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DESCRIÇÃO Fundamentos do processo de fabricação mecânica por metalurgia do pó. PROPÓSITO Compreender as aplicações e os tipos de componentes mecânicos que podem ser fabricados pelo processo de fabricação por metalurgia do pó, bem como suas características, permitindo escolher uma aplicação específica no desenvolvimento de um produto. OBJETIVOS MÓDULO 1 Identificar as características do processo de fabricação por metalurgia do pó MÓDULO 2 Descrever os métodos de obtenção dos pós MÓDULO 3 Descrever os métodos de prensagem MÓDULO 4 Reconhecer os princípios da sinterização INTRODUÇÃO AO PROCESSO DE METALURGIA DO PÓ MÓDULO 1 Identificar as características do processo de fabricação por metalurgia do pó CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR METALURGIA DO PÓ TÉCNICA DE METALURGIA DO PÓ O processo de metalurgia do pó convencional inclui uma compactação do pó metálico em uma matriz que contém a forma desejada e posterior sinterização do compactador. No processo de sinterização, ocorre aquecimento até uma temperatura abaixo do ponto de fusão do metal ou liga, para viabilizar as propriedades físicas e químicas desejadas. A metalurgia do pó é usada para fabricar produtos ou artigos de metais, cerâmicos ou cermetes em pó, colocando esses pós em moldes e compactando-os a partir do uso de uma força de compressão pesada. São exemplos típicos de tais artigos ou produtos: REBOLOS FIO DE FILAMENTO ÍMÃS HASTES DE SOLDAGEM FERRAMENTAS DE CORTE DE CARBONETO DE TUNGSTÊNIO CONTATOS ELÉTRICOS DE ROLAMENTOS AUTOLUBRIFICANTES LÂMINAS DE TURBINAS COM RESISTÊNCIA À ALTA TEMPERATURA A fabricação de peças pelo processo de metalurgia do pó envolve a fabricação de pós, a mistura, a compactação, o aproveitamento, a sinterização e uma série de operações secundárias, como dimensionamento, cunhagem, usinagem, impregnação, infiltração, galvanização e tratamento térmico. As peças comprimidas são, então, aquecidas a temperaturas muito abaixo de seus pontos de fusão para unir as partículas e melhorar sua resistência e outras propriedades. ATENÇÃO Poucos materiais não metálicos também podem ser adicionados aos pós-metálicos para fornecer ligação adequada ou transmitir algumas das propriedades necessárias. Os produtos feitos por meio desse processo são muito caros devido ao alto custo dos pós metálicos e das matrizes utilizadas. Os pós de quase todos os metais e uma grande quantidade de ligas e não metais podem ser usados. A aplicação do processo de metalurgia do pó é economicamente viável apenas para produção em massa, tendo em vista os altos custos de preparação. As peças feitas por esse processo exibem propriedades que não podem ser produzidas pelos métodos convencionais. As peças de formato simples podem ser feitas sob medida com alta precisão, sem desperdício e totalmente ou quase prontas para instalação. SAIBA MAIS Os pós são definidos como partículas que, geralmente, possuem menos de 1000 μm (1 mm) de tamanho. A maioria das partículas de metal usadas na metalurgia do pó está na faixa de 5 a 200 μm. Para exemplificar, o cabelo humano está normalmente na faixa de 100 μm. HISTÓRIA DA METALURGIA DO PÓ A metalurgia do pó já foi chamada de arte perdida. Ao contrário da argila e de outros materiais cerâmicos, a arte de moldar e queimar objetos metálicos práticos ou decorativos foi aplicada apenas ocasionalmente durante os primeiros estágios da história registrada. A sinterização de metais foi totalmente esquecida durante os séculos seguintes, apenas para ser reutilizada na Europa no final do século XVIII, quando vários métodos de produção de pó de platina foram registrados (SAMAL; NEWKIRK, 2015). Desde o início da história registrada, pós metálicos como ouro, cobre e bronze, e muitos óxidos em pó (principalmente óxido de ferro e outros óxidos usados como pigmentos) foram usados para fins decorativos em cerâmica, como bases para tintas e em cosméticos. O ouro em pó foi usado para ilustrar alguns dos primeiros manuscritos. SAIBA MAIS Não se sabe como esses pós foram produzidos, mas é possível que alguns tenham sido obtidos por granulação após a fusão do metal. Baixos pontos de fusão e resistência à oxidação (mancha) favorecem tais processos, especialmente no caso de pós de ouro. O uso desses pós para pigmentos e ornamentos não é, de fato, a metalurgia do pó, pois as características essenciais da arte moderna são a produção do pó e sua consolidação em uma forma sólida pela aplicação de pressão e calor a uma temperatura abaixo do ponto de fusão do constituinte principal. O homem primitivo aprendeu por acaso que as partículas de metal podiam ser unidas por meio de um martelo, resultando em uma estrutura metálica sólida. Com o tempo, aprendeu a construir fornos e a desenvolver temperaturas altas o suficiente para fundir metais e formar ligas de baixo ponto de fusão, como cobre e estanho para fazer bronze. Muito antes de serem desenvolvidos fornos que pudessem aproximar-se do ponto de fusão do metal, os princípios da metalurgia do pó foram usados. Por volta de 3.000 a.C., os egípcios usavam um ferro-esponja para fazer ferramentas. Nesse