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Introdução a Materiais Particulados

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Resumo P1 – Materiais Particulados
Materiais Particulados: introdução
Material particulado (power material) é uma mistura de materiais em diferentes microestruturas e estados físicos, pois pode ser comprimido sob pressão como um gás, como também flui como um líquido e escoa e sofre compressão, comportando-se como um sólido.
O meio de dispersão é um dos principais influenciadores sobre as propriedades do material particulado, observa-se algumas características em relação ao meio:
Pó: mistura de partículas sólidas dispersas em um meio gasoso;
Dispersão: mistura de partículas sólidas dispersas em um meio líquido;
Aerossol e espuma: mistura de partículas gasosas dispersas em um meio líquido;
Emulsão: partículas de um determinado líquido dispersas em outro líquido (líquidos imiscíveis).
Os materiais particulados são fabricados através da conformação do pó (preparação do pó, conformação e densificação) em elevadas temperaturas.
Materiais Particulados: definição
A metalurgia do pó foi baseada na técnica de produção de artefatos a partir de pós metálicos onde não ocorre a fusão. Esse processo é mais antigo do a própria metalurgia convencional a base da fusão, entretanto, com o avanço dos processos de fundição, o avanço dos particulados ficou pendente.
Atualmente, a metalurgia do pó é constituída na transformação de uma massa de partículas em um produto de engenharia, onde se pode controlar suas propriedades e geralmente sem a necessidade de um processamento posterior.
Processamento por Metalurgia do pó
O material do pó tem determinada composição química, que aliada com a fabricação, determinará sua microestrutura e propriedades, como densidade, ductilidade, magnetismo, resistência ou condutibilidade.
O tamanho e forma da partícula do pó são influenciadores em relação ao empacotamento e fluidez, fatores importantes para o processamento do pó. 
Um pó poderá ter boa fluidez e escoabilidade dependendo do seu meio operacional, como, por exemplo, a falta de aeração ou lubrificação dificulta o escoamento do mesmo, como também partículas irregulares geram atrito em seu movimento dificultando a fluidez também.
Razões para o uso de materiais particulados
Com a metalurgia do pó é possível a fabricação de peças com geometrias complexas e/ou com tolerâncias de dimensões, isto em uma alta escala de produtividade em uma produção automotiva. Tudo isso com um custo de processo baixo.
Nessa metalurgia pode-se utilizar pós ligados ou não, sendo que os pré-ligados geram uma fabricação com menor temperatura de fusão e eliminação de segregações e defeitos de fundição, além de que os pós pré-ligados não necessitam de misturas de composições químicas diferentes quando já são os almejados para o produto.
Com a metalurgia do pó é possível fabricar metais reativos, materiais refratários, amorfos ou vítreos, os quais são materiais que tem a maior dificuldade de serem processados por outras técnicas. Como, por exemplo ligas de tungstênio que necessitam de altas temperaturas para fusão em um processo metalúrgico convencional, já na metalurgia do pó não há esta necessidade por causa da fusão incipiente, onde pode-se ter ligação química e solução sólida sem fundir as partículas (por causa da difusão gerada no processo), isto ainda com maior facilidade de obter uma microestrutura homogênea com granulação fina para melhoria das propriedades.
A fusão incipiente é gerada em menores temperaturas do que a fusão convencional, assim, pode-se evitar alterações microestruturais, como também evitar geração de poros que fragilizam o produto com a vaporização de componentes em elevadas temperaturas.
A partir da metalurgia do pó é possível a fabricação de produtos com microestruturas específicas com alta precisão, como, por exemplo, controle de porosidade (seja baixa ou alta), fabricação de ligas por dispersão de óxidos (como filtros de aço inoxidável) ou cermets (compósito).
Entretanto, a instalação do processo por metalurgia do pó tem custo elevadíssimo, mesmo que o processo seja em si seja mais barato, o investimento é alto, assim, é somente viável em produção de alta produtividade, além de que o processo é limitado apenas a produtos de pequenas dimensões.
A metalurgia do pó é um processo mais ecológico em relação à convencional, pois há maior aproveitamento de material (conservação de reservas) sem necessidade de reprocessamento de rejeitos (menor consumo de energia e combustível).
Resumo P1 – Técnicas de fabricação de pós
Processos mecânicos
Cominuição mecânica
A cominuição mecânica consiste em impacto, atrito, cisalhamento e compressão para formação das partículas sólidas irregulares utilizadas na metalurgia do pó. Esta pode ser realizada por usinagem ou moagem.
