Processamento de compósitos Ni-NbC e Ni-WC pelas técnicas de moagem de alta energia e granulação em tambor

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA (CT) CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA (CCET) PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS. PROCESSAMENTO DE COMPÓSITOS Ni-NbC e Ni-WC PELAS TÉCNICAS DE MOAGEM DE ALTA ENERGIA E GRANULAÇÃO EM TAMBOR. SLOANY GUEDES MEDEIROS. Agosto de 2016 Natal- RN.

(2) SLOANY GUEDES MEDEIROS. PROCESSAMENTO DE COMPÓSITOS Ni-NbC e Ni-WC PELAS TÉCNICAS DE MOAGEM DE ALTA ENERGIA E GRANULAÇÃO EM TAMBOR. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPgCEM, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais com área de concentração em Materiais Compósitos.. Agosto de 2016 Natal- RN.

(3) BANCA EXAMINADORA. ___________________________________________________________________________ Prof. Dr. Antonio Eduardo Martinelli. Orientador, Presidente- UFRN. ___________________________________________________________________________ Prof. Dr. Uílame Umbelino Gomes. Co-orientador, Examinador Interno- UFRN. ___________________________________________________________________________ Prof. Dr. Cristiano Binder. Examinador Externo – UFSC. Data de defesa: 25 de agosto de 2016. Local: Período: 2016.1. Resultado: ______________..

(4) Catalogação da Publicação na Fonte Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Sistema de Bibliotecas Biblioteca Central Zila Mamede / Setor de Informação e Referência Medeiros, Sloany Guedes. Processamento de compósitos Ni-NbC e Ni-WC pelas técnicas de moagem de alta energia e granulação em tambor / Sloany Guedes Medeiros. - 2016. 95 f. : il. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais. Natal, RN, 2016. Orientador: Prof. Dr. Antonio Eduardo Martinelli. Coorientador: Prof. Dr. Uílame Umbelino Gomes 1. Níquel - Dissertação. 2. Carbeto - Dissertação. 3. Granulação Dissertação. 4. Densidade – Dissertação. 5. Moagem de alta energia – Dissertação. I. Martinelli, Antonio Eduardo. II. Gomes, Uílame Umbelino. III. Título. RN/UF/BCZM. CDU 549.263.

(5) AGRADECIMENTOS Primeiramente, agradeço a Deus porque com Ele posso todas as coisas e sem Ele não sou nada. À minha família que me apoiou em todas as circunstâncias e que me suportou nos meus piores dias, e claro, a minha irmã, Thuany, que sempre cuidou da irmã mais velha melhor do que ninguém. Ao meu orientador, Prof. Antonio Eduardo Martinelli, e meu co-orientador, Prof. Uílame Umbelino Gomes, que acreditaram em mim, tiveram paciência, me acalmaram e me orientaram sempre que os busquei, meus sinceros agradecimentos. Agradeço de coração aos meus melhores amigos: Kamilla Henrique (que mais me visitou, apoiou e me suportou durante toda essa jornada), Amanda Santos, Luís Feliphe e Rodrigo Almeida, que desde o começo me apoiaram em cada caminho que escolhi percorrer. Dedico também aos meus amigos da graduação (minha segunda família): Bárbara Fernanda, Jéssica Raquel, Hellen Torrano, Mário Nunes, Rennáh Figueiredo, Thayse Ricardo que mesmo distante estão sempre me apoiando em tudo que faço. Aos amigos que fiz em Natal e com quem mais convivi, Ana Clara Oliveira, Elisângela Barros, João P. Grilo, Mônica Suede, Luana Cruz, Larissa Bezerra, Lucélia Araújo, Rafaela Lopes, Suelen Camargo, Tamáris Brasileiro, meu muito obrigada. Agradeço ao laboratório de materiais cerâmicos e metais especiais (LMCME), ao laboratório de caracterização estrutural dos materiais (LCEM-UFRN), e ao NUPPRAR, pela ajuda na realização de análises e ensaios..

(6) RESUMO Compósitos de matriz metálica de níquel reforçados por dispersão de partículas de NbC e WC são materiais promissores por apresentarem elevados níveis de resistência mecânica e de resistência ao desgaste. O objetivo principal deste trabalho foi avaliar a microdureza, microestrutura e o comportamento dilatométrico dos compósitos Ni-NbC e dos Ni-WC. Os compósitos foram obtidos através da técnica de metalurgia do pó utilizando a moagem de alta energia para proporcionar a dispersão da fase dura de NbC e WC na matriz de níquel. O moinho utilizado foi do tipo attritor, com velocidade de 850 rpm durante 2 horas, via úmido. Os pós dos compósitos foram preparados nas composições de 5%, 10%, 15% em massa de NbC e mesmas composições para o reforçado com WC, estes foram granulados utilizando a técnica de granulação em tambor. Pós granulados e não-granulados foram compactados a frio utilizando pressão de 600 MPa em matriz uniaxial. A densidade dos compactados à verde e dos sinterizados foi calculada pelo método geométrico. Testes de microdureza e análise microestrutural foram realizados nas amostras sinterizadas. Durante os ensaios em dilatômetro foram utilizadas as seguintes condições: (i) 25°C a 1200°C; (ii) 25°C a 1300°C, ambos os parâmetros com patamar isotérmico de 1 h e taxa de aquecimento de 10°C/min; (iii) 25°C a 1200°C com patamar isotérmico de 2 h e a mesma taxa de aquecimento. Os resultados mostraram que as amostras sinterizadas de níquel sem adição de reforços apresentaram maior densificação e maiores valores de retração quando preparadas a partir da granulação em tambor. As imagens por MEV das misturas moídas de Ni-NbC comprovaram certa homogeneização dos pós, assim como a incorporação mecânica do reforço cerâmico na matriz de níquel, entretanto os resultados para Ni-WC não indicaram homogeneidade e pouca incorporação mecânica. As amostras sinterizadas de Ni-NbC para todas as composições apresentaram maiores valores de densidade na condição de sinterização (iii), enquanto que as de Ni-WC obtiveram os menores valores de densidade relativa. Com relação às imagens obtidas por MEV, os compósitos sinterizados com 5% de carbetos foram as que apresentam melhor aspecto microestrutural quanto à porosidade. Os compósitos Ni-NbC10% e NiWC15% apresentaram-se com microestrutura mais porosa e com o aparecimento de “clusters”. A inserção de NbC na matriz de níquel apresentou maiores resultados de microdureza do que com a inserção de WC, entretanto os compósitos Ni-WC apresentaram maior homogeneidade nos resultados com desvios padrões similares para todas as composições. Palavras-chave: Níquel, Carbeto, Granulação, Moagem de Alta Energia, Densidade..

