UFOP CETEC UEMG
Dissertação de Mestrado
Desenvolvimento de um Equipamento para produção
de Pó Metálico
Autor: Robson Nunes Dal Col
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
UFOP CETEC UEMG
Robson Nunes Dal Col
"Desenvolvimento de um Equipamento para Produção de Pó
Metálico"
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
Índice
Lista de Figuras...iv
Lista de Tabelas ... xii
Lista de Notações ... xiii
Resumo ...xiv
Abstract ...xv
Capítulo 1: Introdução... 1
Capítulo 2: Objetivos ... 2
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica ... 3
3.1 Obtenção de Pós Metálicos...3
3.1.1 Atomização por Gás Inerte ... 4
3.1.2 Atomização Centrífuga ... 6
3.1.2.1 Atomização Centrífuga – Processo por Eletrodo Rotativo (REP)... 6
3.1.2.2 Atomização Centrífuga – Processo Rotativo por Feixe de Elétrons (EBRP) ... 10
3.1.3 Produção de Pó de Superligas... 12
3.2 Produtos da Metalurgia do Pó ...14
3.2.1 Metais Refratários... 14
3.2.1.1 Tungstênio... 15
3.2.1.2 Molibdênio ... 15
3.2.1.3 Tântalo ... 16
3.2.1.4 Nióbio ... 17
3.2.2 Ligas Pesadas... 17
3.3 Características de Pós Metálicos ...18
3.3.1 Pureza e Composição Química ... 18
3.3.2 Microestrutura da Partícula... 18
3.3.3 Tamanho e Forma da Partícula ... 19
3.3.4 Porosidade... 20
3.3.5 Densidade Aparente ... 21
3.3.6 Velocidade de Escoamento ... 21
3.3.7 Superfície Específica ... 22
3.4 Dipolos Magnéticos e Vetores de Campo Magnético...22
3.5 Diamagnetismo...27
3.6 Paramagnetismo ...28
3.7 Ferromagnetismo ...29
3.8 Ferrimagnetismo...31
3.9 Materiais Magnéticos ...31
3.9.1 Materiais Diamagnéticos, χm< 0 ... 31
3.9.3 Materiais Ferromagnéticos, χm> > 0 ... 33
3.10 Influência da Temperatura sobre o Comportamento Magnético ...33
3.11 Domínios e Histereses ...35
3.12 Aquecimento de Metais por Indução Magnética ...36
3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo...37
3.13 Chaveamentode Potência com IGBTs ...41
3.14 Estruturas Metaestáveis Obtidas por Resfriamento Rápido RSP ...45
3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rápida Solidificação. ... 46
3.14.2 Taxas de Resfriamento em processamento por Rápida Solidificação... 47
Capítulo 4: Materiais e Métodos ... 50
4.1 Temperatura Curie do Aço do Cadinho...50
4.2 Tanque Ressonante LC 120kHz ...51
4.3 Acionamento do Tanque Ressonante LC por IGBTs ...54
4.4 Estágio Atual do Sistema de Aquecimento Indutivo ...55
4.5 Refrigeração por Água do Tanque Ressonante...56
4.6 Oscilador e gerador de Tempo Morto...57
4.7 Driver para o Gate dos IGBTs ...58
4.8 Fonte de Potência CC 180/310V – 75A ...59
4.9 Medição dos Pulsos de Corrente Através de Sensor de Efeito Hall ...59
4.10 Centrifugação até 6130 RPM ...61
4.11 Parâmetros Considerados nos Testes Realizados ...63
4.12 Procedimento nos Testes Realizados...64
Capítulo 5: Resultados e Discussão ... 66
5.1 Aspecto do Material Obtido Após o Processo e Curvas Granulométricas...66
Capítulo 6: Conclusões ... 71
Capítulo 7: Sugestões para Trabalhos Futuros ... 72
Balanço Energético...72
Alturas e Raios de Queda Diferentes...72
Folha de Deflexão ...72
Testes para Fundição Direta de Vários Materiais metálicos...72
Controle do Sistema de Aquecimento Automatizado Através de Microcontroladores ...73
ANEXO 1 – Dispositivos Eletrônicos Componentes do Sistema ... 74
ANEXO 2 – Imagens Obtidas com Lupa Óptica, 63x... 82
ANEXO 3 – Imagens Obtidas com Microscópio Óptico... 86
Lista de Figuras
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica
Fi gura 3 .1 Co rte t ransv ersal esq uemát ico de um a un id ad e d e at omização p or gás in erte... ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ..5
Fi gura 3. 2 E fei to d o di âm et ro de p artí cula d e li gas a b ase d e níqu el so bre a altu ra n ecess ári a do equ ip amento d e atom ização ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ..6
Fi gura 3.3 Desenho esq uem áti co d o p ro cess o d e ato mização cent rí fu ga
por el et ro do rot ati vo[ 1 8 ]... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ..7
Fi gura 3 .4 P rin cipi o geral d a fab ri caçãp d e p ó met áli co por atom ização cent rífu ga[ 1 8 ]... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ..8
Fi gura 3 .5 Dist ribui ção d e tam an h o de p artí cul a, p ro cesso R EP, pó pro duzid o a p arti r de um a b arra d e 6 3.5 mm d e di âmetro giran do a 1600 0RPM[ 1 8 ]... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 10
Fi gura 3 .6 (a) D es enho esqu em áti co d o EBRP para fab ri cação de p ó met áli co . (b ) M áq uin a E BRP.. . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 11
Fi gura 3.7 D es enh o esq uem áti co d a t écni ca d es env olvi da po r Prat t & Whit ne y para p rod ução d e pós met áli co s com rápi d a s olidi fi cação ... ... ... .... ... ... ... ... ... 13
Fi gura 3. 8 R epres ent ação esq uemáti ca d e fo rm as d e p artí cul as met áli cas.. ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 19
Fi gura 3.9 Li nh as d e fo rça e v eto res d e u m camp o m agn éti co gerados po r uma bobin a p erco rrid a p o r co rrent e el ét ri ca... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 22
ex terno , n ão ex ist em dip olos; n a pres en ça d e um campo , s ão ind uzidos dipol os qu e est ão alinh ad os em di reção opo st a à di reção do campo ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 27
Fi gura 3. 11 Repres entação es qu em áti ca da d ensi dade d o flu x o, B, em fun ção da fo rça d o campo m agn éti co , H, p ara m at eriais diam agnéticos, paramagn éti cos e ferrom agn éti cos.. ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 28
Fi gura 3 .12 A co n fi gu ração do di pol o atôm ico co m e sem um campo magnéti co ex terno p ara um m at erial p aramagnéti co.. ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ..2 9
Fi gura 3 .13 Ilu stração es qu emática d o ali nhamento mú tuo d e dipol os atômi co s para u m mat erial ferrom agn éti co, o qu al irá ex istir m esm o na aus ên ci a de um campo magn éti co ex t erno. ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ..3 0
Fi gura 3. 14 G ráfi co da magn etização de s atu ração como uma fu n ção da temp eratura p ara o ferro e o Fe3O4[ 1 ]... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 34
Fi gura 3. 15 R ep resent ação es qu em áti ca d e domí nios em um mat eri al ferrom agn éti co; as set as repres ent am o s dipol os m agn éti co s atôm icos. N o interio r d e cada d om ínio, t odos os dip olo s est ão alin hados , en quanto a di reção do alin ham ento vari a de um domí nio p ara o out ro ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ..3 5
Fi gura 3 .16 Vari ação gradu al n a o ri ent ação do di polo magn éti co atrav és d a parede d e um d omíni o... ... ... ... ... ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 36
Fi gura 3 .17 D es enh o esq uem áti co do p ro cesso de aq uecim en t o indu tivo e d a pro fu ndid ad e d e aq uecim ent o obtid o atrav és d a indu ção de corrent es d e Fo ucalt n a p eça.. ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ...39
Fi gura 3.1 9 A sp ecto de 3 ti pos di ferent es de IG BTs . O M enor, a esqu erd a, tem cap acid ad e d e chav ear 7 0A , os out ro s dois, m aiores, po dem ch av ear 30 0 A sen do q ue o m aio r con sist e em d ois IG BTs m ont ad os na con fi guração d e mei a pont e em um só en caps ul amento ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 42
Fi gura 3.2 0 Est rutu ra físi ca d o IG BT.. ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .43
Fi gura 3. 21 D es en ho esqu em áti co do fun cio nam en to d e um IG BT d e can al N . Com a apli cação d a tens ão Vt h ao gate do dis posit ivo , o co rre ci rcul ação de co rren te ent re os p in os d e dren o (D ) e s o urce (S ), rotul ad os n a im agem como ano do e cato do resp ectiv am ent e. ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ..4 4
Fi gura 3 .22 Li mit es de op eração d e com pon ent es s emico ndut ores d e pot ên ci a (d ado s d e 199 4)... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 45
Fi gura 3 .23 Est ru tura d end ríti ca co m indi cação d os esp açam entos interd en drí ticos pri m ári os (λ1) e s ecund ários (λ2).. ... .. ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... 49
