Metalurgia dos pós

É uma técnica bastante utilizada, tendo origem por volta de 1920, com a produção de carbonetos de tungsténio e com a produção em massa de bronzes porosos.

Depois dos anos de 1960, houve um crescimento exponencial da utilização desta técnica e no seu melhoramento, isto ocorreu devido as suas enumeras vantagens, pois é um processo económico, consegue obter-se propriedades únicas e ainda é um processo bastante simples e rápido. Este processo pode ser também reproduzido a grande escala.

Alguns materiais não podem ser processados com esta técnica, como compósitos multifásicos, materiais que não estão em equilíbrio, como os materiais amorfos ligas metastáveis.

Este processo é aconselhado para casos em que é necessário obter materiais resistentes ao desgaste ou em que vão estar sujeitos a elevadas temperaturas.

Antes de iniciar qualquer etapa neste processo, é necessário conhecer as propriedades e características dos pós, propriedades como composição química, área superficial específica, características como tamanho de partícula e a forma. Estas propriedades e características influenciam a compactação e a sinterização [30], [31].

O tamanho da partícula vai influenciar determinadas características como a difusão entre os pós, ou seja, determina a distância de difusão.

A composição química das partículas do pó influenciam bastante o processo de homogeneização, pois as impurezas que entram em contacto influenciam negativamente o processo, podendo definir assim, a composição final do material.

A microestrutura é influenciada pela homogeneização e se as partículas forem difíceis de deformar, vai causar problemas durante o processo de compactação.

M/P envolve diferentes etapas: primeiramente é necessário realizar uma mistura dos pós (para garantir que não existem grandes aglomerados), seguindo-se a compactação e finalmente a sinterização, ou seja, a densificação dos pós [31].

2.4.1. _{Mistura dos pós}

A mistura dos pós consiste num método de associação de materiais que inicialmente estão totalmente separados, então a mistura tem como objetivo reduzir o gradiente de composições e assim, obter-se uma dispersão mais homogénea possível, em que em toda a sua área não estejam presentes nem aglomerados, nem agregados o que iria prejudicar as etapas seguintes [31], [32].

Este método compreende um movimento de rotação dentro de um recipiente, por vezes com adição de agentes voláteis para uma melhor homogeneização. O movimento de rotação pode ser realizado em apenas um eixo ou mais eixos, por exemplo, um movimento planetário.

Existem várias variáveis que influenciam o processo de mistura e respetivamente a homogeneização dos pós, como por exemplo, o tipo de mistura que é efetuado, o volume de pós utilizado, a proporção dos componentes utilizados, o tempo de mistura, a temperatura e o meio em que se encontra, velocidade de rotação usada, entre muitos outros fatores possíveis [30].

Os misturadores que mais se utilizam para os materiais metálicos são os misturadores em V ou os misturadores de duplo cone, como se pode verificar na Figura 11.

Figura 11 –Esquema representativo de misturadores de metais: a) em V;b) duplo cone [30].

Outro fator ainda de grande relevância para o processo de mistura é a presença de corpos moentes, pois estes têm como função uma maior homogeneização e ainda podem reduzir o tamanho das partículas utilizadas.

2.4.2. _{Sinterização}

A sinterização é uma das etapas mais importantes de todo o processo de M/P, pois determina as propriedades dos produtos obtidos, ou seja, a sinterização é um processo de

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densificação controlada dos materiais ou componentes, aplicando uma determinada energia térmica.

Esta técnica já é utilizada desde os tempos primitivos, mas tem sido melhorada ao longo dos anos, contudo só se começou a usar com mais afinco desde 1940 [33].

Na M/P convencional, a sinterização é a ultima etapa, depois de se ter efetuado a mistura e compactação dos pós, recorre-se a sua densificação, podendo assim considerar-se um tratamento térmico a elevadas temperaturas [31].

Com o aumento da temperatura provoca-se assim, um aumento na difusão atómica, promovendo assim, uma maior ligação entre as partículas dos diferentes materiais [31].

Este é um processo demasiado complexo, pois para cada material o processo é específico e obtém-se respostas bastante diferentes se um simples detalhe não correr como o desejado.

No decorrer do processo de sinterização, este vai ultrapassar por várias etapas, como a ligação entre as partículas, primeiramente, de seguida há a formação do pescoço entre os grãos, dando se uma redução significativa no número de poros presentes e por fim obtém-se a densificação total, com a contração dos poros [30].

O principal objetivo desta etapa é a produção de peças com elevado grau de sinterização e o método possa ser reprodutível a grande escala, para isso é necessário um grande controlo de vários aspetos como a microestrutura obtida, pois pode variar consoante os parâmetros utilizados.

Os parâmetros como o tamanho de grão, o tamanho e a distribuição da fases incluído os poros existentes, a temperatura a qual se realizada a sinterização, vão definir as propriedades finais [33].

2.4.3. _{Prensagem a quente}

A prensagem a quente é uma consolidação a quente dos pós, que tem como principal objetivo obter peças com elevada densificação, sem que haja uma porosidade aberta relativa.

Esta técnica é a combinação de duas das etapas da M/P, contém a prensagem e a sinterização, reduzidas em apenas uma etapa, consegue-se assim, atingir uma densidade experimental muito semelhante à densidade teórica em vários materiais que seriam difíceis de processar.

Outra grande vantagem é que não é necessário ter em atenção a forma e ao tamanho dos pós como na prensagem a frio, pois durante a sinterização não há mudanças significativas nas propriedades.