(7) ABSTRACT Nickel matrix composites reinforced by dispersed NbC or WC particles are promising materials due to high mechanical strength and wear resistance. The objective of this study was to evaluate the dilatometric behavior, microstructure and microhardness of Ni-NbC and NiWC composites. The composites were obtained by powder metallurgy using high energy milling to provide the dispersion of the hard NbC or WC particles in the nickel matrix. An attritor with speed 850 rpm was used to wet mill and mix the powder mixtures for 2 hours. The powders were prepared with 5%, 10% or 15% (wt.%) of NbC or WC, and subsequently drum granulated. Both granulated and non-granulated powders were uniaxially cold pressed under 600 MPa. The density of green and sintered samples was measured by the geometric method. Microhardness tests and microstructural analyses were performed on the sintered samples. For dilatometric tests, the following conditions were employed: (i) 25°C to 1200°C; (ii) 25°C to 1300°C, both parameters with isothermal step of 1 h and heating rate of 10 °C/min; (iii) 25 ° C to 1200 ° C with isothermal step of 2 h and the same heating rate. The results showed that the sintered nickel samples without addition of reinforcements depicted major densification and high retraction when drum granulated. The SEM images of milled mixtures of Ni-NbC confirmed a certain degree of homogenization and the mechanical incorporation of the ceramic particles in the matrix On the other hand, the results for Ni-WC did indicate non-homogeneity and little mechanical incorporation. The sintered samples of all compositions of Ni-NbC showed higher values of density under sintering conditions (iii), whereas Ni-WC depicted the lowest relative density values. With respect to the images obtained by SEM, the sintered composite with 5% of carbides presented better microstructural characteristics regarding porosity. The Ni-NbC10% and Ni-WC15% composites presented porous microstructure and clusters. The addition of NbC in nickel matrix showed higher microhardness results than the one with WC, although Ni-WC composites showed higher homogeneity. Keywords: Nickel, Carbide, Granulation, High Energy Milling, Density..

(8) SUMÁRIO. 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................... 15 2.1. Materiais Compósitos ................................................................................................ 15. 2.1.1 2.2. Mecanismo de endurecimento ................................................................................... 21. 2.3. Matriz metálica - Níquel ............................................................................................ 23. 2.4. Reforços cerâmicos .................................................................................................... 26. 2.5. Metalurgia do pó ........................................................................................................ 28. 2.6. Moagem de alta energia ............................................................................................. 31. 2.6.1 2.7. 2.8. Tipos de moinhos ............................................................................................... 35. Granulação ................................................................................................................. 38. 2.7.1. 3. Material Compósito de Matriz Metálica- CMM................................................. 17. Granulação em tambor........................................................................................ 40. Sinterização ................................................................................................................ 41. 2.8.1. Sinterização por fase sólida ................................................................................ 42. 2.8.2. Sinterização por fase líquida............................................................................... 44. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 46 3.1. Caracterização dos pós de partida .............................................................................. 48. 3.1.1. Análise química por fluorescência de raios X .................................................... 48. 3.1.2. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) .................................................... 48. 3.1.3. Análise de Tamanho de Partícula ....................................................................... 48. 3.2. Mistura e Moagem ..................................................................................................... 49. 3.3. Granulação em Tambor ............................................................................................. 50. 3.4. Teste de Escoabilidade............................................................................................... 51. 3.5. Compactação .............................................................................................................. 51.

(9) 4. 3.6. Sinterização ................................................................................................................ 51. 3.7. Densidade................................................................................................................... 52. 3.8. Caracterização microestrutural .................................................................................. 53. 3.8.1. Preparação Metalográfica ................................................................................... 53. 3.8.2. Ensaio de Microdureza ....................................................................................... 53. RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 54 4.1. 4.1.1. Distribuição de tamanhos de partículas dos pós de partida ................................ 54. 4.1.2. Análise química por Fluorescência de raios X ................................................... 56. 4.1.3. Microscopia Eletrônica de Varredura ................................................................. 56. 4.2. 5. Caracterização dos pós de partida .............................................................................. 54. Processo de Moagem de Alta Energia (MAE) ........................................................... 58. 4.2.1. Distribuição de tamanho de partículas após processo de moagem ..................... 58. 4.2.2. MEV após processo de moagem ........................................................................ 60. 4.3. Teste de Escoabilidade............................................................................................... 65. 4.4. Densidade................................................................................................................... 66. 4.5. Análise das Curvas Dilatométricas ............................................................................ 69. 4.6. Analise Microestrutural ............................................................................................. 76. 4.7. Microdureza ............................................................................................................... 81. CONCLUSÕES ................................................................................................................. 83.

(10) LISTA DE FIGURAS. Figura 1: Mapa de desempenho de vários materiais de engenharia, em termos de temperatura de operação (º C) e relação resistência/peso ............................................................................. 18 Figura 2: Efeito da quantidade de reforço sobre o módulo de elasticidade do alumínio ......... 18 Figura 3: Comparação da expansão térmica de metais em relação aos CMM ......................... 19 Figura 4: Descrição dos três tipos de CMM, classificados de acordo com o tipo de reforço .. 20 Figura 5: Distribuição do consumo mundial de níquel............................................................. 25 Figura 6: Processo convencional da metalurgia do pó ............................................................. 30 Figura 7: Ilustração de uma colisão esfera-pó-esfera durante um processo de moagem de alta energia ...................................................................................................................................... 33 Figura 8: Evolução da microestrutura dos pós no processo de moagem .................................. 34 Figura 9: Moinho do tipo attritor .............................................................................................. 35 Figura 10: Esquema de uma haste rotacional em um moinho de bolas attritor ........................ 36 Figura 11: Ação de forças de impacto e cisalhamento no moinho attritor ............................... 36 Figura 12: Representação esquemática dos movimentos irregular e em grupo dos meios de moagem .................................................................................................................................... 37 Figura 13: Ilustração da granulação em tambor ....................................................................... 41 Figura 14: Estágios da sinterização por fase sólida .................................................................. 42 Figura 15: Micrografia ilustrando o processo de sinterização no estágio inicial com a formação do pescoço ................................................................................................................ 43 Figura 16: Estágios da sinterização por fase líquida ................................................................ 45 Figura 17: Fluxograma de Atividades ...................................................................................... 47 Figura 18: Moinho Attritor ....................................................................................................... 49 Figura 19: Distribuição do tamanho de partículas do pó de níquel .......................................... 54 Figura 20: Distribuição do tamanho de partícula do pó de NbC .............................................. 55 Figura 21: Distribuição do tamanho de partículas do pó de WC ............................................. 55.

(11) Figura 22: Análise química do níquel carbonila....................................................................... 56 Figura 23: Micrografia obtida por MEV da amostra do pó de níquel carbonila. ..................... 56 Figura 24: Aglomerado presente na micrografia do pó de níquel carbonila ............................ 57 Figura 25: Micrografia obtida por MEV da amostra em pó de NbC ........................................ 57 Figura 26: Micrografia do pó de WC ....................................................................................... 58 Figura 27: Micrografia do pó moído com 5% de NbC em matriz de níquel ............................ 60 Figura 28: Micrografia do pó moído com 10% de NbC em matriz de níquel .......................... 61 Figura 29: Micrografia do pó moído com 15% de NbC em matriz de níquel .......................... 61 Figura 30: Micrografia de um aglomerado presente entre as partículas................................... 62 Figura 31: Micrografia de uma das plaquetas existentes entre as partículas ............................ 63 Figura 32: Micrografia do pó compósito de Ni-WC5% ........................................................... 63 Figura 33: Micrografia do pó compósito de Ni-WC10% ......................................................... 64 Figura 34: Micrografia do pó compósito de Ni-WC15% ......................................................... 64 Figura 35: Micrografia do Níquel Granulado ........................................................................... 66 Figura 36: Curvas dilatometricas do Ni sem granulação .......................................................... 70 Figura 37: Curvas dilatometricas do Ni granulado ................................................................... 70 Figura 38: Curvas dilatometricas dos compósitos Ni-NbC (1200°C/1h) ................................. 71 Figura 39: Curvas dilatometricas dos compósitos Ni-NbC (1200°C/2h) ................................. 72 Figura 40: Curvas dilatometricas dos compósitos Ni-NbC (1300°C/1h) ................................. 72 Figura 41: Gráfico com os valores de retração linear dos compósitos Ni-NbC ....................... 73 Figura 42: Curvas dilatométricas do compósito Ni-WC (1200°C/1h) ..................................... 74 Figura 43: Curvas dilatométricas do compósito Ni-WC (1200°C/2h) ..................................... 74 Figura 44: Curvas dilatométricas do compósito Ni-WC (1300°C/1h) ..................................... 75 Figura 45: Microestrutura do compósito Ni-NbC5% (1200/1h) .............................................. 76 Figura 46: Microestrutura do compósito Ni-NbC10% (1200/1h) ............................................ 77 Figura 47: Micrografia da área da análise do EDS. .................................................................. 78.