processo inicial, o óxido de ferro era aquecido em carvão, que era intensificado por rajadas de ar por meio de fole para reduzir o óxido a um ferro metálico esponjoso. O ferro-esponja quente resultante foi, então, martelado para soldar as partículas. As formas finais foram obtidas por procedimentos de forjamento simples. As práticas de metalurgia do pó foram usadas pelos incas e seus predecessores na fabricação de platina antes de Colombo fazer sua viagem ao “Novo Mundo”, em 1492. A técnica usada foi baseada na ação de cementação de um aglutinante de fusão inferior — uma técnica semelhante à prática atual de fabricação de carbonetos sinterizados. SAIBA MAIS Embora a metalurgia do pó tenha sua aplicação industrial relativamente recente, sua verdadeira consolidação ocorreu a partir da Segunda Guerra Mundial. APLICAÇÃO DE METALURGIA DO PÓ A capacidade de processamento de prensagem e sinterização ou processamento de Moldagem por Injeção de Metal (MIM) para reproduzir peças em grandes volumes é muito atraente para os engenheiros de projeto. A capacidade de fabricar formas complexas para o tamanho e formato final ou para o formato quase final é particularmente valiosa. A metalurgia do pó oferece potencial para fazer isso em grandes volumes e para aplicações em que os volumes não são tão grandes. As três principais razões para usar a metalurgia do pó são: Relação entre as razões para a aplicação da metalurgia do pó. Fonte: Samal e Newkirk, 2015 (Adaptado) Para algumas aplicações que requerem grandes volumes de peças com alta precisão, o custo é o fator principal. EXEMPLO Um bom exemplo desse segmento são as peças para a indústria automotiva: aproximadamente 70% das peças estruturais utilizadas são da metalurgia do pó, provenientes de pós ferrosos. As peças de metalurgia do pó são usadas em aplicações no motor, na transmissão e nos chassis. Às vezes, é uma microestrutura ou propriedade única que leva ao uso da fabricação por metalurgia do pó, como: Filtros porosos Rolamentos autolubrificantes Ligas reforçadas por dispersão Materiais com graduação funcional, como o titânio-hidroxiapatita Ferramentas de corte de carboneto de tungstênio Compostos de diamante TITÂNIO-HIDROXIAPATITA Constituinte que pode ser usado como biomaterial para auxiliar na reposição de órgãos do corpo humano. Fonte: Niespodziana et al. (2010). javascript:void(0) As aplicações cativas de metalurgia do pó incluem materiais que são difíceis de serem fabricados por outras técnicas, como metais refratários e metais reativos. A região de aplicação ideal da metalurgia do pó é a interseção destas três características (economia, exclusividade e aplicações cativas), como é o caso dos supercapacitores. SUPERCAPACITORES Capacitores que possuem capacidade de armazenar e fornecer grande quantidadede carga elétrica. Metalurgia do pó é o nome dado ao processo pelo qual os materiais em pó fino são misturados, prensados na forma desejada (compactados) e, em seguida, aquecidos (sinterizados) em uma atmosfera controlada para ligar as superfícies de contato das partículas e estabelecer as propriedades desejadas. O processo presta-se prontamente à produção em massa de peças pequenas e de alta precisão, muitas vezes eliminando a necessidade de usinagem ou acabamento adicional. Há pouco desperdício de material. Materiais ou misturas incomuns podem ser utilizados, e graus controlados de porosidade ou permeabilidade podem ser produzidos. As principais áreas de aplicação tendem a ser aquelas para as quais o processo de metalurgia do pó tem forte vantagem econômica em comparação com componentes usinados, fundidos ou forjados, ou quando as propriedades e características desejadas seriam difíceis de obter por qualquer outro método, como produtos feitos de tungstênio, molibdênio ou carboneto de tungstênio, rolamentos porosos, filtros e vários componentes magnéticos. Devido ao seu nível de maturidade de fabricação, a metalurgia do pó deve ser considerada um possível meio de fabricação para qualquer peça em que a geometria e a quantidade de produção sejam adequadas. PROCESSO BÁSICO DE METALURGIA DO PÓ Geralmente, o processo de metalurgia do pó envolve quatro etapas básicas: javascript:void(0) FABRI CAÇÃO DO PÓ MISTURA OU COMBI NAÇÃO COMPAC TAÇÃO SINTERI ZAÇÃO A compactação é realizada à temperatura ambiente, e o processo de sinterização, realizado à temperatura elevada, é normalmente conduzido à pressão atmosférica. O processamento secundário opcional normalmente ocorre para obter propriedades especiais ou precisão aprimorada. O esquema a seguir apresenta um fluxograma simplificado do processo de metalurgia do pó de compactação de matriz convencional: Processo de metalurgia do pó. Degarmo et al., 1997 (Adaptado) VERIFICANDO O APRENDIZADO MÓDULO 2 Descrever os métodos de obtenção dos pós OS MÉTODOS DE OBTENÇÃO DOS PÓS ORIGEM DO PÓ Os pós de metal vêm em muitos formatos e tamanhos diferentes, como mostram as figuras a seguir: Pós de metal. Sua forma, seu tamanho e sua distribuição de tamanho dependem da maneira como foram produzidos. Existem três métodos principais de produção de pó: MECÂNICA: Incluindo usinagem, fresagem