Metalurgia do Pó e Sinterização

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CENTRO UNIVERSITÁRIO NOSSA SENHORA DO PATROCÍNIO – CEUNSP
FEA – Faculdade de Engenharia e Arquitetura
Curso: Engenharia de Produção – Campus V
Aline Tomiello – RGM: 104131
Felipe Paulino de Melo Silva – RGM: 104059
Tiago da Silva Oliveira – RGM: 100746
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO II
	
Pesquisa elaborada para obtenção de créditos na disciplina de Processos de Fabricação II, ministrada pelo professor Douglas Fontana, do curso de Engenharia de Produção.
SALTO
2017
INTRODUÇÃO
Metalurgia do Pó e Sinterização
Embora pesquisas arqueológicas mostrem que o homem já produzia armas, lanças e ferramentas a partir de aglomerados de ferro, há cerca de 6000 anos a.C., somente no século XIX foram dados os primeiros passos para o desenvolvimento da moderna metalurgia do pó.
O ano de 1829 representa um marco na história da metalurgia do pó, pois data desse período a produção de peças de platina maleável, material que até então não podia ser processado por fundição normal, em razão do seu alto ponto de fusão (cerca de 1.775°C).
No início do século XX, foram desenvolvidos processos para obtenção de peças de tungstênio e de molibdênio por sinterização. Mas a produção só se expandiu mesmo após a Segunda Guerra Mundial, para atender à demanda da florescente indústria automobilística.
A metalurgia do pó é um processo de fabricação que produz peças metálicas através da compactação de pó-metálico seguida da sinterização. O processo consiste em compactar e/ou modelar a mistura e aquecê-la (etapa chamada de sinterização), com o objetivo de gerar continuidade de matéria entre as partículas e melhorar a resistência. A característica específica do processo é que a temperatura permanece abaixo da temperatura de fusão do elemento constituinte principal.
O processo de sinterização na metalurgia do pó consiste em aquecer o material a temperaturas abaixo do ponto de fusão do material-base, em atmosfera controlada, provocando difusões atômicas que farão com que as propriedades mecânicas da peça aproximem-se das adquiridas através de outras tecnologias mais disseminada.
Etapas do processo
Obtenção dos pós metálicos
O tamanho, a forma e a distribuição dos grãos são características importantes na produção de peças sinterizadas e variam conforme o método de obtenção do pó. Os métodos de obtenção podem ser mecânico, químico, físico e físicoquímico. Dependendo das características desejadas do grão, mais de um método pode ser empregado sucessivamente. Um dos métodos físicos mais usados é a atomização. O metal fundido é vazado por um orifício, formando um filete líquido que é “bombardeado” por jatos de ar, e gás ou de água. Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de grão desejado e produzem a pulverização do filete de metal fundido e seu imediato resfriamento. 
Depois, o pó é recolhido, reduzido1, reduzido peneirado e está pronto para ser usado. A espessura do filete, a pressão do fluido utilizado, as formas do conjunto de atomização, a configuração do bocal de atomização e o tipo de atomização determinam o tamanho e forma das partículas do material pulverizado. Um método físico-químico utilizado, principalmente para a produção de pós de cobre, é a eletrólise2. O eletrólise metal, na forma sólida, é colocado num tanque e dissolvido numa solução eletrolítica, na qual passa uma corrente elétrica.
1 – Reduzido: Submetido a reação química em que o átomo recebe elétrons de outros átomos, pela ação de um gente redutor que pode ser sólido ou gasoso.
2 – Eletrólise: reação não espontânea que produz a decomposição de uma substância, em solução aquosa ou fundida, por meio de corrente elétrica.
