RT4 - Aspersão a quente de metais v3

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PSV2 27/11/2018 RT4
	
Nomes: Ana Clara dos Reis Damasceno
 Lucas Washington dos Santos Nascimento
Tema: Aspersão a quente de metais
INTRODUÇÃO
Podemos definir os processos de aspersão a quente como aqueles que utilizam de partículas, em condição fundida ou semifundida, depositadas em uma determinada superfície para criar camadas de material metálico ou não-metálico. A fonte de energia responsável pelo calor necessário à operação provém da queima de combustível ou de um arco elétrico, sendo o calor transmitido ao material pela tocha de aspersão e sendo esta a característica que distingue o processo em classificações pertinentes, vistas no Capítulo 2 do presente relatório.
Para o depósito desejado, utiliza-se de gás comprimido, concentrando e direcionando as partículas ao metal-base. 
A estrutura lamelar gerada após o resfriamento do processo provém do choque entre partículas que se achatam e formam finas lentes quando aderidas à peça a ser revestida.
A adesão do revestimento ao substrato, que pode ser feita de maneira mecânica química e/ou metalúrgica, depende da prévia preparação do processo. São pontos importantes: a limpeza da superfície, que elimina impurezas e obtém determinada rugosidade auxiliar ao processo, a condição do substrato, o material de deposição, a temperatura da superfície e a velocidade de deposição.
Figura 1 - Esquematização simplificada do processo de Aspersão Térmica
MATERIAIS
De deposição
Os materiais para esse tipo de processo são encontrados na forma de vareta, arame, cordão e pó. Quanto à sua natureza química, são aplicados plásticos orgânicos, óxidos, compostos metálicos, metais e alguns tipos de vidro.
Do substrato
Os materiais para os quais a aspersão térmica é aplicável são, normalmente, metais, vidros, óxidos, cerâmicos, madeira e plásticos. MARQUES salienta que nem todos os materiais para aspersão podem ser aplicados a qualquer substrato
APLICAÇÃO
A aplicação do processo de aspersão térmica se justifica quando deseja-se conferir características como proteção contra corrosão, oxidação, quando deseja-se aumentar a resistência ao desgaste mecânico de peças, ou quando há necessidade de aumentar-se a dureza superficial do substrato, conferi-lo lubricidade ou ainda quando há necessidade de restauração dimensional.
CLASSIFICAÇÃO
Os processos de aspersão térmica são classificados quando à fonte de calor utilizada no processo. A Figura 2 ilustra tal separação e como suas variações estão agrupadas:
Figura 2 - Classificação dos processos de aspersão térmica
A seguir, analisaremos cada processo, estudando suas características e variações.
Aspersão térmica a chama convencional
Também chamado de aspersão por chama oxiacetilênica, e no inglês Flame Spray (FS), esse processo implica na fundição do metal de adição, em forma de pó ou arame, graças à queima de um gás combustível e oxigênio. O processo pode ser subdividido pelo tipo de material de deposição, explicados nos itens seguintes neste capítulo
Os equipamentos utilizados na aplicação da aspersão térmica a chama com pó ou arame estão dispostos na Figura abaixo:
Figura 3 - Equipamentos da aspersão térmica a chama
As principais variáveis que devem ser regulados no processo FS são a pressão e o fluxo de ar comprimido e o fluxo de gás combustível e oxigênio. 
E, segundo (PAWLOWSKI, 2008), as principais características do processo são:
Distância de aplicação entre o substrato e a tocha entre 120 a 250 mm;
Ângulo da pistola preferencialmente a 90°;
A temperatura do substrato, quando aspergido cerâmica em metais, deve ser mantida na faixa de 100 a 200 °C, com a finalidade de evitar tensões residuais;
A porosidade de 10 a 20%, podendo ser praticamente zero depois do tratamento para materiais autofluxantes;
As espessuras variam na faixa de 100 a 2500 μm (0,1 a 2,5 mm).
