Processos de Conformaýýo Mecýnica ý Aula 09

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Processos de Conformação 
Mecânica – Aula 08 
Metalurgia do pó 
Prof. Leandro E. Falqueto 
E-mail: leandro.falqueto@hotmail.com 
• Literatura indicada: 
– CHIAVERINI, V. Metalurgia do pó – Técnica e produtos. 3 ª edição. São 
Paulo, 1992. 
1. Conceito 
• Metalurgia do pó é a técnica que consiste em transformar pós 
de metais, ligas metálicas e, as vezes, substâncias não 
metálicas, em peças resistentes, sem recorrer-se à fusão, 
apenas pelo emprego de pressão e calor. 
 
• O processo envolve as seguintes etapas fundamentais: 
– Mistura de pós 
– Compactação 
• Compressão da mistura resultante utilizando matrizes e prensas. 
– Sinterização 
• Aquecimento, realizado em condições controladas de temperatura, tempo 
e atmosfera, do compactado resultante do processo anterior. 
 
2. Histórico 
• 6000 A.C.: produção de armas, lanças e ferramentas a partir 
de aglomerados de ferro (pesquisas arqueológicas). 
• Primeiro relato no ano de 1829 (Wollaston): 
– Produção de platina compacta a partir do pó esponjoso de platina. 
• Maior desenvolvimento no século XIX e XX: 
– Estudos sobre a possibilidade de fabricar-se peças de materiais com 
ponto de fusão muito elevados como o Mo (2610 °C) e W (3410 °C) a 
partir do processo de sinterização. 
– Ano de 1909 (Coolidge): fabricação de fios de tungstênio dúcteis para 
emprego em lâmpadas incandescentes. 
 
• Após a 2ª Guerra Mundial: 
– Grande desenvolvimento em função do crescimento da indústria 
automobilística. 
• Atualmente: 
– Usado em diversas aplicações, pois tornou-se competitiva, tanto por 
razões tecnológicas, quanto por razões econômicas. 
 
3. Aplicações 
• Mancais porosos autolubrificantes de bronze ou ferro 
– A porosidade existente pode ser preenchida com óleo, garantindo uma 
lubrificação permanente entre o eixo e o mancal. 
• Próteses 
– Implantes cirúrgicos são recobertos com liga porosa (à base de Co-Ti), 
permitindo que o tecido ósseo penetre nos poros e assegure uma boa 
ligação com o implante. 
• Contatos elétricos 
– Produzidos a partir de ligas Ag-W, Ag-WC, Ag-Ni e W puro. 
• Ligas magnéticas 
– Pequenos imãs e ímãs permanentes de Co5Sm, ímãs cerâmicos de 
ferrita de bário, peças polares e núcleos magnéticos de ampla 
utilização em motores e autofalantes de carros, rádios e TV. 
• Baterias 
– Utilizam níquel poroso nos acumuladores cádmio-níquel e nas pilhas. 
• Filtros sinterizados de bronze, Ni, Ti e aço inoxidável 
– São utilizados em várias aplicações industriais que requerem 
resistência em altas temperaturas e resistência mecânica e química 
(ex.: filtragem de gases, óleos combustíveis e minerais). 
• Discos de freio e embreagem 
– Fabricados à base de liga de cobre ou ferro-cobre, aos quais se 
adiciona agente de atrito (SiC, SiO2, Al2O3) e agente lubrificante (Pb, C, 
MoS2). 
 
• Metal duro 
– O carboneto metálico, também conhecido como metal duro, tem 
importância fundamental no campo de ferramentas de corte, peças de 
desgaste e brocas para perfuração de rochas. 
4. Vantagens do processo 
• Rapidez na fabricação. 
• Maior economia na fabricação. 
• Controle rigoroso da composição do material. 
• Redução das impurezas em relação ao processo metalúrgico 
convencional. 
• Operação em atmosferas rigorosamente controladas ou em vácuo. 
• Redução ou eliminação das perdas de material ou produção de 
sucata. 
• Combinação de substâncias metálicas com materiais não metálicos. 
• Razoável tolerância dimensional e acabamento superficial. 
5. Desvantagens e limitações 
• As prensas de compressão têm uma capacidade limitada, 
tornando o processo inviável para peças muito grandes. 
• Custo elevado para pequenos lotes de produção devido ao 
custo das matrizes de compressão e recompressão. 
 