(12) Figura 48: Análise do EDS ....................................................................................................... 78 Figura 49: Micrografia do compósito Ni-WC5% (1300/1h) .................................................... 79 Figura 50: Micrografia do compósito Ni-WC10% (1300/1h) .................................................. 80 Figura 51: Micrografia do compósito Ni-WC15% (1300/1h) .................................................. 80 Figura 52: Gráfico com os valores de microdureza Vickers do Ni e Ni-NbC.......................... 81 Figura 53: Gráfico com os valores de microdureza Vickers do Ni e Ni-WC ........................... 82.

(13) LISTA DE TABELAS Tabela 1: Exemplos de CMM para aplicações aeroespaciais ................................................... 19 Tabela 2: Propriedades do Níquel ............................................................................................ 24 Tabela 3: Propriedades dos Carbetos Metálicos Refratários .................................................... 28 Tabela 4: Comparação entre os tipos de moinhos .................................................................... 35 Tabela 5: Ligantes orgânicos e inorgânicos para granulação de pós ........................................ 39 Tabela 6: Composições estudadas variando a concentração de carbetos em relação ao níquel .................................................................................................................................................. 46 Tabela 7: Parâmetros da sinterização no dilatômetro ............................................................... 52 Tabela 8: Distribuição do tamanho de partículas dos pós compósitos Ni-NbC ....................... 58 Tabela 9: Distribuição do tamanho de partículas dos pós compósitos Ni-WC ........................ 59 Tabela 10: Tabela com os valores do tempo de escoabilidade dos pós granulados ................. 65 Tabela 11: Valores de densidade do Ni sem granulação .......................................................... 66 Tabela 12: Valores de densidade do Ni granulado ................................................................... 67 Tabela 13: Valores de densidades para os compósitos Ni-NbC5%.......................................... 67 Tabela 14: Valores de densidade para os compósitos Ni-NbC10% ......................................... 68 Tabela 15: Valores de densidade para os compósitos Ni-NbC15% ......................................... 68 Tabela 16: Valores de densidade para os compósitos Ni-WC5% ............................................ 68 Tabela 17: Valores de densidade para os compósitos Ni-WC10% .......................................... 69 Tabela 18: Valores de densidade para os compósitos Ni-WC15% .......................................... 69.

(14) 12. 1. INTRODUÇÃO. O desenvolvimento tecnológico mundial em associação às crescentes exigências de desempenho dos materiais vem demandando grandes esforços da Engenharia para o processamento de novos produtos, além do aprimoramento de qualidade daqueles existentes (BINDER, 2009), o que implica um maior conhecimento da correlação entre composição química, estrutura e microestrutura e parâmetros de processamento do material, bem como, maior conhecimento das solicitações efetivamente presentes na aplicação e, por fim, no aperfeiçoamento dos processos de fabricação dos mesmos (PARUCKER, 2008). Nesse contexto, torna-se importante considerar a interdependência entre desempenho, propriedades, estrutura, composição e processamento dos materiais, como apresentado por CALLISTER (2012). Os compósitos de matriz metálica, CMMs, constituem uma classe de materiais de nova geração, cujas propriedades podem ser projetadas, ampliando sua utilização no campo da engenharia (DUCRET, 2000, MEIJER, 2000). Estes se apresentam como uma alternativa economicamente viável, em relação aos materiais já existentes. O estado avançado do desenvolvimento tecnológico se caracteriza pelo projeto de materiais cada vez mais específicos para dada aplicação em Engenharia. Em se tratando de aplicações que demandam elevada resistência (mecânica, à corrosão e ao desgaste) em elevadas temperaturas, o uso de materiais compósitos de matriz metálica é ressaltado, pois se combina a alta dureza de cerâmicas com a ductilidade dos metais (LEMSTER et al., 2005). Muitas indústrias de base vivenciam diariamente situações que envolvem: (i) desgaste acentuado de suas estruturas e equipamentos; (ii) danos por corrosão advindos da exposição à ambientes agressivos. Neste ponto, destacam-se os custos elevados com manutenção para assegurar a disponibilidade dos equipamentos e estruturas ao processo produtivo. A obtenção de compósitos de matriz metálica com bom desempenho do produto final depende, em parte, da escolha do reforço utilizado e da forma como o mesmo é incorporado à matriz metálica. O níquel, atuando como constituinte predominante da matriz proporcionará alta resistência à corrosão em altas temperaturas e em ambiente agressivo; adicionalmente, presença de partículas de carbetos (NbC e WC) como reforços cerâmicos no compósito contribuirá para o aumento do desempenho final do material, com aumento de sua resistência mecânica e ao desgaste..

(15) 13. Em se tratando da rota de processamento mais adequada para os materiais compósitos de matriz metálica, segundo FERNANDES (2014), tem-se a metalurgia do pó, pois proporciona a obtenção de componentes metálicos de melhor desempenho e menor custo em relação a componentes fabricados por fundição. Portanto, avanços recentes na tecnologia do pó de compósito podem produzir materiais estratégicos para um número crescente de aplicações incluindo a manufatura de ferramentas e a produção de componentes industriais. Dentre as alternativas de mistura dos componentes, podem ser utilizadas duas maneiras, mistura simples dos pós em misturadores convencionais ou através de moagem de alta energia. Neste estudo, optou-se pela moagem de alta energia. A moagem é uma das etapas de maior relevância na produção de compósitos por metalurgia do pó. Além do ajuste da distribuição de tamanhos de partículas da mistura de pós, a moagem é também responsável pela homogeneidade na distribuição da fase de reforço e aditivos, bem como pela formação de partículas compósitas, ou seja, pela inserção de partículas cerâmicas nas partículas metálicas da fase matriz. Uma condição para o material compósito mostrar melhor desempenho é a distribuição homogênea das fases. A aglomeração de partículas prejudica as propriedades mecânicas do compósito, diferenças no tamanho, concentração e morfologia das partículas, contribuem para a aglomeração (TORRES e SCHAEFFER, 2010). Para evitar que isso aconteça utiliza-se o processo de granulação, onde os pós-granulados propiciam a granulometria, morfologia e umidade adequadas para uma boa fluidez durante o preenchimento da matriz de compactação. O processo de granulação pode ser definido como a aglomeração intencional de partículas finas pela adição de água ou solução ligante, para formar aglomerados de tamanhos controlados denominados de grânulos (SAMPAIO et al., 2007). Existem diversas formas de se realizar a granulação de pós finos, neste trabalho optou-se pela granulação em tambor, este processo permite a utilização laboratorial, onde há a produção em baixa escala de pós granulados (KLEIN, 2005 apud DEMÉTRIO, 2012). A principal meta deste trabalho foi o estudo da produção de compósitos sinterizados de matriz metálica à base de níquel com dispersão de partículas cerâmicas micrométricas (NbC e WC), estes produzidos via metalurgia do pó com a utilização da moagem de alta energia e da granulação em tambor durante o processamento dos compósitos. Para o cumprimento do objetivo proposto foram definidos os seguintes objetivos específicos:.

