3.1 Matriz metálica – pó de alumínio
3.1.6 Microestrutura das partículas de pó de alumínio
O pó metálico empregado teve sua microestrutura analisada no estado como recebido, isto é, atomizado a partir do resfriamento de metal líquido. Para tanto foram preparadas amostras de baquelite com o pó que passou por técnicas de metalografia convencional, envolvendo as seguintes etapas: lixamento com lixas de carbeto de silício de granas 100, 320, 400, 600, 800, 1000, polimento com panos especiais e pasta diamantada com granulometrias de 6 μm e 1 μm. Entre trocas de panos as amostras passaram por limpeza com água e sabão neutro em ultrassom por tempo de 2 min. As superfícies preparadas foram observadas sem nenhum ataque químico, por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV).
3.2 Espaçadores cerâmicos porosos não removíveis - MEOV
Foram empregadas microesferas ôcas de vidro (MEOV) como material espaçador para a formação de poros fechados no material poroso a ser produzido. A escolha desse material está relacionada à sua baixa densidade, estabilidade à elevada temperatura, inércia química com relação ao alumínio e disponibilidade no mercado, a baixo custo. Como apresentado no
Capítulo 2, resultados anteriores (GATAMORTA, 2009) já comprovaram o sucesso do emprego deste tipo de material na fabricação de espumas de alumínio.
O material empregado neste trabalho foi gentilmente fornecido pela empresa 3M do Brasil, com o nome comercial Scotchlite Glass Bubbles na especificação S 38 HS. As MEOV têm utilização comercial como cargas em materiais poliméricos para aplicações automotivas objetivando redução de peso, melhoria de estabilidade dimensional e redução de custo de matéria prima. Também encontra ampla aplicação comercial como carga em tintas.
A Tabela 3.2 apresenta propriedades e características gerais das MEOV empregadas, segundo informações do fabricante.
Tabela 3.2: Propriedades gerais das partículas de vidro ôcas (3M do Brasil, 2016).
Código Condutividade Térmica (W/mK) Temperatura máxima de trabalho (°C) Densidade Real/Aparente (g/cm3) Tamanho de partícula (µm) Resistência Isostática (MPa) S 38 HS 0,127 600 0,38/0,227 15-75 38
3.2.1 Composição química das MEOV
As MEOV empregadas como espaçadores são constituídas basicamente de borosilicato de sódio e cálcio. A composição química prevista do material compõe valores superiores a 97% de borosilicato e valores de até 3% de sílica gel sintética amorfa, segundo informações do fabricante. Microanálises por energia dispersiva de raios-X (EDS) auxiliaram a avaliação dos elementos presentes nas finas paredes das MEOV.
3.2.2 Densidade das MEOV
A densidade das MEOV empregadas foi determinada por picnometria a gás Hélio. Foram executados ensaios em três amostras de 7,7 g cada, em equipamento e conforme procedimento descrito no item 3.1.2, referente à determinação da densidade dos pós de alumínio empregados.
3.2.3 Análise granulométrica das MEOV
Para a caracterização das dimensões e sua variação, das MEOV empregadas, foi feita análise granulométrica utilizado analisador de partículas por difração laser, em equipamento e utilizando procedimentos semelhantes aos empregados para análise de pós de alumínio, descritos anteriormente no item 3.1.3. Foram empregadas três amostras de aproximadamente 5 g.
3.2.4 Morfologia das MEOV
A morfologia das MEOV empregadas como material espaçador para a formação de poros fechados na matriz de alumínio foi observada com o uso de microscopia eletrônica de varredura. As MEOV foram metalizadas com ouro metálico para a obtenção das imagens.
3.2.5 Análise térmica das MEOV
Uma vez que o processo de fabricação de produto poroso a ser desenvolvido envolve aquecimentos a elevadas temperaturas, foi realizada análise térmica diferencial e análise termogravimétrica nas MEOV utilizadas. Os testes foram executados em duas amostras de 2 g cada, em equipamento NETZCH modelo STA 409, utilizando ciclos de aquecimento e resfriamento a uma taxa de 10°C/min. Foram realizados 3 ciclos de repetição para cada amostra.
3.2.6 Comportamento em compressão das MEOV
Para observação da ocorrência de dano por ruptura das MEOV durante o processamento do material poroso, foi feita simulação para a avaliação de sua resistência à compressão,
empregando software Solid Edge ST3. Para tal, foi utilizado como modelo de elemento submetido à compressão, uma microesfera ôca de diâmetro de 45 μm e espessura de parede de 1 μm. Estes valores foram tomados a partir de resultados da análise granulométrica das esferas (item 3.2.3) e de medidas aproximadas feitas em imagens de esferas rompidas, em microscópio eletrônico de varredura (item 3.2.4). Foi então confeccionado um modelo do elemento a ser analisado com as dimensões citadas, e a ele aplicada uma malha do tipo tetraédrica com 226.777 elementos e 325.473 nós. O tipo de solicitação mecânica definido para a simulação foi compressão vertical estática na condição de contorno de Von Misses.