e ligamento mecânico. QUÍMICA: Incluindo deposição eletrolítica, decomposição de um sólido por um gás, decomposição térmica, precipitação de um líquido, precipitação de um gás, síntese reativa sólido-sólido. FÍSICA: Incluindo técnicas de atomização. A maioria dos metais está disponível na forma de pó. Alguns podem ser feitos por muitos métodos diferentes, enquanto para outros apenas algumas opções são possíveis. As características do pó são determinadas pelo método a partir do qual ele é produzido. Forma, tamanho, distribuição de tamanho, área de superfície, densidade aparente, resistência, entre outras características dependem do método de produção do pó. FABRICAÇÃO DO PÓ As propriedades dos produtos de metalurgia do pó são altamente dependentes das características dos pós de partida. Algumas propriedades e características importantes incluem: Propriedade química e pureza. Tamanho de partícula. Distribuição de tamanho. Formato de partícula. Textura da superfície das partículas. Vários processos podem ser usados para produzir material em pó, cada um conferindo propriedades e características distintas ao pó e, portanto, ao produto final. SAIBA MAIS Mais de 80% de todo o pó comercial é produzido por alguma forma de atomização por fusão, em que o material líquido é fragmentado em pequenas gotículas que se resfriam e solidificam- se em partículas antes de entrar em contato umas com as outras ou com uma superfície sólida. Vários métodos têm sido utilizados para formar as gotículas. Um deles está ilustrado na figura a seguir: Atomização de gás. Fonte: Degarmo et al. 1997 (Adaptada) Nesta figura, observamos a atomização de gás, na qual jatos de gás de alta pressão (geralmente nitrogênio, argônio ou hélio) atingem uma corrente de metal líquido à medida que emergem de um orifício. O líquido pressurizado (normalmente água) pode substituir o gás pressurizado, convertendo o processo em atomização de líquido ou atomização de água. Já na figura a seguir, um arco elétrico colide com um eletrodo em rotação rápida: Colisão de arco elétrico com eletrodo. Fonte: Degarmo et al., 1997 (Adaptada) A força centrífuga faz com que as gotas derretidas voem da superfície do eletrodo e congelem durante o voo. O tamanho das partículas é muito uniforme e pode ser variado, alterando a velocidade de rotação. Independentemente do processo específico, a atomização é um meio extremamente útil de produção de pós pré-ligados. Começando com um fundido com liga ou eletrodo pré-ligado, cada partícula de pó tem a composição de liga desejada. Pós de ligas de alumínio, ligas de cobre, aço inoxidável, ligas à base de níquel (como Monel), ligas de titânio, ligas à base de cobalto e vários aços de baixa liga foram produzidos comercialmente. MONEL Liga de níquel e cobre com a porcentagem de níquel variando entre 65% e 70% em peso. O tamanho, a forma e a textura da superfície das partículas de pó variam, dependendo de características do processo, como a velocidade e o meio onde se encontram os jatos de atomização ou a velocidade de rotação do eletrodo, a temperatura inicial do líquido — que afeta o tempo que a tensão superficial pode agir sobre as gotas individuais antes da solidificação —, e o ambiente fornecido para o resfriamento. ATENÇÃO Quando o resfriamento é lento, como na atomização de gás, e a tensão superficial é alta, esferas de superfície lisa podem formar-se antes da solidificação. Com o resfriamento mais rápido da atomização da água, formas irregulares tendem a ser produzidas. Outros métodos de fabricação de pó incluem: REDUÇÃO QUÍMICA DE COMPOSTOS PARTICULADOS (GERALMENTE ÓXIDOS OU MINÉRIOS TRITURADOS) Os pós que resultam dessas reações de estado sólido são normalmente macios, de formato irregular e textura esponjosa. A pureza do pó depende da pureza dos materiais de partida. Uma javascript:void(0) grande quantidade de pó de ferro é produzida pela redução do minério de ferro ou da incrustação do laminador. DEPOSIÇÃO ELETROLÍTICA DE SOLUÇÕES OU SAIS FUNDIDOS Esse método implica condições de processo que favoreçam a produção de um depósito esponjoso ou pulverulento que não adere ao cátodo. A pureza é geralmente alta, mas a energia necessária também. Portanto, a eletrólise é normalmente restrita à produção de pós de alto valor, como cobre de alta condutividade. PULVERIZAÇÃO OU TRITURAÇÃO DE MATERIAIS QUEBRADIÇOS Etapa de maceração ou moagem, que pode ser manual ou em moinho de bolas. DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE HIDRETOS OU CARBONILOS PARTICULADOS Hidretos são compostos inorgânicos que possuem o hidrogênio como elemento mais eletronegativo. Carbonilos são Ligação de um carbono e um oxigênio por meio de uma ligação dupla (ligação π). Os pós de ferro e níquel são produzidos pela decomposição da carbonila, resultando em pequenas partículas esféricas. PRECIPITAÇÃO DA SOLUÇÃO Substância que se separa de uma solução líquida, formando um sólido ao fundo do recipiente. CONDENSAÇÃO DE VAPORES METÁLICOS Quase qualquer metal, liga de metal ou não metal (cerâmica, polímero ou cera, ou lubrificante de grafite) pode ser convertido na forma de pó por um ou mais de seus métodos