Aspersão térmica a chama com pó – Thermo spray
Para esse tipo de processo é necessária a utilização de alimentação de gás e de material de deposição, em forma de pó, na tocha de aspersão. As partículas são projetadas no substrato graças à aplicação de ar comprimido. Uma ilustração do processo é mostrada pela Figura 3.
Figura 4 - Aspersão térmica a chama com pó
Devido ao fato da alimentação de pó ser feita por meio da gravidade, sua velocidade é baixa, implicando em um revestimento de menores resistências adesivas e maior porosidade. Dessa forma, as aplicações para esse processo são indicadas, principalmente, para materiais autofluxantes, de ligas a base de níquel. 
Após o depósito do material, é recomendável um aquecimento posterior, que pode ser feito com maçarico ou uso de fornos, de modo a atingir a densificação e aderência desejada.
	Material do pó
	Taxa de alimentação (g/min)
	Taxa de fluxo de gás de transporte (l/min)
	Metal puro, liga, compósito, cerâmica, carboneto ou suas combinações
	50 a 100
	3 a 5
Aspersão térmica a chama com arame – Flame Spray
Esse processo utiliza, para a alimentação de arame, roletes tracionados por um motor ou turbina de ar. O arame é fundido na tocha pela queima do gás combustível e oxigênio e, assim como o thermo spray, necessita de ar comprimido para sua pulverização, que tem sua velocidade aumentada devido à distribuição de gases ao redor do arame, garantindo uma fusão uniforme e, ao mesmo tempo, assegurando o tempo necessário para a fusão adequada do arame.
O diâmetro doa arames variam entre 3 e 6 mm, com uma taxa de alimentação variante entre 40 e 650 g/min. Os materiais de deposição em forma de vareta mais utilizados são os do tipo cerâmico, e para esta aplicação, as tochas apresentam variações no bocal de gás, na tampa de ar e no sistema de alimentação. 
Figura 4 - Aspersão térmica a chama com arame
Aspersão térmica a chama de alta velocidade – HVOF
Os processos de AT a chama de alta velocidade, em inglês HVOF (High Velocity Oxi-Fuel), é composto por um combustível gasoso ou liquido, podendo este ser: propileno, hidrogênio, propano ou querosene, misturado com oxigênio. Um dos parâmetros desse processo é a razão de vazão entre o oxigênio/gás combustível, parâmetro esse que influencia a temperatura atingida pela tocha. Exemplos desse tipo são a mistura de oxigênio e acetileno que podem alcançar temperaturas de até 3170°C. Devido a essas altas temperaturas, um sistema de arrefecimento torna-se necessário, visando proteger a câmara e o bocal, utilizando-se, em geral, água de forma constante para realizar o resfriamento.
 Sobre alta pressão, o combustível é queimado gerando um jato de exaustão de alta velocidade. Nesse processo de combustão gases são liberados e, devido a altas temperaturas e pressão, se expandem através do bocal, atingindo velocidades supersônicas. Na Figura 5 podemos ver de forma esquemática o funcionamento desse processo de tocha de HVOF.
Figura 5 - a) Esquema de uma tocha de AT supersônico HVOF tipo convergente divergente. b) Esquema do tipo de pistola com câmara Venturi
Em tochas HVOF tipo convergente, mostrado na Figura 5a, a alimentação do pó é realizada imediatamente após a expansão dos gases que, após a combustão na câmara, saem com elevada energia térmica e cinética, transportando as partículas até o substrato a ser revestido.
Quando a alimentação do pó no bocal é realizada de forma concêntrica ao bico da pistola, temos um modelo mostrado na Figura 5b. Utilizando gás nitrogênio para a transferência do pó, o mesmo é atomizado ao passar por uma câmara quente, chamada Venturi, dando assim ao nome a esse processo. No entanto, o pó não é fundido nessa etapa devido ao curto intervalo de tempo em contato com a fonte de calo. Devido à baixa energia cinética, no impacto contra o substrato, as partículas transferem elevada energia (cinética + impacto + elevado calor) conforme indicado por (CORTÉS, 1998).