A Figura 3.2 apresenta a imagem da microesfera gerada pelo software Solid Edge com a aplicação da malha tetraédrica e a direção da carga vertical
Figura 3.2: Imagem do modelo da MEOV utilizada para simulação de compressão vertical. Com os parâmetros definições, foi iniciada a simulação com tensão máxima prevista nas malhas de 1,7 MPa, a qual é, segundo o fabricante, a tensão máxima suportada para o material de especificação S 38 HS. A escolha dos valores para a simulação objetivou a verificação da manutenção da integridade geométrica de uma microesfera nos valores de referência do fabricante.
x y z
A interação entre o conjunto de MEOV e a matriz metálica permite que os valores de tensão empregados na compactação utilizem valores superiores que foram observados em resultados obtidos em testes de compressão de pré-formas compostas apenas por MEOV. Os testes indicaram valores de tensão de ruptura de até 40 MPa (GATAMORTA, 2009). Esses valores são superiores aos valores de tensão de escoamento do alumínio comercialmente puro promovendo a manutenção da integridade das MEOV.
3.3 Espaçadores voláteis - partículas de açúcar (PA)
Para a promoção da formação de um segundo tipo de poros - poros abertos - no metal celular desenvolvido, foram empregados espaçadores pré-removíveis, isto é, espaçadores que devem ser eliminados antes da etapa final de produção do metal celular. A função dos espaçadores é ocupar espaços entre as partículas do pó de alumínio; ao ser retirado, deixa espaços vazios que constituem os poros do metal celular.
No presente estudo foram empregados partículas de açúcar (PA) como agentes espaçadores. O emprego de PA é inovador e foi motivado pela facilidade de sua eliminação previamente à etapa da consolidação do pó de alumínio, por volatilização a reduzida temperatura, além de ser abundante no mercado, a reduzido custo.
Foram empregados dois tipos de PA, devido às suas distintas granulometrias: açúcar Cristal (mais fino) e açúcar Demerara (mais grosseiro) de uso comercial, adquiridos comercialmente.
A Tabela 3.3 apresenta a especificação química típica dos açúcares Cristal e Demerara convencionais encontrados no mercado.
Tabela 3.3: Composição química típica dos açúcares Cristal e Demerara convencionais. Açúcar Umidade (%) Cinzas Sulfatadas (%) Fenólicos (mg/kg) Açucares Redutores (%) Aminoácido (mg/kg) Cristal 0,01 0,01 1,8 0,05 1,0 Demerara 0.08 0,41 6,5 1,2 35,5 (BETTANI, 2014)
3.3.1 Densidade das PA
As PA empregadas como espaçadores voláteis tiveram sua densidade determinada por meio de ensaios por picnometria a gás Hélio. Foram utilizadas amostras de 7,0 g, sendo executados três ensaios, em equipamento e conforme procedimento descrito no item 3.1.2, referente à determinação da densidade dos pós de alumínio empregados.
3.3.2 Tamanho e morfologia das PA
As dimensões e morfologia do espaçador estão diretamente associadas às dimensões e morfologia dos poros abertos gerados no produto final. As partículas de ambos os tipos de açúcares empregados foram, portanto, previamente caracterizadas quanto ao seu tamanho médio e morfologia, por meio de análise de imagens obtidas em microscópio eletrônico de varredura.
3.3.3 Análise térmica das PA
Foi realizada análise térmica diferencial para observação do comportamento das PA com o aquecimento, visando a definição de parâmetros de tratamento térmico adequados para a sua remoção antes da consolidação das partículas de pó do metal, na produção do material celular.
Além disso, esses elementos voláteis usados como espaçadores são orgânicos e, por essa razão, após sua volatilização podem apresentar resíduo. Para avaliação da quantidade de resíduo gerada na eliminação das PA foram feitos testes termogravimétricos.
Para os ensaios foram utilizadas 2 amostras de cada tipo de açúcar, com massa de 6 g por cada amostra. Foram empregados equipamentos e procedimentos conforme descrito para análise do pó de alumínio e das MEOV (itens 3.1.5 e 3.2.5).