Capítulo 4: Parte Experimental
Fi gura 4. 1 Vista em cort e do cad inho
met áli co. ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 50
Figura 4.2 (A) Imagem do tanque ressonante LC . A bobina de trabalho pode ser vista a direita. (B) Representação do circuito LC... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 51
Fi gura 4.3 Di mensõ es d a b obin a d e t rabal ho d o t an que resson ante LC. ... ... ..5 3
Fi gura 4 .5 As p ect o da mo ntagem dos IG BT s qu e chaveiam a corrent e p ara o tan qu e ress on ant e instal ados em dissip ad or d e cal or d e alumí nio ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 54
Fi gura 4. 6 R ep resen tação esq uemát ica d a alt ern ân cia d e sentido do cam po magnéti co gerado n a b obi na d e t rabalh o em fun ção do s en tido da corrent e el étri ca apl icad a. ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ...55
Fi gura 4. 7 Cadinh o d e aço 1 050 a 892 ºC após 5 min utos d e ins erção no t an qu e resso nante... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 56
Fi gura 4 .8 (A) R ecipiente para arm azenam ent o da água d e refri geração e bomb a i nst al ad a em seu in terio r. (B) Det al hes d a dist rib u ição da águ a d e refri geração no t an q ue LC resso nant e.. ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .56
Fi gura 4 .9 (A ) La yo ut da pl aca d e circu ito do o scilado r e g erad or de t em po mort o. (B) A sp ecto final d a pl aca mo nt ad a.. ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... 57
Fi gura 4.1 0 Esqu em a do proces so de aci o nam ent o d os IG BTs .. .... ... ... ... ... ... 58
Fi gura 4.1 1 La yo ut d a p laca d o p rim ei rod riv er p ara os IG BTs e s eu asp ecto apó s mo nt ad a.. ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ...58
Fi gura 4 .12 La yo ut da pl aca da fo nte d e pot ên ci a e seu as p ecto mont ad a. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 59
Fi gura 4.1 3 (A ) Projet o d a pl aca e (B) p rot ótipo do senso r d e co rrent e mont ado em fun cio n am ento ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .60
Fi gura 4 .15 (A ) T an que resso nant e posi cion ado s ob re a cent rífu ga. (B) prat o rot ativ o d e cobre adaptado à cent rí fu ga. ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 61
Fi gura 4.1 6 C ont rol e de v elo cid ad e do p rato ro tat ivo d e cob re.... ... ... ... ... ... .61
Fi gura 4. 17 G ráfi co obtido n a cali bração do trans dut or de rot ação da cent rífu ga.. ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 62
Fi gura 4. 18 Dim ensõ es d a centí fu ga, em p art icular, a alt ura d e queda u tilizada nos en sai os. ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 63
Fi gura 4. 19 T rês pos içõ es di ferent es p ara o filet e d e ch umbo l íquid o atin gi r o prato ro tat ivo , (A ) r=0 cm, (B) r=6 cm e (C) r=11 cm. ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ..6 4
Fi gura 4.2 0 100 g d e chu mbo , ut ilizado s como mat eri al a ser fun dido no cadin ho. ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 64
Fi gura 4 .21 S eq üên ci a do p ro cedim en t o ex ecut ad o p ara v azar o fil ete de chu mbo líqu ido so bre o p rato rot ati vo de cob re.. ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 65
Capítulo 5: Resultados e Discussão
Fi gura 5.1 613 0RP M, v azam en to n o centro . (A ) A sp ecto d o mat eri al o btido apó s o ens aio, (B) as pecto do p rat o d e co bre apó s o ens aio ... .. .... ... ... ... ... ... .66
Fi gura 5. 2 61 30RPM , vaz amento com r=6cm . (A ) A sp ect o do materi al ob tido apó s o ens aio, (B) as pecto do p rat o d e co bre apó s o ens aio ... .. .... ... ... ... ... ... .67
Fi gura 5 .3 6 130RPM , vaz am ento com r=1 1cm . (A) Asp ecto d o mat eri al o btid o apó s o ens aio, (B) as pecto do p rat o d e co bre apó s o ens aio ... .. .... ... ... ... ... ... .67
partí cul as: (A) 40 00 rpm, r=0 cm; (B) 40 00 rpm, r=6 cm; (C ) 400 0rpm , r=11 cm; (D ) 600 0rp m, r=0 cm; (E ) 600 0rpm, r=6 cm ; (F) 6 000 rpm ,
r=11 cm. ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .68
Fi gura 5.5 A sp ecto d a fração m ais fi n a (< 74Zm ) d o p ó d e chu mbo o btid o n os div ers os ex perim en t os.. ... ... ... ... ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .69
Fi gura 5.6 Im agem obtid a at ravés d e l u pa ópti ca com aum ent o d e 6 3x do mat eri al at irad o p ara fo ra d a cent rí fu ga. .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 69
Fi gura 5. 7 Cu rv a granulom ét ri ca do m at erial o btid o n o t es te 3 , em 4 00 0rp m e r=6cm.. ... ... ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 70
Fi gura 5. 8 Cu rv a granulom ét ri ca do m at erial o btid o n o t es te 6 , em 6 00 0rp m e r=6cm.. ... ... ... ... ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 70
Anexo 1
Fi gura 1 .1 Di agrama d e blo co s do circui to el et rô nico do forn o d e indu ção. ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... 74
Fi gura 1 .2 Diagram a d a font e d e p ot ên ci a p ara alim ent ação do tanqu e resso nante... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 74
Fi gura 1.3 La yo ut da pl aca de circuit o d a font e d e p otência... .. .... ... ... ... ... ... 75
Fi gura 1. 4 Pl aca d e circuito do s capacit ores aux iliares d e fi ltragem da font e de pot ên ci a. ... .. ... ... . .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 75
Fi gura 1.5 Di agrama e l a yo ut d a pl aca d o os cil ado r qu e com and a o sis tem a resso nante. . ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 76
Fi gura 1.7 Di agram a e p laca d o d riv er d e alt a v el oci dade p ara mosfets ... ... ..7 8
Fi gura 1.8 Di agram a e placa d o acopl ad o r ó pti co d e dis paro p ara os Gates d os IG BT s. ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ...7 9
Fi gura 1.9 Pl aca de s upo rte p ara os IG BT s... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ..7 9
Fi gura 1.1 0 S ens or d e co rren te d e efeit o Hal l, CS N F16 1.. ... ... .... ... ... ... ... ... 80
Fi gura 1.1 1 Disp ositi vo d e co nt rol e d e v el oci dade do mot or d a
cent rífu ga.. ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ...8 1
Anexo 2
Fi gura 2.1 40 00 rpm , r=0cm. Lup a ópti ca, aum ent o d e 63x ... ... .. .... ... ... ... ... .82
Fi gura 2.2 40 00 rpm , r=6cm. Lup a ópti ca, aum ent o d e 63x ... ... .. .... ... ... ... ... .83
Fi gura 2.3 40 00 rpm , r=11 cm. Lu pa óp tica, aum ento d e 6 3x .... .. .... ... ... ... ... .83
Fi gura 2.4 60 0rpm, r=0m . Lu p a ó pti ca, au ment o d e 63x ... ... ... .. .... ... ... ... ... .84
Fi gura 2.5 60 0rpm, r=6 cm. Lu pa óp tica, aumento de 63x .. ... ... . .... ... ... ... ... ..8 4
Fi gura 2.6 60 0rpm, r=11 cm . Lu p a ó pti ca, aum ent o d e 63x ... ... .. .... ... ... ... ... .85
Anexo 3
Fi gura 3.1 400 0rpm, r=0 cm. Nit al 2 %, (A) Aum en to 2 00x , escal a 50Zm ; (B) Aum ent o 4 00x , es cal a 2 0Zm; (C ) A um ent o 80 0x , escal a 10Zm. .... ... ... ... ... ..8 6
Fi gura 3 .3 40 00 rpm , r=11 cm. N ital 2%, (A) Aum ent o 200x , escal a 50Zm; (B) Aum ent o 4 00x , es cal a 2 0Zm; (C ) A um ent o 80 0x , escal a 10Zm. .... ... ... ... ... ..8 7
Fi gura 3 .4 6 130 rpm , r=0m. Nit al 2 %, (A) Aum ent o 20 0x , escal a 50Zm; (B) Aum ent o 4 00x , es cal a 2 0Zm; (C ) A um ent o 80 0x , escal a 10Zm. .... ... ... ... ... .87
Fi gura 3.5 613 0rpm, r=6 cm. Nit al 2 %, (A) Aum en to 2 00x , escal a 50Zm ; (B) Aum ent o 4 00x , es cal a 2 0Zm; (C ) A um ent o 80 0x , escal a 10Zm. .... ... ... ... ... .87
Lista de Tabelas
Tab el a 3. 1 Al gu ns met ai s refrat ários , s eu símb olo e temp eratura d e fus ão[ 3 ].... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... .14
Tab el a 3.2 M et ais de el ev ad a densid ade... .... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 17
Tab el a 3.3 Peneiras utilizadas n a m et alu rgi a do pó ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... 20
Tab el a 3.4 U nid ad es Magnét icas e Fatores de Con v ersão p ara o s Sist em as S I e cgs u em[ 1 ].... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .... ... ... .. ... ... 26
Lista de Notações
O sím bol o, s u a d es crição e unid ad e.
