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Introducao-2003.doc METALURGIA DO PÓ INTRODUÇÃO A Metalurgia do Pó dentro do panorama geral do processo de fabricação. O processo de M/P consiste na obtenção de pó metálico e na sua transformação através de etapas importantes como compactação e tratamento de sinterização em temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base (material base), resultando em produtos de alta precisão e propriedades desejadas. A técnica de metalurgia do pó vem sendo utilizada pelo homem a milênios (ver tabela IV no final desta nota), porém sob o ponto de vista industrial a obtenção de peças sinterizadas é recente, se comparada com outros processos metalúrgicos. Os principais avanços ocorreram no início do século XX, com o domínio dos processos de fabricação de pós por redução e eletrólise e a busca de uma técnica que permitisse a fabricação de peças de metais refratários de alto ponto de fusão, como o tungstênio e o molibdênio, até então limitados pelos processos existentes. Assim, os primeiros produtos que marcaram o desenvolvimento da M/P tinham o tungstênio como metal de base, tais como o metal duro, os filamentos de lâmpadas elétricas, e os contactos elétricos. O desenvolvimento experimentado pela metalurgia de pó nos anos 70 permitiu um aumento na performance da M/P, oferecendo um melhor controle da microestrutura, homogeneidade composicional e materiais com propriedades mecânicas em níveis iguais (ou frequentemente melhores do que) aos produtos obtidos por fundição ou conformação mecânica. Os materiais fundidos apresentam falhas resultantes das diferentes capacidades dos constituintes de se solidificarem a partir da fase líquida. No caso de produtos sinterizados a adequada mistura de pós e sinterização com transformações na fase sólida, permitem um alto grau de uniformidade do material com homogeneidade de microestrutura e consequentemente melhores propriedades mecânicas. Alguns fatores econômicos contribuem para que atualmente a M/P venha sendo utilizada em larga escala, tais como, o número reduzido de operações na produção da peça acabada, em relação a outros processos, e o aproveitamento quase total da matéria prima. As vantagens e desvantagens do processo são citadas a seguir: Vantagens: • As temperaturas de sinterização utilizadas são baixas em relação a outros processos, com utilização de fornos de concepção simples com menor consumo de energia. • O produto final possui estreita tolerância dimensional, e excelente acabamento superficial não precisando na maioria dos casos de operações finais. • É possível produzir componentes com formas complexas, muitas vezes inacessíveis a outros processos de fabricação. • Perfeito controle da composição química do material, podendo ser produzidos componentes de alta pureza. • Possibilidade de obtenção de materiais com propriedades físicas e/ou químicas para os quais a metalurgia do pó é a única técnica viável de fabricação. Ex: materiais porosos, metal duro, materiais refratários. Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 1/1 Introducao-2003.doc • O processo é de alta produtividade proporcionando a fabricação de grande quantidade de bens de consumo em menor tempo, além de facilitar a automação, minimizando o custo de inspeções para controle de qualidade. • Peças para protótipos podem ser atualmente produzidas a um custo mais baixo devido ao desenvolvimento de processo de moldagem com laser. ADITIVOS DA LIGA PÓ DA MATRIZ ADITIVO LUBRIFICANTE ( SÓLIDO ) MISTURA COMPACTAÇÃO SINTERIZAÇÃO CALIBRAÇÃO OPERAÇÕES ADICIONAIS RECOMPRESSÃO RE-SINTERIZAÇÃO FORJAMENTO CUNHAGEM INFILTRAÇÃO IMPREGNAÇÃO OPERAÇÕES DE ACABAMENTO TRATAMENTO TÉRMICO TAMBOREAMENTO USINAGEM GALVANOPLASTIA FERROXIDAÇÃO CONTROLE DE QUALIDADE PRODUTO FINAL Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 2/2 Introducao-2003.doc Desvantagens: • A forma geométrica da peça é limitada, devendo possibilitar que seja extraída de uma matriz de compactação. • Nos processos convencionais de compactação e sinterização o tamanho da peça é limitado, uma vez que as potências requeridas para compactação são proporcionais a sua área transversal. Algumas técnicas avançadas da M/P em desenvolvimento já superam