8 metalurgia do pó

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VIII- METALURGIA DO PÓ 
Introdução 
A Metalurgia do pó (MP) vem sendo usada por mais de 60 anos para produzir uma 
grande gama de componentes estruturais, mancais auto-lubrificados e ferramentas de 
corte. 
A metalurgia do pó abrange a produção de metais na forma de pó e a manufatura 
desses pós em produtos úteis pelo processo conhecido como sinterização. 
Em muitos casos componentes individuais de engenharia são produzidos diretamente 
pelo processo de metalurgia do pó e é referido simplesmente como produto 
sinterizado. Entretanto, produtos forjados e novas aplicações originadas de recentes 
desenvolvimentos ampliaram o potencial industrial desse processo. 
 
O Processo 
O procedimento básico usado para produzir peças pela Metalurgia do Pó é o seguinte: 
Mistura do metal em pó com um lubrificante apropriado. 
Carregar a mistura em uma matriz ou molde e aplicar pressão. Isso forma o que é 
chamado compactado, o qual é requerido somente para obter-se a coesão suficiente 
para permitir o manuseio e permitir a transferência para o próximo estágio. Este 
compactado é referido como verde, significando não sinterizado. Nesse estágio são 
definidos os termos densidade verde e resistência verde 
O aquecimento do compactado, usualmente em atmosfera protegida, em temperaturas 
abaixo do ponto de fusão do constituinte principal, causa a soldagem das partículas 
entre si e confere a adequada resistência mecânica ao objeto. Este processo é 
chamado sinterização. 
Em certos casos um constituinte secundário chega a fundir na temperatura de 
sinterização e, nesse caso o processo é conhecido como sinterização com fase 
líquida. A quantidade da fase líquida deve ser limitada, para que a peça mantenha a 
sua forma. Em casos especiais, as etapas 2 e 3 são combinadas, isto é, a 
compactação é feita em uma temperatura elevada, de forma que a sinterização ocorre 
durante essa etapa. Esse processo é chamado de pressão à quente ou sinterização 
sob pressão. 
Em alguns casos a peça sinterizada é objeto de um processo adicional, tal como: 
pressão adicional, revestimento, etc. Em casos especiais, como a fabricação de 
elementos de filtros a partir de pó esferoidizado de bronze, não existe a etapa de 
pressão. O pó é colocado em um molde adequado, no qual é sinterizado. O processo 
é conhecido como sinterização sem compactação. 
 
Por que fazer peças a partir do pó? 
Existe um grande número de razões para fazer componentes de engenharia pela 
Metalurgia do pó. As principais são citadas abaixo, conforme o tipo de produto: 
 
Metais Refratários 
Certos metais, particularmente os com ponto de fusão extremamente elevado, isto é, 
os metais refratários, são muito difíceis de serem trabalhados por fusão e fundição e 
são, freqüentemente, muito frágeis nessas condições. O Tungstênio, molibdênio e 
tântalo estão classificados nessa categoria. O produto sinterizado tem uma densidade 
inferior a 90%, pode ser mecanicamente deformado a uma temperatura elevada e, 
gradualmente, desenvolve uma microestrutura com uma orientação preferencial, que 
dá uma certa ductilidade ao material, mesmo na temperatura ambiente. 
 