(16) 14.  Avaliar a eficiência da granulação em tambor no processamento de materiais por metalurgia do pó, através das propriedades apresentadas como densidade e escoabilidade;  Verificar os efeitos da moagem de alta energia nas misturas dos pós com ênfase na dispersão e refino das partículas de reforço (NbC e WC) na matriz de níquel;  Analisar os desempenhos desses materiais, partindo-se de misturas granuladas de pós até os aspectos distintivos da cinética de sinterização;  Estudar as condições de sinterização do material compósito por meio de ensaios dilatométricos;  Fazer um comparativo entre os valores de densificação e microdureza dos compósitos Ni-NbC e Ni-WC.  Ponderar sobre as características microestruturais obtidas em função da composição e das condições de processamento..

(17) 15. 2 2.1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Materiais Compósitos Na busca constante pela melhoria do desempenho, que pode ser avaliada sob vários. aspectos como redução de peso, maior resistência, maior resistência ao desgaste e melhor estabilidade térmica entre outras, os materiais normalmente usados já alcançaram o limite de suas aplicações. Neste sentido cientistas, engenheiros e pesquisadores da área de materiais estão constantemente trabalhando para melhorar o desempenho dos materiais tradicionais ou desenvolver materiais completamente novos. Materiais compósitos são um exemplo de novos materiais concebidos dentro desta filosofia. Os compósitos são materiais projetados de modo a conjugar características desejáveis de dois ou mais materiais (ERAUZKIN, 1997). A ideia de material compósito não é recente. Compósitos naturais como, por exemplo, a madeira e alguns outros compósitos sintéticos têm sido usados pelo homem a milhares de anos; porém, o desenvolvimento maior nesta área ocorreu somente nas últimas décadas. Segundo CHAWLA (1987), pode-se considerar como origem da disciplina de materiais compósitos o início dos anos 60, sendo que grande parte das pesquisas e desenvolvimento nesta área começou em meados da mesma década. Inicialmente os compósitos, foram desenvolvidos como uma alternativa para obter materiais de elevadas resistência e módulo elástico (RAO, 1998). De maneira geral, considera–se que são as propriedades da matriz as incrementadas, quando se incorpora outro constituinte para obter o material compósito. Existe muita divergência quanto à definição de material compósito, contudo SCHWARTZ (1983) salienta que uma definição correta deve ser estabelecida em função do nível de observação. SCHWARTZ (1983) define material compósito como sendo um “sistema de materiais composto de uma mistura ou combinação de dois ou mais macroconstituintes que se diferem na forma e/ou composição e são essencialmente insolúveis entre si”. CHAWLA (1987) define como sendo “materiais consistindo de dois ou mais materiais física e/ou quimicamente distintos arranjados ou distribuídos de maneira conveniente”. Na produção de materiais compósitos normalmente um dos elementos constituintes atua como matriz, aparecendo quase sempre em maior proporção, e o outro presente como reforço. Estes componentes podem ser fisicamente identificados e exibem uma fronteira ou interface entre si (DAS, 1997). Desta maneira, tem–se permitido as combinações entre os.

(18) 16. distintos materiais, metálicos, cerâmicos e poliméricos, como também as suas principais características: Metais → são tenazes, resistentes, pesados e, de modo geral, insuficientemente rígidos; Polímeros → são leves, de fácil processamento, mas não são resistentes nem estáveis a altas temperaturas; Cerâmicos → são duros, rígidos, mas são frágeis. A combinação destes materiais pode levar a um material compósito que satisfaça em termos de peso, rigidez e resistência, por exemplo, unindo características típicas de uma determinada matriz as dos agentes de reforço. Se a matriz é cerâmica, isto é, dura, frágil e rígida, caberá ao agente reforçante a melhora da tenacidade (MISRA, 2000). Um material deve satisfazer ao menos três critérios para ser considerado um compósito (TAYA, 1989): - Estar constituído por duas fases de propriedades distintas; - Conter uma proporção razoável de uma das fases, geralmente a fase reforçante; - Obter um material final com propriedades claramente diferenciadas dos constituintes iniciais. Assim, devido à natureza e à morfologia dos materiais compósitos, seu comportamento e propriedades serão determinados pelos elementos que constituem a matriz e o reforço (ERAUZKIN, 1997), suas forças e estado estruturais e a interação entre estes (MANOHARAN, 1999). Para que os materiais compósitos apresentem um bom desempenho, como material estrutural, devem possuir uma distribuição bastante homogênea do reforço na matriz. Problemas como a aglomeração de reforço constituem defeitos que tendem a deteriorar as propriedades dos materiais compósitos. Na maioria das vezes, as propriedades dos materiais compósitos são explicadas através da regra de fases ou lei das misturas, em função do conteúdo do reforço e das propriedades de ambos os constituintes (RANGANATH, 1997). Em condições ideais, o material compósito exibe um limite superior de propriedades mecânicas e físicas definidas pela Equação 01 (CLYNE, 1993): PC = PM x FM + PR x FR Onde,.

(19) 17. PC é a propriedade do compósito, PM é a propriedade da matriz, FM é a fração volumétrica da matriz, PR é a propriedade do reforço, FR é a fração volumétrica do reforço. Na engenharia, os materiais compósitos são primeiramente classificados de acordo com a natureza química da matriz e encontram–se divididos em: - Materiais Compósitos de Matriz Polimérica → CMP. - Materiais Compósitos de Matriz Cerâmica → CMC. - Materiais Compósitos de Matriz Metálica → CMM. Existe uma quantidade enorme de possibilidades de características que podem ser usadas para a classificação de materiais compósitos, contudo, de modo geral eles são classificados de acordo com o tipo de reforço e orientação dos mesmos: contínuos (fibras) e descontínuos (partículas e whiskers). Normalmente ao definir um material compósito, ambos os aspectos, tipo de matriz e reforço, são indicados com a finalidade de caracterizar o material compósito.. 2.1.1 Material Compósito de Matriz Metálica- CMM O termo materiais compósitos de matriz metálica–CMM consiste em uma fase de reforço dispersa numa matriz de natureza metálica. A ideia básica dos CMM é combinar a excelente ductilidade e conformabilidade da matriz metálica com a elevada resistência dos materiais de reforço, seja para promover maior dureza às estruturas metálicas (MISHRA, 1999), ou para conferir leveza às estruturas utilizadas na aeronáutica e aeroespacial (BUFFIERE, 1999, ASTHANA, 1998). O início das pesquisas no campo de materiais compósitos foi marcado em particular por um grande número de estudos e aplicações em compósitos de matriz polimérica, décadas de 70 e 80. A ideia evoluiu, e com o passar do tempo intensificou-se também o número de pesquisas e aplicações em compósitos de matriz metálica e cerâmica, devido à possibilidade.

