Revisão bibliográfica de Metalurgia do Pó

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Revisão Bibliográfica 
Compósitos de Matriz Metálica 
Um material compósito é formado através da combinação de dois ou mais constituintes, os quais formam um material com propriedades particulares. Para (SUN; JU; LIU, 2003) o desenvolvimento de materiais compósitos está diretamente ligado à necessidade de materiais com padrões mais elevados de desempenho e confiabilidade em serviço. Assim, surge um material com características específicas e com vasta gama de aplicações, principalmente, no âmbito da indústria aeroespacial, civil, biomédica e eletrônica.
O desempenho de um material compósito está relacionado ao tamanho, à distribuição e à fração em volume dos constituintes, além do comportamento da interface entre os componentes. De acordo com (OLIVEIRA, 2006) em grande parte dos casos, o constituinte encontrado em maior quantidade é chamado de matriz e os demais constituintes são denominados reforços. De modo geral, os reforços têm maior dureza e rigidez em relação à matriz e, portanto, são utilizados com o objetivo de transmitir tais propriedades ao material formado. A carga em ação sobre a matriz deve ser transmitida ao reforço através da interface, o que implica na necessidade da criação de uma interface capaz de adequar a rigidez do reforço com a ductilidade da matriz.
(AZIZI, 2012) afirma que aplicação de compósitos de matriz metálicas estão em franco crescimento, isso ocorre devido à melhora nas propriedades mecânicas do material com a inclusão de reforços, proporcionando significativos ganhos em rigidez, resistência à tensão, resistência à deformação, resistência ao desgaste, o que resulta em materiais com baixa densidade e com uma capacidade de amortecimento maior. (DOS SANTOS; FERNANDES; DE CERQUEIRA PITUBA, 2016) também apresenta como benefício, a melhora na resistência ao choque térmico, situação que é relevante em aplicações nas indústrias civil e aeronáutica. Por outro lado, os compósitos de matriz metálicas apresentam como característica uma estrutura mais complexa, diferente de diversos materiais convencionais com uma estrutura simplificada, geralmente isótropa e homogênea. 
Metalurgia do Pó
Metalurgia do pó é um processo metalúrgico usado na fabricação de materiais que se difere dos processos tradicionais, pois envolve materiais metálicos e não metálicos na forma de pó, como matéria prima no processo de produção, além disso esse método de fabricação, agrega e desenvolve propriedades física e mecânicas ao compósito obtido no final (DIAS et al., 2017).
A produção de peças através desse método, tem como início a produção dos pós do material desejado, que pode ser feito por diversos métodos, um dos mais conhecidos é a moagem de alta energia, para uma melhor compactação dos elementos. Em seguida é feito um tratamento de densificação dos pós para densificação do material que é feito em uma temperatura inferior a temperatura de fusão do metal de base, porem alta o suficiente para que haja ligações entre os átomos das partículas vizinhas do material como um todo (DIAS et al., 2017).
Antigamente a metalurgia do pó era chamada de arte perdida, mesmo sendo um processo antigo a sinterização passou muito tempo esquecida, vindo novamente à tona no século XVIII, visando a produção de peças a partir de pó de platina, na Europa (SILVA A.K.B., 2018) Para a produção dessas peças, que no momento não era possível utilizar a fundição tradicional, por causa do ponto de fusão muito elevado, 1770°C. no século XX foram desenvolvidas técnicas para produção de peças de Molibdênio (2610°C) e Tungstênio (3410°C) através de metalurgia do pó (NABOYCHENKO; MURASHOVA; NEIKOV, 2009) 
A principal vantagem do uso da técnica da metalurgia do pó é que por ela é possível fabricar peças com melhores acabamentos e com maior complexidade geométrica, precisão dimensional, quando comparado com processos de menor custo. Outro fator envolvido é a economia de matéria prima, pois diminui-se eventuais outros processos, economizando também o uso de energia (DIAS et al., 2017)
Tabela 1 Comparação do consumo de Energia na Fabricação e Índice de Rejeitos da Metalurgia do pó com outros Processos
	Processo de Fabricação
	Energia Consumida/Kg Processado
(MJ)
	Utilização de Matéria-Prima
(%)
	Metalurgia do Pó
	29
	95
	Fundição
	30 -38
	90
	Extrusão
	41
	85
	Forjamento
	46 – 49
	75 – 80
	Usinagem
	65 - 82
	40 - 50
Fonte: (EPMA, 2019) – Adaptado (2020).