Materiais Compostos 
Estes consistem de dois ou mais metais que são insolúveis, mesmo no estado líquido, 
ou de misturas de metais com substâncias não metálicas, tais como óxidos e outros 
materiais refratários. Nessa classe aparecem: 
Materiais para contatos elétricos, tais como: cobre/tungstênio e prata/ óxido de 
cádmio. 
Metais duros, isto é, carbonetos usados para ferramentas de corte, ferramentas de 
trefilação e matrizes de forjamento. O carboneto de tungstênio misturado com cobalto 
foi o primeiro dessa classe de material e, ainda hoje, é o material mais produzido 
dentro desse grupo, mas outros carbonetos e, mais recentemente, nitretos, 
carbonitretos e boretos vêm sendo usados cada vez em maior quantidade, enquanto 
que substitutos vêm sendo testados para o escasso e caro cobalto. Isso inclui: Ni, Ni-
Co, Ni-Cr, superligas baseadas no níquel e aços complexos. 
Materiais de fricção para pastilhas de freio e faces de embreagens nos quais abrasivos 
e outros materiais não metálicos são enxertados em uma matriz de cobre ou outro 
metal. 
Ferramentas de corte de diamante, especialmente rebolos, nos quais os pequenos 
diamantes são uniformemente dispersos em uma matriz metálica. 
Recentemente, foram desenvolvidos vários produtos de metal duro contendo fases 
não metálicas finamente dispersas. Esses materiais dispersos de alta resistência são 
conhecidos pela sigla ODS, quando essas partículas são óxidos. Eles apresentam 
resistência, especialmente à elevadas temperaturas, sempre superiores às que resiste 
o mesmo material, sem a adição dessas partículas. Como no caso dos metais 
refratários é difícil, se não impossível, a obtenção desses produtos compostos por 
outra forma que não seja a metalurgia do pó. 
 
Materiais Porosos 
Os metais sinterizados são porosos mas, aqui estamos nos referindo a peças 
produzidas com uma porosidade controlada, projetada para uma determinada 
utilização. Os produtos chefes desse grupo são os filtros e os mancais com retenção 
de óleo, normalmente chamados de mancais auto-lubrificados. Novamente, podemos 
dizer que esses produtos não podem ser produzidos satisfatoriamente por outros 
processos. 
 
Peças Estruturais (ou de uso mecânico) 
Por qualquer tipo de classificação, este é, de longe, o maior grupo. A maior parte 
consiste de peças à base de ferro, mas o cobre, o bronze, o latão e o alumínio 
também são usados. Existem, ainda peças obtidas a partir de metais raros, como o 
berilo e o titânio. Em geral, essas peças não possuem propriedades mecânicas 
superiores às peças equivalentes obtidas por forjamento ou usinadas a partir de uma 
barra trefilada, freqüentemente acontece o inverso, mas elas são inteiramente 
aceitáveis para a função requerida. Elas geralmente levam vantagem sobre os 
forjados na precisão dimensional, mas a maior justificativa para o uso dessa 
alternativa é a econômica, isto é a MP é um processo de produção mais barato. 
Recentemente, entretanto, novos desenvolvimentos estão exigindo uma revisão nessa 
questão, pois já é possível obter-se sinterizados com propriedades iguais ou 
superiores às peças similares obtidas pelos processos tradicionais. 
 
Ligas Especiais 
Uma área que está crescendo muito rapidamente é a produção de materiais de alta 
resistência, tais como, aços rápidos e as chamadas superligas, baseadas em níquel 
e/ou cobalto, dos quais são obtidos produtos com propriedades superiores aos obtidos 
por fundição ou forjamento. Em geral o pó é compactado em uma forma que então é 
submetida a forjamento ou extrusão, seguida pelos tradicionais processos de 
conformação. As vantagens do uso do pó são resistência elevada e uma 
microestrutura mais fina e mais uniforme, que resulta em melhores propriedades 
mecânicas e no caso de ferramentas de corte e peças submetidas à abrasão, vida 
mais longa.O processo de MP permitiu o desenvolvimento de novos tipos de materiais 
baseados em pós com estrutura microcristalina ou amorfa produzida por gotejamento 
resfriado ou metal fundido, em taxas elevadas. O produto final se caracteriza pela alta 
resistência , ductilidade e estabilidade térmica. 
 
Manufatura do Pó 
Existem várias formas pelas quais os metais podem ser transformados em pó: 
Trituração de metal sólido, precipitação a partir de uma solução salina, decomposição 
térmica de um composto químico, redução de um composto, usualmente um óxido, em 
estado sólido, eletrodeposição e atomização de um metal derretido. Destes processos, 
os últimos três são os mais usados. 
 