de produção. Alguns métodos podem produzir apenas pó elementar (geralmente de alta pureza), enquanto outros podem produzir partículas pré-ligadas. A liga também pode ser obtida mecanicamente por processos que fazem os pós elementares aderirem e separarem-se sucessivamente. TESTE E AVALIAÇÃO DO PÓ Os pós também devem ser avaliados quanto à sua adequação para processamento posterior. A taxa de fluxomede a facilidade com que o pó pode ser alimentado e distribuído em uma matriz. ATENÇÃO As características de fluxo pobres podem resultar em enchimento não uniforme do molde, bem como densidade não uniforme e propriedades não uniformes em um produto final. Associada às características de fluxo está a densidade aparente: uma medida da capacidade de um pó de preencher o espaço disponível sem aplicação de pressão externa. Uma baixa densidade aparente significa que há grande fração de espaço não preenchido no pó solto. Os testes de compressibilidade avaliam a eficácia da pressão aplicada em aumentar a densidade do pó, e a resistência ao manuseio é usada para descrever a força do pó compactado imediatamente após a compactação. Está bem estabelecido que a maior densidade do produto correlaciona-se com propriedades mecânicas superiores, como força e resistência à fratura. Boa resistência ao manuseio é necessária para manter superfícies lisas, cantos agudos e detalhes complexos durante a ejeção da matriz de compactação ou ferramenta e a transferência subsequente para a operação de sinterização. O objetivo geral é alcançar um equilíbrio útil das principais propriedades. ATENÇÃO As esferas de superfície lisa produzidas por atomização de gás, por exemplo, tendem a derramar e fluir bem, mas os compactos contêm força de manuseio muito baixa, desintegrando-se facilmente durante essa manipulação. As partículas irregulares de pó atomizado por água têm melhor compressibilidade e resistência ao manuseio, mas características de fluxo mais pobres. Os pós ferro-esponja produzidos pela redução química do óxido de ferro são extremamente porosos e apresentam superfícies altamente irregulares e muito ásperas. Eles exibem características de fluxo pobres e baixa densidade compactada, mas a força de manuseio é bastante alta. Assim, o mesmo material pode ter características de desempenho amplamente diferentes, dependendo das especificações da fabricação do pó. MISTURA E COMBINAÇÃO DO PÓ É raro que um único pó possua todas as características desejadas em determinado processo e produto. Muito provavelmente, o material de partida será uma mistura de vários graus ou tamanhos de pó, ou pós de diferentes composições, juntamente a adições de lubrificantes ou ligantes. Em produtos em pó, a química final é frequentemente obtida pela combinação de metais puros ou pós não metálicos, em vez de começar com um material pré-ligado. Para produzir química e estrutura uniformes em um produto em pó misturado, deve ocorrer difusão suficiente durante a operação de sinterização. Compostos exclusivos também podem ser produzidos, como a distribuição de um material de reforço imiscível em uma matriz ou a combinação de metais e não metais em um único produto, como uma ferramenta de corte de matriz de carboneto de tungstênio-cobalto para serviço em alta temperatura. Alguns pós, como o grafite, podem até apresentar dupla função, servindo como lubrificante durante a compactação e fonte de carbono, pois liga-se ao ferro durante a sinterização para produzir aço. Lubrificantes como grafite ou ácido esteárico melhoram as características de fluxo e compressibilidade à custa da redução da resistência verde. ÁCIDO ESTEÁRICO Ácido graxo saturado que possui 18 carbonos em sua cadeia. Ácido esteárico javascript:void(0) Os aglutinantes produzem o efeito reverso. Como a maioria dos lubrificantes ou aglutinantes não é desejada no produto final, eles são removidos (volatilizados ou queimados) nos estágios iniciais da sinterização, deixando orifícios de tamanho reduzido ou fechados durante o aquecimento subsequente. ATENÇÃO As operações de mistura ou combinação podem ser feitas a seco ou a úmido, em que água ou outro solvente é usado para aumentar a mobilidade das partículas, reduzir a formação de poeira e diminuir os riscos de explosão. Grandes lotes de pó podem ser homogeneizados em relação à química e à distribuição de componentes, tamanhos e formas. Quantidades de até 16.000 kg podem ser misturadas em lotes únicos para garantir um comportamento uniforme durante o processamento e a produção em grande escala de um produto consistente. VERIFICANDO O APRENDIZADO MÓDULO 3 Descrever os métodos de prensagem O PROCESSO DE PRENSAGEM OU COMPACTAÇÃO COMPACTAÇÃO Uma das etapas mais críticas no processo de metalurgia do pó é a prensagem, também chamada de compactação. O pó solto é comprimido e densificado em uma forma conhecida como compacto verde, geralmente em temperatura ambiente. A alta densidade do produto e a uniformidade dessa densidade em todo o compacto são características desejadas. Além disso, o entrelaçamento mecânico e a soldagem a frio das partículas devem fornecer resistência ao manuseio suficiente para a manipulação durante