Além disto, existem materiais que somente podem ser obtidos a partir de consolidação de pós, tais como ligas refratárias, materiais porosos sinterizados (filtros metálicos, mancais auto lubrificantes e catalisadores) e compósitos particulados (pastilhas de freio, embreagem, contatos elétricos e filamentos). Outro ponto positivo é a possibilidade de obtenção de materiais com propriedades singulares, difíceis de serem obtidas pela tecnologia da fusão ou outras (ERTUGRUL et al., 2014; KURGAN; VAROL, 2010)(ERTUGRUL et al., 2014; KURGAN; VAROL, 2010).
A metalurgia do pó vem crescendo atualmente, não apenas no setor industrial, mas também em centros de pesquisa e laboratórios nas universidades, para fabricação de peças e estudo de características como resistência ao desgaste, condições de temperaturas crítica e demais estudos tribológicos (DHANASEKARAN; GNANAMOORTHY, 2007).
Na produção de peças através de metalurgia do pó é possível também o controle de porosidade dos componentes, esse fator é geralmente controlado determinando o tamanho e característica da partícula do pó utilizado no processo. Partículas maiores e mais irregulares leva a obtenção de materiais mais porosos, por causa de aspectos relacionados com a baixa fluidez e baixo grau de preenchimento das cavidades do molde, consequentemente. Outro fator que determina o grau de densificação é a pressão aplicada durante o processo, pressões maiores implicará em maior compactação do pó (BRAGA; FERREIRA; CAIRO, 2007).
Figura 1 relação da Porosidade com o Tamanho de Partícula
 Fonte: (BRAGA; FERREIRA; CAIRO, 2007)
A pressão aplicada sobre o pó a ser compactado envolve a transmissão das tensões geradas por meio das paredes da matriz em direção ao pó processado e, então, distribuído para todas as partículas que compõem o sistema através da movimentação, o escorregamento, a rotação e a deformação das partículas (DIAS et al., 2017)
O tipo de prensa, de matriz, o método da presagem e até o lubrificante utilizado no molde, influencia diretamente na compactação dos pós metálicos. Um tipo de prensagem bastante usado é a prensagem uniaxial, muito pela sua praticidade, esse tipo de prensa possui uma matriz rígda aberta ou fechada, com dois punções, onde o punção superior exerce uma força na direção axial comprimindo o material (CHIAVERINI, 1986)
Figura 2 Esquema da compactação uniaxial de pós metálicos.
 Fonte: Adaptado de ASM Metals Handbooks (1998)
Sinterização
Consiste no aquecimento das peças que foram comprimidas no molde, a temperatura sinterização varia de acordo com o material, levando em consideração que deve ser sempre abaixo da temperatura de fusão do metal de base e acima do ponto de fusão do metal secundário do compósito, além disso deve-se controlar a velocidade de aquecimento, atmosfera, tempo de exposição à temperatura e resfriamento (CHIAVERINI, 1986)
O fenômeno de sinterização pode ser explicado, a adesão inicial das partículas metálicas, onde os pontos de contato entre as partículas aumentam com aumento da temperatura sem que, nessa fase ocorra contração no volume, apenas uma pequena influencia na difusão superficial. Quando essa temperatura vai aumentando, ocorre um aumento da densificação e uma tendencia a esferoidização e consequentemente um preenchimento dos vazios e aumento da difusão nos contornos. Como já é de se esperar também ocorrerá fenômeno de recristalização de crescimento no tamanho de grão (CHIAVERINI, 1986)
Tabela 2 Temperaturas e Temperaturas de Sinterização Típicos para Alguns Materiais.
