Estudo da extração de ligantes e da sinterização assistidas por plasma de peças produzidas por moldagem de pós por injeção

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisEste trabalho é um estudo da remoção de ligantes poliméricos seguida pela sinterização em ciclo único, via plasma, de componentes produzidos pelo processo de moldagem de pós por injeção, MPI. Foi realizado o projeto de um reator em escala piloto capaz de variar todos os parâmetros da descarga individualmente ou combinados, sem interferência no ciclo térmico. As variáveis adotadas para a descarga foram: tensão de pico, razão de tempo ligado, pressão da atmosfera e composição da atmosfera. Para obtenção de um ciclo térmico estável foi introduzido no projeto um sistema resistivo o qual foi dimensionado de forma a atender às rigorosas exigências do ciclo de remoção e em seguida o de sinterização. As taxas de aquecimento podem variar de 0,15 °C/min a 30 °C/min. A temperatura máxima pode alcançar 1400 °C e o carregamento pode atingir 5 kg. O equipamento foi caracterizado em relação às descargas elétricas e em relação ao aquecimento auxiliar resistivo. O desenvolvimento do reator resultou em uma patente internacional do mesmo. Para a realização dos experimentos foram produzidas amostras por injeção de pós de aço inoxidável ABNT 316L (AISI 316L). Para estudar a remoção de ligantes foram realizados ciclos combinando os níveis das variáveis de processo: tensão de pico (440, 540 e 640 V), razão de tempo ligado (50, 70 e 90% de tempo ligado), pressão (0,5 - 0,9 e 1,3 Torr), teor de argônio na atmosfera Ar - H2 (1%, 8% e 16% de Ar), carregamento do reator (0,5 - 1,0 - 1,5 e 2,0 kg) e a taxa de aquecimento durante a extração (0,5 - 2,0 - 3,5 e 5,0 °C/min). Os ensaios avaliaram a perda de massa de ligante, a corrente elétrica do plasma e as condições internas do reator como depósito de resíduos ou formação de fuligem. A sinterização (efetivamente remoção de ligante conforme ciclo específico seguida de sinterização) foi realizada a 1350 °C por uma hora sob atmosfera inicial de 99% H2 + 1% Ar e 0,9 Torr, 5% de RTL (razão de tempo ligado) e 440 V. Após a sinterização foi avaliada a densificação das amostras e o teor de carbono residual. O equipamento desenvolvido mostrou-se adequado para a realização das pesquisas tendo apresentado excelente controle de todas as variáveis e robustez frente às rigorosas exigências do ciclo de remoção do ligante e às severas condições da etapa de sinterização. Os experimentos mostraram que para os níveis testados e em tensões mais baixas o teor de argônio não apresenta influência significativa sobre o processo de remoção, mas sob tensões mais elevadas intensifica a extração do ligante. Pressões mais altas aumentam a remoção e reduzem os resíduos no reator, mas tendem à formação de fuligem. O aumento da razão de tempo ligado conduz à redução da quantidade de resíduos no reator. O aumento da tensão de pico melhora o processo de extração. De um modo geral, condições que geram aumento da corrente elétrica do plasma tendem a intensificar o processo de remoção e reduzir a quantidade de resíduos. Alguns fatores que aceleram o processo de remoção podem, no entanto, induzir a formação de fuligem. O processo mostrou-se eficiente e rápido. Após a sinterização as amostras apresentaram boa densificação e o teor de carbono residual ficou bastante abaixo do valor máximo permitido para este material