6. Matéria-prima 
• No processo da metalurgia do pó, mais que em outros 
processos, a matéria-prima constitui um fator básico para as 
características do produto final. 
• Em princípio, os vários métodos para obtenção de pós podem 
ser agrupados nas seguintes classes: 
– Reações químicas e decomposição; 
– Atomização de metais fundidos; 
– Deposição eletrolítica; 
– Processamento mecânico de materiais sólidos. 
 
• Os métodos incluídos nas duas primeiras classes são os que 
apresentam maior importância prática, pois produzem pós de 
baixo custo e com características que atendem às exigências 
da maioria dos produtos sinterizados. 
• Um mesmo material pode ser transformado em pó por 
processos diferentes. 
 
 
6.1. Reações químicas 
• O método mais comum nessa classe é a redução de óxidos 
metálicos pelo emprego de um agente redutor gasoso ou 
líquido, como o carbono, por exemplo. 
• Exemplo: Produção de pó de ferro 
– A magnetita pura é misturada com agentes redutores. 
– Posteriormente, essa mistura passa por um forno, no qual ocorrem 
reações químicas que produzem ferro praticamente puro na forma de 
blocos esponjosos. 
– Esses blocos são moídos e passam por recozimento para eliminar o 
encruamento. 
• Os metais mais comuns de serem obtidos são: 
– Ferro; 
– Tungstênio; 
– Molibdênio. 
6.2. Decomposição 
• Essa técnica é baseada no processo de decomposição térmica 
de um composto a temperatura elevadas. 
– Parte-se, geralmente, de compostos gasosos, resultando em partículas 
sólidas muito finas. 
– Esses compostos gasosos são denominados carbonilas. 
• Exemplo: Produção do pó de ferro. 
– O carbonila, Fe(CO)5, é condensado e armazenado sob alta pressão. 
– Posteriormente ele é aquecido logo acima do seu ponto de ebulição, 
de modo que o vapor se decomponha, produzindo pó de ferro. 
– O pó possui pureza acima de 99,5% e a forma esférica. 
• Exemplos de pós fabricados por esse processo são: 
– Pó de ferro; 
– Pó de níquel. 
6.3. Atomização 
• É um dos métodos mais importantes. 
• Permite a fabricação de, praticamente, qualquer metal ou liga 
metálica. 
• O processo consiste em pulverizar um líquido metálico em 
partículas finas. 
• Essa pulverização é realizada forçando-se a passagem de uma 
corrente de metal líquido por um orifício, na saída do qual 
essa corrente é desintegrada por um jato de água ou gás. 
• Desse modo, o metal solidifica-se imediatamente pela ação 
combinada do jato e do resfriamento natural causado pela 
expansão do metal ao deixar o orifício. 
• Mediante a um sistema de sucção, o pó é recolhido. 
 
• Tanto no processo à água quanto no processo à gás, o 
equipamento utilizado consiste em: 
– Forno de fusão; 
– Panela para conter o metal líquido; 
– Bocal ou válvula de vazamento; 
– Câmara de atomização; 
– Secador do pó. 
Metal 
líquido 
Bocal de 
atomização 
Câmara de 
 atomização 
Vídeo 
6.4. Deposição eletrolítica 
• Esse processo permite obter grande variedades de pós 
metálicos. 
– Os mais comuns são: ferro, cobre e os metais preciosos. 
• São utilizadas células eletrolíticas, dentro das quais existem 
anodos consumíveis, catodos e a solução aquosa dos metais a 
serem produzidos. 
– Ao passar uma corrente elétrica contínua, ocorre a deposição de metal 
no catodo. 
– O catodo e o metal depositado são lavados, de forma a remover a 
solução eletrolítica. 
– Posteriormente os depósitos são removidos, quebrados e moídos em 
atmosfera inerte. 
– Após esse processo, realiza-se um recozimento do pó em atmosfera 
redutora. 
 