O sistema de saída convergente/divergenteda câmara de combustão é dimensionado para criar um jato supersônico que mantém a área de baixa pressão onde o pó é radialmente injetado através de múltiplos injetores. Pistolas modernas usam a injeção radial de pó no canhão e este sistema traz os seguintes benefícios:
Menor pressão de injeção do pó necessária, uma vez que o pó é injetado em uma área de baixa pressão criada pelo sistema convergente/divergente da saída da câmara de combustão;
A velocidade e a temperatura do pó estão melhores distribuídas através do spray.
A aplicação de AT às cerâmicas e alguns metais refratários torna-se difícil, devido à temperatura baixa da chama. Devido ao impacto sobre o substrato, as partículas não necessitam estar totalmente fundidas para gerar um revestimento de alta qualidade. Isto proporciona a minimização de eventuais problemas com tensões residuais no substrato.
Aspersão térmica por detonação – D-GUN
A energia proveniente da explosão de uma mistura de gás e oxigênio é utilizada nesse processo, composto por uma câmara de reação, resfriada por água. Para a realização da detonação é utilizada uma mistura de oxigênio e gás combustível, em geral, acetileno e material para revestimento em pó. Para realizar a ignição da mistura, utiliza-se uma centelha elétrica, que provoca uma onda de detonação controlada, de alta pressão e alta temperatura, expulsando as partículas de pó aquecidas para a superfície do substrato.
Figura 6 - Esquema de uma tocha de AT por detonação
Devido à possibilidade de 15 detonações por segundo, é possível realizar a deposição do revestimento até a espessura desejada. Esse processo pode ser aplicado a praticamente qualquer material metálico e cerâmico. Devido à alta velocidade empregada às partículas, há um ganho de energia cinética que, graças ao impacto das partículas, converte-se, auxiliando na aderência da camada ao material.
O processo AT por detonação tem como características principais:
À distância de aspersão de 100 mm;
O tamanho das partículas de pó necessário está entre 5 a 60 μm (0.005 a 0.06 mm);
Taxa de alimentação de pó na faixa de 16 a 40 g/min;
Diâmetro do ponto aspergido de 25 mm;
Porosidade de 0,5 % a 2 % ;
Espessuras típicas depositadas de até 300 μm (0,3 mm).
Aspersão térmica por plasma spray – OS
Devido aos avanços na engenharia, novos materiais com melhores propriedades mecânicas e menor densidade são necessários. O processo de aspersão por plasma se desenvolveu para atender à indústria aeroespacial. Dessa forma, o processo de plasma é aplicado em materiais oxi-cerâmicos e carbetos que apresentam alto ponto de fusão e sobreaquecimentos.
Nesse processo utiliza-se materiais consumíveis sob a forma de pó. O plasma é constituído de gases elevados a um nível energético superior ao estado gasoso normal, chamado ocasionalmente de “quarto estado da matéria”.
Esses gases altamente ionizados podem ser separados em dois tipos: plasma arco transferido e o não transferido. No primeiro caso, o arco atinge a peça de trabalho, que fecha o circuito elétrico. No segundo caso, o arco é estabelecido e mantido entre o eletrodo e o orifício constrito. Desta forma, o plasma é forçado através do orifício pelo gás e a peça não faz parte do circuito elétrico. 
Arco transferido 
Devido ao arco ser estabelecido entre a peça e o bocal, esse tipo de processo fornece a capacidade de aquecimento e fusão superficial do substrato. Desta forma, pode-se dizer que este processo é uma combinação de soldagem e aspersão térmica. Nesta técnica, uma corrente secundária é estabelecida entre o eletrodo da pistola e o substrato, sendo a segunda corrente controlada pelo segundo arco. O material misturado à poça de fusão, que é aspergido geralmente em forma de pó, se dilui na mesma, formando a camada no substrato. 