3.4 Materiais auxiliares - aditivos e lubrificantes
Durante a etapa de mistura dos diferentes constituintes da matéria prima (pó de alumínio, MEOV e PA) foram utilizados aditivos e lubrificantes, objetivando auxiliar a dispersão das diferentes partículas e a obtenção de uma mistura homogênea. Para tal foram empregados estearato de zinco e ácido esteárico. Tais materiais são voláteis a baixas temperaturas, sendo eliminada durante o processo.
O ácido esteárico é um material composto por dois ácidos graxos sólidos que são o ácido esteárico e o ácido palmítico. É um material muito utilizado na indústria cerâmica reduzindo o ângulo de contato na interface pó/aglutinante pela diminuição da energia superficial e também tem a função de agente controlador de processo na mistura de materiais metálicos inibindo a soldagem a frio e a fratura das partículas no processo de mistura. (CASTAGNET, 2008).
O estearato de zinco é um lubrificante sólido muito utilizado na lubrificação de moldes de injeção de polímeros. Seu uso na metalurgia do pó ocorre através da lubrificação da matriz de compactação, auxiliando a extração do compactado em verde podendo ser utilizado também como aglomerante de partículas soltas (FERREIRA, 2015).
As características gerais destes aditivos auxiliares são apresentadas na Tabela 3.4, segundo fornecedor.
Tabela 3.4: Características gerais dos aditivos auxiliares empregados na mistura (FISPQ Basile Química, 2014).
Aditivo Fórmula química Ponto de Fusão (°C) Ponto de Fulgor/ Ebulição (°C) Densidade (g/cm3) Estearato de Zinco Zn(C18H35O2)2 130 276 1,09
Ácido esteárico CH3(CH2)16COOH 69,6 383 0,85
Os dois materiais empregados como aditivos auxiliares no trabalho foram observados por meio de microscopia eletrônica de varredura para caracterização das dimensões e morfologia de suas partículas, uma vez que estas características morfológicas podem ser importantes na capacidade de compactação da mistura.
Métodos Experimentais – Produção dos materiais celulares com
diferentes configurações de poros
3.5 Testes preliminares - Otimização de parâmetros do processo proposto
Como o trabalho trata do desenvolvimento de uma nova técnica para a produção de materiais celulares que possibilite a obtenção de poros de diferentes tipos, foi necessário testar diferentes procedimentos para a determinação de parâmetros operacionais adequados ao sucesso do método proposto.
As técnicas experimentais empregadas para a produção de diferentes tipos de metais celulares envolveram as seguintes etapas básicas: mistura dos constituintes - pós, grânulos e partículas (pó de alumínio comercialmente puro, partículas de açúcar, microesferas de vidro ôcas, aditivos auxiliares, conforme o tipo de material a ser produzido), compactação da mistura, aquecimento do compactado em dois ciclos para a retirada de elementos voláteis, num primeiro estágio, e consolidação do pó metálico por sinterização, num segundo estágio.
Nos ensaios preliminares foram testados os seguintes parâmetros:
► constituição da mistura: foram empregados como elementos voláteis para a produção de poros abertos, partículas de açúcar (PA) do tipo Cristal, refinado branco, aqui chamado de PAF, ou partículas de açúcar não refinado, grosseiro, do tipo Demerara, aqui denominado PAG, nos teores de 10, 30 e 50% em peso da mistura; e como elementos formadores de poros fechados, foram empregadas micro esferas ôcas de vidro (MEOV), nos teores de 5% e 10% em peso da mistura;
► condições de mistura: a operação de mistura buscou somente a homogeneização dos componentes, portanto foi utilizada condição de baixa energia, em misturador giratório, por 180 min a uma rotação de 80 rpm; Foi testada apenas uma condição de rotação e foram avaliados tempos de mistura de 180 min e 240 min.
► condições de compactação: as misturas foram submetidas à compressão uniaxial de dupla ação, com valores de pressão de 240 e 480 MPa;
► ciclos de aquecimento: foram testados três tipos de ciclos de aquecimento, conforme indicado na Figura 3.3 com resfriamento no forno. Para a definição das taxas de aquecimento e dos patamares de temperaturas foram utilizadas temperaturas de 220°C para a
etapa de volatilização dos espaçadores e 620°C para a consolidação do pó de alumínio, de acordo com os resultados de análises térmicas dos constituintes feitas conforme indicado nos itens 3.1.5, 3.2.5 e 3.3.3.
As condições de cada etapa que forneceram os melhores resultados foram adotadas para os ensaios definitivos, isto é, para a produção de materiais celulares com diferentes configurações de poros, a partir de distintas combinações dos elementos espaçadores.