6.5. Processos mecânicos 
• A pulverização mecânica é aplicada em metais duros e 
quebradiços. 
• Esses processos são aplicados como complementos aos 
apresentados anteriormente. 
• Pode-se resumir os objetivos do processo de moagem como: 
– Redução do tamanho da partícula; 
– Modificação da forma da partícula; 
– Modificaçãode propriedades como densidade, velocidade de 
escoamento, etc. 
• O equipamento utilizado pode ser: moinho de bolas, moinho 
de martelos, moinho de rolos. 
Moinho de bolas Moinho de rolos Moinho de martelos 
Vídeo 
7. Propriedades dos pós metálicos 
• Por meio das características dos pós metálicos procura-se 
compreender o comportamento desse material em serviço, 
determinar as tolerâncias nas especificações relacionadas 
com as propriedades e assegurar a reprodução de 
comportamento do pó durante o seu processamento. 
• As principais características são: 
– Pureza e composição química; 
– Microestrutura da partícula; 
– Tamanho da partícula e composição granulométrica; 
– Porosidade da partícula; 
– Densidade aparente; 
– Velocidade de escoamento; 
– Superfície específica; 
– Compressibilidade. 
7.1. Pureza e composição química 
• Parte-se do pressuposto de que o pó metálico apresenta uma 
pureza maior que 99 %. 
• O principal objetivo dessa propriedade é determinar quais as 
impurezas presentes, visto que estas podem afetar condições 
de compactação e condições de sinterização. 
• As impurezas podem estar presentes na forma elementar ou 
combinadas. 
– Por exemplo, o silício no pó de ferro pode estar presente como 
solução sólida ou na forma de sílica (SiO2). 
 
7.2. Microestrutura da partícula 
• A estrutura dos pós pode influenciar bastante no seu 
comportamento durante a compactação e sinterização e, 
também, nas propriedades do produto final. 
• Em princípio pode-se distinguir dois tipos de estruturas: 
– Monocristalina: o tamanho da partícula e do grão coincidem; 
– Policristalina: cada partícula possui muitos grãos. 
• Apesar das partículas policristalinas apresentaram uma 
resistência na compactação (devido à maior resistência à 
deformação dessas estruturas), elas apresentam maior 
ductilidade (devido ao maior número de planos de 
escorregamentos que elas apresentam). 
 
7.3. Tamanho e forma da partícula 
• A forma depende do processo de fabricação do pó. 
• A melhor maneira de determinar a forma é por observação 
em microscópios. 
• Apesar da forma esférica ser, aparentemente, mais favorável 
sob o ponto de vista da compactação, as formas irregulares 
tendem a produzir compactos com melhores características 
de sinterização, pois possuem uma maior interação de 
contornos entre as partículas. 
 
 
• Quanto ao tamanho, o melhor método de se determinar é o 
peneiramento. 
• Porém, há o método de dispersão de luz, baseado em 
fenômenos de difração, e o método de sedimentação. 
• Além desses, pode-se realizar, ainda, a observação em 
microscópios, o que permite observar e medir partículas 
individuais. 
 
7.4. Porosidade 
• Quando presentes, os poros afetam as características dos pós, 
como a densidade aparente e a compressibilidade, e as 
características do produto final, como a porosidade. 
• Pode-se distinguir dois tipos de porosidades: 
– Aquela caracterizada pela presença de poros que não são interligados 
entre si; 
– Aquela em que os poros estão interligados entre si. 
• Nesse último caso, e quando os poros estiverem ligados com a 
superfície, verifica-se um aumento da superfície específica 
das partículas, além de facilitar a adsorção de gases durante 
seu processamento. 
7.5. Densidade aparente e batida 
• Densidade aparente é a massa de uma unidade de volume do 
pó solto ou a relação da massa para o volume, em g/cm³. 
• Essa característica determina: 
– O verdadeiro volume ocupado por uma massa solta de pó 
– E, em consequência, determina a profundidade da cavidade da matriz 
de compactação e o comprimento do curso da prensa necessários 
para compactar o pó solto. 
• A densidade aparente depende da densidade do material, da 
forma e do tamanho da partícula, da área superficial da 
partícula e da composição granulométrica. 
 