Esta técnica produz um revestimento que possui alta densidade e alta taxa de deposição com grandes espessuras por passe e, comparativamente, para a mesma quantidade de material depositado, esse processo utiliza 5% da energia necessária pelo processo de arco não transferido.
Este processo é bastante usado em endurecimento superficial de assentos de válvulas, equipamentos agrícolas e de mineração.
Figura 7 - Arco transferido
Arco não transferido
No plasma a arco não transferido, o arco é estabelecido entre o bocal e o eletrodo, de modo que, nesse processo utiliza-se um pó para realizar o revestimento, aplicando-se o calor do arco para provocar a fusão. 
Figura 8- Arco não transferido
A zona central do plasma é constituída de um gás ionizado, em geral inerte. Adições de hidrogênio e hélio podem aumentar a potência e a velocidade do plasma. Estes gases passam através de um arco elétrico estabelecido entre um catodo de tungstênio e um ânodo de cobre dotado de um orifício. Em sua passagem, o gás é aquecido, gerando o plasma que é envolvido por um ou mais gases inertes de proteção. O pó é alimentado no plasma, fundido e acelerado em direção ao substrato em um fluxo de alta velocidade. A energia, temperatura e velocidade do jato de plasma são controladas pelo tipo de bocal constritor, intensidade da corrente elétrica, composição da mistura de gases e taxa de fluxo de gás de plasma.
Aspersão térmica por arco elétrico – ASP
No processo conhecido como ASP (Arc Spray Process), utiliza-se um arco elétrico como fonte de calor para fundir os arames. Com a finalidade de reduzir a oxidação, gases inertes podem ser utilizados, visando aplicações especiais desse processo.
Esta técnica difere de outras técnicas de AT nas quais não há fonte externa de calor, tais como chama de gás ou plasma induzido eletricamente. Um fator limitante para esta técnica é o fato de os materiais aplicados terem de ser eletricamente condutores. Na Figura 9 observar-se o equipamento de aspersão por arco elétrico.
O gás de atomização adicional faz com que as partículas não se aglomerem em seu trajeto até o substrato, de modo que as camadas de revestimento são mais homogêneas. Por não haver uma chama, ou seja, ausência de gases de combustão tocando o substrato, seu aquecimento é menor quando o revestimento é aplicado pela técnica ASP.
Figura 9 - Esquema do processo a arco elétrico
Técnica de aspersão cold spray – CGSM
No processo de aspersão com gás frio não se utiliza energia térmica para realizar a fundição do material depositado, mas sim energia cinética para realizar o revestimento do substrato.
Este processo ocorre quando o gás, geralmente nitrogênio ou hélio, é comprimido a 3,5 MPa e aquecido a 600°C, armazenando energia até passar por uma câmara convergente – divergente, sendo que, após o fluxo do gás passar pela câmara, ocorre a expansão do gás, atingindo velocidades supersônicas. 
O material do revestimento na forma de pó utiliza parte do gás pressurizado para chegar até a câmara na qual as partículas são moderadamente aquecidas e aceleradas até uma determinada velocidade e temperatura e, no impacto com o substrato, se deformam e se ligam a ele, formando um revestimento denso. 
Umas das vantagens desse processo é a reutilização do gás empregado, pois o mesmo pode ser captado parcialmente após seu uso. No entanto, essa técnica não se aplica em materiais frágeis, pois é necessário realizar algumas deformações plásticas para ocorrer a aderência nas superfícies do substrato.
Figura 10 - Esquema do funcionamento da técnica CGSM
PARÂMETROS DE CONTROLE
A Tabela a seguir apresenta os principais parâmetros de controle por processo de aspersão térmica, listados por CORTÉS.
Tabela 1 - Principais parâmetros de controle dos processos de aspersão térmica
	Processos
	Parâmetros
	Processos
	Parâmetros
	Chama convencional FS
	Pré-aquecimento
	HVOF modelo DJ Metco
	Pressão de oxigênio
	