Redução no Estado Sólido 
Estevem sendo o método mais usado para a produção de pó de ferro. Minério 
selecionado é triturado, misturado com carbono e passado através de um forno, onde 
a reação tem lugar, formando um bolo de ferro esponjoso, que é, então, triturado, 
sendo separadas as partículas não metálicas e peneirado para obtenção do pó. Como 
nenhuma operação de refino é envolvida, a pureza do pó depende da pureza da 
matéria-prima. As partículas esponjosas são irregulares, macias e prontas para 
compressão e produzem compactados de boa resistência verde. Metais refratários são 
normalmente obtidos da redução pelo hidrogênio de óxidos e o mesmo processo pode 
ser usado, também, para o cobre. 
 
Eletrodeposição 
Pela escolha de condições adequadas: composição e estabilidade do eletrólito, 
temperatura, corrente elétrica, densidade, etc, vários metais podem ser depositados 
em forma esponjosa ou na forma de pó. Processamentos posteriores, tais como: 
lavagem, secagem, redução, recozimento e trituração podem ser requeridos. 
Cobre é o principal metal produzido dessa forma, mas o cromo e o manganês em pó 
também podem ser obtidos por eletrólise. Nesse caso, entretanto, um denso e frágil 
depósito é formado, o qual precisa ser triturado para se transformar em pó. Alta pureza 
e alta densidade são duas importantes características desse processo. 
 
Atomização 
Nesse processo metal derretido é pulverizado e rapidamente resfriado, antes das 
gotas entrarem em contato entre si ou com alguma superfície. O principal método é 
desintegrar uma fina corrente de metal fundido através da alta energia de um jato de 
gás ou líquido. Ar, nitrogênio e argônio são os gases normalmente usados e água é o 
líquido mais empregado. 
Pela variação de vários parâmetros: desenho e configuração dos jatos, pressão e 
volume do fluido atomizador, fluxo de metal fundido, etc, é possível controlar o 
tamanho da particular dentro de uma determinada faixa. 
O formato da particula é determinado, principalmente, pela taxa de solidificação e varia 
de esférica, se um gás de baixa capacidade de resfriamento é usado, até formatos 
bastante irregulares se for empregada água como agente de resfriamento. 
Em princípio, a técnica é aplicável para todos os metais que podem ser derretidos e é 
comercialmente usado para a produção de ferro, cobre, aços ferramenta, aços liga, 
latão, bronze e metais de baixo ponto de fusão, tais como o alumínio, estanho, 
chumbo, zinco e cádmio. 
Os metais fortemente oxidáveis como, por exemplo, ligas de cromo para mancais, são 
atomizados por gases inertes, especialmente o argônio. 
Existem vários outros processos em desenvolvimento, dos quais podemos destacar o 
de atomização por centrifugação. Neste caso as gotículas de metal derretido são 
pulverizadas através da aplicação de rotação. 
 
Trituração Mecânica 
Materiais frágeis, tais como, compostos intermetálicos, ligas de ferro: ferro-cromo, 
ferro-silício, etc, são pulverizados mecanicamente em moinho de bolas. Um processo 
conhecido como fluxo a frio vem tendo crescente aplicação para a produção de pós 
muito finos, tais como os requeridos para moldagem por injeção. Nesse processo 
material de granulação grosseira obtido, por exemplo, por atomização, é arremessado 
sob pressão através de uma corrente de gás, que passa por um Venturi, sendo 
resfriado e tornando-se quebradiço, pela expansão adiabática do gás, antes de colidir 
com um alvo, no qual os grãos fragmentam-se. 
 
Processos Químicos 
A decomposição térmica de um composto químico é usada em alguns casos, como no 
níquel-carbonilo. O processo carbonilo foi originalmente desenvolvido como um meio 
de refinar o níquel. Nele o metal bruto reage com o monóxido de carbono sob pressão 
para formar o carbonilo, que é gasoso na temperatura de reação e que se decompõe 
com a elevação da temperatura e com a queda de pressão. O mesmo processo é 
usado para o ferro e o pó de ferro-carbonilo é usado em aplicações onde alta pureza é 
exigida. Recentemente, a demanda por pós muito finos, usados em moldagem por 
injeção, deu um vigoroso impulso no processo carbonilo. 
 