• A massa de pó solto sofre vibração ou é socada durante o 
enchimento da cavidade, o que tende a aumentar a 
densidade. 
• A densidade batida seria o valor da densidade do pó metálico 
após esses processos. 
 
7.6. Velocidade de escoamento 
• A velocidade de escoamento está relacionada com o tempo 
necessário para uma amostra do pó de massa determinada 
escoar, nas condições atmosféricas, através de um funil, no 
interior da cavidade de um recipiente. 
• Essa característica é importante para produção em grandes 
quantidades, a qual depende da rapidez, uniformidade e 
consistência de enchimento da cavidade da matriz. 
• A velocidade de escoamento pode ser aumentada por meio 
de vibração ou modificação do desenho do dispositivo, mas 
isso não é levado em conta ao determinar essa característica. 
• Dentre as variáveis que afetam essa característica, tem-se: 
– Atrito entre partículas; 
– Forma e tamanho da partícula; 
– Tipo de material; 
– Fatores ambientais; 
– Massa do pó. 
 
7.7. Superfície específica 
• Define-se como a área superficial da partícula (cm³/g). 
• Sua importância está no fato de que qualquer interação da 
partícula com o meio circunvizinho se inicia pela superfície. 
• Ou seja, afeta, de forma direta, a sinterização. 
• Essa característica aumenta com a diminuição do tamanho da 
partícula. 
• E, a medida que a forma da partícula se afasta da esfericidade 
e que a rugosidade aumenta, esse valor também aumenta. 
 
7.8. Compressibilidade 
• É a razão entre a “densidade verde” (densidade do compacto 
apenas comprimido) e a densidade aparente do pó. 
• Ou seja, é a capacidade de compactação do pó. 
• Essa característica depende diretamente da pressão de 
compressão. 
• Ela pode ser afetada por diversos fatores: 
– Dureza do metal ou liga; 
– Forma da partícula; 
– Porosidade da partícula; 
– Composição granulométrica; 
– Presença de óxidos; 
– Presença de lubrificantes sólidos; 
– Presença de elementos de ligas e impurezas. 
8. Mistura de pós 
• Mistura 
– Operação em que dois ou mais pós são intimamente misturados. 
• Homogeneização 
– Operação de misturar pós de composição nominal idêntica, buscando 
a homogeneização da mistura final. 
• Essas operações aumentam o contato entre as partículas. 
• O resultado depende do tamanho e forma da partícula. 
 
Algumas geometrias comuns usadas para misturadores 
de pó. (a) Cilíndrica; (b) Cubo rotativo; (c) Duplo cone; 
(d) Misturador em V. 
Exemplo de misturador duplo cone. 
Outros exemplos de misturadores: 
à esquerda, “misturador parafuso”, à direita, misturador de pás. 
Vídeo 
8.1. Lubrificação 
• A lubrificação tem por objetivo reduzir o atrito entre o 
compactado e os componentes da matriz de compactação. 
• Alguns dos lubrificantes mais utilizados são: 
– Ácido estearato; 
– Estearato de zinco; 
– Estearato de lítio; 
– Bissulfeto de molibdênio; 
– Ceras sintéticas. 
• A escolha varia com a capacidade do lubrificante de aderir às 
partes metálicas. 
• O uso de lubrificante é sempre necessário, porém deve-se 
conhecer seu efeito na mistura, principalmente na fase da 
sinterização. 
• Lubrificantes podem causar: 
– Segregação na mistura; 
– Redução da velocidade de escoamento; 
– Redução da densidade aparente; 
– Redução da pressão de retirada da peça da matriz após a 
compactação; 
– Alterações das propriedades após a sinterização; 
– Alteração do aspecto dos pós após a sinterização.