	Distância
	
	Fluxo de oxigênio
	
	Fluxo de oxigênio
	
	Fluxo de nitrogênio
	
	Fluxo de acetileno
	
	Pressão de propano
	
	Pressão de ar
	
	Fluxo de propano
	
	Fluxo de ar
	
	Distância
	Arco Elétrico ASP
	Pressão de ar primário
	HVOF modeloTAFA
	Pressão de oxigênio
	
	Pressão de ar secundário
	
	Fluxo de oxigênio
	
	DDP entre os arames
	
	Fluxo de querosene
	
	Corrente
	
	Pressão de querosene
	
	Limpeza
	
	Fluxo de água de refrigeração
	
	Pré-aquecimento
	
	Distância
Tabela 2 - Tabela de comparação dos parâmetros dos processos de aspersão térmica (THORPE, 1993)
VANTAGENS E DESVANTAGENS
As Tabelas a seguir apresentam as vantagens e desvantagens listadas por GIMENES:
Tabela 3 - Vantagens dos processos de aspersão térmica
	Detonação
	Excelente coesão
	
	Camada com baixo índice de porosidade
	
	Grau de acabamento muito bom durante os trabalhos posteriores
	Chama Oxiacetilênica
	Permite a aplicação de 3 tipos de camadas:
	
	- Ligas para camadas fundidas, resistentes a corrosão e oxidação
	
	- Ligas com carbetos, recomendados onde as condições de abrasão são severas
	
	- Ligas com cerâmicas, resistentes ao desgaste, calor, abrasão e isolantes termo e elétrico
	Arco elétrico
	Maior aderência
	
	Maior coesão entre as partículas
	
	Maior velocidade de deposição chegando a aplicar 30 kg/h
	
	Materiais mais usados são: aço inoxidável martensítico e austenítico, bronze, alumínio, cobre, molibdênio e carbetos
	HVOF
	Menor porosidade
	
	Maior dureza
	
	Menor quantidade de óxidos
	
	Melhor resistência ao desgaste
	
	Maior adesão
	Plasma
	Propriedades físicas e metalúrgicas das camadas depositadas superiores 
	
	Porosidade reduzida
	
	Melhor aderência
	
	Menor conteúdo de óxidos
Tabela 4 - Desvantagens dos processos de aspersão térmica
	Detonação
	Operações devem ser automatizadas
	
	Operações devem ser controladas a distância
	
	Ambiente necessita proteção acústica
	
	Altíssimo nível de ruído, acima de 150 decibéis
	Chama Oxiacetilênica
	Oxidação das partículas quando transportadas pelo ar comprimido
	
	Aderência prejudicada
	
	Necessário o uso de gás inerte para transporte das partículas
	Arco elétrico
	Possui as mesmas características da chama oxiacetilênica
	HVOF
	Devido utilização dos combustíveis (propileno, propano ou querosene), requer maior atenção a segurança da instalação
	Plasma
	Melhor qualificação do operador
	
	Proteção extra ao operador, devido à energia liberada
CUSTOS
Os custos da aplicação da aspersão térmica incluem:
Custos da pré-limpeza e limpeza – CL: depende do grau de corrosão e/ou desgaste do material, sendo aplicados processos mecânicos, químicos ou de jateamento abrasivo.
Custos da preparação da superfície (usinagem ou jateamento abrasivo) – CPS: deve-se considerar custos do fornecimento de ar comprimido, da energia utilizada na usinagem, do abrasivo e homem/hora.
Custos da aspersão térmica – CAT: depende das características físicas das peças ou material a ser metalizado. É calculado através da soma das seguintes características da aplicação:
Cálculo da área a ser metalizada - CA
Cálculo do volume do revestimento - CV
Cálculo do tempo necessário de metalização – CTd
Cálculo do peso do arame necessário – CPA
Cálculo do consumo de ar, oxigênio e acetileno - CC [Car; COx.; CAc]
Custo de mão de obra, operador, ajudante, supervisão, etc. - CMO
Logo, o custo total de aplicação pode ser calculado por:
A variação da espessura ao longo do substrato deve ser levada em consideração no cálculo dos custos. Essa variação é considerada entre o ponto mais fino e o mais grosso da aplicação. Para os revestimentos resistentes à corrosão, utiliza-se a espessura média do revestimento. Apesar disso, caso haja uma espessura mínima determinada, deve-se aplicar uma espessura média suficiente para que nenhum ponto seja mais fino do que o mínimo especificado. Para os casos de não especificação deste parâmetro, ensaios devem ser feitos para determinar-se a espessura média pretendida.
BIBLIOGRAFIA
[1]	 CORTÉS P. R. – Apostila de Aspersão Térmica. UFPR 2012. 
[2] GIMENES, L, SANTOS, E. F, TOLEDO, L. B, CARRILHO, M. S. - Comparativo entre os processos de aspersão térmica na manutenção. Acesso no dia 21/11/2018 às 10h43min. [http://www.infosolda.com.br/nucleo/downloads/pb.pdf]
[3] CORTÉS P. R. - Tese de doutorado. Estudo de revestimentos de alumínio depositados por três processos de aspersão térmica para a proteção do aço contra a corrosão marinha. UFSC 1998.
[4] THORPE, M.L. - Thermal Spray. Advanced Materials & Processes 1993.