F = Freqü ên ci a [ Hz]
Fr = Freqü ên ci a d e R ess on ân ci a [Hz] t = Perío do [s]
T = T emp eratu ra [ºC ]
rpm = Rot açõ es Po r Minut o [rp m]
ω = V elod id ad e An gular [rad s/s] r = R aio [m]
h = Al tu ra d e Qu ed a [m] I = Co rrent e El ét ri ca [A] V = T en são [V]
C = C apacit ân ci a [Z F] L = In du tância [H]
Q = Fato r d e Qu ali dade da Bo bin a [A dim ension al]
S = C ond utivi d ad e E lét rica, o recíp ro co 1 /(Wm) d a R esi stivi dade el étri ca [si em ens /m]
R = Resistência Elétrica [W]
σ = Resistividade Elétrica [Wm] m = M etro [m]
cm = centím et ro [c m]
W = R esi st ên cia El ét rica [W]
H = campo magn éti co ex t erno apl icad o, o u força d o campo m agnético [A/m]
B = ind ução m agn éti ca, o u d ensid ad e do flux o magn éti co [T o u Wb/m2 ]
Z = perm eabili dade magnéti ca do m ei o atrav és d o q u al o cam po H pas sa [Wb/(A.m ) o u H/m]
Resumo
Abstract
Capítulo 1: Introdução
A m et alu rgi a d o pó é a t écni ca m et alú rgi ca q ue con siste em trans fo rm ar pó s de met ais, li gas met áli cas e d e substân cias não m et áli cas em peças resis tentes, s em reco rrer s e à fu são , mas ap en as p elo emp rego d e press ão e cal or.
Os pós m et áli cos t êm sido us ad os com o mat eri ai s de en genhari a n a fabri cação d e com po nen tes e itens de co nsumo já h á b em m ais de ci nqü en ta ano s. Atu alm ent e, o mat eri al é em pregado em um grande núm ero d e segm en tos i ndu stri ais, sendo al gum as caracterís ticas impo rtant es n a caracteriz ação dos p ós metáli cos o t am anho e a distrib uição de t am anh o d as partí cul as, e a forma da p artícul a e s ua v ari ação co m o tam an ho.
O eq uip am ento des cri to n est e trab al ho const a d e um sis tem a de aqu ecim ent o d e met ais po r ind ução el et ro magnéti ca, respo ns ável p or fu ndi r o mat eri al met áli co q ue s e deseja tran sform ar em pó; e d e uma cent rí fu ga ad apt ad a p ara cen tri fu gação do m et al fu n dido a p arti r de um disco ci rcul ar d e cob re, sob re o qu al o met al fu ndi do é vaz ado .
O sist em a de aqu eci ment o po r indu ção p roj et ado e const ruí d o utiliza con tro le de co rrent e por m ei o d e IG BTs ( s
Capítulo 2: Objetivos
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica
3.1 Obtenção de Pós Metálicos
Os vári os proces sos de produ ção d e pó s, pod em s er agrup ado s nas seguint es cl as ses[ 2 ]:
1. reaçõ es quími cas e d ecomp osi ção 2. atomiz ação d e met ai s fundi dos 3. dep osi ção el et rolíti ca
4. pro cess am ent o m ecânico d e m at eriais s ól idos
O tamanho , a fo rm a e a dist rib uição dos grãos são característi cas impo rtant es n a pro du ção de p eças sint erizad as e v ari am co nforme o mét odo d e obt en ção do pó . Os méto dos d e obt en ção podem s er mecâni co , quími co, físi co e fí sico quími co . D epen dendo das caract erí sti cas d esejadas d o grão, m ais de um m étod o p od e s er emp regado su cessi vament e.
Um dos m éto dos fís icos m ais u sados é a at omização, pois pod e ser apli cado p ara p rati cament e qu alq uer m et al ou li ga qu e p oss a s er fundi do, além do fato de p od er s e pro duzir p ós de m et ais com qu alqu er t eor de p ureza. O úni co probl em a, cont udo facilm ent e sup eráv el, rel acion a s e co m a reati vid ad e quími ca do m etal , o qu e p od e ex igir at mosferas o u m eios de desint egração esp eci ais [ 3 ].
met al lí qui do e emp rego d e gas es p ara pu lverizar o j ato líq uid o d ão ori gem a partí cul as de form a es féri ca. S egu nd o Chi av erini[ 3 ], jat os d e água qu e acel eram o res friam ento p ro duz em p artí cu las de forma irregu lar.
A s eguir, s ão apres entadas al gum as form as de s e o bt er pó met áli co.
3. 1. 1 A t o m i z a ç ã o p or G á s In e r t e
Ess a é a t écni ca m ais ampl am ent e util izad a para produ ção de pó met áli co, s egund o Gessin ger[ 1 8 ]. Unidades d e atomiz ação por argôn io co m cap aci dades p ara p rodu ção d e v árias centenas d e tonel ad as por an o estão em operação em to do o mundo . Ap en as n os Estados U nid os, a cap aci dade t otal inst alada p ara a p ro dução d e d e p ó é es t imad a em 5 000 ton el ad as p or ano d e pó cl assi fi cado.
O p ro cesso cons ist e em vaz ar o m at eri al fundi do at rav és de um ori fí cio d e u m material refrat ário, qu an do ent ão é at in gi do e atomiz ado po r co rren tes d e gás d e alt a p ress ão. Fund ição p or i ndução el etrom agn éti ca a vácuo é o m éto do m ais com um ent e ut iliz ado p ara fun di r o m at eri al m et áli co . Gases in ertes (pri nci palm ent e o argôni o, mas t amb ém o h élio ) são us ado s p ara atomiz ar li gas a b as e de ní qu el.
As go tas líqu id as fo rmad as a p arti r d o j ato de gás apli cado sob re o mat eri al fun did o v azado s ão s olidi fi cad as em at mos feras p rotet oras d e gás inert e; como alt ern at iva, el as pod em s er resfri ad as em águ a o u óleo, s eguid o por um trat am ento q uímico d e limp eza d e s up erfí ci e.
Fi gura 3. 1 Co rte transv ers al esqu em áti co d e um a unidad e d e atomiz ação p or gás i nert e[ 1 8 ].
As p artí cul as de metal s olidi fi cad as s ão tamb ém resfriadas por um a placa no fu ndo d a u nid ad e e s ão tran sp ort ad as p ara d ent ro de um a s éri e d e caix as, on de aco nt ecem o p en ei ramento e a cl ass ifi cação d e t aman ho.
Fi gura 3.2 E feito d a altu ra n ecess ári a d o equip am ent o d e at omização sob re o diâmet ro d e partí cul a de li gas a b as e d e níq uel[ 1 8 ].
Perceb e se qu e con dições de t rans ferênci a d e calo r rel at ivam ent e des favo ráv eis em partí cul as m aio res co n duzem a instal ações muito gran des. Para m enores di âm et ros d e p artí cul a ent ret anto , t am anh os m u ito m eno res de equ ip amentos s ão po ssív eis.
3. 1. 2 A t o m i z a ç ã o C e nt r í f u g a
Utiliza rot ação p ara acel erar e pul veriz ar o m at erial m et áli co fun dido . Há um grand e n úmero d e v ari áv eis n est e p rin cípi o. A m ais impo rtant e é a utilização d e v ácuo ou de u ma atmo sfera inerte p ara ess e sis t em a. O cam inh o da t raj et óri a ex i gi d a para a s olidi fi cação compl et a é, co mo já t em sido discutid o, muit o m ai s lo n go no v ácuo do que em uma atmos fera in erte. V amos nos co ncen trar em d ois d os m ét odo s m ai s utiliz ad os.
3.1.2.1 Atomização Centrífuga – Processo por Eletrodo Rotativo (REP)
Fi gura 3. 3 Desenho esqu em áti co d o pro cess o de at omização cent rífu ga p or elet ro do rot ativ o[ 1 8 ].
méto do é q u e o m es mo é d es cont ínu o, p ois a b arra d eve ser tro cad a ao se r quase compl et am ent e co nsum id a.
O caso m ais geral d e at omização cent rí fu ga é most rado n a Fi gura 3 .4.
Fi gura 3.4 Pri ncipio geral d a fab ricaçã d e pó m et áli co po r ato mização cent rífu ga[ 1 8 ].
2 / 1 4 . 0 =
ρ
γ
φ
(3. 1)Ond e:
φ = di âmetro d a partí cula em mm
n = rot ações p or min uto
g = t ensão s up erfi ci al da p art ícula R = raio d a p artí cul a em mm
r = d en sid ad e d a p artícul a
Para l i gas a base d e níqu el:
2 / 1 3 10 9 . 8 × =
φ (3 .2 )
Fi gura 3. 5 Distrib uição d e tam an ho d e partí cula, process o REP, pó pro duzid o a p arti r de um a b arra d e 6 3.5 mm d e di âmetro giran do a 1600 0rpm[ 1 8 ].