esse problema. • O processo produz uma porosidade residual que deve ser eliminada, no caso de aplicações que requerem altas solicitações mecânicas. Os produtos obtidos pela metalurgia do pó podem ser divididos em dois grandes grupos: (i) o daqueles que por suas características próprias ou pelas propriedades finais desejadas, só podem ser obtidos pela técnica de compactação e sinterização, a partir de pós; (ii) o dos produtos que, embora possam ser fabricados pelos processos metalúrgicos convencionais, têm na M/P uma produção com mais eficiência, (facilidade de automação) e economia (extrusão de tubos sem costura). No primeiro grupo incluem-se: • os metais refratários ( W, Mo, Ta, Nb ); • os metais duros (tais como carbonatos de W, Ti, Ta, e Nb associados a um metal aglomerante, do grupo do Fe, no caso o Co) são duros a Tamb, mantendo-se duro a alta temperaturas; • materiais porosos para aplicação em filtros, buchas auto lubrificantes para mancais e placas de baterias alcalinas; • materiais de fricção constituídos por um metal base (Cu ou Fe), um ou mais pós abrasivos (Al2O3 - Ox. Al; SiC - carboneto de Si; SiO2 - Silica; siliceto de Fe) e um ou mais pós lubrificantes (grafita, Pb e o MoS - sulfeto de Mo); • materiais para contato elétrico do tipo metalgrafita e materiais compostos: ⇒ a grafita se presta a contatos elétricos de baixa densidade de corrente com baixa perda mecânica. Para aumentar a capacidade de transporte de corrente e dissipação de calor se adicionam Cu(bronze) e Ag que possuem alta condutibilidade mas possuem alto coeficiente de atrito; ⇒ os materiais compostos - procura-se combinar as propriedades do Cu e Ag com as características de alta resistência ao calor, ao desgaste e à formação de arcos de metais refratários como o Tungstênio e o Molibidênio. • as ligas pesadas ( W-Cu, W-Ni-Cu, W-Ni-Fe ); Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 3/3 Introducao-2003.doc Material ρ(g/cm3) Tfusão Pt 21,5 1769 Au 19,3 1063 W 19,3 3410 U-γ 18,7 1132 Ta 16.6 2996 Hg 13.5 -39 Pb 11,4 328 Mo 10,2 2610 Cu 8,9 1083 Ni 8,9 1453 Nb 8,4 2468 Fe-α 7,9 1536 Exemplo: A liga pesada de W-Ni-Cu com composição em peso de 93-5-2 pode apresentar uma densidade variando entre 12,8 g/cm3 a 17,8 g/cm3. Esta variação está relacionada com a temperatura de sinterização - TS (1.300 °C, 1.400 °C) e o tempo de sinterização - tS (0,5h, 6h). Desta forma, produz-se uma liga com excelente usinabilidade que pode então ser facilmente trabalhada ou conformada mecânicamente. O W puro apresenta uma densidade limite em torno de 96% da densidade teórica ( ρteórico =19,3), na prática a densidade do W é em torno de 16,5. O W puro é duro, quebradiço e de difícil ou impossível usinagem; Observações: 1. Apesar da Pt e do Au serem densos, são ao mesmo tempo caros. 2. O U também não é utilizado devido à natureza radioativa do material. 3. O Pb possui baixa densidade, baixa resistência mecânica e baixa Tfusão. No segundo grupo incluem-se: • os materiais estruturais nos quais o processo só se torna vantajoso,economicamente, no caso da produção seriada em grande número de peças, devido ao alto custo da matriz de compactação. A tabela I oferece uma visão geral das principais aplicações desses produtos, bem como os materiais utilizados e suas propriedades específicas. Com exceção das peças estruturais todos os produtos listados só podem ser obtidos através dessa técnica. O setor de metalurgia do pó vem experimentando desenvolvimento tecnológico significativo no sentido de otimizar as propriedades dos materiais e a sua performance em serviço, a fim de atender indústrias altamente sofisticadas como aeroespacial, eletrônica e nuclear. Os principais avanços incluem desde os novos processos de consolidação, as recentes técnicas para produção de pós, e superligas com propriedades superiores aquelas fabricadas pelos processos metalúrgicos tradicionais. Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 4/4 Introducao-2003.doc Tabela I - Produtos sinterizados, aplicações e propriedades PRODUTOS APLICAÇÕES MATERIAL PROPRIEDADES Peças estruturais • veículos motorizados • veículos ferroviários • eletrodomésticos • máquinas agrícolas • mecânica fina - máquina de escrever e de calcular, fotocopiadoras e computadores. • Ligas de Fe puro • Fe-Cu-Ni , • Fe-Cu-Ni-Mo e Fe-Cu-P • boa resistência mecânica Peças porosas • filtros metálicos • mancais e buchas autolubrificantes • condensadores • próteses para uso medicinal • eletrodomésticos • Ligas de Cu e Ni • Ligas ferrosas inoxidáveis • alta tensão de capilaridade Materiais refratários • indústrias bélicas e nuclear • filamentos de lâmpadas • resistência de fornos • proteções contra radiação • ferramentas antivibratórias • lâminas para turbinas à vapor • Ligas de W-Mo, Nb e Ta • Ligas de W com adições de Cu, Ni e Fe • alta resistência mecânica em temperaturas elevadas e à corrosão • alto ponto de fusão • capacidade de absorver radiações Materiais de fricção • freios e embreagens para veículos automotivos e aviões • peças para barcos, guindastes, locomotivas, máquinas industriais e motores elétricos • Ligas de Cu e Fe-Cu com adições de SiC, SiO2 e Al2O3 • alto coeficiente de fricção • boa resistência mecânica e ao desgaste • boa condutividade térmica Contactos elétricos • reguladores de voltagem • interruptores de ignição • relés, dijuntores e contactores elétricos • peças para indústria automobilística • Ligas de Ag e W puros • Ligas Ag-W, Ag-WC • Ag-Ni, Cu-W e Cu-WC • boa resistência mecânica • boa condutividade elétrica e térmica Metal duro • ferramentas para mineração e perfuração • ferramentas para laminação, trefilação e extrusão • matrizes e punções para forja, estampagem, corte e compactação de pós • Insertos para fresa • Liga WC-Co • elevada dureza e resistência ao desgaste • boa resistência mecânica • alto ponto de fusão Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 5/5 Introducao-2003.doc APLICAÇÕES E AVANÇOS DA METALURGIA DO PÓ Algumas das técnicas que apresentam maior possibilidade de desenvolvimento e aplicação nos próximos anos são descritas a seguir. • Compactação Isostática a Quente ( HIP-“Hot Isostatic Pressing”). Esse processo atingiu desenvolvimento industrial na última década sendo considerado no momento uma área especial da M/P para produção de materiais avançados. O método consiste em submeter os pós ou peças sinterizadas aquecidos em alta temperatura, a pressões isostáticas de compressão exercidas por um gás. O produto final se caracteriza pela ausência total de poros e segregações, homogeneidade microestrutural e excelentes propriedades mecânicas. Devido as limitações de custo do equipamento e a produção de pequenas séries, o processo não compete com a sinterização convencional, sendo geralmente utilizado para materiais com propriedades especiais como, aços ferramenta, aços inoxidáveis, metal duro, superligas e materiais compostos. • Processos de conformação a quente Forjamento, e Extrusão. Esses processos vem sendo utilizados em metalurgia do pó a fim de se obter propriedades mecânicas equivalentes aos produtos conformados convencionais, através do aumento de densidade, e propriedades físicas típicas de produtos sinterizados, tais como, alta precisão e excelente acabamento superficial. Apesar do alto custo de investimento envolvido os processos de conformação à quente permitem a produção de componentes submetidos a altas solicitações dinâmicas, apresentando elevada resistência mecânica e tenacidade à fratura. As peças forjadas são geralmente confeccionadas a partir de ligas ferrosas e utilizadas principalmente em peças para indústria automotiva, e em matrizes e punções para coformação de metais. Já o processo de extrusão é utilizado basicamente em ligas de níquel, alumínio, aços rápidos e metais refratários para perfis, barras e tubos sem costura. • Produção de pós pela “Técnica de Solidificação Rápida” (RST-“Rapid Solidification Technique”) O desenvolvimento dessa técnica foi um grande avanço para a M/P pela possibilidade de obtenção de ligas metálicas vítricas, inacessíveis até então aos processos de fusão. A técnica consiste em resfriar o pó, na fase final do processamento, a velocidades extremamente rápidas (ultrasônicas), formando partículas de pós ultrafinas. A partir desses pós é possível formar ligas com microestrutura amorfa, composição uniforme, tamanho de grão muito pequeno, e ótimas propriedades, tais como, resistência mecânica, resistência à corrosão, tenacidade e