(20) 18. de poderem ser usados a temperaturas mais altas, como pode ser visto na Figura 1 (MOURISCO, 1995). Figura 1: Mapa de desempenho de vários materiais de engenharia, em termos de temperatura de operação (º C) e relação resistência/peso. Fonte: Taya e Arsenault (1989).. Os materiais compósitos de matriz metálica têm muitas vantagens sobre os materiais convencionais, tais como: maiores limites de resistência mecânica e de módulo de elasticidade, melhores propriedades a altas temperaturas, baixo coeficiente de expansão térmica e melhor resistência ao desgaste, entre outras (Figura 2 e Figura 3). E graças a estas propriedades estes materiais podem ser usados em um grande número de aplicações (JESUS, 1998). Figura 2: Efeito da quantidade de reforço sobre o módulo de elasticidade do alumínio. Fonte: Mathews e Rawlings (1994)..

(21) 19. Figura 3: Comparação da expansão térmica de metais em relação aos CMM. Fonte: Adaptação, Mathews e Rawlings (1994).. Os compósitos de matriz metálica podem ter uma variada combinação de elementos de matriz e reforço dependendo da aplicação e propriedades que se deseja obter. Entretanto, devido a principal aplicação ser estrutural buscam-se elementos mais leves e mais resistentes e utilizam-se normalmente materiais que apresentam baixas densidades (Tabela 1). Nestes materiais, o reforço é normalmente um material cerâmico, embora possa ocorrer também, por exemplo, a utilização de metais. Tabela 1: Exemplos de CMM para aplicações aeroespaciais. Fonte: Jesus (1998). Os materiais mais utilizados como matriz metálica são as ligas leves, alumínio, magnésio e titânio, como também cobre, ferro, níquel e seus intermetálicos (GORDO, 2000,.

(22) 20. COMMITTEE, 1996, SATER, 1994). Destacando-se as ligas de alumínio (DUCRET, 2000, BIALO, 1998), pois este elemento apresenta interessantes propriedades mecânicas, boa resistência a corrosão e ao desgaste e possui excelente relação resistência/peso (SMAGORINSKI, 1998, ROSSI, 1998). CLYNE E WITHERS (1993) subdividem os CMM de acordo com os tipos de reforço que os constituem, que podem ser contínuos (fibras longas), descontínuos (fibras curtas e “whiskers”) e particulados (Figura 4). Acrescentam ainda que outras distinções podem ser feitas com base no diâmetro das fibras, orientação e distribuição do reforço. Figura 4: Descrição dos três tipos de CMM, classificados de acordo com o tipo de reforço. Fonte: Clyne e Withers (1993). Um aspecto importante na fabricação dos CMM é diminuir o seu custo de fabricação (STERNOWSKY, 1997), mas geralmente isto acarreta numa diminuição das principais propriedades. Nos materiais compósitos com reforço descontínuo (partículas e whiskers), a transferência da carga é menor e, por conseguinte, o aumento das propriedades mecânicas também, contudo nestes materiais podem–se obter estruturas e propriedades mais isotrópicas (BERTOLINI, 1999). Os materiais compósitos reforçados com partículas têm sido largamente difundidos, apresentando um menor custo de obtenção, e são adaptáveis aos métodos de processamento de materiais convencionais, quando comparado às fibras contínuas, permitindo alcançar melhores propriedades em alguns casos, tais como, resistência ao desgaste e estabilidade térmica, aumentando sua aplicação na indústria (RAO, 1998, SATER, 1994)..

(23) 21. 2.2. Mecanismo de endurecimento Os CMM reforçados com partículas constituem uma classe de materiais de nova. geração, cujas propriedades podem ser projetadas sob medida para se adaptar a uma determinada aplicação, tendo atraído considerável atração nos últimos anos (LIU, 1994). São materiais potenciais para diversas aplicações na indústria do transporte, já que os processos de obtenção são muito mais simples e com isto o custo de fabricação é muito menor; além disso, o uso de partículas duras também contribui para abaixar os custos quando comparado. aos. compósitos. fundidos com. fibras. continuas. (BERTOLINI, 1999,. CARACOSTAS, 1997). A adição de partículas como reforço nos CMM pode acarretar em consideráveis aumentos nas propriedades mecânicas da matriz (O’DONNELL, 2001), dependendo da relação entre as dimensões, fração volumétrica e distribuição das partículas utilizadas, da liga base, dos tratamentos térmicos e da união reforço-matriz (MANOHARAN, 1999, DAS, 1997, HOCHREITER, 1993). Por exemplo, um maior aumento da resistência pode ser alcançado com a redução do tamanho da partícula (STERNOWSKY, 1997), chegando a alcançar até 10% quando comparamos partículas de 3–23 μm. O comportamento mecânico dos CMM tem sido caracterizado pelos elevados valores de velocidade de endurecimento após o limite elástico. Sendo microestruturalmente explicado em termos da transferência de carga entre a matriz e o reforço (CARACOSTAS, 1997). São vários os mecanismos que explicam os aumentos nas propriedades mecânicas em compósitos particulados (JAIN et. al., 1993), entre eles: -. Obstrução. do. movimento. de. discordância. pelas. partículas. de. reforço. (MANOHARAN, 1999); - Aumento da densidade de discordâncias do material, durante o resfriamento da temperatura no processamento, devido a diferença entre os coeficientes de expansão térmica entre a matriz e o reforço (ASTHANA, 1998, RAO, 1998, DAS, 1997); - Transferência de carga da matriz para as partículas de reforço (CARACOSTAS, 1997). Os materiais compósitos reforçados com partículas são caracterizados por suas atrativas propriedades:.

(24) 22. - Elevada rigidez específica → é a razão entre o módulo de elasticidade e a densidade. O incremento da rigidez específica é um dos efeitos mais importantes da adição de reforço. O módulo elástico aumenta ao aumentar-se a fração volumétrica do reforço cerâmico, sem aumentar drasticamente a densidade dos materiais (ASTHANA, 1998, LEE, 1992). - Resistência específica → se o material compósito apresenta uma boa interface matriz/reforço, a resistência à tração do material tende a aumentar com o conteúdo de reforço (MANOHARAN, 1999). Contudo, se o contato ou a união entre ambos é frágil, a resistência à tração pode ser inclusive inferior à liga da matriz sem o reforço (DA COSTA, 1998). Os materiais compósitos reforçados com partículas apresentam baixa ductilidade e tenacidade à fratura (QIN, 2000). A baixa ductilidade está associada à fratura dos reforços e a formação de vazios entre o reforço e as interfaces (KANETAKE, 1995). Estes pontos de início e geração de fratura tendem a diminuir a tenacidade do material (LEE, 1992). Como ocorre em todos os tipos de microestrutura, suas características específicas – como tamanho de grão, fração de segunda fase, etc. – influenciam as propriedades mecânicas do produto através dos chamados mecanismos de endurecimento. O princípio básico desses mecanismos consiste em dificultar ao máximo a mobilidade das discordâncias presentes no reticulado cristalino do metal, já que são justamente esses defeitos que fazem com que a resistência mecânica dos materiais reais seja menos de 10% do valor que seria teoricamente possível. Todos os mecanismos de endurecimento elevam as propriedades mecânicas determinadas sob condições estáticas, ou seja, sob baixas velocidades de deformação, como é o caso dos limites de escoamento e resistência, medidos através de ensaios de tração (PICKERING 1978, GINZBURG 2003). Um dos maiores problemas apresentados no processamento de materiais compósitos reforçados com partículas, é a tendência destas formarem aglomerados, provocando uma distribuição heterogênea do reforço (AMIGÓ, 2000). O principal problema que apresenta a aglomeração das partículas de reforço é a impossibilidade de penetração da matriz metálica entre estas durante o processo de conformação, dando lugar a uma consolidação defeituosa. Desta forma, quando o material é submetido a um esforço, durante a deformação por tensão, se produz um desenvolvimento progressivo dos defeitos no material, causado pela fratura das partículas ou pela decoesão nas interfaces (BUFFIERE, 1999, ERAUZKIN, 1997). O defeito pode também ser produzido pelo crescimento de vazios pré–existentes, geralmente.