O tam anh o da in st al ação mais um a v ez dep en d e muito d a es col ha do vácuo o u gás in erte com o fo rma d e res fri am ento . P ara resfri ament o em vácu o o cam inh o d a traj et óri a de v ôo da p artí cul a é ind epend ent e do di âm etro da partí cul a, e para li gas a base d e ní qu el es se v al or é de 12m p ara um d iâm et ro de b arra co nsu mív el de 40mm . A traj etóri a d e voo d a p artícul a po d e ser con sid eravelm ente reduzi do (0.5m a 1 .5m) p el o uso de uma atmos fera prot et ora.
3.1.2.2 Atomização Centrífuga – Processo Rotativo por Feixe de Elétrons (EBRP)
(a) (b)
Fi gura 3 .6 (a) D es enho esq uemát ico do EBRP p ara fabri cação de pó met áli co. (b) M áqui n a E BRP[ 1 8 ].
em alt ura. P ara redu zir as dim ens ões do equip am ent o, o metal at omizado é des viado po r um a fo l ha de d esvi o d en tro de um recept ácul o p ara co let a do pó. As got as com eçam a esfri ar no p ercursso da m argem do cadi nho p ara a folh a de d esv io res friada com águ a. Um a d esin tegração segun d ári a n a folh a d e des vio po de acont ecer s e partí cul as grandes com eçarem a s e s olidi fi car n a sup erfí ci e, m as estiv erem ai nd a lí quid as no n úcleo.
Sob cert as co ndi çõ es , ess as p artí cul as se quebram du rant e a colis ão n a folh a d e d es vio. Is s o geralm en te cau sa a fo rm ação de p artícul as pl an as e vári as partí cul as esféri cas a p art ir do fun dido rem an es cent e. Isso não s ó caus a uma dist en são con si derável d o esp ectro de t am an ho da p artí cula, m as t amb ém um aum ento n a prop orção d e p artí cu las p lan as.
O E BRP po de s er d esen volv ido ai nd a p el a s ubsti tui ção do el etrod o p or um fl ux o d e fund i ção cont ínu o. Al ega se qu e ess e process o o ferece a possi bilid ad e d e refi nar s up er li gas d e n íqu el através d o n ad o d e im pu rez as cerâmi cas na su perfíci e d a pis ci na do mat eri al fundido , q ue po deri am ser es cum ad as do fundi d o ant es da at omização.
A prin cip al v ant agem do E BRP é qu e es te t em o po tencial para refi nar a pu reza d a li ga d urant e a at omização , desd e qu e a at om ização com pl eta oco rra em alto v ácuo . Por ou tro lad o, h á difi cul dades no cont rol e do t am anh o da p artí cul a e na d istri bui ção d a form a. E m geral, partí culas es féri cas e rel ati vament e fin as s ão d es ej ad as p ara o pro cess am ent o, e es s as p rop ri ed ad es são melho r al can çad as pel a at omização a gás in ert e.
3. 1. 3 P r o d u ç ã o d e P ó d e S u p e r l i g as
Ex istem três técn icas para a p ro du ção de pó d e sup erli gas po r rápid a solidi fi cação:
1. atomiz ação cent rífu ga com res friam en to conv ectivo forçado . 2. rot ação d o fun dido , ou ex tração em filam ent o contí nu o p ara
Nos con centraremos aqu i n a prim ei ra cit ada.
Est a t écni ca foi d es env olvi da p or Pratt & Whit ne y, Fl órid a. O ap arel ho de atomiz ação é most rado esqu emati cament e n a Fi gu ra 3. 7.
Fi gura 3. 7 Desenho esq uem áti co d a técn ica d es en vol vid a por Pratt & Whitne y p ara p rod u ção de pó s m et áli cos com rápi da sol idi ficação[ 1 8 ].
impuls o radi al é us ada p ara girar o p rato atomiz ador a cerca de 2 400 0RPM. O rendim ent o do p ó na faix a d e 10 1 00 Zm é da o rd em d e 70% do p es o des pej ado.
3.2 Produtos da Metalurgia do Pó
Os p ro duto s o btid os pel a m et alu rgia do pó p od em s er di vi didos em dois gran des grup o s[ 3 ]. No p rim eiro, incl uem s e aq ueles qu e, por su as pró pri as caract erísti cas o u p el as prop riedad es fi nais d es ej ad as, só pod em se r obtid os p el a t écni ca da com pact ação e si nterização a p arti r d e pó s m etálicos. No segun do grup o, estão incluíd os os prod utos qu e, emb ora poss am s er fabri cad os p elos pro cesso s met al úrgi co s co nv en cio nais s ão m ais econo micam ent e e efici ent em ent e obtid os pela metal urgi a d o p ó.
3.2.1 Metais Refratários
Os m et ais ass im ch amad os s ão os de alt o po nto de fusão e que, p or ess a razão , s ão di fí ceis d e serem t rans fo rmados em m at eri ais de forma ou perfi l es peci fi cados , a p artir d o estado líqu ido . Ent re el es, o s mai s impo rtant es s ão o tu n gst êni o, o mol ibd ên io, o t ânt alo e o niób io.
Tab el a 3.1 Al guns met ais refrat ári os, seu sím bolo e temperatu ra d e fus ão[ 3 ].
Meta l . Sí mbolo Ponto d e Fu são
Tun gst ênio W 3410 ºC Molib dênio Mo 2610 ºC
3.2.1.1 Tungstênio
No rmal ment e s ão produzid os fios ou b arras a p art ir d e s eu pó. P od e ser fun did o a arco em vácu o ou po r feix e de elétrons ou laser. O pó d e tun gs tênio é obti do pelo t ratamento d e seus próprios mi nérios , qu e s ão a volframit a e a x elita.
O pó d e tu n gst ên io é comp actado n a forma d e b arras, a p ressõ es d a ord em d e 3 80 a 58 0 kPa. As b arras são pré sint erizadas em atmo sfera d e hidro gêni o, entre 10 00ºC e 11 00 ºC, de modo a adq uirirem cert a consi st ên cia que po ssibi lit e s eu m anu sei o post erio r.
Além d e ser pro ces s ado n a fo rm a de fi os ou b arras, o t un gst ênio pod e tamb ém s er produzi do po r lam in ação n a form a d e chapas co m esp ess uras d a ord em d e 0 .02mm .
Al gum as apli cações do tu n gs tênio são as seguint es:
• fil amentos p ara l âmp ad as i ncan descen tes, ond e a t emp erat ura de servi ço ati n ge at é 2 5 00ºC;
• con tat os el ét ricos;
• el etrodo s d e raios X;
• el etrodo s d e sold agem e el et ro dos d e v el as de i gnição .
• el ementos de aq ueciment o d e fornos el étri co s e, n a forma com pact ad a d e peças, em di spo sitiv os d e alt o v ácuo, al ém de outras apli cações.
3.2.1.2 Molibdênio
Sua o bt en ção é s em elh ant e à d o tu n gst êni o. Dos m in éri os de molibd ên io, o btém s e po r trat amento q u ímico , molib dato d e amôni a qu e é trans fo rm ado em Mo O3 e a s egui r reduzi d o so b hi dro gêni o p uro.
O pó d e molib dênio é comp act ado n a form a d e barras e si nterizado pel a pass agem d iret a de corrent e el ét rica através das b arras.
• el ementos d e aq ueci ment o p ara fornos el étricos at é t emp eratu ras da ordem d e 160 0ºC ou p ou co mai s;
• el etrodo s d e raio X;
• con tat os el ét ricos;
• gan ch os de su po rt e d e fil am ento s em l âm pad as in candes cent es .
3.2.1.3 Tântalo
O pó d e tânt alo é obt ido a p arti r de mi nérios em q ue no rmal m ent e está tamb ém p resent e o nióbio. O pó de tânt alo é, depois de com pact ad o , sint eriz ado em alto vácuo a temp erat uras ent re 2 600ºC e 270 0ºC p el a pas sagem d e co rrent e el étri ca at rav és d os co mp act ados.
Uma d e su as mais i mportantes apli cações veri fi ca s e em ci ru rgi a, para reco mpo r ou uni r os sos qu ebrad os e cart ilagem d es tru íd a. Fi os d e tânt alo d e diâm et ro eq uiv al ent e ao de um cab elo hu man o s ão u tilizados para uni r n ervo s e t end ões cort ad os, os n ervos rep arad os tem si do p ro tegido s po r folh as d e tânt alo .
Devido a su a alt a resist ên ci a à co rros ão, o t ânt al o é i gualm ent e apli cado em recipi entes , tu bos , agit ado res e p eças id ênti cas para in dúst ri a quími ca. O utras apl icações in clu em l âm inas para tu rbin as a vap or, bo cais, vál vul as, di afragmas, et c. H á al gum t emp o, já v em sen d o utilizados n a fabri cação d e cap aci tores, poi s p ermit e que maio res v alo res de cap acit ân ci a poss am ser al can çad os em v olum es cad a vez m en ores .