Características do Pó 
O processamento seguinte e os resultados finais obtidos na peça sinterizada são 
influenciados pelas características do pó: tamanho da partícula e sua distribuição, 
formato da partícula, estrutura e condições superficiais. Um parâmetro muito 
importante é a densidade aparente do pó, isto é, a massa de um dado volume, pois 
isso tem uma forte influência na resistência do compactado obtido sob pressão. A 
densidade aparente é função do formato da particular e do seu grau de porosidade. A 
escolha das características do pó é normalmente baseada num compromisso, pois a 
melhoria de uma pode significar a piora de outra. Assim, é preciso estabelecer um 
equilíbrio entre elas. Por exemplo, um aumento na irregularidade e porosidade do 
grão, que resulta na redução da densidade aparente, aumenta o índice de redução de 
volume que ocorre durante a aplicação de pressão e assim melhora a capacidade de 
solda a frio, o que resulta num aumento da resistência verde do compactado. Esse 
aumento no contato superficial das partículas também leva a uma sinterização mais 
eficiente. 
 
Produção de Peças Sinterizadas 
A seqüência de operações envolvidas na metalurgia do pó é explicada a seguir. Os 
pós componentes são misturados, junto com um lubrificante, até que uma mistura 
homogênea seja obtida. A mistura é então alimentada em uma matriz e compactada 
sob pressão, após o que o compactado é sinterizado. Vide a figura 100. Uma exceção 
é o processo para a obtenção de filtros, a partir de pó de bronze esferoidizado, quando 
não é aplicada pressão: o pó é simplesmente colocado no molde e sinterizado. Esse 
processo é conhecido como sinterização frouxa. 
 
Mistura 
O objetivo da mistura é prover uma massa homogênea e incorporar o lubrificante. Os 
lubrificantes mais comuns são o ácido esteárico, estearina, estearatos metálicos, 
especialmente estearato de zinco, estando em crescimento outros compostos 
orgânicos em forma de cera. A principal função do lubrificante é reduzir o atrito entre a 
massa de pó e as superfícies da ferramenta: paredes da matriz, machos, etc, ao longo 
dos quais a massa deve deslizar durante a compactação. Isso deve garantir uma 
densidade uniforme do compactado obtido. De igual importância é o fato que a 
redução de atrito também torna mais fácil a ejeção do compactado e diminui a 
tendência a formação de trincas. 
Bons compactados podem ser obtidos sem a admissão de lubrificantes na massa, 
usando apenas desmoldantes ou aplicando pressão isostática. 
 
Prensagem 
A mistura de pós é prensada para obter forma, em uma matriz de aço ou de 
carboneto, em pressões que variam de 150 a 900 MPa. Nessa etapa, os compactados 
mantém sua forma graças à soldagem a frio entre os grãos metálicos. Os 
compactados devem ter resistência suficiente para permitir a ejeção da matriz e o 
subseqüente manuseio, antes da sinterização. 
A compactação é uma operação crítica no processo, uma vez que o formato final e as 
propriedades mecânicas são essencialmente determinados pelo nível e uniformidade 
da densidade obtida na prensagem.Pós sob pressão não se comportam como os 
líquidos, a pressão não é transmitida de maneira uniforme para toda massa e é muito 
pequeno o fluxo lateral dentro da matriz. A obtenção de uma densidade satisfatória 
depende enormemente do desenho da ferramenta de prensagem. 
A pressão aplicada tem uma larga influência sobre a densidade do compactado. Com 
pressão igual a zero, a densidade é a do pó solto. A densidade do metal sólido, ferro 
por exemplo (7,85 g/cm²), não é alcançada, mesmo em altas pressões.Alguma 
porosidade sempre permanece. 
 
