autossustentável a alta temperatura (SHS), enquanto que os reforços com carboneto de tungsténio (WC) foram principalmente produzidos com a técnica ex-situ, utilizando-se misturas de pós de WC e Fe. Foram testadas outras metodologias, como a produção de espumas, que se revelaram menos eficientes e foram menos exploradas.
Com esta abordagem, conseguiram-se desenvolver soluções tecnológicas para três materiais de base produzidos pela empresa FERESPE – Fundição de Ferro e Aço, Lda: ferro fundido resistente à abrasão (25%Cr) – classe III e tipo A (ASTM A532/A532M-10:2014), aço inoxidável austenítico GX5CrNiMo19-11-2 (ISO 4991:2015), e aço de baixo carbono GP280GH (ISO 4991:2015).
O projeto iniciou-se com o reforço do ferro fundido branco de alto crómio, tendo-se produzido reforços de TiC-MMC e WC-MMC, com recurso aos métodos in-situ e ex-situ, respetivamente. No primeiro caso, prepararam-se diversas misturas tendo sido selecionada como a mais eficiente uma com pós de Ti, Al e grafite numa fração mássica de 64:20:16, as quais foram prensadas na forma de compactos em verde, seguindo-se a respetiva síntese in situ, isto é, o compacto era fixado na parede da moldação onde o reforço se formava localmente pela reação dos pós com o metal líquido. No segundo caso, foram preparados compactos a partir de misturas de WC e Fe numa fração volúmica de 40:60. Estes compactos foram sinterizados antes de serem inseridos na moldação. As condições que originaram os melhores resultados foram aplicadas no estudo dos restantes materiais.
De salientar que para um controlo efetivo dos reforços produzidos foi necessário compreender a relação entre as fases formadas na zona de compósito, incluindo a interface, e a resistência ao desgaste abrasivo, o que requereu uma análise da microestrutura bastante exaustiva. Para se conseguir estabelecer esta relação entre o processamento, a estrutura e as propriedades, foi realizada uma caracterização microestrutural por microscopia ótica (OM), microscopia eletrónica de varrimento com espectrometria de dispersão de energia (SEM/EDS), difração de eletrões retrodifundidos (EBSD), microscopia eletrónica de transmissão (TEM), e difração de Raios-X (XRD). Finalmente, para avaliar a eficácia dos reforços, foram realizados ensaios de dureza e de desgaste de microabrasão (ball Cratering).
Em síntese, as ligas ferrosas estudadas foram reforçadas com sucesso através das técnicas in-situ e ex-situ aplicadas recorrendo ao método de vazamento em areia da FERESPE. A análise microestrutural revelou uma boa ligação entre o reforço e o metal de base para todas as amostras produzidas. Ambas as abordagens proporcionaram um aumento significativo da resistência ao desgaste abrasivo. O ferro branco de alto crómio reforçado com WC-MMC apresentou o melhor desempenho em termos de desgaste, com uma taxa de desgaste cerca de 60% mais baixa que o metal de base. No caso do aço inoxidável austenítico e do aço de baixo carbono, ambos reforçados com WC-MMC via ex situ, as taxas de desgaste diminuíram 45% e 39%, respetivamente.
Evidenciam que algumas das técnicas utilizadas para reforçar localmente componentes ferrosos apresentam um elevado potencial de industrialização, podendo contribuir para o desenvolvimento de produtos diferenciados e de elevado valor acrescentado para novos segmentos de mercado. No entanto, novos desenvolvimentos são necessários para otimizar o processo e permitir a produção de componentes com geometrias complexas localmente reforçados. O projeto também evidenciou a dificuldade de aplicação destas técnicas de reforço localizado à fundição de precisão.
Os resultados obtidos evidenciam que algumas das técnicas utilizadas para reforçar localmente componentes ferrosos apresentam um elevado potencial de industrialização, podendo contribuir para o desenvolvimento de produtos diferenciados e de elevado valor acrescentado para novos segmentos de mercado. No entanto, novos desenvolvimentos são necessários para otimizar o processo e permitir a produção de componentes com geometrias complexas localmente reforçados. O projeto também evidenciou a dificuldade de aplicação destas técnicas de reforço localizado à fundição de precisão.