o processo e transporte ao forno de sinterização. A maior parte da compactação é feita com prensas mecânicas e ferramentas rígidas, mas prensas hidráulicas e híbridas também podem ser usadas. As figuras a seguir mostram prensas mecânicas típicas para compactar pós e um conjunto removível de ferramentas de compactação: Prensa mecânica industrial. Prensa mecânica manual. Os conjuntos de matrizes removíveis permitem que o tempo de alinhamento e a sincronização dos movimentos da ferramenta sejam configurados enquanto a prensa está produzindo peças com outro conjunto de matrizes. As pressões de compactação geralmente variam entre 3 e 120 ton/pol², dependendo do material e da aplicação, conforme mostra a tabela a seguir. A faixa de 10 a 50 ton/pol² é a mais comum. MANCAIS Peça, em geral de metal, com rebaixo cilíndrico ou esférico onde se aloja a ponta do eixo girante de uma máquina. Fonte: Dicionário eletrônico Houaiss da língua portuguesa (2009). Pressão de compactação Aplicação Ton/pol² MPa Metais porosos e filtros. 3-5 40-70 Matais refratários e ferramentas de metal duro. 5-15 70-200 Mancais de rolamento. 10-25 146-350 Peças mecânicas (aço e ferro com densidade média). 20-50 275-690 Peças de alta densidade de cobre e alumínio. 18-20 250-275 Peças de alta densidade de ferro e aço. 50-120 690-1650 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Embora a maioria das prensas de metalurgia do pó tenha capacidades totais de menos de 100 toneladas, tem sido observada uma crescente utilização de prensas com capacidades maiores. Por causa das pressões e da capacidade da prensa, os produtos de metalurgia do pó são javascript:void(0) frequentemente limitados a áreas de prensagem de menos de 10 pol², mas peças maiores tornaram-se mais comuns. Agora, algumas prensas de metalurgia do pó mostram capacidades de até 3.000 toneladas e de áreas de prensagem de até 100 pol². Quando produtos ainda maiores são desejados, a compactação pode ser realizada por métodos dinâmicos, como o uso de uma onda de choque induzida de forma explosiva. Os processos de conformação de metal — laminação, forjamento, extrusão e estampagem — também foram adaptados para compactação de pó. SEQUÊNCIA DE COMPACTAÇÃO O processo de compactação pode ser definido a partir três parâmetros fundamentais: COEFICIENTE DE DESLIZAMENTO COEFICIENTE DE COMPATI BILIDADE (COMPRESSIBI - LIDADE) COESÃO Com o conhecimento desses parâmetros, as variações locais de pressão e densidade dentro de uma geometria compacta de pó específico podem ser determinadas. Os pós podem ser compactados pela aplicação de uma força externa por prensagem de pós em matrizes rígidas, prensagem isostática em envelopes flexíveis, compactação por rolo em folha ou tira, ou extrusão. Para a compactação de pó solto prensado em matrizes rígidas ou isostaticamente, três estágios foram postulados. São eles: ESTÁGIO 01 As partículas de pó são inicialmente reempacotadas ou rearranjadas, levando à eliminação parcial da ponte entre as partículas. ESTÁGIO 02 As partículas sofrem deformação elástica e plástica. ESTÁGIO 03 As partículas sofrem fratura frágilpara formar um agregado menor. Observamos que, referente aos pós esféricos, a deformação e o deslizamento ocorrem simultaneamente a partir do início da compactação. O deslizamento das partículas para em aproximadamente 80% da densidade teórica. Vimos, ainda, que o fluxo plástico atua na deformação ao redor dos contatos das partículas e no preenchimento das cavidades por extrusão local. A figura a seguir mostra a sequência de compactação típica para uma prensa mecânica: Processo de compactação de prensa mecânica. Com o punção inferior em sua posição totalmente levantada, uma sapata de alimentação move-se para a posição sobre a matriz. Com a sapata de alimentação em posição, o punção inferior desce até uma profundidade de preenchimento predefinida e a sapata se retrai, com suas bordas nivelando o pó. Então, o punção superior desce e compacta o pó conforme ele penetra na matriz. O punção superior se retrai, e o punção inferior sobe para ejetar o compacto javascript:void(0) javascript:void(0) javascript:void(0) javascript:void(0) verde. Conforme a sapata de alimentação avança para o próximo ciclo, sua borda dianteira limpa o produto compactado da prensa e o ciclo se repete. SAPATA DE ALIMENTAÇÃO Recipiente invertido cheio de pó, conectado a um grande recipiente de pó por um tubo flexível de alimentação. Durante a compactação uniaxial ou unidirecional, as partículas de pó movem-se principalmente na direção da força aplicada. Como as dimensões do pó sem compactação são de duas a duas vezes e meia as dimensões do pó prensado, a quantidade de partículas viajando na direção de prensagem pode ser substancial. A quantidade de fluxo lateral, no entanto, é bastante limitada. De fato, é raro encontrar uma partícula no produto compactado que tenha se movido mais de três diâmetros de partícula fora de seu eixo original de prensagem. Assim, o pó não flui como um líquido, mas simplesmente comprime-se até que uma força igual e oposta seja criada. SAIBA MAIS Essa força oposta é provavelmente uma combinação de resistência