(25) 23. situados nos grupos ou aglomerados das partículas onde não se tenha introduzido a matriz (ASTHANA, 1998). O número de defeitos por partícula tanto interno como externo cresce com o tamanho de partícula, levando à conclusão que as partículas maiores apresentam maior tendência a fraturarem–se que as menores. Para um tamanho fixo, quanto maior a fração volumétrica do reforço, maior é a probabilidade ou a frequência de contato partícula– partícula formando aglomerações. Estas provocam a falha prematura do material, diminuem sua ductilidade e sua resistência (RAO, 1998). A metalurgia do pó apresenta uma vantagem notável frente a metalurgia convencional, ao diminuir em grande parte os problemas de segregação e assim a formação de aglomerados, que estão intrinsecamente associados ao processo convencional (LIU, 1994). Os principais fatores que dificultam a obtenção de uma distribuição homogênea em uma mistura de pós metálicos com reforços cerâmicos em forma de partículas são: diferença entre os tamanhos das partículas, densidade e geometria (DAS, 1997, STERNOWSKY, 1997). Como também o desenvolvimento de cargas estáticas que contribuem para a aglomeração dos reforços. Devido à importância destes fenômenos, é cada vez mais necessário realizar estudos a este respeito, com o objetivo de melhorar as etapas de mistura e homogeneização por diferentes alternativas. Sendo assim, deve–se escolher adequadamente o tipo de reforço, de forma que sua densidade seja o mais próximo possível do metal constituinte da matriz, como também os tamanhos dos pós da matriz e do reforço (RAO, 1998), de forma que se encontrem dentro da mesma faixa granulométrica (STERNOWSKY, 1997).. 2.3. Matriz metálica - Níquel O níquel é encontrado em minerais de sulfetos, silicatos, arsenetos e oxidados. A. concentração desse metal em uma área bem definida é relativamente pequena na crosta terrestre. Os depósitos minerais que são explorados de acordo com suas reservas constituem fontes de suprimento das demandas existentes. A Rússia é o maior produtor, seguido pela Indonésia, Austrália, Canadá e Filipinas (RAMOS, 2014). O níquel é um elemento químico de simbologia Ni e número atómico 28. Seu peso atômico é 58,69 u.m.a. e sua massa específica a 20ºC é 8,90 g/cm³. A estrutura cristalina deste.

(26) 24. elemento é cúbica de face centrada (CFC), e ele apresenta raio atômico de 0,125 nm e raio iônico de 0,069 nm, sendo +2 a valência mais comum. O ponto de fusão do níquel é aproximadamente 1455ºC (CALLISTER, 2012). O níquel é um dos metais mais importantes e versáteis da indústria. É um elemento de liga essencial em ferros fundidos, aços e ligas não ferrosas. O níquel também se destaca pela sua relativa resistência a oxidação e corrosão (TORRES, 2009). A Tabela 2 lista as propriedades básicas do níquel. Tabela 2: Propriedades do Níquel. Fonte: Asm specialty handbook (2000).. Devido as suas propriedades variadas, o níquel tem diversas aplicações, como pode ser vista na Figura 5. Sendo amplamente utilizado como elemento de liga em aços inoxidáveis, já que são estabilizadores da fase austenita. O níquel é um mineral estratégico, com uso crescente em diversos setores da indústria. Além disso, também cresceu o consumo de aço inoxidável (MARTINS, 2010). Em 1751 Axel Frederik Cronstedt tentando extrair o cobre da niquelina, obteve um metal branco que chamou de níquel. É encontrado nos minerais nicolita (NiAs), pentlandita ((Fe, Ni)9S8), pirrotita (Fe, NiS) e garnierita ((Ni, Mg)6(OH)6Si4O10.H2O). É um metal de transição de coloração branco-prateada, bom condutor de eletricidade e calor, dúctil e maleável, porém não pode ser laminado, polido ou forjado facilmente e apresenta certo caráter ferromagnético. Porém, em seu estado de oxidação aparece de cor verde em soluções de sais de níquel (PAGANINI, 2007)..

(27) 25. Figura 5: Distribuição do consumo mundial de níquel. Fonte: http://www.mme.gov.br. É resistente a corrosão e como revestimento só pode ser utilizado por eletrodeposição. Este ocorre numa estimativa de 1609 metros de profundidade da crosta terrestre. O níquel e algumas de suas ligas metálicas, como o Monel (65Ni-35Cu), são utilizados para manejar o flúor e alguns fluoretos porque tem pouca reatividade com estas substâncias. A liga de níquelcobre (25%Ni e 75% Cu) é utilizada para produzir os cuproníqueis, que são usadas em moedas. A coloração amarela é removida por adição de pequenas quantidades de Co (PAGANINI, 2007). A utilização do níquel é ampla na produção de aços inoxidáveis e ligas especiais. Também é empregado na fabricação de baterias recarregáveis, reações de catálise, moedas, revestimentos metálicos e fundição. O uso do níquel é considerado crescente em diversos setores da indústria, onde se destaca na informática, aeronáutica e energia, especialmente a nuclear (TORRES, 2009). A adição de níquel, ao ligante usual cobalto, no carbeto de tungstênio (WC), ou a inteira substituição do cobalto pelo níquel, sempre melhora a resistência à corrosão e oxidação dos metais duros. O níquel, no entanto, não tem uma molhabilidade nas partículas de WC tão eficaz quanto o cobalto, e seu uso também resulta em um sacrifício da resistência, dureza e resistência ao desgaste. A resistente à corrosão das classes de WC-Ni, que geralmente contenham de 6 a 10% de níquel, são utilizadas em componentes que entram em contato com.

(28) 26. fluidos corrosivos, por exemplo, válvulas, bocais, e selos mecânicos. Classes de metais duros contendo de 3 a 9% de Ni-Co-Cr também tem sido utilizados em ambientes químicos agressivos (TORRES, 2009).. 2.4. Reforços cerâmicos O processamento de compósitos de matriz metálica com bom desempenho do produto. final depende, em parte, da escolha do reforço utilizado e da forma como o mesmo é incorporado à matriz metálica. Neste trabalho foram utilizados os carbetos de Tungstênio e de Nióbio como reforço da matriz metálica a base de níquel, abaixo se segue as características e propriedades dos mesmos. O carbeto de tungstênio (WC) pertence ao grupo de materiais cerâmicos avançados com grande importância industrial, além de alta dureza, apresenta alto ponto de fusão, resistência ao desgaste, resistência ao choque térmico, condutividade térmica e resistência à corrosão (KRISHNA et al., 2012). O carbeto de tungstênio tem como característica mais importante a sua resistência à temperatura e abrasão, sendo formado pelo tungstênio e o carbono sob forma de negro de fumo. Os grãos de WC estão presentes, principalmente, na forma de prismas irregulares. Outras razões que dizem respeito a estes aspectos, que podem ser divididas em defeitos estruturais são a homogeneidade e tamanho de partícula do WC. Vários defeitos estão presentes quando se tem carbonetos mistos, como a precipitação de grafite, a porosidade e a distribuição homogênea do carboneto nas fases metálicas, ocorrendo à variação das propriedades mecânicas em toda a estrutura do WC (GOMES et al., 1998). Por outro lado, o tamanho de grão do carbeto é uma característica intrínseca do compósito, pois, os grãos mais finos do WC apresentam maior dureza e mantendo o mesmo nível de tenacidade no metal duro devido ao metal ligante. A busca por melhores e mais fina granulação para WC envolve a produção de pós na escala nanométrica (HESPANHOL, 2009). A distribuição e o tamanho de grão do WC também influência as propriedades mecânicas do material. Os grãos de carbetos de tungstênio, muito maior do que a média, permite a concentração de tensão, tornando mais fácil o início de uma trinca. Esses grãos são espacialmente distribuídos e orientados de uma forma desconhecida. Esta orientação é o.