Entre os métodos mecânicos métodos mecânicos para obtenção de pós, um dos mais usados é a moagem. Em moagem geral, ela é feita num equipamento chamado moinho de bolas, que consiste num tambor rotativo contendo esferas metálicas de material resistente ao desgaste. Quando o tambor gira, as esferas chocam-se umas contra as outras, desintegrando gradativamente o material que se encontra no interior do tambor. Os pós podem ser obtidos também por métodos químicos, métodos químicos como a corrosão, corrosão que produz a oxidação do metal pelo ataque de ácidos ou bases, ou a redução de redução óxidos metálicos pelo emprego de hidrogênio ou monóxido de carbono.
Compressão da mistura em matrizes (chamada compactação)
A compactação, no processo de metalurgia do pó, é feita com o intuito de atribuir ao pó o formato desejado, estabelecer as dimensões finais diminuindo os efeitos das altas temperaturas do processo de sinterização, obter a porosidade desejada e conferir resistência mecânica ao pó compactado.
As técnicas de compactação mais utilizadas são aquelas realizadas através da aplicação de forças sobre o pó, dentre as quais podemos citar: prensagem em matriz de aço, prensagem isostática, forjamento, extrusão, laminação, compactação dinâmica e moldagem por injeção.
Quanto às técnicas que não se baseiam na aplicação de esforços tem-se: colagem, gravimetria, vibratório.
Embora a prensagem isostática ofereça maior uniformidade na compactação, ou seja, melhor distribuição da densidade do compacto, a técnica mais utilizada é a prensagem em matrizes uniaxiais, devido a sua simplicidade. Contudo, pode se conseguir ótimas distribuições de densidade através do processo com o uso de matrizes uniaxiais utilizando matrizes com dupla ação dos pistões e, no caso de matrizes cilíndricas, experiências mostram que para razões entre altura e diâmetros menores ou iguais a 1,5 obtém-se distribuições bastante satisfatórias.
O processo de prensagem isostático é bastante utilizado, principalmente em pós cerâmicos. As outras técnicas citadas acima são de aplicações mais específicas.
Para reduzir o atrito entre as partículas de pó ou entre as partículas e as paredes da matriz no processo de compactação/ejeção, que aliás, representa o maior fator de perdas de energia, utiliza-se lubrificação no pó ou nas paredes da matriz.
O processo de compactação é dividido em quatro estágios:
Estágio 1 – Início da compactação, com a ocorrência de escorregamento e rearranjo das partículas sem que haja deformações plásticas ou fraturas destes.
Estágio 2 – Início de deformação locais e fraturas das partículas nos pontos de contato.
Estágio 3 – Ocorrem deformações elásticas no compacto devida às maiores pressões no processo de compactação.
Estágio 4 – Etapa de ejeção do compacto da matriz. Neste estágio as dimensões do compacto podem aumentar em torno de 5%.
As variações na distribuição de densidade no compacto podem ser minimizados através de alguns procedimentos, como:
Lubrificação para reduzir os atritos;
Aplicando de altas cargas de compactação;
Utilização de melhores razões L/D;
Uso de matrizes com dupla ação dos pistões;
Uso de pré-compactação;
A resistência mecânica do compacto é o efeito do amarramento mecânico entre as irregularidades das partículas, que é aumentado significamente com o aumento das deformações plásticas. O amarramento entre as partículas é tanto maior quanto maior for a área específica das partículas, ou seja, quanto menores as partículas e mais irregulares maior a resistência do compacto. Dessa forma tem-se como meios de aumentar a resistência dos compactos obtendo-se partículas com maiores rugosidades superficiais, menores tamanhos, consequentemente, menores densidades aparentes. Maiores pressões de compactação, diminuição da superfície de oxidação e contaminação e minimização de aditivos e lubrificantes também são métodos de aumentar a resistência dos compactos.
Partículas esféricas resultam em compactos menos resistentes, tendo em vista sua superfície regular e menor área específica.
Dentre os processos de compactação citados anteriormente destacam-se a compactação isostática e laminação.
Na compactação isostática as prensas são compostas de uma câmara com óleo ou outro agente transmissor de carga e a matriz são feitas de materialflexível. A matriz é cheia de pó e colocada na câmara onde é prensada isostaticamente.