do punção inferior e atrito entre as partículas e as superfícies da matriz. A densificação ocorre pelo movimento das partículas, bem como pela deformação plástica das partículas individuais. VARIAÇÃO DE DENSIDADE DO COMPACTADO Conforme ilustra a figura a seguir, quando a pressão é aplicada por apenas um punção, a densidade máxima ocorre abaixo do punção e diminui à medida que se move para baixo na coluna: Aplicação da pressão por punção. É muito difícil transmitir pressões uniformes e produzir densidade uniforme em um compacto, especialmente quando a espessura é grande. Com o uso de uma prensa de ação dupla, cujos movimentos de prensagem ocorrem tanto na parte superior quanto na inferior, produtos mais espessos podem ser compactados para uma densidade mais uniforme. Como o atrito da parede lateral é fator-chave na compactação, a densidade resultante mostra uma forte dependência, tanto da espessura quanto da largura da peça que está sendo pressionada. Para compactação uniforme, a relação espessura/largura deve ser mantida abaixo de 2,0, sempre que possível. Quando a proporção excede 2,0, os produtos tendem a exibir uma variação considerável na densidade. Compactação por aplicação de pressão uniforme. Conforme o gráfico a seguir, a densidade média do compacto depende da quantidade de pressão que é aplicada, com a resposta específica fortemente dependente das características do pó comprimido (seu tamanho, forma, textura da superfície, propriedades mecânicas etc.): A densidade final pode ser definida como uma densidade absoluta em unidades, como gramas por centímetro cúbico, ou como uma porcentagem da densidade livre de poros ou teórica. A diferença entre essa porcentagem e 100%, corresponde à quantidade de espaço vazio restante dentro do compacto. Conforme vimos no gráfico, à medida que a pressão aplicada é aumentada, a densidade do compacto de pó resultante aumenta. A relação entre a pressão nominal aplicada a uma matriz e a densidade média do compacto de pó produzido pode ser expressa empiricamente para baixas pressões. De acordo com Balshin (1938), essa relação é dada por: A equação só é válida para certos pós e limitada a uma estreita variação de pressão. Além disso, a equação não é adequada para pressões elevadas. Uma base teórica para a relação, baseada em princípios fundamentais, foi desenvolvida posteriormente por Heckel (1961) e pode ser expressa como: Constatamos que isso aplica-se razoavelmente bem a uma série de pós em uma ampla faixa de pressão, bem como a compactação de pós metálicos por prensagem isostática leva a uma densidade maior do que por matrizes rígidas. A prensagem isostática de pós mostrou duas relações lineares de , que ocorrem para faixas de pressão baixa e alta. VERIFICANDO O APRENDIZADO MÓDULO 4 Reconhecer os princípios da sinterização ln versusP 1 1 − D OS PRINCÍPIOS DA SINTERIZAÇÃO SINTERIZAÇÃO Na operação de sinterização, os compactos de pó prensado são aquecidos em um ambiente de atmosfera controlada a uma temperatura abaixo do ponto de fusão, no entanto alta o bastante para permitir a difusão em estado sólido. Esses compactos de pó prensado são mantidos por tempo suficiente para permitir a ligação das partículas. A maioria dos metais é sinterizada em temperaturas de 70% a 80% de seu ponto de fusão, enquanto certos materiais refratários podem exigir temperaturas próximas a 90%. A tabela a seguir apresenta um resumo de algumas temperaturas comuns de sinterização: Pressão de compactação Aplicação Ton/pol² MPa Metais porosos e filtros. 3-5 40-70 Matais refratários e ferramentas de metal duro. 5-15 70-200 Mancais de rolamento. 10-25 146-350 Peças mecânicas (aço e ferro com densidade média). 20-50 275-690 Peças de alta densidade de cobre e alumínio. 18-20 250-275 Peças de alta densidade de ferro e aço. 50-120 690-1650 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal Resumo das temperaturas de sinterização dos metais. Fonte: Degarmo et al., 1997 (Adaptada) Quando o produto é composto por mais de um material, a temperatura de sinterização pode estar acima da temperatura de fusão de um ou mais componentes. Logo, os materiais de baixo ponto de fusão derretem e fluem para os vazios entre as partículas restantes. Assim, o processo torna-se sinterização de fase líquida. Na sinterização ativada, uma pequena quantidade de aditivo é usada para aumentar a taxa de difusão. ESTÁGIOS DA SINTERIZAÇÃO A maioria das operações de sinterização envolve três estágios e muitos fornos de sinterização empregam três zonas correspondentes. Vamos conhecer agora os estágios de sinterização: PRÉ-AQUECIMENTO, QUEIMA OU PURGA O primeiro estágio é projetado para queimar qualquer ar, volatilizar e remover lubrificantes ou aglutinantes que interfeririam em uma boa ligação, aumentando lentamente a temperatura dos compactos de maneira controlada. O aquecimento rápido produziria alta pressão interna do ar aprisionado em poros fechados ou lubrificantes de volatilização e resultaria em dilatação ou fratura dos compactados. Quando os compactados contêm quantidades apreciáveis de materiais voláteis, sua remoção cria porosidade e permeabilidade adicionais dentro