3.2.1.4 Nióbio
Ess e met al ap resent a muita s em elh an ça com o tântalo, n ão s ó no qu e se refere à su a obt en ção, p ois est ão geral ment e asso ci ad os em minério s, como tamb ém em rel ação às caract erísti cas d e conform ação m ecâni ca e à resist ên ci a à co rros ão pela ação de inúm eros áci dos.
O pó de ni óbi o é comp actado e si nt eriz ad o sob al to v ácuo, em pro cess os i dênti cos aos d o t ânt alo .
Sua p rin ci pal ap licação é em tub os elet rô nicos. T am bém é u til izado na indús tri a de cap acit o res.
3.2.2 Ligas Pesadas
Ex istem in úmeras aplicaçõ es em set ores indust ri ais esp eci alizado s e de alt o co nteúd o t ecnol ó gi co n as qu ais em al guns dos dispo sitiv os ou equ ip amentos em pregad os s e ex i ge alt a den sid ad e d o material. Ex emplo s típicos s ão rep res entados po r recept áculos ou cápsulas p ara su bst ân ci as radio ativ as e bli nd agens ou ant ep aros para raios X.
Os m et ais d e m ai s el ev ad a d ens id ad e conh ecido s s ão, pela ord em , ap resent ado s n a Tab el a 3 .2:
T abel a 3.2 Met ai s d e el ev ad a d ensi dad e[ 3 ]
Meta l . Sí mbolo Dens idad e
3.3 Características de Pós Metálicos
Além da p ureza e co mpos ição q uí mica, out ras carat erí sti cas impo rtant es dos pós met áli cos , s egund o Chiaverini[ 3 ], s ão:
1. micro est rutu ra da p artí cul a 2. fo rma d a partí cul a
3. tam anh o d a partí cu la 4. porosid ad e d a p artí cula 5. den sid ad e ap arent e
6. vel oci dade d e es co ament o 7. sup erfí ci e esp ecífica
3.3.1 Pureza e Composição Química
Em al gu ns p ós m et áli cos , como o d e ferro, o n ív el de elem ento s impu ros pres en tes pod e alt erar o utras caract erí sti cas d o pó e afetar a qualid ad e d o p rod ut o fi nal . N o caso cit ado d o ferro, d epend endo d o p ro cess o de fab ri cação e da matéri a prim a ado tad os, as impu rez as pres entes são norm alm en te silí cio , geralm ent e n a fo rma d e síli ca, al ém de ox igên io, geralment e n a fo rm a de óx ido de ferro.
3.3.2 Microestrutura da Partícula
Ess a caract erísti ca pod e afet ar b ast an t e o comp ort am ent o dos pó s durant e as o p erações de com p act ação e si nt eriz ação e, p ort anto, as pro pri ed ades do pro duto fin al. Em p rin cípio, pod e se dist in guir d u as class es de mi cro est rut ura: p olicrist ali na, on d e cad a p artícul a cont ém muitos grão s e mono crist alin a, on de o t am anh o d e p artí cula e o t am an ho de grão coi nci dem.
quanto direcio nal mente, no produ to si nt erizado, devid o ao m eno r t am an ho d e grão res ult ant e. D o mesmo mo do, as alteraçõ es di mensio n ais qu e o co rrem durant e a si nt eriz ação s ão mai s uni fo rm es, o qu e con tri bui igu alment e p ar a pro pri ed ades m ecân i cas fin ais sup erio res.
3.3.3 Tamanho e Forma da Partícula
Ess as du as caract erí sticas estão i ntim ament e rel acion ad as e s ão , na reali dade, as m ais i mportantes nos p ós met áli cos . A fi gu ra 3.8 rep res ent a os prin ci pai s ti pos d e form a d e p artí culas m et áli cas .
Fi gura 3.8 Represent ação esq uemát i ca d e form as d e partí cul as met áli cas[ 3 ].
Como s e v ê, a m aiori a d os p ós ap resent a fo rm a irregu l ar, qu e, ap aren tem ente, seri a menos favo rável à comp act ação qu e a fo rma es féri ca. N a reali dade, a form a irregu lar, p el a in teração do s conto rnos d as v ári as partí cul as en tre s i , tend eria a p rod uzir com pact ad os com mel ho res característ icas d e sint eriz ação embo ra s e pos sa admit ir i nicial mente característ icas d e co mpact ação in feri ores .
ad equ ada con fere m elh ores caract erísti cas d e co mp act ação e sint erização e pro pri ed ades sup eriores no p ro dut o sinterizado. A det ermin ação da com posi ção gran ulo mét rica é p ois m uito impo rt ant e.
Na práti ca, os t am anhos d e p artícul a d os pó s m et álicos variam d e 0.1Zm a 4 00 Zm , o u sej a, 0.0 001 mm a 0. 4mm. Um d os m éto d os m ais com uns para d et ermin ar s e a compo si ção gran ulo mét rica é o p en ei rament o, op eração que p ermit e i gu alm ente p reparar q uantid ad es d e p ós d e t am anhos di ferent es para p ost erior mi stu ra, em d et ermi n ad as apli caçõ es . A tabel a 3.3 mo stra as séries d e pen eiras uti lizad as na m etalu rgi a d o p ó.
T ab el a 3 .3 P enei ras u tilizadas n a met alurgi a do pó.
Designa çã o da Peneira U.S. Stand ard Tyler S tanda rd
4 m Nú mero d e Malh a Abertura da Peneira, mm Nú mero d e Malh a
177 80 0.17 7 80
149 100 0.14 9 100
125 120 0.12 5 115
105 140 0.10 5 150
88 170 0.08 8 170
74 200 0.07 4 200
63 230 0.06 3 250
53 270 0.05 3 270
44 325 0.04 4 325
37 400 0.03 7 400
3.3.4 Porosidade
sup erfí ci e, o co rrerá um acréscimo d a sup erfí ci e es pecí fi ca das partí cul as , al ém d e fi car facilit ada a abso rção d e gas es du rante o s eu pro cess am ent o.
3.3.5 Densidade Aparente
Defin e s e densid ade ap aren te com o o pes o de um a uni dade d e volum e do p ó solto o u a rel ação d o p es o p ara o v olum e, ex pres sa em g/ cm3. a impo rtância des sa característ ica resid e no fato d e q ue ela d et ermi n a o verd ad ei ro volu me ocu pado po r uma mass a d e p ó e, em últim a an áli se, det ermin a a profun did ad e d a cavi dade da m atriz d e co mpact ação e o com prim en to d o cu rs o d a p rens a n ecess ários p ara co mp actar e densi ficar o pó solto .
É obtid a geralm en t e at rav és d a med i da do p es o co ntid o em um reci pient e t arad o p reen chi do com pó p elo seu v olum e.
3.3.6 Velocidade de Escoamento
Ess a é out ra caract erí sti ca impo rt ant e dos p ós m et áli cos . Defin e s e com o o t empo n ecessário p ara um a certa qu anti dade de pó es co ar de um reci pient e através d e um o ri fício, am bos d e fo rm a e acab amento esp eci ficad os. A v elo cid ad e d e es co am ento depend e da fo rm a e da distribui ção d e t am anho d a p artí cul a. Al ém diss o, o co eficiente d e at rito do pró pri o pó , ev ent u al ment e su as p ro pri edades el etrost áti cas e magnéti cas , al ém de umid ad e pres en te, pod em afetar a v elo cid ad e de escoament o.
3.3.7 Superfície Específica
Defin e s e co mo a área s up erfi ci al ex press a em cm2/ g de um a det ermin ad a p artí cul a. A imp ort ân ci a d es sa característ ica con siste no fato d e que qu al qu er reação en tre as p artí cu las ou ent re elas e o m eio circu nvizin ho se ini ci a n as su as s uperfí cies, de mo do qu e a op eração de sint eriz ação s erá afet ad a pel a rel ação ent re a área s up erfi ci al e o volum e da p art ícul a.
3.4 Dipolos Magnéticos e Vetores de Campo Magnético
As fo rças magn éticas s ão gerad as p el o movim ento d e p art ículas carregad as el et ri cam ent e. É con veni ent e pens ar nas fo rças magnéti cas em termos d e campo s. Li nh as d e fo rça im agi n ári as pod em s er des en hadas p ara indi car a di reção da fo rça em p osi çõ es n a vizinh an ça d a font e do cam po, vid e Fi gura 3 .9 ab aix o. Nesta fi gura s ão também i ndi cados os vet ores d e campo magnéti co.
Fi gura 3 .9 Li nh as d e força e v et ores d e um campo m agnético gerados por um a bobi na p ercorrid a p or corrent e elét rica.
magnéti cos po dem s er t omados com o pequenos im ãs d e b arra co mpo stos p or pólo no rt e e sul , em vez de um a carga el ét rica positiv a e negat iv a. Os momentos di pol o magn éti co s são represent ad os po r mei o de s etas, com o mostrado n a Fi gu ra 3.9. Os dip olos m agnéti co s são influ en ci ado s po r camp os magnéti cos d e um m odo s em elh ant e àqu ele s egu ndo o s dip ol os el ét ri cos s ão afet ad os p elos camp os el ét ricos. No int erio r de u m campo m agn éti co , a força do p ró pri o cam po ex erce um t orqu e p ara o ri ent ar os dip olo s em rel ação ao campo . Um ex emp lo fam ili ar é a maneira p el a qu al a agul ha de um a b úss ol a magnéti ca se al inh a com o campo m agn ét ico d a T erra.