Figura 3.3: Representação esquemática da variação temperatura versus tempo em três distintos ciclos térmicos testados (a), (b) e (c) para a consolidação de metais celulares
produzidos. (a)
(b)
3.6 Testes definitivos - produção de materiais celulares pelo método proposto
A Figura 3.4 apresenta um fluxograma com as etapas compreendidas na fabricação dos metais celulares com diferentes configurações de poros, em processo otimizado segundo condições pré-investigadas.
3.6.1 Preparo de misturas
A partir dos constituintes pó de alumínio, MEOV e PA, foram preparadas misturas com diferentes composições, conforme indicado na Tabela 3.5. A quantidade do constituinte em cada tipo de mistura foi determinada com auxílio de balança de precisão de 0,01g.
Tabela 3.5: Composições de misturas selecionadas para a fabricação de metais celulares com diferentes tipos de poros.
Tipo de produto desejado (designação utilizada)
Composição das misturas (% peso) Pó Al Açúcar Demerara Açúcar Cristal Microesferas de vidro Ácido esteárico Estearato de Zn Produto 1 (PAF)
Metal celular com poros abertos de dimensões finas
66 0 30 0 2 2
Produto 2 (PAG) Metal celular com poros
abertos de dimensões grosseiras
66 0 30 0 2 2
Produto 3 (MEOV) Metal celular com poros
fechados
86 0 0 10 2 2
Produto 4 (PAF/MEOV) Metal celular com duplo tipo
de poros
(abertos finos e fechados)
56 0 30 10 2 2
Produto 5 (PAG/MEOV) Metal celular com duplo tipo
de poros (abertos grosseiros e
fechados)
Figura 3.4: Fluxograma geral das etapas desenvolvidas na produção dos metais celulares. Metais celulares com distintas configurações de poros
MEOV
PAF PAG MEOV
Produtos celulares Metais celulares com
poros abertos
Metais celulares com poros fechados
Metais celulares com poros de dupla
configuração Pó de alumínio comercial Pó de alumínio comercial Pó de alumínio comercial
Composição 5 PAG/MEOV Composição 4 PAF/MEOV Composição 3 MEOV Composição 2 PAG Composição 1 PAF PAF PAG Volatilização das PA T = 220°C; t = 60 min Sinterização do pó Al T = 620°C; t= 240 min Mistura 80 rpm; t = 180 min Dispersão dos constituintes Compactação σ = 480 MPa Densidade / porosidade dos compactados Dispersão de partículas VAF
(vazios abertos finos) VAG
(vazios abertos grosseiros)
VF
(vazios fechados)
VAG/VF
(vazios abertos grosseiros + vazios fechados)
VAF/VF (vazios abertos finos
Para a operação de mistura dos componentes foi utilizado um misturador tipo “V”, constituído por duas câmaras cilíndricas montadas em ângulo de 90°; os materiais de cada composição foram acondicionados nestas câmaras e o misturador foi fixado em um torno mecânico convencional girando sobre um eixo horizontal. Para auxiliar a homogeneização da mistura foram usadas 8 esferas de aço inoxidável com Ø 15 mm, acondicionadas no interior do dispositivo junto aos materiais a serem misturados. As misturas foram preparadas com o dispositivo girando a uma velocidade de 80 rpm, por um tempo total de 180 min.
Para verificação da eficiência da operação de mistura na dispersão dos componentes, amostras das misturas preparadas foram observadas com auxílio de microscopia eletrônica de varredura.
3.7 Compactação das misturas - produção de compactados em verde e sua caracterização
Para a obtenção de compactados em verde a partir das misturas produzidas, foi projetado e construído dispositivo de compactação constituído de molde cilíndrico de aço AISI 01 (VND) temperado e revenido (62 HRC), de diâmetro de 23 mm e altura de 80 mm, montado sobre uma placa flutuante em um sistema de molas, conforme apresentado na Figura 3.5.
Figura 3.5: Croqui do ferramental projetado e construído para compactação de misturas, utilizado no trabalho.
Este dispositivo foi projetado com objetivo de se promover compactação uniaxial de dupla ação. A Figura 3.6 ilustra a ação das forças atuantes durante a etapa de compactação no sistema com molas comparativamente a um sistema de ação simples. As molas oferecem uma resposta à tensão imposta pela prensa, gerando assim a dupla ação de compactação; dessa forma, o material é submetido a um estado de compressão mais uniforme reposicionando a linha neutra em uma região central, favorecendo as características finais do compactado.
Figura 3.6: Representação esquemática da ação das forças que atuam na compressão uniaxial: (a) no dispositivo de compressão utilizado no trabalho - sistema de molas para geração de
ação dupla; (b) em molde de ação simples.