Na compactação por laminação, o pó metálico e levado a um jogo de cilindros de laminação, que produz um corpo na forma de tira ou chapa.
Algumas regras tem que ser obedecidas no projeto de peças a serem compactadas, seguem abaixo:
1ª – A forma da peça deve ser tal que permita sua retirada da matriz. Isso impede a compactação de rebaixos ou orifícios no sentido transversal à direção de compactação, o mesmo se aplica à conicidade reversa. No caso da forma de peças muito complexa deve-se apelar para o processo de colagem de barbotinas;
2ª – A forma da peça não deve exigir do pó a necessidade de escoar em paredes finas, cantos vivos ou semelhantes, porque nestes casos o escoamento do pó é dificultado. Também devem ser evitadas variações bruscas na espessura da peça para não provocar empenamento durante o processo de sinterização;
3ª – A forma da peça deve permitir a confecção de matrizes resistentes. Peças com contornos semitoroidais, semi-esféricos ou cônicos devem conter lateralmente um “degrau” para aumentar a resistência do ferramental. Os chanfros devem ser menores de 45°. Punções muito finas tem maior tendência de quebra. Deve evitar-se choques entre as partes móveis.
4ª – A razão entre o comprimento e o diâmetro da peça deve ser superior a 2,5 na maioria dos casos. Entretanto, esta razão pode chegar até 4, sem compromisso da peça, quando esta é mais espessa.
5ª – A peça deve ser projetada de tal modo que leve em conta a uniformidade da densidade do corpo verde, para evitar defeitos na sinterização. Em alguns casos, a usinagem posterior é recomendada.
Aquecimento para produzir ligação entre partículas (chamada sinterização)
Esta é a etapa de consolidação final da peça. A massa de partículas, na forma de compactado verde ou confinada em moldes, é aquecida a temperaturas altas, mas abaixo do ponto de fusão do metal base1, metal base sob condições controladas de temperatura, velocidade de aquecimento e resfriamento, tempo de permanência e atmosfera.
1 – Metal Base: é o metal principal do processo e determina as características básicas do produto final.
A sinterização é feita, normalmente, em fornos contínuos, caracterizados por três zonas de operação: preaquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento. A figura a seguir mostra uma vista esquemática de um forno desse tipo.
Na sinterização ocorre, normalmente, uma deformação do compactado, que se contrai, podendo chegar a uma redução de 40% do seu volume inicial ou a uma redução linear de cerca de 16%.
Depois da sinterização, a peça ainda pode passar por processos de recompressão, tratamentos térmicos e usinagem, ou ser imediatamente utilizada.
A recompressão é necessária para garantir tolerâncias apertadas, rugosidade prevista, etc. Deve ser feita, quando durante a sinterização, a peça apresenta deformação não desejada.
Peças sinterizadas podem ser tratadas termicamente, do mesmo modo que as peças metálicas convencionais. Em tratamentos térmicos que conferem dureza apenas à camada superficial da peça, como a cementação e a nitretação, a densidade é um fator importante na difusão dos gases através dos seus poros. Pode ocorrer o endurecimento total da peça.
A usinagem de peças deve ser feita, sempre que for impossível conseguir a geometria desejada.
Produtos Obtidos
Peças fabricadas por metalurgia do pó possuem porosidade, um volume de pequenos vazios distribuídos uniformemente no volume total aparente. Esta porosidade típica é determinada por diversos fatores como pressão de compactação, temperatura e tempo de sinterização, tamanho e forma das partículas do pó, existência de processos complementares de compressão, etc. A porosidade possibilita a fabricação de filtros metálicos e mancais autolubrificantes.
O processo de fabricação é de grande produtividade e baixo desperdício de material. Atende com custos muito competitivos as aplicações de peças de alguns gramas de peso até 1,5 kg.