	Material
	Temperatura (°C)
	Tempo (min)Bronze
	760-870
	10-20
	Cobre
	840-900
	12-45
	Latão
	840-900
	10-45
	Ferro e Ferrita-Cu
	1000-1150
	8-45
	Níquel
	1000-1150
	30-45
	Aço Inoxidável
	1090-1285
	30-60
	Ímãs Alnico
	1215-1300
	120-150
	Metal Duro
	1425-1480
	20-30
 Fonte: adapta de (CHIAVERINI, 1986)
Bronze 
Os bronzes são ligas de cobre com vários outros elementos como o estanho, alumínio, silício e níquel. Essas ligas são relativamente mais resistentes mecanicamente que outras ligas de cobre, sem perder a propriedade de alta resistência a corrosão. O bronze ao estanho por exemplo é utilizado em mancais, buchas, anéis de pistões, conexões para vapor e engrenagens (WILLIAN D. CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
Essas ligas ganharam grande difusão e atenção desde a decaddade 1970, quando começaram a ser fabricadas pelos laboratórios Bell Telephone, pois como são resistententes ao desgaste, foram usadas com substituto da liga cobre berílio (LUO et al., 2019).
Liga Quasicristalina
Uma descoberta, ainda considerada recente, de um pesquisador israelense chamado Daniel Schechtman foi o estudo de uma nova classe de materiais metálicos. Estas ligas metálicas, hoje denominadas de ligas quasicristalinas, apresentam uma estrutura que não se encaixava na classificação convencional adotada. Estes novos materiais apresentam em suas microestruturas simetria rotacional incompatível com a cristalografia convencional, bem como características especiais, completamente diferentes das ligas cristalinas, mesmo aquelas com composições estequiométricas bem próximas. Os quasicristais são cristais cujo ordenamento atômico é quase- periódico com estruturas bastante complexas, quase-periodicidade com simetrias rotacionais estruturais (5, 8, 10, 12) não permitidas pela cristalografia clássica. Possuem unidades estruturais dodecaedral, octogonal, icoesadral ou triacontraedral ao invés de células unitárias convencionais como nos cristais (HUTTUNEN-SAARIVIRTA, 2004; SHECHTMAN et al., 1984), estruturas demonstradas a seguir na Fig. 3 
Figura 3 Poliedros – Dodecaedral, octogonal, icoesadral e triacontraedral.
 Fonte: (PASSOS, 2006)
Para a obtenção de ligas é necessário precisão da composição química dos constituintes, já que a existência das mesmas está contida em uma faixa composicional muito estreita. Essa fase é formada a partir de uma reação peritética, das fases β2- (AlFe3) com o líquido remanescente, é representada pela letra Ψ (psi) a qual está contida numa região média do diagrama terciário Al-Cu-Fe. Grande parte das suas ligas quasicristalinas é metaestável, e algumas são estavéis tendo a maioria como base o alumínio (Turquier, Bradley).
Figura 4 Diagrama de fases ternário AlCuFe em alumínio. podemos observar o pequeno campo ternário Psi no centro da imagem.
 Fonte:(PASSOS, 2006).
Para a obtenção dessas ligas quasicristalinas podem ser utilizadas processos convencionais de equilíbrio, como fusão e solidificação. Alguns métodos que promovem a formação das ligas são solidificação rápida, moagem de alta energia, evaporação e solidificação lenta. No método de solidificação lenta, ocorre a fundição dos elementos e nota se a existência tanto de fases cristalinas e fases quasicristalina (Cavalcante 2007). 