Desenho da Ferramenta 
Atenção deve ser dada para certos aspectos do desenho, tais como os que facilitem o 
fluxo lateral e a ejeção da peça verde. 
A pressão aplicada e, portanto, a densidade decresce ao longo da espessura do 
compactado. A compactação pelos dois lados, como mostrado na figura 100, tende a 
equalizar a distribuição de pressão, mas ainda deixa uma região de menor densidade 
na parte central do compactado. Os raios de concordância da ferramenta devem 
favorecer essa equalização. 
Reentrâncias, saliências e furos laterais não podem ser moldados no compactado por 
causa da impossibilidade de ejeção e, portanto, devem ser usinadas. Em alguns 
casos, matrizes mais elaboradas podem reduzir essas limitações. 
Superfícies chanfradas em V requerem ferramentas com formato em cunha, que são 
frágeis e facilmente fraturáveis. Assim, os chanfros, sempre que possível, devem 
terminar em um corte, formando uma pequena superfície plana. 
Mudanças abruptas de seção devem ser evitadas, uma vez que causam acúmulos de 
tensão, que poderão resultar em formação de trincas, induzidas pela expansão 
elástica que tem lugar no momento que o compactado é submetido à descompressão 
e subseqüente ejeção. 
Como primeira aproximação, podemos considerar que o tamanho da peça que pode 
ser obtida é função direta da capacidade disponível de prensagem. Porém, a 
complexidade da peça e os movimentos requeridos dos punções, também influenciam 
essa equação. Esses mesmos fatores são relevantes para a produtividade do 
processo. Dessa forma, uma peça simples pode ser produzida em alta velocidade, 
podendo chegar ao redor de uma peça por segundo, com o uso de prensas 
mecânicas. Prensas hidráulicas, como a da figura 102, permitem a aplicação de 
grandes pressões, acima de 5000 t, mas as velocidades delas são mais baixas: dez 
peças por minuto pode ser considerada uma velocidade elevada nesse caso, obtida 
para peças de geometria simples. 
A densidade verde segue uma relação hiperbólica e, portanto, existe uma pressão 
ótima, acima da qual o aumento de densidade é desprezível e o conseqüente 
desgaste da ferramenta se torna severo. Outro aspecto que limita a densidade que 
pode ser alcançada é a presença do lubrificante. Embora eles não representem mais 
do que 1% em peso, o volume ocupado pode ser de 5% ou maior. Dessa forma a 
 
Sinterização 
Quando se fala “peça sinterizada”, significa que ela foi obtida por um processo onde a 
sinterização é a etapa fundamental. É quando o compactado adquire a resistência 
necessária para a aplicação desejada. Em geral, sinterização requer calor. A definição 
da ISO para o processo é o seguinte: Um tratamento térmico do compactado de pó, a 
uma temperatura inferior a de fusão do constituinte principal, com o propósito de 
aumentar a resistência obtida pela ligação entre as partículas. 
Teorias a respeito do que realmente acontece durante a sinterização vem sendo o 
assunto de inúmeros simpósios e artigos científicos. Entretanto, para fins práticos, é 
suficiente saber que uma difusão atômica tem lugar e áreas soldadas formadas 
durante a compactação crescem até tornarem-se uma massa única. A recristalização 
e o crescimento de grão pode seguir-se, e os poros tendem a se tornar redondos e a 
porosidade total, como porcentagem em volume, tende a reduzir. 
A operação é conduzida, quase sempre, sob uma atmosfera protetiva, por causa das 
grandes áreas superficiais envolvidas e das temperaturas entre 60 e 90% do ponto de 
fusão do metal ou da liga metálica. Para a mistura de pós, entretanto, a temperatura 
de sinterização pode estar acima da de fusão de algum constituinte secundário na liga. 
Por exemplo, pós formados pela mistura de cobre e estanho, ferro e cobre em peças 
estruturais, carboneto de tungstênio e carbonetos cementados de cobalto. Em todos 
esses casos há presença de uma fase líquida durante a sinterização, que deve ser 
controlada de forma a não prejudicar o formato da peça. 
O controle e padronização da razão de aquecimento, tempo, temperatura e atmosfera 
é essencial para a obtenção de bons resultados. O tipo de forno mais favorável para o 
processo é o de aquecimento elétrico por indução, a temperaturas até 1150° C. As 
temperaturas de sinterização de alguns metais são mostrados na tabela 11. 
Temperaturas de Sinterização (°C) 
Ferro/Aço 1100 - 1300 
Ligas de alumínio 590 - 620 
Cobre 750 - 1000 
Latão 850 - 950 
Bronze 740 - 780 
Metais duros 1200 - 1600 
Tabela 11 
 