(29) 27. resultado da sinterização e da solução de processos de difusão e molhabilidade. O formato da partícula de WC é dado pelo processo de fabricação e por moagem em seu pós-processamento (PINTO, 2008). O carboneto de nióbio (NbC) possui elevado ponto de fusão (3610°C), boa condutividade elétrica e alta dureza por apresentar estas propriedades tem se destacado na indústria mecânica, microeletrônica e na área química, por sua elevada condutividade térmica, grande estabilidade química e até resistência à radiação. (SIMÕES et al. 2006). Em escala industrial, o carbeto de nióbio é produzido aquecendo a mistura do metal com carvão ou uma mistura do óxido do metal com o carvão. Nos dois casos, reações de carburização acontecem pela difusão em estado sólido. Este processo requer altas temperaturas para diminuir o tempo de reação. O NbC também é produzido pela mistura de Nb2O5 com carvão (ECKERT, 1994). Neste caso, a temperatura de reação varia entre 1600 e 1800°C. É nesta temperatura que ocorre redução do óxido e a formação do NbC (MEDEIROS et al., 2002). As maiores reservas mundiais de nióbio estão em território brasileiro, este fato associado às excelentes propriedades deste minério o tornam uma alternativa economicamente satisfatória para uso industrial (PASOTTI et al., 1998, ACCHAR e SEGADÃES, 2009). As sínteses para a produção do NbC têm sido estudadas no sentido de diminuir o tempo e a temperatura da reação objetivando economia nos custos energéticos. Ele também é muito utilizado como inibidor de crescimento de grão, possui efeito semelhante ao TaC (SIMÕES et al., 2006). A Tabela 3 apresenta as propriedades como dureza, ponto de fusão, densidade teórica entre outras de vários carbetos metálicos refratários..

(30) 28. Tabela 3: Propriedades dos Carbetos Metálicos Refratários. Fonte: Cemented Carbides (1998).. 2.5. Metalurgia do pó Segundo Srivatsan, Ibrahim, Mohamed e Lavernia (SRIVATSAN et al. 1991), os. métodos de processamento utilizados na fabricação de compósitos de matriz metálica, mais especificamente aqueles com reforço particulado, podem ser agrupados de acordo com a temperatura em que o material da matriz se encontra durante o processo. Consequentemente podem ser divididos em três categorias: (1) processos de fase sólida; (2) processos de fase líquida; (3) processos de duas fases (sólido/líquido). No processo de fase líquida, o material de reforço é incorporado dentro da matriz fundida usando-se várias técnicas as quais normalmente envolvem mistura e eventual fundição da mistura resultante em forma de componentes ou tarugos para posterior retrabalho (SRIVATSAN et al. 1991). No processo de fase sólida, os materiais da matriz e do reforço são adicionados na forma de pós envolvendo uma série de estágios antes da efetiva consolidação do material. O.

(31) 29. processamento no estado sólido consiste em colocar em contato íntimo a matriz que se encontra na forma de pós ou de lâminas metálicas (WARD-CLOSE, 1997), com o material de reforço, para a fabricação dos materiais compósitos. A matriz não chega à fusão, com a finalidade de minimizar as reações entre matriz–reforço que ocorrem no processo em estado líquido (FOLTZ, 1998). O processo via metalurgia do pó se enquadra na categoria de fase sólida. Processos de duas fases envolvem a mistura de material de reforço e matriz onde o material da matriz encontra-se em fases líquida e sólida. AMBROZIO et al. (1996) adotam uma classificação mais abrangente e dividem os processos de em fabricação de CMM em duas categorias básicas: processos com fase líquida e processos no estado sólido. Dentro da classificação proposta alguns processos podem ser exemplificados. São eles: a) via metal líquido ("compocasting", co-deposição por "spray" e infiltração entre outros) e b) via metalurgia do pó. CLYNE E WITHERS (1993) nomeiam todos os processos citados anteriormente, como processos primários de fabricação. Alguns desses processos exigem uma fase complementar que envolve normalmente transformação termomecânica como extrusão, laminação ou forjamento. A estes processos, eles dão o nome de processos secundários. Metalurgia do pó (M/P) → Consiste basicamente na mistura dos pós da matriz e do reforço, seguidos da compactação (uniaxial ou isostática), para se obter uma preforma, que é o primeiro passo para a densificação do produto, seguida da sinterização, etapa em que se obtém a densidade final do produto, ou sob processos de conformação (GORDO, 2000, RAO, 1998). Dependendo da peça a ser fabricada, as etapas como calibragem, impregnação e tratamento térmico se fazem necessários, visando eliminar a porosidade remanescente, ajustar as tolerâncias dimensionais e melhorar as propriedades mecânicas (FOGAGNOLO, 2000). A técnica da metalurgia do pó apresenta características únicas como obtenção de composição química desejada e, consequentemente, distribuição de fases variadas (KULOV e GUSEV, 2006). A metalurgia do pó convencional envolve etapas que consistem em: mistura dos componentes, compactação e sinterização (Figura 6). A obtenção de materiais compósitos de matriz metálica por metalurgia do pó oferece vantagens sobre a metalurgia de fundição (BAKER, 1996) e sobre a união por difusão, a principal é a menor temperatura necessária durante a elaboração do material, cujo resultado é uma menor interação entre os materiais, minimizando as indesejáveis reações interfaciais.

(32) 30. (PARK, 1997), possibilitando desta maneira um aumento das propriedades mecânicas (RAO, 1998, LEE, 1997, FROES, 1996). Figura 6: Processo convencional da metalurgia do pó. Fonte: Torres (2009).. A técnica de obtenção de materiais compósitos de matriz metálica por metalurgia do pó permite controlar a fração volumétrica dos materiais de reforço em uma faixa relativamente ampla e uma satisfatória homogeneidade na distribuição dos mesmos (SATER, 1994). A técnica de metalurgia do pó possui várias características atrativas (LLOYD, 1994): 1 – Pode ser utilizada basicamente qualquer liga como matriz; 2 – Pode ser utilizado basicamente qualquer tipo de reforço, porque a reação entre matriz e o reforço são minimizados ao usar um processamento no estado sólido; 3 – Podem ser usadas ligas não estáveis obtidas mediante solidificação rápida. Isto é, importante quando o material compósito vai ser usado em aplicações a altas temperaturas, já que as ligas solidificadas rapidamente têm um comportamento a altas temperaturas melhor que as ligas convencionais; 4 – São permitidas altas frações volumétricas de reforço, ocorrendo uma maximização do módulo elástico e minimização do coeficiente de expansão térmica do material compósito; 5 – A conformação por M/P produz uma distribuição mais uniforme do material de reforço (KLOC, 1997). Esta uniformidade é importante, não somente para melhorar as.