A maioria dos cavacos oriundos de usinagem são fontes para fabricação de pós metálicos, entretanto, estes são grosseiros, irregulares e contaminados quimicamente.
A técnica de moagem é utilizada para materiais duros e frágeis, os quais fragmentam em ação do impacto, atrito, cisalhamento e compressão dos elementos de moagem com o material. Esta técnica diminui o tamanho de partículas em um processo endotérmico, o qual aumenta a energia superficial do particulado. Com a moagem pode-se também fabricar flakes com materiais dúcteis ou desaglomerar os pós após o recozimento.
Em relação aos moinhos, elementos de moagens com tamanhos diferentes geram maior empacotamento no moinho, fragmentando mais o particulado, entretanto, pode-se aumentar a porcentagens de inclusões e impurezas pela quebra das “bolas” (elementos de moagem).
Existem alguns tipos de moinhos:
MOINHO DE BOLAS: maior impacto gerado pela gravidade, entretanto, se a velocidade do moinho for alta, pode-se aumentar a força centrípeta não gerando fragmentação com a queda dos elementos de moagem. Esta é a técnica de moagem mais utilizada pelo seu baixo custo.
MOINHO PLANETÁRIO: maior atrito em função das rotações e translações do sistema sem necessidade da gravidade, sendo usual a utilização de elementos de moagem de tungstênio para produção de pós metálicos. Com este tipo de moagem é possível obter particulados com menores tamanhos em menores tempos em relação ao moinho de bolas convencional. Usual para uso laboratorial ou pequenas produções.
MOINHO ATRITOR: tem maior eficácia em relação ao moinho planetário, obtendo particulados de menores tamanhos em menores tempos. Usual para uso laboratorial.
MOINHO DE ROLOS: a compressão é a essência deste moinho, onde o diâmetro de passagem é menor que o grânulo, gerando fragmentação;
Em qualquer tipo de moagem, nota-se que em algum momento há estabilização do tamanho de partícula, pois com a fragmentação aumenta-se a energia superficial do particulado, dificultando a moagem por causa da energia específica alta, necessitando de maior energia de moagem para diminuir o tamanho, desta maneira, moinhos diferentes geram tamanhos diferentes, por causa da energia de moagem, sendo quanto maior esta energia, menor o tamanho de partícula em menores tempos.
Em materiais metálicos dúcteis, pode-se realizar a mecanossíntese por técnica de moagem, onde há incorporação de fases frágeis em uma matriz dúctil com alto tempo de processamento, comportando-se como uma solução sólida. Em matérias dúcteis, pode-se ocorrer a fabricação de flakes (partículas planas) por causa da deformação gerada, mas esta pode ser evitada ou diminuída com a utilização de um lubrificante, como água ou álcool.
Atomização
A atomização consiste nas seguintes etapas:
Fusão do metal;
Vazamento do metal líquido para formação de um filete;
Incidência de um fluido (água, ar, ou gás inerte) de atomização em elevadas pressões e velocidades;
Pulverização do filete em particulados;
Resfriamento rápido;
Solidificação.
As variáveis do processo de atomização são: propriedades do metal líquido, condições do fluxo do metal líquido, parâmetros do fluido de atomização e geometria do bocal. Dentre estas, nota-se:
Quanto maior a tensão superficial do metal líquido, maior será o tamanho do particuladogerado por atomização, pois este terá alta energia superficial, entretanto, sua forma será mais esférica ajudando a fluidez.
Quanto menor a viscosidade e densidade do metal líquido, menor o tamanho do particulado gerado.
Quanto maior a pressão e velocidade do fluido de atomização, menor será o tamanho de partícula do metal, por causa da maior pulverização.
Quanto maior a velocidade de resfriamento, mais irregular será o particulado e mais tensões residuais serão geradas. Nesta situação não existe partículas trincadas, por causa da baixa dimensão das mesmas.
Quanto menor o ângulo de incidência do bocal, maior a fragmentação do metal, pois há maior pulverização.
Quanto menor o comprimento dos jatos do fluido atomizados, maior pressão, gerando partículas menores;
Quanto menor a velocidade do fluxo do metal, maior a pulverização, gerando partículas menores.
Correntes metálicas curtas geram partículas menores.