O cam po m agnético apli cado ex t ernam en te, al gum as vez es ch am ado d e fo rça d o cam po m agnético, é d esi gn ad o po r H . S e o cam po m agn éti co fo r gerado at rav és d e u ma bob in a cilí nd rica (o u sol enóide) qu e co nsist e em N volt as com pequ en o esp açam ent o, d e comprimento l, percorrid a po r um a co rren te I, ent ão
⋅
= (3.3 )
Ond e :
H = campo magn éti co ex t erno apl icad o, o u força d o campo m agnético [A.espi ra/ m]
N = Núm ero d e es piras da bo bin a I = Co rrent e elétri ca [A]
l = comp rim ento d a bobin a [m]
A ind ução m agn éti ca, o u d ensi dade do flux o magnét ico, in di cado p or B, repres en ta a magnitu de d a força do cam po int erno n o interio r d e um a subst ân ci a q ue é sub metid a a um camp o H. as u nid ad es para B s ão teslas (ou webers po r met ro qu ad rado, Wb/m2). Tan to B co mo H são v et ores de cam po, sen do carat erizad os não som en te p el a su a m agnitud e, m as t ambém p el a su a direção n o esp aço.
⋅
= (3.4 )
Ond e :
B = ind ução m agn éti ca, o u d ensid ad e do flux o magn éti co [T o u Wb/m2]
Z = perm eabili dade magnéti ca do m ei o atrav és d o q u al o cam po H pas sa [Wb/(A.m ) o u H/m]
H = campo magn éti co ex t erno apl icad o, o u força d o campo m agnético [A.espi ra/ m]
No vácu o,
⋅ = 0
0 (3. 5)
Ond e:
B0 = d ensid ad e do fl ux o no vácu o [T ou Wb/m2]
Z0 = p erm eabilid ad e do v ácuo , co nst ant e univ ersal, [4π×1 0 7 (1. 257 ×1 0 6) H /m]
H = campo magn éti co ex t erno apl icad o, o u força d o campo m agnético [A.espi ra/ m]
Vário s p arâm et ros p odem s er utiliz ado s para d es crever as p ropri ed ades magnéti cas dos s ó lidos . Um des ses parâmet ro s é a raz ão ent re a perm eabilid ad e em u m mat eri al e a perm eabili dad e n o v ácuo , ou s ej a
0
= (3 . 6)
Ond e:
Zr = p ermeabilid ad e rel ati va [adimensi on al]
Z0 = p erm eabilid ad e do v ácuo , co nst ant e univ ersal, [4π×1 0 7 (1. 257 ×1 0 6) H /m]
A p ermeab ilid ad e rel ativ a de um mat erial é um a medid a do grau segund o o qu al o material p od e ser m agn etizado, o u da facili dad e com qu e u m campo B p od e s er in duzido n a p res en ça d e u m cam po H ex tern o.
Uma out ra grand eza d e cam po, M, cham ad a d e m agneti zação do sólid o, é d efinid a p el a Eq. 3. 7. N a p res en ça de um cam po H, os mom ent os magnéti cos n o int eri or d e um m at eri al t endem a fi car ali nh ad os com o camp o e a refo rçar o m esm o em vi rtu d e d os s eus campos m agn éti cos; o t erm o Z0.M na Eq. 3 .5 é uma m edid a d ess a cont ribu ição.
⋅ + ⋅
= 0 0 (3.7 )
Ond e:
B = ind ução m agn éti ca, o u d ensid ad e do flux o magn éti co [T o u Wb/m2]
Z0 = p erm eabilid ad e do v ácuo , co nst ant e univ ersal, [4π×1 0 7 (1. 257 ×1 0 6) H /m]
H = campo magn éti co ex t erno apl icad o, o u força d o campo m agnético [A.espi ra/ m]
M = M agn etiz ação d o sól ido
A m agn itud e de M é pro po rci on al ao cam po apli cado da s egui nte man ei ra:
⋅
=χ (3.8 )
M = M agn etiz ação d o sól ido
χm = S us ceptibil id ad e m agnét ica [ adim en sion al]
A su sceptibili d ad e m agn éti ca e a perm eab ilidade relati va estão rel acio nad as d a segu inte form a:
1
− =
χ (3. 9)
As unid ad es m agn éticas pod em s er u ma fo nte d e confusão , p ois ex istem na real id ade d ois si stemas comum ent e util izad o s. As unid ad es utilizadas at é o m o ment o s ão d o S I (sistema MKS – m etro qu ilo gram a segund o); as o ut ras unid ad es s ão ori gin árias do s ist ema cgs uem (cen tím etro gram a s egun do uni d ad e elet ro magn éti ca). A s uni dades para am bos os sistemas, assi m com o os fato res d e con v ersão ap rop ri ado s, estão in cluí dos na Tab el a 3.4 .
Tab el a 3. 4 Unid ad es M agn éti cas e Fat ores de Co nv ersão p ara os Sistem as S I e cgs u em[ 1 ].
Sí mbolo Unidad es SI
Grand eza
SI Cgs .uem Deriv ada Pri má ria
Unidad e cgs .u em
Conv ersã o
In d ução magnéti ca (d ensi dad e d o flux o)
B tesl a
(Wb/m2)
K g/ (s.C ) Gauss 1Wb/m2=1 04gauss
Fo rça do cam po magnéti co
H A/m C/(m. s) Oerst ed 1A/m=4π×10 3oersted
Magnet ização M I A/m C/(m. s) Max w ell/ cm2 1A/m =1 0 3
maw ell/ cm2 Perm eabil id ad e
do v ácuo
Z0 H/m k g.m/C2 Adim. (u em0 4π×10 7H/m=1uem
Perm eabil id ad e rel ati va
Zr Z’ Adim. Adim. Adim. Zr = Z’
3.5 Diamagnetismo
O di amagn etism o é uma fo rma m uito fraca d e m agn eti smo que é n ão perm an ent e e qu e p ersist e som ent e enq uan to um camp o ex terno est á sendo apli cado . E le é ind u zido atrav és d e um a alt eração no m ovim ent o o rbit al dos el étrons d evi do à apli cação de um camp o magnét ico. A magnit ud e do momento m agnético induzid o é ex trem am ent e p eq uena, e em um a direção opost a àqu ela do campo q u e foi apl icad o , con fo rm e mo stra a Fi gura 3.1 0.
Fi gura 3 .10 A con fi gu ração do d ipol o atômi co para um mat eri al diam agnético com e sem a p res en ça de u m campo m agn éti co. Na au sência de um camp o ex tern o, não ex istem dip ol os; n a p resença d e um camp o, s ão induzid os dipol os qu e est ão al inh ad os em direção opo sta à di reção d o cam po.
Fi gura 3. 11 Repres entação esqu em áti ca da d ensi d ad e do fl u x o, B, em fun ção d a fo rça do camp o m agnét ico, H, p ara materi ais di amagn éti cos , paramagn éti cos e ferrom agn éti cos.
3.6 Paramagnetismo
Fi gura 3. 12 A con fi guração do dip olo atômico com e sem u m cam po magnéti co ex terno p ara um m at erial p aramagnéti co.
Ess es di pol os m agn ético s s ão atu ad os in divid ual mente, s em qualqu er interação m útu a ent re dip olos ad jacent es. Uma vez que o s dip olos s e alinh am fracamente com o camp o ex terno, eles o aum ent am, d and o ori gem a u ma perm eabilid ad e rel at iva, Zr, qu e é m aio r d o q u e a u nid ad e, além d e um a sus ceptibil id ad e m agnéti ca q ue, ap es ar d e rel ativ am ent e pequ ena, é po sitiv a.
Tan to os m at eri ais diam agnéticos como os mat eri ais p aram agn éti co s são co nsi derado s n ão m agn éti cos, pois el es ex ibem magn et ização som ent e quando s e en cont ram na pres en ça d e um camp o ex t erno. Ain d a, p ara amb os o s mat eri ai s, a d en sid ade do flux o B no s eu interio r é q uase a mesm a qu e s eri a no v ácuo .
3.7 Ferromagnetismo
ferrom agn éti cos. C o nsequ ent em ent e, H <<M, e, a p artir d a eq uação 3.7 , pod emos escrev er
⋅
≅ 0 (3. 10 )
Os mom ent os magn ético s perm an ent es n os mat eriais ferro magnéticos result am d os m omen tos m agn éti co s atôm icos d evid os aos spi ns do s elét ro ns (spi ns elet rô ni cos n ão can cel ados como cons eqü ên ci a d a estru tura el et rô nica). Ex iste t amb ém um a peq uen a cont ribu ição, s e comp arada co m a do mom ento magnéti co de s pin , do mom ent o magn ét ico o rbi tal . Além d o mais , em u m mat eri al ferrom agn éti co, o p aream ent o de int eraçõ es faz com qu e o s momentos m agnét icos de s pins lí quid os ou gl ob ais d e átom os adj acent es s e alin hem un s com o s out ro s, m esm o n a au sênci a de um campo ex terno . A fi gu ra 3 .13 ilu stra es quemati cam ent e i sso .