Compactados em verde foram produzidos a partir de amostras de 12 g de cada mistura preparada, as quais foram inseridas no molde cilíndrico e submetidas à compressão. O molde foi revestido, em cada operação, com uma camada de estearato de zinco para facilitar a desmoldagem dos compactados.
Na operação de compactação foi empregada prensa hidráulica com êmbolo de ação uniaxial, e uma tensão máxima de 480 MPa. A variação da tensão com o tempo de operação foi monitorada com auxílio de uma célula de carga e sistema de aquisição de dados. As curvas de tensão versus tempo foram geradas com 900 pontos, com frequência de aquisição de 2 Hz.
Foram obtidas por compactação, amostras cilíndricas de dimensões 23 mm de diâmetro e altura média de 13 mm.
(a)
Os compactados em verde foram inicialmente medidos quanto às suas dimensões com auxílio de um paquímetro centesimal, para posterior comparação com as dimensões do compactado após sinterização. Para verificação da situação das partículas dos diferentes constituintes das misturas após a compactação, amostras dos compactados em verde foram preparadas para observação em microscópio eletrônico de varredura.
Os compactados em verde tiveram sua densidade medida por meio de picnometria a gás He, em equipamento e conforme procedimentos apresentados no item 3.1.2. O equipamento foi configurado para medição de materiais sólidos; foram feitas três repetições por tipo de compactado. A porosidade foi determinada pela relação massa/volume na amostra e foi efetuada análise fatorial empregando o software MiniTab para investigação da influência das diferentes composições testadas na densidade aparente e porosidade do compactado.
3.7.1 Remoção de agentes espaçadores e consolidação dos compactados
Os compactados em verde, das diferentes misturas produzidas, foram submetidos a tratamento térmico para a remoção de agentes espaçadores (PA) e dos agentes auxiliares (ácido esteárico e estearato de Zn) e consolidação das partículas de pó de alumínio, gerando os produtos celulares desejados. As condições de aquecimento foram pré-estabelecidas na etapa inicial do trabalho e, segundo resultados obtidos, foram empregados os parâmetros correspondentes ao ciclo térmico indicado por (c) na Figura 3.3. Os tratamentos foram realizados em forno elétrico do tipo resistivo como uso de fluxo constante de argônio em uma vazão de 2 l/min, mantido durante todo o procedimento.
O ciclo térmico a que foram submetidos foi definido, portanto, em duas etapas:
- aquecimento com taxa de 2°C / min até a temperatura de 220°C e manutenção a esta temperatura por 60 min. Nesta etapa ocorre a eliminação do espaçador volátil (PA) e dos aditivos empregados; a baixa taxa de aquecimento utilizada visou minimizar o aumento de pressão no corpo de prova, gerado pela formação de gases pela volatilização do açúcar, o que poderia eventualmente ocasionar ruptura ou mesmo colapso do compactado;
- imediatamente após o final da etapa de volatilização do agente volátil, reaquecimento até a temperatura de 620°C, a uma taxa de 20°C / min, e manutenção a esta temperatura por um período de 240 min, seguido de resfriamento no forno. Nesta etapa buscou-se a consolidação do produto pela consolidação das partículas de pó de alumínio.
Métodos Experimentais – Caracterização dos materiais celulares
produzidos
Os produtos celulares obtidos - amostras de geometria cilíndrica de dimensões aproximadas de 22,5 mm de diâmetro e 15 mm de altura - foram caracterizados quanto à aspectos gerais, físicos, metalúrgicos e mecânicos. A Figura 3.7 apresenta fluxograma mostrando, de maneira geral, os diferentes aspectos e propriedades analisados e técnicas empregadas.
Figura 3.7: Fluxograma geral das caracterizações realizadas nos produtos obtidos. Aspectos gerais Rugosímetro Dimensões Qualidade superficial Dimensionais Caracterização metalúrgica MEV Microtomografia Microestrutura da parede MO / MEV/ DRX
Arquitetura celular
Caracterização Física Porosidade
Densidade
Picnometria Arquiimedes
Propriedades acústicas Absorção acústica Propriedades elétricas Resistividade
Ensaio semi-estático Compressão Modelagem Caracterização Mecânica Ensaio dinâmico Impacto MEV Microtomografia Paquímetro
3.8 Caracterização dos produtos obtidos - características gerais
Os produtos celulares obtidos foram inicialmente inspecionados visualmente com o auxílio de lupa comum para observação de sua qualidade geral, como sua integridade física, presença de macro defeitos, a eventual presença de resíduos dos elementos voláteis utilizados como espaçadores, etc.
Os produtos obtidos foram ainda inspecionados quanto às suas dimensões com auxílio