estabilidade microestrutural a altas temperaturas. O processo vem sendo utilizado principalmente para produção de superligas de titânio, níquel e alumínio, para aplicações aeroespaciais. • Produção de pós pré-ligados com dispersão de óxidos (ODS- “Oxide Dispersion Strengthening”) Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 6/6 Introducao-2003.doc O processo consiste em introduzir pós metálicos dos constituintes da liga desejada em um moinho de bolas de alta energia, resultando em partículas de pós com dispersão fina e uniforme de óxidos e carbetos na matriz. O produto final obtido após consolidação dos pós através de sinterização, extrusão ou prensagem isostática à quente, possui excelentes propriedades mecânicas a altas temperaturas, além de manter as propriedades específicas de cada tipo de liga, como por exemplo a resistência à oxidação de ligas de alumínio. As principais aplicações nas quais essa técnica vem sendo utilizada são componentes de ligas de Ni, Al ou Ti, submetidos a altas temperaturas, para equipamentos dos setores aeroespaciais , automobilístico e nuclear. Além do potencial de cada técnica individualmente, novas perspectivas estão surgindo com a elaboração de materiais através da combinação dos diversos processos da M/P. Por exemplo, a tecnologia de produção de pós pelas técnicas RST e ODS, combinados com consolidação através de extrusão, prensagem isostática à quente e forjamento, estão apresentando oportunidades para criação de novas ligas e formas de materiais com as propriedades desejadas, fechando o crescente vazio entre requisitos de alta performance de projetos e a precisa adequabilidade do material para componentes de grande conteúdo tecnológico. O MERCADO DA METALURGIA DO PÓ NO BRASIL Devido à restrita utilização de produtos sinterizados no Brasil, em relação a outros países, o potencial de crescimento da metalurgia do pó é bastante grande tanto a nível de pesquisa como industrial, principalmentepela demanda por produtos de alta tecnologia por diversos setores como, mecânica fina, indústrias de defesa e aeroespacial. A expectativa em relação a utilização de produtos sinterizados no país, é de que aumente consideravelmente nos próximos anos em função dos planos de expansão das principais industrias do setor, motivadas pela maior demanda no mercada interno, pois a cada ano os novos projetos de automóveis bem como as indústrias elétricas e mecânicas, incorporam maior número de peças sinterizadas. A produção de sinterizados no país, situava-se próxima de 7.000 T/ ano (dado de 1986), sendo pequena se comparada com países desenvolvidos, pois só em 1985 a produção dos EUA foi de 269.000 T/ano, e a do Japão 147.000 T/ano. Na década de 90, a indústria automobilística dos EUA utilizava de 20 a 30 kg de peças sinterizadas por veículo, enquanto que o Brasil passava de 1kg de peças em 1984 para 3,5 kg em alguns modelos de 1986. Em relação ao metal duro, a produção estimada do Brasil é de 400 a 450 T/ano, já nos EUA existem empresas que sozinhas produzem 1500 T/ano. Quanto às ligas de alumínio, enquanto que em vários países a metalurgia do pó é utilizada para obtenção de ligas com propriedades especiais para aplicações de tecnologia de ponta, no Brasil ainda não se fabricam produtos sinterizados dessas ligas. Um dos principais problemas enfrentados atualmente pelo setor industrial está relacionado com a produção de pós. Atualmente o mercado possui apenas dois fabricantes que produzem basicamente pó de ferro, que em grande parte possui baixa qualidade, e em pequena escala pós de outros materiais. Quanto aos pós de ligas especiais, são restritos a Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 7/7 Introducao-2003.doc algumas fábricas que geralmente produzem para uso próprio, sendo esta uma das limitações para o desenvolvimento de peças desses materiais. Em regra, as indústrias nacionais compram tecnologia no exterior ou mantém contrato de assistência tecnológica com empresas estrangeiras, e a pesquisa que realizam é voltada apenas para resolução de problemas de produção e adaptação de técnicas do país de origem às condições locais. Algumas indústrias já, desenvolveram pesquisas de pequeno porte em cooperação com o IPT (Instituto de Pesquisa