Fi gura 3.1 3 Ilus tração es qu em áti ca do alinh amento mút uo d e di pol os atômi co s p ara um mat eri al ferromagn ético , o qu al i rá ex istir mesmo na aus ên ci a de um camp o m agn éti co ex tern o.
regiõ es v olum ét ricas relati v ament e grandes do cri stal, co nheci das co mo domíni os.
A máx im a magn etiz ação pos sív el, o u m agn etiz ação de sat uração, Ms, de um m at erial ferro magnéti co rep resent a a m agnet ização qu e resu lta qu and o todos os di pol os m agnéticos em um a p eça sól id a estão mut uament e alin hados com o camp o ex tern o; ex iste t amb ém um a densid ad e d e flux o de s atu ração, Bs, co rres pon dent e.
3.8 Ferrimagnetismo
Al gum as cerâm icas tamb ém ex ibem um a m agn etiz ação p erman ent e, con heci da po r ferri magneti smo . As característ icas m agn éti cas macros có picas dos ferromagn etos e dos ferrim agn etos s ão sem elh ant es ; a dist inção res id e na font e dos mom en tos magnéti cos lí qui dos.
3.9 Materiais Magnéticos
Os mat eriais mag néti co s são agrup ado s, geralm ent e, em três catego rias:
• os di am agnét icos (χm < 0 ) ,
• os p aram agn éti cos (χm > 0 )
• e o s ferrom agn éti co s (χm >> 0 ).
3.9.1 Materiais Diamagnéticos, χm < 0
Neste sentid o os mat eri ai s di am agn éti co s são caracterizad os, tamb ém, pel o fato d e qu e os átomos n ão p rod uzem um momento m agn ét ico p ermanent e. Ou, m ais ex at ament e, os efeit os d as mi cro co rrent es no in t eri or de u m dos átom os se anu lam , tal qu e o mom ento m agn éti co result ant e n o átom o é zero. Ness as ci rcun stânci as, q uando apli cam os um camp o magnéti co , pequ en as co rren tes s ão p ro du zidas no i nterio r do átomo p or in du ção magn éti ca. D e acordo co m a l ei de Lenz, ess as corrent es s ão t ais qu e se op õem ao cres cim ent o do camp o ex terno . Ent ão os momentos m agnético s induzid os no s átom os s erão n a di reção o post a ao campo magn éti co apli cado. Assi m, os momentos m agn éti co s ind uzido s n os át om os s erão n a di reção o post a ao cam po ex terno .
Para um m at eri al estrit am ent e di am agn éti co a p ermeab ilid ad e Zr é tipicam ent e meno r d o qu e Zo na rel ação d e 1 p arte em 106.
3.9.2 Materiais Paramagnéticos, χm > 0
Qu and o um materi al , tal como a pl atin a, é col ocada n a p res en ça d e um camp o magn éti co ex terno , os mo ment os m agn éti co s do materi al s ão alin hados com o campo ex t erno, e o fl ux o de cam po den tro do m at eri al é aum ent ad o. A s linh as do campo m agn éti co ex t erno p enet ram no materi al faz end o co m qu e os dipol os magn éti cos do mat erial se alinh em co m a mesma direção do camp o. Em term os dos p arâm et ros m agn éti cos, os m ateri ais paramagn éti cos são caracteriz ados p ela magnetiz ação M n a mesm a di reção d e B. P ara est e ti po d e mat eri al , a uma tem peratu ra amb iente, a perm eabilid ad e Zr p od e ex ceder a Zo fat or d e 1 a 1 00 part es em 106.
pres en ça de campo ex terno. A ori gem do paramagn etism o é o mom ent o magnéti co con st ant e as so ci ado com o s pin el et rôni co. C om o n ão ex ist e um con ceito cl ássi co eq uiv alent e ao spin (q uân tico) pod emo s afirm ar q u e est e fenôm en o só po d e s er ex plicad o com a aj uda d a t eo ria q u ânti ca.
3.9.3 Materiais Ferromagnéticos, χm > > 0
A p ro pri ed ad e p ecu liar d os m at eriais ferrom agn éti cos tai s co mo o ferro, níqu el e o cob alto é qu e a sus cetib ilidade m agn éti ca, a magnetiz ação e a perm eabili dade n ão s ão const ant es mas d ep end em , para um parti cul ar mat eri al , de su a his tori a m agn éti ca e t érm ica p ass ad a. To dos os m at eriai s ferrom agn éti cos s ão fo rt em ent e p aramag néti co s, co ntud o, no sentid o d e qu e um camp o ex tern o apli cado pod e aum entar s ensi velment e a d ensi dade de flux o m agn éti co no interio r d o m at eri al . Por ex emp lo, a permeabili dade Zr pod e ex ced er a Zo po r um fat or sup erio r a 103.
Os m at eri ai s ferrom agn éti co s t êm átom o s com mom entos magnéticos perm an ent es. E ss es moment os magn ét icos est ão alinh ad os, mesmo em aus ên ci a de um cam po m agn éti co ex t ern o. E ntret ant o a agit ação t érmica em temp eraturas s ufi ci entem ent e elevadas trans fo rma ess e tipo de mat erial em paramagn éti co. N os materi ais ferromag néti co s, d evido ao alin ham ento dos momentos m agn éti cos n o i nt eri or do mat eri al , est es p rod uzem um camp o magnéti co, m esm o em ausên cia d e campo ex tern o.
3.10 Influência da Temperatura sobre o Comportamento Magnético
torn ar al eató ri as as direções d e qu ai s quer mom ent os qu e poss am est ar alin hados .
Para os materi ais ferromagn éti cos , ant iferrom agn éticos e ferrim agn éti co s, os movim ent os t érmi co s at ômi cos v ão ao con trário das forças de p aream ento ent re os m om ent os dip olo at ômicos adj acent es , causando al gu m des ali nh am ento do d ipolo , ind ep en dent e do fato de um camp o ex terno est ar pres ent e. Is so result a em um a dimin ui ção n a m agn etiz ação d e s atu ração t anto para os m at eri ais ferro magn éti cos com o p ara os ferrim agn éti co s. A magnetiz ação de s atu ração é máx ima à temp erat ura d e 0K, em cuj as con di çõ es as vib raçõ es t érmi cas s ão míni mas. Com o aum ent o da t em peratu ra, a m agn etiz ação d e s atu ração dimin ui gradualment e, e ent ão cai ab rupt am ent e para z ero, no q ue é conh ecido po r t emp eratu ra Cu rie, T c. A T c é no rm alm ent e inferio r ao pon to d e fus ão d o m at eri al . O s com portam ento s m agn etiz ação temp eratura p ara o ferro e o Fe304 est ão rep resent ado s n a Fi gu ra 3. 14.
Fi gura 3.1 4 G ráfico da magn etização de sat uração com o um a fun ção da tem peratu ra p ara o ferro e o Fe3O4[ 1 ].
magnitud e d a t emp eratu ra Curi e vari a d e mat eri al p ara m ateri al; po r ex em plo, para o ferro , cob alto, níqu el e Fe304, os resp ectivo s val ores para a temp eratura Cu ri e são d e 768, 1 120 , 33 5 e 585°C . A T c do metal t erra rara gad olín eo é 16 ºC.
3.11 Domínios e Histereses
Qu alqu er mat eri al ferromagn éti co o u ferrimagnét ico qu e se enco ntre a uma t emp erat ura ab aix o de Tc é comp o sto po r regi õ es d e peq ueno v olum e ond e ex ist e um alin ham ent o mútu o d e t odos o s mom entos d ipolo m agnét icos na mes ma di reção , como est á i lust rado n a Fi gura 3. 15.
Fi gura 3.1 5 Repres entação esq uemát ica de domín ios em um mat erial ferrom agn éti co; as set as repres ent am o s dipol os m agn éti co s atôm icos. N o interio r d e cada d om ínio, t odos os dip olo s est ão alin hados , en quanto a di reção do alin ham ento vari a de um domí nio p ara o out ro .
Fi gura 3. 16 V ari ação gradu al n a o rientação do dip olo magnéti co através d a pared e d e um do míni o.
No rmal ment e, os do mínios poss uem dim ens ões mi cro scópi cas, e p ara uma am ost ra pol icris talin a, cada grão po d e con sistir em m ais d o qu e um ú nico domíni o. Dess a form a, em u ma p eça de m at erial com dim ensõ es macros cópi cas, ex ist ira um gran de núm ero d e domí nios , e to dos p od erão ter diferentes ori entaçõ es d e magn etização . A magnitud e d o camp o M para o sólid o com o um to do é a som a v eto rial d as m agn etizaçõ es d e to dos os domíni os, on d e a co ntri bui ção de cada d omínio é p ond erad a de aco rd o com sua fração volum ét rica. No caso d e um a amo stra n ão m agn etizada, a som a vet ori al ap rop ri ad am ent e po nd erad a d as magnetiz açõ es d e to dos os d omíni os é i gu al a z ero.