da forma prensada. A fabricação de produtos como filtros metálicos é projetada para aproveitar esse recurso. No entanto, quando os produtos são componentes como rolamentos de carga, grandes quantidades de porosidade são indesejáveis e a quantidade de lubrificante de volatilização é mantida em um mínimo otimizado. ALTA TEMPERATURA No segundo estágio, ocorrem a difusão de estado sólido desejada e a ligação entre as partículas de pó. À medida que o material busca diminuir sua energia superficial, os átomos movem-se em direção aos pontos de contato entre as partículas. As áreas de contato, por sua vez, aumentam, e a peça transforma-se em uma massa sólida com pequenos poros de vários tamanhose formatos. Por fim, as ligações mecânicas de compactação tornam-se verdadeiras ligações metalúrgicas. Nessa etapa, o tempo deve ser suficiente para produzir a densidade desejada e as propriedades finais, geralmente variando de 10 minutos a várias horas. RESFRIAMENTO No último estágio, é necessário um período de resfriamento para diminuir a temperatura dos produtos e, ao mesmo tempo, mantê-los em atmosfera controlada. Esse recurso serve para evitar a oxidação que ocorreria na descarga direta no ar, bem como possível choque térmico de resfriamento rápido. Tanto fornos descontínuos quanto contínuos são usados para sinterização. Todos os três estágios de sinterização devem ser conduzidos em condições de vácuo livres de oxigênio ou em atmosfera protetora. Isso é crítico, porque as formas compactadas normalmente apresentam de 10% a 25% de porosidade residual, e alguns dos vazios internos são conectados a superfícies expostas. Em temperaturas elevadas, a oxidação rápida ocorreria e prejudicaria significativamente a qualidade da ligação entre as partículas. Atmosferas redutoras, comumente baseadas em hidrogênio, amônia dissociada ou hidrocarbonetos craqueados, são as preferidas, porque podem reduzir qualquer óxido já presente nas superfícies das partículas e queimar gases nocivos que são liberados durante a sinterização. Os gases inertes não podem reduzir os óxidos existentes, mas evitam a formação de quaisquer contaminantes adicionais. A sinterização a vácuo é frequentemente empregada com aço inoxidável, titânio e metais refratários. Atmosferas de nitrogênio também são comuns. ATENÇÃO Durante a operação de sinterização, uma série de alterações ocorre no compacto. As ligações metalúrgicas formam-se entre as partículas de pó como resultado da difusão atômica no estado sólido, e a resistência, a ductilidade, a tenacidade e as condutividades elétricas e térmicas aumentam. Se diferentes pós químicos forem misturados, a interdifusão promoverá a formação de ligas ou fases intermetálicas. À medida que o lubrificante é removido e os poros reduzem de tamanho, há aumento simultâneo na densidade e na contração nas dimensões do produto. Para atender às tolerâncias finais, o encolhimento dimensional terá de ser compensado por meio do projeto de matrizes de compactação superdimensionadas. Entretanto, durante a sinterização, nem toda a porosidade é removida. Os produtos convencionais da metalurgia do pó prensados e sinterizados geralmente possuem entre 5% e 25% de porosidade residual. BRASAGEM POR SINTERIZAÇÃO A brasagem por sinterização é um processo no qual duas ou mais peças separadas são unidas por brasagem enquanto também estão sendo sinterizadas. As peças individuais são compactadas separadamente e são montadas com o metal de brasagem posicionado de forma que flua para a junta. javascript:void(0) MODAL Processo térmico para a junção e revestimento de materiais metálicos com a ajuda de um metal de adição fundido (meio de brasagem) — na maioria dos casos, mediante o emprego de meio fluxante e/ou gás de proteção da brasagem. Ao contrário da soldagem, o material de adição ou de brasagem é diferente e tem um ponto de fusão mais baixo do que o material de base que está sendo soldado. Fonte: Batalha (2003) Quando o conjunto é aquecido para sinterização, o metal de brasagem derrete e flui entre as superfícies da junta para criar a ligação. Conforme a sinterização continua, grande parte do metal de brasagem difunde-se no metal circundante, produzindo uma junta final que, geralmente, é mais forte do que os materiais que estão sendo unidos. RECENTES AVANÇOS NA SINTERIZAÇÃO Como as propriedades do produto melhoram com o aumento da densidade, várias técnicas foram desenvolvidas para produzir componentes de alta densidade. Uma maneira de conseguir isso usando a abordagem convencional de compactar e sinterizar é aumentar a temperatura de sinterização. Embora a sinterização em alta temperatura pareça facilmente alcançável para componentes de ferro e aço, o aumento das temperaturas geralmente requer mudanças significativas no projeto e nos materiais do forno. No entanto, as densidades mais altas do produto muitas vezes podem permitir o uso de materiais menos caros, como aços com liga de cromo ou silício no lugar dos aços de níquel ou molibdênio. O endurecimento por sinterização integra um tratamento térmico de reforço diretamente nessa operação. Nas temperaturas de sinterização, as peças de ferro e