Metal de adição em forma de pó: vantagens, características e dificuldades

Na soldagem por Plasma pó, os pós, de forma geral, são obtidos por atomização em atmosfera protegida, garantindo uma melhor distribuição das partículas e ausência de oxidação, diminuindo a probabilidade de ocorrência de porosidades (GATTO et al., 2004; SMUK, 2004). Outras técnicas de fabricação para obtenção do pó são trituramento e fusão em cadinho frio por levitação eletromagnética (SILVA & DUTRA, 2012).

No processo de atomização, os pós são fabricados por pulverização de fluxo jateando as ligas fundidas na forma de pequenas gotas dentro de uma câmara especial, que é vazada por um orifício, utilizando jato de gás, geralmente nitrogênio ou argônio, sendo o custo de produção elevado. As gotas solidificam a uma taxa de resfriamento de 102 a 105 ºC/s (dependendo do tipo de atomização), produzindo grãos ultrafinos (SMUK, 2004; DEUIS et

al., 1998). A forma e distribuição dimensional das partículas podem ser reguladas pelos

parâmetros de atomização, como temperatura, pressão, ângulo do jato e meio de atomização, sendo que se podem adicionar componentes que atuam na tensão superficial, estimulando a formação esférica. Na Figura 6 é mostrada por microscopia eletrônica de varredura a morfologia do pó de um aço inoxidável obtido por atomização. Desta forma, é observada um morfologia irregular que pode ocasionar problemas em relação à fluidez, proporcionando uma alimentação deficiente em direção ao arco elétrico, além de maior absorção de umidade.

Figura 6 - Pó do aço inoxidável X6Cr13.

Fonte: Dobrzanski et al. (2007)

A atomização a água causa maior oxidação, maior absorção de água, geometria mais irregular e maior presença de porosidades. Atomização com gás traz bons resultados em termos de regularidade na geometria do pó, pois devido à maior distância percorrida pela partícula há maior tempo da tensão superficial atuar, proporcionando um formato esférico, porém é um processo mais caro (DEUIS et al., 1998).

Alguns materiais não são obtíveis na forma de arame devido à elevada resistência mecânica, sendo adição na forma de pó uma boa alternativa. Na Figura 7 são mostradas as duas formas de adição de material.

Figura 7 - Comparação dos processos Plasma com adição de pó e arame.

Fonte: Deuis et al. (1998).

Devido à adição na forma de pó é possível uma maior variação da composição química, de modo a não ficar restrito à disponibilidade de arames comerciais. A primeira

grande aplicação deste processo com adição de pó foi como um método alternativo de fabricação de revestimentos de alta qualidade sobre componentes utilizados na indústria nuclear (DÍAZ, 2004). Desta forma, a deposição pela manipulação da composição química pode contribuir para aumento da vida em serviço de componentes de equipamentos e redução dos custos de manutenção (D’OLIVEIRA et al., 2008; D’OLIVEIRA et al., 2002). No processo com adição de pó existem muitas dificuldades em relação à aquisição de equipamentos, como tocha e pós, sendo que no Brasil é um processo pouco explorado, além de alguns materiais não terem ainda pesquisa na soldagem de revestimento e presença de poucos fornecedores no Brasil.

Com o processo Plasma pó pode ser conseguida diluição da ordem de 5%, além de que em um único passe é possível conseguir depósitos com reforço de até 6 mm e largura de até 10 mm (DÍAZ, 2005; GATTO et al., 2004; BRANAGAN et al., 2006). O material de adição absorve parcela significativa da energia, reduzindo a intensidade que chega ao substrato, e desta forma a diluição.

A faixa adequada das partículas para aplicação em Plasma pó é de 50 a 150 µm. Partículas maiores ou menores podem proporcionar problemas de transporte (DEUIS et al., 1998). Em relação ao tamanho dos pós, podem ser utilizadas como limite inferior 35 a 40 µm (em algumas condições específicas) e sua morfologia apresenta uma influência sobre a escoabilidade.

Estruturas mais refinadas podem ser obtidas na soldagem com adição de pó quando comparadas àquelas obtidas utilizando-se material de adição na forma de arame. Esta diferença é atribuída à uma mudança na cinética de solidificação, uma vez que o aumento na taxa de nucleação se deve ao agrupamento das partículas de pó que atuam como núcleos de solidificação. A explicação para este comportamento pode se basear em um aumento do super-resfriamento, quando da deposição com material de adição na forma de pó que contribui para o aumento da área superficial do sistema. Assim sendo, o refinamento da estrutura de solidificação seria função do tamanho destes agregados de pó, os quais se fundem e se solidificam com velocidades específicas, resultando numa maior taxa de nucleação quando comparada a cinética de solidificação com o uso de arame, onde se pode considerar que apenas uma grande gota funde e solidifica (D’OLIVEIRA, 2003; BOND et al., 2005). Além disso, no processo de soldagem o aumento do movimento de convecção do metal líquido (devido a velocidade de soldagem, pulsação de corrente, etc.), provoca a quebra dos braços das dendritas que agem como nucleantes, resultando em estruturas finas em consequência materiais mais duros e resistentes (BOND et al., 2005).