Tecnológicas). Diante dos dados apresentados observa-se que a capacitação tecnológica na área de M/P é insuficiente para atender as necessidades de mercado. Existe uma série de lacunas, principalmente pelo fato do país não dispor de tecnologia para fabricação de pós de materiais com propriedades especiais como por exemplo: aços inoxidáveis, aços de alta resistência, superligas de níquel, ligas de titânio e materiais compostos. Com esses materiais é possível produzir componentes de alta tecnologia, onde se espera que as instituições de pesquisa concentrem esforços de P & D em estreita cooperação com a indústria. Existe atualmente um número reduzido de instituições de ensino e pesquisa no país que atuam na área de M/P. As indústrias do setor, bem como as suas principais linhas de produção e materiais utilizados são apresentadas na tabela III. Tabela II - Dados comparativos Mercado 1986 EUA 1 bilhão US$ 1991 1,4 bilhões US$ Produção (1986) Brasil 9K T/ano EUA 270K T/ano Japão 150K T/ano Carro (1986) EUA 20 a 30 kg Brasil 3 a 4 kg Tabela III- Principais indústrias do setor de Metalurgia do Pó Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 8/8 Introducao-2003.doc INDÚSTRIA (LOCALIZAÇÃO) LINHA DE PRODUTOS PRINCIPAIS MATERIAIS AUSBRAND (SP) • Metal Duro TiC, TaC, Co BRASSINTER S.A. (SP) • Buchas auto - lubrificantes • Contatos elétricos • Metal pesado • Metal duro • Materiais de fricção Ligas Ferrosas Ligas de Cu Ligas WC-Co, W-Au WC-Ag, WC-Cu, W-Ni-Cu-Fe BELGO BRASILEIRA (SP) • Pó de ferro • Pó de alumínio Fe, Cu, Ni, Al CERVIN S.A. (SP) • Metal duro WC, TiC, TaC, Co COFAP (SP) • Peças estruturais Ligas ferrosas COMPANHIA RESENDENSE (RJ) • Pós de ferro • Pós de liga não ferrosas Ligas ferrosas Ligas de Cu DEGUSSA (SP) • Contatos elétricos Ligas Ag-W, Ag-Ni, Cu-WC Ag-CdO e Ag-SnO. HUGHES TOOLS (BA) • Metal duro WC, Co METAL LEVE (SP) • Peças estruturais Ligas ferrosas METAL PÓ (SP) • Pós de ligas de Cu, Sn e Pb • Buchas auto-lubrificantes • Peças estruturais Ligas ferrosas Ligas de Cu MOLDMIX (SP) • Pós de liga de Fe, Cu, Sn e Pb • Buchas auto-lubrificantes • materiais de fricção Ligas ferrosas, bronze SANDVIK (SP) • Metal duro WC, Co SECO TOOLS (SP) • Metal duro WC, TiC, TaC, Co SHUNK E EBE (SP) • Eletrografites • Peças estruturais • Filtros Ligas ferrosas Bronze, grafites SINGER (SP) • Peças estruturais Ligas ferrosas VALENITE MODCO (SP) • Metal duro WC, TiC, TaC, Co Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 9/9 Introducao-2003.doc Tabela IV - Desenvolvimentos e Marcos Históricos da Metalurgia do Pó ÉPOCA DESENVOLVIMENTO E ORIGEM 3.000 A.C. Ferro-esponja para ferramentas - Egito, África e Índia 1.200 D.C. Grãos de platina cementados - América do Sul (Incas) 1781 Liga platina-arsênio - França, Alemanha 1790 Produção comercial de recipientes químicos de platina-arsênio - França 1822 Produção de pó de platina conformado em lingotes - França 1826 Sinterização a alta temperatura de compactados de pó de platina - Rússia 1829 Método Wollaston de fabricação de compactados de platina, a partir de platina esponjosa (base da moderna metalurgia do pó) - Grã-Bretanha 1830 Sinterização de compactados de vários pós metálicos - Europa 1870 Patente para materiais de mancais produzidos a partir de pós metálicos (precursores das buchas autolubrificantes) - EUA Início do século 20 Coolidge desenvolve processo para produção de filamentos de lâmpadas incadescentes - EUA Início do século 20 Metais compostos - EUA Decênio 1920 Mancais autolubrificantes e filtros metálicos - EUA Decênio 1920 Escovas coletoras cobre-grafita - EUA Decênio 1920 Contatos elétricos - EUA 1920-decênio 1930 Materiais de fricção - EUA 1920-decênio 1930 Metal duro (carboneto de tungstênio sinterizado) - Alemanha Decênio 1930 Modernos Cermets - EUA Decênio 1940 Tecnologia do pó de ferro - EUA 1960 em diante Materiais metálicos de alta densidade via forjamento do pó - EUA 1970 em diante Ligas especiais, compactação isostática a quente, aços para ferramentas sinterizados, etc. - EUA 1980 em diante Técnicas de solidificação rápida e tecnologia de moldagem por injeção - EUA Prof. Raul Almeida Nunes – DCMM-PUC-Rio Conformação de Materiais 10/10
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