aço são austenita, e um resfriamento rápido pode produzir microestruturas mais fortes e sem equilíbrio. No lugar do resfriamento lento usual sob uma atmosfera protetora, as peças podem passar por um resfriamento convectivo rápido e algumas podem sofrer uma têmpera em óleo. javascript:void(0) AUSTENITA Solução sólida de carbono, ou carboneto de ferro, em ferrita; ocorre em aços com elevado teor de carbono. Fonte: Dicionário eletrônico Houaiss da língua portuguesa (2009) A sinterização por micro-ondas mudou recentemente do laboratório de pesquisa para a produção em grande escala. Ao contrário do aquecimento por convecção, em que o calor é transmitido por meio de superfícies externas, as micro-ondas interagem com todo o volume do material, aquecendo uniformemente toda a peça. Assim, reduz-se o tempo de processamento e o consumo de energia para tão pouco quanto 20% do processamento tradicional. SAIBA MAIS O uso de micro-ondas na sinterização de materiais cerâmicos tem alcançado muito êxito e demonstrado a viabilidade geral do processo. Mais recentemente, com sucesso, a técnica foi estendida para pós metálicos e utilizada com ligas ferrosas, tungstênio e outros metais. Metais em pó, no entanto, aquecem bem devido à grande área de superfície e à fraca conectividade elétrica. Óxidos de superfície, umidade e outros contaminantes de superfície ajudam no aquecimento inicial. Contudo, uma vez que o metal se converte em condutor e a conectividade entre as partículas melhora, o aquecimento por micro-ondas torna-se menos eficaz. O aquecimento por micro-ondas também pode ser extremamente útil na redução do tempo necessário para a remoção de ligantes e lubrificantes. No processamento tradicional, o calor é conduzido da superfície da peça para o interior. Se a peça for aquecida muito rapidamente, a volatilização poderá criar bolsas de gás que causam expansão de volume ou mesmo trincas. Se a temperatura for muito alta, a superfície poderá se densificar, prendendo aglutinante ou lubrificante no interior. A remoção ideal, muitas vezes, pode ser alcançada combinando o aquecimento convencional com um auxiliar de micro-ondas, que aquece o lubrificante ou aglutinante de dentro e o direciona para a superfície. A compactação e a sinterização são combinadas na sinterização com plasma de centelha, quando a compactação da força axial é acoplada a pulsos de alta frequência, alta amperagem e baixa tensão de corrente contínua, que são aplicados por meio dos punções. As descargas de faíscas ocorrem nas lacunas entre as partículas, enquanto o aquecimento da resistência elétrica ocorre nos pontos de contato delas. Alguma fusão superficial é observada, e o aquecimento das partículas combinado com a pressão axial faz com que as partículas se deformem, auxiliando ainda mais a densificação. Nenhum aglutinante é necessário, e a densidade total pode ser alcançada com pós de metal e cerâmico. A sinterização pode ser obtida em temperaturas gerais mais baixas e o tempo de processamento pode ser bastante reduzido. VERIFICANDO O APRENDIZADO CONCLUSÃO CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste tema foram apresentados conceitos e metodologias da técnica de metalurgia do pó. Vimos as vantagens desse método, assim como as técnicas utilizadas para obter, tratar e sinterizar o pó metálico a fim de obter um produto final útil para a engenharia. Em especial, a fase de prensagem é uma das mais importantes para se obter uma sinterização de sucesso, pois se poros em excesso existiremno pó compactado, defeitos estruturais acompanharão a peça final obtida após a sinterização. PODCAST AVALIAÇÃO DO TEMA: REFERÊNCIAS BALSHIN, M. Y. Theory of compacting. Vestnik Metalloprom, v. 18, n. 16, p. 124-137, 1938. BATALHA, G. F. Processos de fabricação: junção, soldagem e brasagem. São Paulo: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Poli USP, 2003. CHIAVERINI, V. Tecnologia mecânica. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. (Processos de fabricação e tratamento, v. II). DEGARMO, E. P. et al. Materials and process in manufacturing. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1997. EISENMANN, M.; MORGAN, R. Porous powder metallurgy technology. Ohio: ASM Handbook, 2020. v. 7. HAMMILL JUNIOR, J. P/M joining processes, materials and techniques. International Journal of Powder Metallurgy, v. 27, n. 4, p. 363-372, 1991. HECKEL, W. An analysis of powder compaction phenomena. Transactions of the Metallurgical Society of AIME, v. 221, p. 671-675, 1961. HOUAISS, A. Dicionário Houaiss da Língua Portuguesa. Rio de Janeiro: Objetiva, 2009. NIESPODZIANA, K. et al. Fabrication and properties of titanium-hydroxyapatite nanocomposites. Materials Chemistry and Physics, v. 123, n. 1, p. 160-165, 2010. SAMAL, P.; NEWKIRK, J. History of powder metallurgy. Ohio: ASM Handbook, 2015. v. 7, p. 3-8. EXPLORE+ Para saber mais sobre os assuntos tratados neste tema, leia: As perspectivas de emprego da metalurgia do pó na indústria na obra Metalurgia do pó e o futuro da indústria, de Norberto Moro e André Paegle Auras. CONTEUDISTA Gustavo Simão Rodrigues CURRÍCULO LATTES javascript:void(0); javascript:void(0);