A peça sinterizada apresenta um excelente compromisso entre tolerâncias, custo, grau de acabamento, resistência mecânica e outras propriedades físicas e, inclusive, impacto ambiental. Quando necessários, processos posteriores podem ser plenamente utilizados para conferir propriedades adicionais ao sinterizado como, por exemplo: usinagens, tratamentos térmicos e a vapor, recobrimentos galvânicos e pigmentares, soldagem e outros.
Principais Aplicações
Filtros sinterizados
Uma das primeiras aplicações da tecnologia da metalurgia do pó se deu na fabricação de filtros sinterizados. Esses elementos filtrantes são formados por camadas superpostas de partículas arredondadas ou esféricas de pós metálicos, com diferentes tamanhos de grãos. A superposição das camadas de grãos forma um conjunto de “malhas” que se interceptam, dando porosidade ao material. Os filtros sinterizados são bastante usados nas atividades industriais que ocorrem em altas temperaturas e requerem elevadas resistências mecânica e química. São aplicados na filtragem de gases, líquidos, óleos combustíveis e minerais. São também utilizados como abafadores de ruído e válvula corta-chamas.
Carboneto metálico
O carboneto metálico, também chamado de metal duro, é o mais conhecido produto da metalurgia do pó. Tem importância fundamental no campo das ferramentas de corte, peças de desgaste e brocas para perfuração de rochas. Nessas ferramentas, o metal duro é adaptado nas partes cortantes, na forma de pastilha.
Essas pastilhas possuem elevada dureza (quase igual à do diamante) e suportam temperaturas de até 1.000°C sem sofrer perda de corte.
O metal duro pode ser produzido a partir do pó de tungstênio (W) puro, misturado ao pó de carbono (C) em proporções cuidadosamente controladas para garantir a correta composição. Na sinterização, esta mistura é levada a uma temperatura de cerca de 1.700°C, que provoca a união do tungstênio e do carbono, dando origem às partículas duras do metal duro, representadas pelos carbonetos de tungstênio (WC). O carboneto de tungstênio dissolve-se facilmente em cobalto (Co), o qual é adicionado à mistura, atuando como metal ligante. O resultado final combina as propriedades da partícula dura (resistência ao desgaste) com as propriedades do metal ligante (tenacidade).
Pastilhas de Metal Duro
Mancais autolubrificantes
 
Uma das características da sinterização é possibilitar o controle da porosidade do produto final. Esta característica é particularmente importante na produção de mancais autolubrificantes. A porosidade existente no mancal pode ser preenchida com óleo, para garantir uma lubrificação permanente entre o eixo e o mancal.
Conclusão
A sinterização é um processo em que a economia de material é levada ao extremo, com mínimas perdas de matéria-prima. Certas ligas podem ser obtidas pela metalurgia do pó a custos muitas vezes inferiores do que se fossem produzidas pela metalurgia convencional. A possibilidade de conjugar peças simples e partes sinterizadas também representa um importante fator de economia de custos, com preservação de qualidade do produto final.
Talvez você não tenha se dado conta, mas é provável que já venha utilizando peças sinterizadas em muitos dos equipamentos e dispositivos que usa no diaa-dia. Fazer uma pesquisa para descobrir até que ponto a metalurgia do pó faz parte da sua vida poderá ser uma maneira interessante de conhecer e avaliar, na prática, as características dos produtos sinterizados.
Bibliografia
http://www3.fsa.br/mecanica/arquivos/04%20Sinteriza%C3%A7%C3%A3o.pdf, acessado em 07/09/2017 as 12:00 horas.
https://pt.wikipedia.org/wiki/Metalurgia_do_p%C3%B3, acessado em 08/09/2017 as 12:00 horas.
http://essel.com.br/cursos/material/01/ProcessosFabricacao/65proc.pdf, acessado em 09/09/2017 as 13:00 horas.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAQsIAD/metalurgia-po, acessado em 09/09/2017 as 13:00 horas.