Resumo do Processo 
Sinterização é a forma pela qual, partículas de pó são soldadas entre si para a 
obtenção de uma peça de alta resistência. 
A sinterização de peças mecânicas é usualmente feita em um forno de indução, em 
casos especiais em fornos a vácuo. 
Na operação de prensagem as partículas de pó são juntadas e deformadas nos pontos 
de contato. 
Em temperaturas elevadas (temperatura de sinterização), os átomos podem mover-se 
mais facilmente e rapidamente migrar ao longo da superfície da partícula (difusão). 
Os metais são formados por cristais. Nas temperaturas de sinterização novos cristais 
se formam nos pontos de contato. Dessa forma, as fronteiras originais entre as 
partículas desaparecem ou tornam-se apenas interseção entre os grãos 
(recristalização). 
A superfície interna do corpo prensado é reduzida pela sinterização. 
 
Atmosferas Controladas 
Elas são essenciais para a grande maioria dos processos de sinterização, para 
prevenir a oxidação e promover a redução dos óxidos superficiais. Na prática, 
hidrogênio seco, amônia e hidrocarbonetos parcialmente queimados são os principais 
gases utilizados. O H2 é mais caro, sendo usado mais para carbetos sinterizados e 
materiais magnéticos do tipo Alnico. 
A atmosfera mais amplamente usada, por causa do seu baixo custo, é produzida pela 
combustão parcial de hidrocarbonetos. Pela variação da taxa ar-gás, uma grande 
variedade de composições é obtida. Para aplicações práticas, uma vez que o gás 
queimado contém vapor da água ele deve ser seco para um ponto de condensação 
abaixo de 0°C para operação satisfatória com componentes de ferro. Gás de 
hidrocarbonetos, como metano, butano ou propano, reagindo com uma quantia 
limitada de ar pode conter até 45% de hidrogênio, um pouco de monóxido de carbono 
e dióxido com nitrogênio como o remanescente. Por causa da natureza endotérmica 
desta reação, calor externo tem que ser fornecido, e por isso a atmosfera resultante é 
chamada endogás. 
 
Sinterização e Endurecimento 
Novos tipos de fornos de sinterização permitem que peças de aço de baixa liga sejam 
sinterizadas com potencial de carbono neutro (sem descarbonetação ou 
combonetação) e então ser endurecidas através de um rápido resfriamento. O 
tratamento térmico é obtido pela circulação em alta velocidade de água que resfria o 
gás de proteção na zona de rápido resfriamento do forno com taxas de redução de até 
50°C/s realizável entre 900°C e 400°C. Este resulta em uma estrutura martensitica 
homogênea nos aços. Tolerâncias dimensionais fechadas são mantidas no sinterizado 
endurecido, eliminando a necessidade de redimensionamento. 
A combinação de sinterização e endurecimento em uma única etapa reduziu os custos 
de produção de peças de aço de baixa liga que necessitam de tratamento térmico 
após a sinterização. O forno de sinterização/endurecimento, também provê outros 
benefícios de custo por sua habilidade de gerar a atmosfera endotérmica no forno 
através da combustão de um gás e ar, e também pelo uso do gás endotérmico que flui 
fora da zona de sinterização para aquecer as peças da temperatura ambiente até 
aproximadamente. 500-600°C.