Dependendo do nível de corrente utilizado, a poça de fusão terá quantidade e tamanho diferente destes agregados de pó alterando sua cinética de solidificação. Em baixos níveis de corrente espera-se uma estrutura bem refinada, porém talvez com partículas não fundidas. Já para elevados níveis de corrente, a estrutura poderá ter até mesmo uma granulometria mais grosseira do que a obtida com arame (BOND et al., 2005).

A alimentação em forma de pó também propicia benefícios quanto à estabilidade da poça em relação ao arame, fornecendo maior controlabilidade em soldas fora da posição plana. O material é alimentado à poça em forma de partículas muito finas que não perturbam geometricamente a poça líquida. Já as gotas provenientes da ponta do arame, são significativamente maiores e causam severa agitação na poça, podendo desestabilizar o arco, exigindo maior acuidade no posicionamento do arco elétrico e reduzindo a robustez do processo (BOELLINGHAUS & SCHOBBERT, 2003).

Díaz et al. (2010) compararam o processo PTA com adição de pó e arame, realizando soldagens com deposição de Stellite 6 sobre chapas de aço carbono. Foram observadas que as amostras soldadas com adição de pó foram as que produziram o melhor acabamento superficial, menor diluição, melhor molhamento e menor convexidade.

Se o pó utilizado estiver muito fora da granulometria padrão, pode haver problemas de escoabilidade do pó para a tocha devido à diferença de densidades, de modo que a quantidade de pó dentro do alimentador pode também influenciar na taxa de alimentação (Silva, 2010). Xibao & Hua (1998) estudaram o comportamento térmico de ligas atomizadas a base de Fe, com diferentes tamanhos de partícula, depositadas por Plasma pó. Nas condições limites estudadas têm-se que as partículas de maior tamanho atingem a poça de fusão com temperaturas menores e as processadas com maior intensidade de corrente chegam na poça de fusão com temperaturas mais elevadas, resultando em tamanho de grãos distintos.

Silva (2010), para um determinado ADP, realizou ensaios de escoabilidade antes e após secagem do material metálico em pó em estufa a 50º C por 72 horas. A propriedade escoabilidade possui influência significativa nas características da alimentação. Sua unidade é s/50g e equivale ao tempo necessário para que 50,0 g de determinado pó escoe através de um funil padronizado. Os resultados demonstraram que não houve diferença significativa na escoabilidade do material, nas duas situações (25,4 s/50g antes e 24,1 s/50g depois da secagem) para o pó FeCrMnNi. Sendo assim, acredita-se que os procedimentos de secagem são recomendados exclusivamente para eliminação de defeitos de solda. Uma das propriedades do material em pó que afeta a escoabilidade é sua faixa granulométrica. Com o intuito de averiguar esta influência para o aço 316 L, foram conduzidas medições com

amostras com faixas granulométricas de: 11 µm – 45 µm, 50 µm – 90 µm e 53 µm – 180 µm (todos com morfologia esférica). Apesar do valor de escoabilidade da segunda faixa (intermediária) ser inferior à condição de maior granulometria, em torno de 18,6 s/50g, essa não apresentou características de um pó “livremente escoável” (“free flowing”), ou seja, houve necessidade de um estímulo inicial (leve impacto) no funil para que começasse a fluir. A primeira faixa, apesar de também possuir morfologia esférica e possuir partículas menores, não apresentou escoabilidade, pois o material se compactou e não fluiu, mesmo com estímulos, em relação a pós muito finos.

Há uma relação estreita entre o gás de arraste e o transporte de pó. As partículas de pó são aceleradas imediatamente pelo fluido plasma através do gás de arraste, sendo que as forças principais de ação dos fluidos sobre as partículas de pó são força de viscosidade do fluido, de arraste e efeito Soret, sendo este um fenômeno ligado a gradientes de temperatura que originam a movimentação das partículas. O tamanho de partícula tem influência direta em relação à temperatura que este irá alcançar na poça e fusão. Quando o pó é alimentado na coluna plasma, esse pode ser preaquecido, fundido e/ou evaporado, dependendo da granulometria do pó, DBP e energia empregada (XIBAO & HUA, 1998).

A distribuição de tamanho e velocidade das partículas e as colisões com as paredes do canal de injeção (região na qual o pó é transportado) resultam em diferentes velocidades e trajetórias no ponto de injeção. O resultado são diferentes tempos de permanência de partícula no plasma e diferentes evoluções tempo/temperatura ao longo da trajetória. A velocidade das partículas é maior para partículas de menor densidade e menor diâmetro (SILVA, 2010). Também foi relatado na literatura que maiores velocidades das partículas são obtidas na utilização de maiores DBP’s (HONGYING et al., 2002). De modo geral, a velocidade de injeção das partículas é de 1,5 a 2,0 m/s (PAVLENKO, 1996).