(33) 31. propriedades estruturais, mas também para obter níveis de propriedades que podem ser reproduzidas em larga escala (GORDO, 2000). SRIVATSAN (1991) salienta que a tecnologia de produção via metalurgia do pó têm sido desenvolvida com sucesso por vários fabricantes comerciais. Os resultados revelam ainda que o processamento via metalurgia do pó, possibilita a obtenção de materiais com níveis de resistência mecânica superiores, se comparados a materiais equivalentes obtidos por processamento via metal líquido.. 2.6. Moagem de alta energia A moagem de alta energia (MAE) foi desenvolvida pela primeira vez na década de 60,. por John S. Benjamin nos laboratórios da INCO (International Nickel Company) (RODRÍGUEZ, 2000, LAST, 1996), para a produção de superligas à base de níquel endurecidas por dispersão de óxidos (ODS) (SURYANARAYANA, 2001, LIN, 2000, RODRÍGUEZ, 1995, WEBER, 1988). Atingiu sua importância comercial nos anos 80, despertando grande interesse na fabricação de inúmeros materiais, entre os quais com maior destaque para as ligas de alumínio, proporcionando melhores propriedades sem ocorrer mudanças nas propriedades físicas, principalmente na condutividade térmica elétrica (MARTÍNEZ, 1998). Por exemplo, a formação de ligas de metais, por fusão, que possuem pontos de fusão muito diferentes pode ser prejudicial, enquanto a moagem de alta energia se processa no estado sólido, evitando o problema da diferença de temperatura de fusão dos metais. Além disso, a moagem de alta energia em moinho de bolas pode ser usada como método de amorfização de ligas, como mostraram Weeber e Bakker (1988) para várias ligas metálicas. Atualmente, vem permitindo a obtenção de materiais compósitos, compostos intermetálicos (HWANG, 2000, HASHII, 1999, DA COSTA,1998), fases nanocristalinas , fases nanovítreas e, soluções sólidas amorfas de ótima qualidade (LIN, 2000, RODRÍGUEZ, 2000, HOCHREITER, 1993). Na moagem de metais, há a necessidade de se ter ao menos um metal razoavelmente dúctil, além de outros componentes, como metais frágeis, ou mesmo dúcteis, compostos intermetálicos, não metálicos e refratários, por exemplo. O processo é geralmente realizado em um moinho de bolas de alta energia, como moinhos vibratórios ou do tipo attritor, por exemplo (BENJAMIN, 1992). O atual processo de moagem mecânica de alta energia começa com a mistura dos pós na proporção correta e sua colocação no jarro de processamento de.

(34) 32. moagem juntamente com os meios de moagem (geralmente pequenas esferas de aço). A moagem ocorre pelo tempo desejado. Assim, os componentes importantes do processo de moagem mecânica são as matérias-primas, o moinho e as variáveis de processo (SURYANARAYANA, 2001). Devido às observações do processo de moagem de alta energia, pode-se aplicar alguns atributos à mesma que podem justificar sua utilização, principalmente para processamento de materiais metálicos. São eles: -Produção de uma dispersão fina de partículas de segunda fase (geralmente óxido); -Extensão dos limites de solubilidade; -Refinamento do tamanho de grão a níveis nanométricos; -Síntese de novas fases cristalinas e quasicristalinas; -Desenvolvimento de fases amorfas; -Desordem de intermetálicos ordenados; -Possibilidade da formação de ligas com elementos difíceis de serem ligados; -Indução de reações químicas a baixa temperatura (SURYANARAYANA, 2001). As reações que ocorrem dentro do moinho podem acontecer de duas formas: autossustentada e auto-propagante. De acordo com CINTHO (2002) estas reações são descritas como o registro no aumento da temperatura dentro do frasco de moagem num tempo específico. Algumas literaturas trazem nos seus textos diferentes variações nominais de acordo com algum parâmetro específico durante a moagem. Dentre eles, podem ser citados estes, de acordo com (SURYANARAYANA, 2001): • Mecanossíntese – quando os pós são misturados juntamente, onde se obtém um composto homogêneo; • Moagem mecânica – é um processo no qual há a mistura de pós previamente ligados, mas não obrigatoriamente se tem uma formação do composto homogêneo; • Desordenação mecânica – quando a moagem é feita para gerar uma desordenação cristalina, com a formação de fases amorfas;.

(35) 33. • Crio moagem – onde as operações de moagens são feitas a baixíssimas temperaturas, com auxílio de nitrogênio líquido, na maioria dos casos. Este processo em específico gera um tamanho de grão entre 2 e 10nm. • Moagem seguida de recozimento – como o nome já diz, após o processo de moagem de alta energia, se faz necessário um tratamento térmico de recozimento isotérmico em baixas temperaturas para se ativar a reação. O processo de moagem de alta energia é baseado nas seguintes etapas que ocorrem no estado sólido (CAMPOS, 2005): Estágio 1: durante a colisão das esferas, as partículas que estão retidas entre as duas superfícies, ficam esmagadas, como se as duas superfícies fossem “microforjas”. Partículas achatadas com o formato de flocos podem ser então formadas (Figura 7). Estágio 2: a partícula resultante, em formato de floco, possui uma maior superfície favorecendo a soldagem a frio das partículas e microestruturas lamelares são formadas. Um acréscimo do tamanho das partículas normalmente ocorre neste estágio. Estágio 3: com a continuação do processo de moagem, partículas criadas inicialmente passam a diminuir de tamanho, devido ao encruamento que o trabalho a frio causa. Assim os mecanismos de fratura passam a ser mais atuantes. Estágio 4: os mecanismos de soldagem a frio e fratura encontram o equilíbrio, onde a dureza e o tamanho da partícula tendem a se estabilizar. Há a consolidação das partículas compósitas, atingindo um estado homogêneo em todas as partículas. A Figura 8 mostra todas as etapas de MAE. Figura 7: Ilustração de uma colisão esfera-pó-esfera durante um processo de moagem de alta energia. Fonte: Suryanarayana (2001).

(36) 34. Figura 8: Evolução da microestrutura dos pós no processo de moagem. Fonte: Suryanarayana (2001). Para se estudar o processo de moagem de alta energia é necessário conhecer tudo o que envolve seus procedimentos iniciais como: matéria-prima e os tipos de moinhos. Os pós utilizados no processo de moagem de alta energia têm um tamanho médio de 1 a 200μm, mas isso não é um fator importante na moagem, basta que estes pós sejam menores que as bolas abrasivas (SURYANARAYANA, 2001). Apesar de aparentemente simples, o processo de moagem de alta energia possui muitos parâmetros ajustáveis que influem na qualidade do produto final. Os problemas com contaminação do pó processado pelas ferramentas de moagem e/ou agentes de controle têm sido largamente reportados e métodos para eliminar e/ou reduzir estes efeitos têm sido propostos com base na escolha correta das variáveis do processo (CAMPOS, 2005). Os moinhos de alta energia se diferem basicamente na sua capacidade, eficiência de moagem e detalhes para aquecimento e resfriamento. Diferentes tipos de equipamentos de moagem de alta energia são utilizados para produzir pós ligados mecanicamente, diferindo entre eles pela sua capacidade, velocidade de operação, e sua habilidade para controlar a operação, variando a temperatura de moagem e a extensão de redução da contaminação do pó. Os moinhos. mais usados para o processamento são os SPEX, Attritor e Moinhos Planetários. Cada um tem capacidade de moagem distinta, como listado na Tabela 4..