Os parâmetros mais relevantes desta técnica são a pressão que se irá aplicar, a temperatura máxima que se irá atingir e durante quanto tempo e ainda, o tipo de atmosfera utilizado, podendo esta ser controlada [30].

Figura 12 - Esquema representativo da prensagem a quente (1-molde grafite; 2-pulsões de grafite; 3-material a ser processado; 4-bobine de indução).

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3. _{Procedimento experimental}

3.1. _{Técnicas experimentais} 3.1.1. _{Prensagem a Quente}

Para o processamento das amostras recorreu-se à técnica de prensagem a quente, para assim se obter melhores propriedades mecânicas e eliminação das porosidades abertas [34], [35].

Antes de ser iniciado qualquer processo foi necessário, primeiramente, realizar a mistura dos pós. Depois das quantidades de pó devidamente pesadas e colocadas dentro de recipientes (os pós devem ocupar pelo menos 40% do seu volume), foram colocadas bolas esféricas de aço inoxidável, para assim, facilitar a mistura e destruir a formação de aglomerados que possam existir.

Outro parâmetro para a mistura é ainda a quantidade de bolas que se deve utilizar. Recorreu-se, então a uma relação encontrada na bibliografia, que para cada 13 g de pó tem que utilizar 7 bolas com 8 mm de diâmetro.

Então, foram colocados os recipientes num misturador, com um movimento de rotação circular, durante um período de tempo, neste caso, de 21 h com 25 rpm, como o número de rotações é muito baixo foi necessário compensar com uma maior quantidade de tempo. Para que fosse otimizada o ideal seria de 5 h a 300 rpm [24], [35].

De seguida procedeu-se à secagem dos pós. Como a HAP é rica em água foi necessário recorrer à secagem para não provocar grandes libertações de água, mesmo em forma de vapor durante a sinterização. Efetuou-se a 110°C durante 1 hora, numa mufla [24].

Depois destas duas etapas processaram-se as amostras por prensagem a quente. A temperatura de sinterização selecionada foi de 1100 °C, com um tempo de estágio de 30 min [13], [34]–[36].

Com as condições anteriormente referidas foram processados dois tipos de amostras, umas cilíndricas, com 10 mm de diâmetro e outras com forma retangular, ou seja, com comprimento de 37 mm e 8.2 mm de largura e uma espessura de 2 mm. Para as amostras cilíndricas foram processadas amostras com 5%, 10%, 15%, 20%, 25% e 30% HAP, para assim se

puder definir qual o limite máximo admissível de HAP, para que as amostras tivessem resistência mecânica. Para este tipo de amostras, foram processadas para cada condição duas amostras.

Para as amostras retangulares foram processadas amostras com 5%, 10%, 15% e 20% HAP para a sua caraterização mecânica e foi ainda necessário processar amostras com 0 %HAP, ou seja, 100 %Ti6Al4V assim pode-se comparar com um valor de referência. Para a caracterização mecânica é necessário processar um maior número de amostras processou-se assim cinco amostras para cada condição.

A pressão aplicada durante o processamento foi de 20MPa, desde o princípio do processamento [13], [34], [37].

Utilizou-se uma atmosfera de vácuo durante a sinterização para prevenir a reação do titânio e hidroxiapatite com o oxigénio a alta temperatura. [36].

Devido a uma decomposição da HAP bastante acentuada é necessário que a taxa de aquecimento seja alta para assim se tentar minimizar o tempo de contato da HAP com temperaturas elevadas, a taxa de aquecimento pode variar por volta dos 40 °C/min.

É necessário ter em atenção também a taxa de arrefecimento, pois se este valor for demasiado elevado vai provocar fraturas na superfície da HAP, pois tem um valor de condutividade térmica inferior ao do Ti, a taxa de arrefecimento que se utilizou variou 30 °C/min. [13]

Como se pode verificar na figura 13, em que esta representado o ciclo térmico utilizado no processamento das amostras, verificou-se que a taxa de aquecimento e de arrefecimento são elevadas.

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Figura 13 - Ciclo térmico do processamento das amostras.

A carga utilizada na prensa do sistema de prensagem a quente foi calculada usando a seguinte equação:

. Onde Póleo é a pressão lida no manómetro da prensa hidráulica do sistema.

Para se saber qual o valor da força a utilizar foi necessário primeiramente calcula-lo. Conhecendo a área das amostras que serão obtidas, então,

Após todos os parâmetros importantes para o processamento estarem definidos, deu-se então a montagem de todo o sistema.

Foi utilizado um molde de grafite pintado com tinta de zircónia, para prevenção da difusão do carbono da grafite para os materiais utilizados, funcionando como um isolante.

Com o molde de grafite (figura 14 e figura 15) devidamente fechado, este foi colocado dentro da câmara de vácuo. Para se efetuar o aquecimento do molde e respetivos pós utilizou-se uma bobine de indução, conseguindo-se assim chegar à temperatura desejada. De seguida aplicou-se a pressão.

Figura 14 - Molde de grafite das amostras cilíndricas.

Figura 15 - Molde de grafite das amostras retangulares.

Para iniciar o processamento, ligou-se a bomba de vácuo e obteve-se vácuo primário (~10-3 mbar). Com este tipo de vácuo já se previne a oxidação dos materiais, devido a ausência de oxigénio.

Convém referir que o sistema de prensagem a quente possui um circuito de arrefecimento a água auxiliado por um chiller que auxilia no controle do arrefecimento do provete que está a ser processado.

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Figura 16 - Equipamento de Prensagem a Quente.