É importante lembrar que baixos tamanhos do particulado geram menor empacotamento, mas também geram maior eficácia da sinterização.
Existem alguns tipos de atomização:
ATOMIZAÇÃO A ÁGUA: a utilização deste fluido de atomização gera oxidação e tensionamento nas partículas formadas, as quais são irregulares e rugosas, pois a velocidade de resfriamento é altíssima, necessitando de um recozimento posterior. Esta técnica é a mais comum e utilizada para metais com ponto de fusão menores que 1.600°C.
ATOMIZAÇÃO A GÁS: há utilização do ar, gases inertes ou H2, diminuindo a ocorrência de oxidação nas partículas e possibilitando a fabricação de pós metálicos de materiais reativos. Os particulados formados têm forma de elipsoides ou de esferas, e os altamente finos são separados por sedimentação, podendo ser reaproveitados. Geralmente com esta técnica, não há necessidade de um recozimento posterior.
ATOMIZAÇÃO A VÁCUO: usual para fabricação de particulados de metais com alto ponto de fusão, gerando um produto com baixa contaminação, mas em uma escala de baixa produtividade. Nesta técnica, o gás no metal supersaturado quando entra em vácuo repentinamente, expande-se e sai da solução, gerando pulverização do metal líquido.
ATOMIZAÇÃO CENTRÍFUGA: usual para fabricação de particulados de metais com alto ponto de fusão, pois não há formação de massa líquida, mas fundição por cada grão com um arco elétrico ou tocha de plasma.
Caso haja um recozimento posterior à atomização, necessita-se de uma moagem, pois o calor gerado no recozimento possibilita a aglomeração dos particulados. 
Resumo P1 – Caracterização de partículas
Caracterização de pós
A partícula é a menor unidade de um pó, e os fatores de maior importância são: tamanho, distribuição, forma, área de superfície, atrito, escoabilidade, compressibilidade, microestrutura e composição química.
Em relação ao tamanho: nanomaterial < coloide < pó < grânulo. Sendo que quanto maior o tamanho da partícula, maior será sua força peso em relação à sua massa, enquanto partículas menores sofrem ação de forças Van der Walls devido a sua alta energia superficial, assim, gera-se mais aglomerados diminuindo a fluidez no processamento, mas melhora a eficácia da sinterização pela sua alta reatividade.
Tamanho de partícula
Determinar o tamanho de partícula somente com um parâmetro geométrico, assemelhando-a com uma geometria esférica é um método errôneo, pois as partículas podem ter formas diferentes, assim, não há tamanho único como no diâmetro da esfera. Desta maneira, caracterização de tamanho de partícula por volume é um dos melhores métodos possíveis.
O princípio da esfera equivalente consiste em considerar o valor do diâmetro médio equivalente para caracterização. Entretanto, formas irregulares possuem diâmetros diferentes em relação à análise.
 
Forma de partícula
A forma de uma partícula é o fator mais influenciador em relação ao empacotamento, escoabilidade e compressibilidade do pó, sendo que o tamanho da partícula depende da sua forma.
Pós finos tem alta reatividade facilitando a sinterização, mas tem baixa eficácia de processamento por causa das possíveis formações de aglomerados.
Distribuição de tamanhos
Materiais com diferentes distribuições, apresentam diâmetros médios idênticos, mas o comportamento e qualidades destes pós são totalmente diferentes.
Técnicas de análise
Existem diversas técnicas de análise de pós, sendo a mais comum à de peneiramento, onde a medida das partículas é obtida pela menor dimensão da abertura da malha pela qual ela passa. Esta é uma técnica barata e de fácil manuseio, principalmente por ser bem conhecida nas empresas, entretanto, necessitam de amostras grandes sem conseguir medir o tamanho de partículas abaixo da abertura #400, além de não ter boa precisão e resolução.
Outra técnica de análise é a microscopia quantitativa. Este método pode ser utilizado para pequenas amostras, permitindo a visualização e a definição da forma das partículas, entretanto, esta técnica é demorada e tem alta dificuldade da preparação de amostras, além de ter uma resolução bidimensional e com erros estatísticos em distribuição de tamanho aberta.
A análise de imagem dinâmica é uma das melhores técnicas de análise, pois tem processo rápido, não necessita de preparação de amostra e tem análise tridimensional, ainda permite a visualização e a definição da forma das partículas, entretanto, o tamanho da amostra é restrito aos tamanhos máximos na microscopia óptica.

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