Mesmo as ligas quasicristalinas e ligas cristalinas apresentando composições químicas muito próximas entre si, estes materiais possuem comportamentos diferentes. As ligas quasicristalinas apresentam características “especiais” quando comparados aos seus “parentes próximos” cristais convencionais. Dentre suas principais características as propriedades superficiais chamam bastante atenção onde se pode citar: baixa energia superficial, baixo coeficiente de atrito, baixa molhabilidade. As ligas quasicristalinas oferecem boas resistência à corrosão e oxidação, além de baixo coeficiente de expansão térmico, alta dureza. No entanto, exibem alta fragilidade restringindo assim suas aplicações. A fragilidade se deve à ausência de planos de escorregamento comum em ligas metálicas cristalinas dúcteis (ROUXEL; PIGEAT, 2006).
Inúmeras são as possibilidades de aplicações potenciais das ligas quasicristalinas tais como: reforço, comumente em matriz dúctil, com o intuito de obter um material, no qual seja necessária uma alta/boa resistência; também se pode prever aplicações de materiais quasicristalinos como recobrimento/revestimento em peças que são sujeitas a movimentos relativos, por exemplo, devido a sua baixa energia de atrito, inerentes às ligas quasicristalinas, dentre outras milhares de possíveis aplicações (LIMA, 2011).
As ligas quasicristalina são geralmente utilizados como reforço em materiais compósitos devido sua alta fragilidade. Estes materiais compósitos têm como objetivo possuir propriedades superiores às propriedades dos materiais quando estão sendo utilizados individualmente. Tais materiais são requisitados por inúmeras aplicações na engenharia (WILLIAN D. CALLISTER; RETHWISCH, 2012). 
Propriedades mecânicas
Dureza
O ensaio de dureza nos dá a informação da resistência que um material impõe para ser penetrado por outro, logo a dureza é uma medida comparativa entre materiais, por isso deve-se tomar cuidado ao comparar valores determinados por técnicas diferentes. Para a determinação da dureza é medida a resistência à penetração de outro material mais duro, denominado indentador (DE ALBUQUERQUE; TAVARES; FILHO, 2008). Esses indentadores possuem diferentes formas e tamanhos dependendo do tipo do ensaio, que determina a dureza de acordo com a impressão deixada pela carga aplicada e característica do indentador. 
Os ensaios de dureza são mais frequentes do que qualquer outro ensaio mecânico, por diversas razões, entre elas estão o fato de serem mais baratos, por não necessitar nenhuma preparação de especial do corpo de prova, além dos aparelhos serem relativamente baratos, quando comparados a outros. O ensaio não é destrutivo, o material não é fraturado nem sofre deformação excessiva. Além de proporcionar estimativas de outras propriedades a partir dos dados de dureza, como o limite de resistência a tração (WILLIAN D. CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
A dureza do material pode ser medida tanto macro quanto microscópica dos materiais, quando a analise da macro dureza, é necessário fazer várias endentações repetidamente, visando pegar uma boa distribuição da área do material, os tipos de dureza mais utilizados são Brinnell, Vickers e Rockwell (CHIAVERINI, 1986) .
Figura 5 Técnicas de Ensaio de Dureza
Fonte: (WILLIAN D. CALLISTER; RETHWISCH, 2012)
O equipamento que mede a dureza é o durômetro, que é uma evolução do escleroscópio, que até então era um sistema que usava a queda de um peso, passou a utilizar um sistema de mola, os identadores mais comuns são os do tipo A e tipo D, para materiais moles e duros respectivamente.
Figura 6 Tipos de Indentadores utilizado no Durômetro Shore
 Fonte: (SILVA, 2018)
Propriedades Tribológicas
A palavra tribologia é derivada do grego, significa estudo do atrito, “LOGOS” e “TRIBOS”. Podemos definir também como o estudo que estuda uma interação entre uma superfície e o movimento relativo.
O movimento relativo em sua normalidade gera desgaste no material, acarretando certo dano ao material a princípio em sua superfície, com isso o equipamento, independentemente do tamanho, poderá sobre falha em grande escala, pelo fato desse movimento causar folgas e perda de precisão no mesmo. Em algumas situações o atrito com altas taxas de desgaste é importante, como por exemplo em trabalhos de lixamentos de polimentos (SILVA, 2018).
