A ligação de partículas ativada termicamente é chamada de sinterização. O termo descreveu inicialmente a aglomeração mineral por aquecimento, proveniente do conceito de “cinder”. A sinterização ocorre pelo movimento atômico ativado por altas temperaturas, consequentemente produz maior amplitude vibratória e aumenta a difusão atômica ao longo dos contornos de grãos. A ligação entre as partículas de contato inicia-se com a elevação da temperatura, mas torna-se significativa perto da temperatura de fusão do material. A sinterização ocorre de forma mais rápida nas partículas de menores tamanhos. Isso ocorre porque as distâncias de difusão atômica são mais curtas e a energia superficial são maiores em partículas pequenas. A fase líquida infiltra uniformemente entre as partículas e aumentam a sinterização. Da mesma forma, a pressão externa favorece o fenômeno complementando o estresse capilar (GERMAN, 2014).
ligações entre as partículas e, posteriormente, pelo crescimento do grão. A energia superficial é inversamente proporcional ao tamanho do grão, de modo que os grãos menores possuem maior energia e sinterizam a temperaturas mais baixas. No entanto, nem toda a energia superficial está disponível para a sinterização. Conforme ilustrado na Figura 7, o crescimento do pescoço entre as partículas de tamanho D diminui a energia superficial e aumenta a energia nos contornos de grão. Assim, a sinterização é favorecida quando a energia superficial é maior do que a energia nos contornos de grão (GERMAN, 2014).
Figura 7 – Crescimento do pescoço entre as partículas
Adaptado de Randall M. German, 2014
Os átomos em movimento preferencial se depositam na ligação entre as par- tículas em áreas superficiais de energias mais baixas, resultando em crescimento do pescoço. Estas ligações são irreversíveis. Juntamente com essas ligações, várias outras alterações ocorrem no corpo de sinterização, incluindo aumentos de resistência, condutividade, dureza e densidade (GERMAN, 2014).
2.11.1 Sinterização em fase líquida
Alguns materiais não sinterizam em fase sólida por possuírem baixa solubilidade sólida entre as partículas. Assim, para que ocorra a sinterização é necessário que o processo se desenvolva em fase líquida. Isso induz a densificação em temperatura mais baixa por originar uma fase líquida durante o ciclo de aquecimento. Na sinterização em fase líquida, a depender da molhabilidade entre as partículas, alguns grãos sólidos entram em solução no líquido. Esta solubilidade sólida faz com que o líquido se espalhe e molhe os grãos sólidos, proporcionando uma força capilar que une os grãos. Muitas vezes denominado estresse de sinterização, a capilaridade é equivalente a cerca de 10 atm de pressão externa durante a sinterização. Em microscópio com estágio a quente, Froschauer e Fulrath (1976) mostraram que os grãos literalmente ocupam novas posições na formação de líquidos. Ao mesmo tempo, a alta temperatura de sinterização
suaviza o sólido, auxiliando ainda mais a densificação por fluência difusional. As altas taxas de difusão estão associadas com a fase líquida, dando sinterização rápida se o sólido for solúvel no líquido. O produto final é um composto com grãos sólidos dispersos em uma rede de líquido solidificado, permitindo a união de propriedades finais dependendo da quantidade e tamanho de cada fase.
Um primeiro modelo conceitual foi oferecido por Lenel (1948) com base em observações em uma variedade de sistemas. A partir desta base, Kingery (1959) descreveu a sinterização em fase líquida ocorrendo em três estágios: estágio de rearranjo ou fluxo líquido; estágio de solução reprecipitação ou acomodação; e estágio de sinterização em estado sólido. Os eventos que ocorrem durante a sinterização são delineados na figura 8 (GERMAN, 2014).
Figura 8 – Mudança da microestrutura durante a sinterização em fase líquida
Adaptado de Randall M. German, 2014
A sinterização com fase líquida depende significantemente da molhabilidade entre o líquido formado e a parcela do material que permaneceu sólido. Se a molhabili- dade, medida pelo ângulo de contato entre uma gota do líquido e uma superfície plana do sólido, é superior a 90°, a estrutura não sinteriza. Ao invés disso, o líquido tende a sair da estrutura e o corpo, muitas vezes, se desfaz. Se o ângulo é inferior a 90°, ocorre sinterização. A rapidez com que ela ocorre e o nível de sinterização final também são ditos por esse ângulo. Quanto menor ele for, mais rápida será a densificação da estrutura e mais densa ela será (COSTA, 2004).
Nesse tipo de sinterização, podemos obter estruturas próximas ou iguais à densidade teórica em curtos intervalos de tempos, a partir do momento que surge o
líquido, em comparação com o tempo requerido para densificação por sinterização em estado sólido. Junto com a rápida densificação, esse processo promove, também, uma homogeneização mais rápida das fases e mudanças estruturais com respeito ao cresci- mento de grão, distribuição de tamanho de grão e forma de partícula. As propriedades mecânicas também correspondem a essas rápidas transformações estruturais (COSTA, 2004).
2.11.1.1 Estágio de rearranjo ou fluxo líquido
O estágio de rearranjo é marcado, inicialmente, pelo espalhamento do líquido recém-formado ao redor das partículas sólidas que conduzem ao rearranjo dessas partículas e a densificação da estrutura. Quando as partículas são molhadas pelo líquido, há uma aceleração da densificação, devido à força de capilaridade exercida pelo líquido sobre partículas sólidas e essa força de capilaridade puxa as partículas para posições mais próximas umas das outras, fazendo com que a estrutura se contraia como um todo. Portanto, há um rápido empacotamento dos grãos sólidos para uma mais alta densidade, liberando o líquido para preencher os poros entre os grãos. A contração da estrutura nessa etapa é rápida e intensa. Em determinados casos, quando a molhabilidade é favorável e existe suficiente líquido, esse mecanismo já é suficiente para densificar totalmente à estrutura (COSTA, 2004).
2.11.1.2 Estágio de solução-reprecipitação
O estágio de solução-reprecipitação só ocorrerá se houver solubilidade da fase sólida no líquido. Quando isso acontece, uma fração de partículas da fase sólida é dissolvida pelo líquido e difundirá neste, precipitando posteriormente sobre outras partículas sólidas em locais energeticamente mais favoráveis (de baixa energia su- perficial). Esse processo é acompanhado de densificação e crescimento de grão. O crescimento de grão das partículas da fase sólida ocorre por processo de solução das partículas menores e reprecipitação nas maiores, devido à diferença em solubilidade das partículas menores e maiores na fase líquida. A densificação nesse estágio pode ser significativa, mas é bem mais lenta que no primeiro estágio (COSTA, 2004). 2.11.1.3 Estágio de sinterização em estado sólido
O estágio de sinterização em estado sólido só ocorre se a estrutura ainda não estiver completamente densa e consiste no crescimento de pescoço entre as partes sólidas que estão em contato. Sua finalidade é o encerramento do processo de fechamento dos poros e de contração da estrutura. Como na sinterização em fase sólida convencional, as partículas tendem a se aproximar e, a estrutura a contrair,
promovendo o fechamento dos poros residuais e conduzindo a densificação total da estrutura. A taxa de densificação será muito menor que durante o segundo estágio, devido ao processo ser semelhante ao da sinterização em fase sólida, portanto, é o mais lento de todos os estágios.
2.12 Principais aplicações do compósito WC-Cu