Desgaste
Estudos sobre o desgaste dos materiais é muito importante para determinar o funcionamento do equipamento, com isso é possível determinar o tipo de desgaste, possibilitando inclusive o tempo até a falha e prevenir percas em todos os níveis.
O desgaste de um material depende de alguns fatores que se relacionam e determinam o tipo para cada situação.
Figura 7 Fatores que influenciam no desgaste.Fonte: Adaptado de Instituto Nacional de Engenharia de Superfície.
Entre os tipos de desgastes, os principais são o desgaste adesivo, que ocorre no contato entre as superfícies, essas superfícies se unem e um deslizamento provocará um desprendimento de partículas do material menos resistente, essas partículas podem ou não permanecer unida ao material que a separou. 
O desgaste abrasivo acorre pelo deslizamento de um material mais duro sobre outro, pode ocorrer desgaste por dois corpos, onde existe apenas as duas superfícies interagindo, e com três corpos, onde além das superfícies, existe partículas soltas que irão contribuir com desgaste.
 Através de fadiga, acontece devido a esforços cíclicos entre as superfícies, inicialmente forma-se trincas superficiais, essas cresceram e deformará o material causando o desgaste.
Já o desgaste corrosivo acontece em duas etapas, formação de uma película de oxido na superfície, esse oxido pode funcionar como lubrificante, mas na maioria das vezes é formado uma película frágil. Essa película frágil quebra e estando exposto ao deslizamento é removida (“Mecanismos de desgaste”, [s.d.])
Figura 8 Esquema Mostrando os quatro tipos de Desgaste
Fonte: (COSTA et al., 2019)
Ensaio de pino sobre disco
Para realização desse ensaio, existem vários tipos de equipamentos e arranjos instrumentais, o ensaio de pino sobre disco pode ser feito de maneira linear ou rotativo, no linear o pino passa sobre uma superfície causando um arraste linear, enquanto que no rotativo a ponta esférica do pino fica fixa enquanto a superfície gira em contato com o mesmo. No ensaio de desgaste é possível obter dados como força de atrito, coeficiente de atrito e taxa de desgaste (FONSECA-GALINDO, 2016).
Figura 9 Desenho esquemático mostrando ensaio de desgaste de pino sobre disco.
 Fonte: (FONSECA-GALINDO, 2016)
Molhabilidade
Molhabilidade está relacionado com a capacidade de um liquido interagir e manter contato com a superfície de um sólido, isso está diretamente ligado a energia superficial. A superfície de um sistema geralmente possui excesso de energia, em comparação ao seu interior, os átomos superficiais também possuem energia mais altas. O nível de interação entre as superfícies de contato pode ser interpretado como o trabalho necessário para romper as ligações interfaciais e criar superfícies sem deformação plástica dos materiais envolvidos, a energia diminui a medida que a interface sólido-líquido aumenta, logo, o liquido se espalhará espontaneamente na superfície do sólido (LUZ; RIBEIRO; PANDOLFELLI, 2008).
A molhabilidade é medida de acordo com o ângulo de contato, do líquido com um substrato sólido. Alguns fatores devem ser observados, a tensão superficial, hidrofibicidade e a deposição de partículas sobre a superfície, pois são muito importantes e podem influenciar o ângulo de contato (SILVA A.K.B., 2018).
Figura 10 Ângulos de contato de uma gota em contato com uma superfície
Fonte: (“Mecanismos de desgaste”, [s.d.])
A molhabilidade está diretamente ligada a energia superficial através do ângulo de contato, se o ângulo de contato do líquido for maior que 90° não ocorrerá interação e o líquido será expulso da estrutura do compósito. Se o ângulo for menos que 90° o líquido irá interagir com a estrutura tentdendo a ficar aderido ao compósito. O ângulo de contato determina a molhabilidade ou a densificação do material (Manoel 2008).
Figura 11 Desenho esquemático da determinação do ângulo de contato.
 Fonte: (“Mecanismos de desgaste”, [s.d.])
Materiais e Métodos
Materiais
Métodos
Bibliografia
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