3.12 Aquecimento de Metais por Indução Magnética
Os pri n cípio s físi cos do proces so d e aqu ecimento indut ivo, s ão con heci dos h á m ais de cem an os e fo ram disp oni bilizados p ara o uso p rático em m eados do sécul o X X. As t écni cas do aqu ecim ento ind utivo at ualm ente con tri bu em com qu ase t od as as ind úst rias d e m anu fatu ra, d es de a prep aração de p as tilh as d e s i lício pu ro p ara co mpon ent es m icroel etrôn icos até o pro cess am ent o d e ch ap as d e aço p es and o 25 ton el ad as o u mais. O u so d est as técni cas ind ubit av el ment e cres cerá com a demand a do us o mais efi ci ent e d a en ergi a el étrica e com ou tros recurso s de produ ção ass oci ad os co m a necessid ade d e um m elh or am bi ent e d e trabal ho.
O pro cesso d e aqu ecimento i ndut ivo atu alm ent e est á di fundid o e implatado em di v ersas apli cações, so b re um a ampl a faix a de p ro cess os indus tri ais . A s ua at uação vari a de aco rd o com a aplicação à qual s e destin a. De maneira geral os benefí cio s qu e reco men dam a su a ut iliz ação, p art em d as seguint es condi çõ es con strutiv as:
• Elevadas d en sid ad es de pot ênci a e tam b ém o aqu ecim ento rápi do qu e pod e s er o btid o.
• O p reci so co nt rol e d a t emp eratu ra.
• A po ssib ilid ad e d e aquecer regiõ es s el ecion ad as e det ermin adas d e um com pon ent e.
• A facilid ad e p ara colo car a p eça em um a câm ara fechad a e ind ep end ent e, p or ex empl o, sist em a d e vácuo ou atmos fera in erte q ue é usada iso lada d a b ob ina d e aqu ecim ent o i nduti vo.
3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo
de in du ção s ão geral ment e con fecci on ad as em tu bos de co bre no int erio r dos quais ci rcul a águ a d e refri geração , poi s é n ecess ário q ue el a permaneça fri a, de form a a não alt erar seu Fato r d e Qu alid ad e (Q) e permiti r a m áx im a trans ferên ci a d e energi a entre el a e a p eça. A fo rm a de uma bobin a d ep en de da forma da p eça e da área qu e s e qu er aq uecer. Para qu e h aja uma bo a trans ferên ci a d e en ergi a t amb ém é n ecess ário qu e a bo bin a fiqu e o m ais próx imo pos sív el d a p eça. Qu ant o m aior fo r a dist ânci a men or s erá a efi ci ên ci a do sist em a.
Um ci rcuito d e aqu ecim ento p or i ndu ção é en tão fu ndament al ment e um trans fo rm ado r, n o q ual o pri mário est á repres ent ad o p el as espi ras d e um a bobin a, at rav és d a qual p ass a um co rrent e el ét rica alt ernad a, e de u m secun dári o con stituí do p el a peça q ue v ai ser aqu ecid a.
Além da p rod ução de co rrent es de Fo ucault , tem s e ai nd a geração d e efeit os de his teres e magn éti ca qu e cri am corrent es parasit as, co rrent es q ue irão aqu ecer a peça. So b a ação das co rrent es p arasit as os domí nios magnéti cos t end em a se p olariz ar em um det ermin ad o sentid o, cri an do s e em cad a um del es um p olo no rt e e um pol o sul. A o se v ari ar o s enti do do cam po os d omíni os t end em a s egui r est as vari ações , v ari and o o s enti do d e seus pól os e geran do s e um a fricção atôm ica int erna q ue faz com qu e s eja dissi pado calo r o qu al ao dissi par se el ev a a tem perat ura d a p eça. N o aquecim en to do s aços, o aqu ecimento po r hist eres e tem p ouca impo rt ân ci a po rqu e qu an do se ultrap as sa a temp eratu ra Curi e (ap rox i mad am ent e 76 8 ºC) o aço to rn a se paramagn éti co e o aqu ecim ent o po r hi s teres e t orna se, ent ão, p rat icam ent e nulo.
Fi gura 3 .17 Desen ho es qu em áti co do pro cesso de aqu ecimento induti vo e d a profu ndid ad e de aqu ecim ent o obtid o através da indu ção d e co rren tes d e Fou caul t n a p eça.
A d ensi dade d a corrent e in duzid a n a s u perfí ci e d a peça é elev ad a, e diminui con fo rm e aum ent ad a a dist ân ci a em relação à sup erfí ci e. Est e fenôm en o é conh eci do como “efeit o p eli cul ar” (Ski n E ffect ). A p ro fun did ad e do “efeito pelicul ar”, ou si mpl esm ent e, a p ro fu ndidad e de pen et ração é um con ceito conv enient e d e mat em áti ca. A p ro fu ndid ad e de penetração é d e ex trema imp ort ân ci a para a en gen hari a de aqu ecimento i nduti vo, poi s é através d a profund id ad e d e p en et ração q ue ap rox imadamente 90% d a energi a total é in duzid a na p eça ou regi ão a s er aqueci da.
O val or d a profund id ad e de p en et ração (d ) depend e da resisti v idade do mat eri al [ρ (em Wm )] e da p ermeabi lid ade relativ a (Zr) e d a freq üência da co rren te d e aqu ecim ent o [f (em H ertz – Hz)]. Para a m ai ori a das apli caçõ es práti cas, a profundi d ad e d a p en etração po derá s er cal cul ada p ela ex press ão:
500
×
=
ρ
δ
(3 .11 )Ond e:
δ = Profund id ad e d e pen et ração [m]
ρ = Resisti vid ad e ôh mica d o m at eri al [Wm]
f = Frequ ên ci a d a co rrent e alt ern ad a apl i cad a à b obin a de in d ução [ Hz]
A energi a gerad a p or u nid ad e d e v olu me d a p eça a ser aqueci da é diret am ent e p ro po rcio nal à freqü ên ci a d e ress on ân cia do t anqu e, à perm eabilid ad e mag néti ca do m at erial e ao qu ad rado d a i nten sidade d o campo magnéti co n a sup erfíci e d a p eça. A pot ênci a t am bém d ep en d e d as dim en sõ es da peça em relação à p ro fu ndid ad e d e p en et ração da corrent e in duzid a. Est e fat or fo rn ece a ex ten são da faix a d as freq üên ci as de fun ci on ament o qu e s erão usadas p ara cada p ro cesso ind ust ri al q ue utilize aqu ecimento por ind u ção.
A energia em co rrent e alt ernada, p ara apli cação em aq uecim ent o induti vo é fo rn ecid a p or v ári as font es , d ep end en do d a freqü ên ci a e da pot ên cia qu e s ão necess ári as . Es tas font es d e p ot ênci a estão relacio nad as n a Tab el a 3 .5 ab aix o, em conj unt o com a faix a de freqüênci a em qu e s ão utilizadas.
Tab el a 3.5 Ti pos d e acion am ent o p ara bo bin as d e indução .
IT E M DE NOM IN AÇ ÃO FA IX A D E FRE QU Ê NC IA
A Frequ ên ci a d a red e 60Hz
B Multipl icad or M agn ético d e Freqü ên ci a (tran sformad ores com núcleo s atu rado )
Ent re 0. 18k Hz e 0 .54 kHz
C Moto r Gerado r (mo t or as sín crono em 3600RP M, t en do um gerado r d e co rren te al tern ad a m ont ado em s eu eix o, com alto núm ero d e p ólos p ara gerar a freqü ên ci a n ecess ári a)
Ent re 0. 96k Hz e 9 .6k Hz
D Gerado r Tiristo rizad o Até 20 kHz. Ex ist e a
atu alm ent e:
• IG BT s, com freq üên ci a de fu ncion am ent o at é mais d e 2 00k Hz.
• MOS FE Ts, com
freq üências d e t rab al ho at é 5 00k Hz.
F Gerado r com V ál vul a Os cil ado ra Termoi ôni ca
Frequ ên ci a d e fu nci o nam ent o ent re 2 00k Hz e 5 00k Hz. Po de fun cio n ar em m ais al tas
freq üências, com o p or ex empl o em 1.7M Hz.
3.13 Chaveamentode Potência com IGBTs
IG BT s s ão ch aves el etrôni cas (vid e Fi gura 3.1 6) sem el han tes a transis to res bipol ares, mas com gat e para disparo por t ecnol o gia CMOS . Ess es com pon ent es pod em ser acio nados p or nív eis d e tens ão n a faix a de ± 10 a ±20V (t hres hold vol tage, Vth ) apli cad os ao seu gat e, p od em trab alh ar com freq üências de acio nam ent o mai ores q ue 2 00k Hz e ch av ear co rrentes d a ord em d e 30 0A . Dis positi vos d e canal N são aci on ados po r pulso s de t en são positi va n o gat e, em rel ação ao pin o sou rce (S ), enqu ant o disp ositiv os d e can al P são acio n ad os po r t ens ão n egati va n o gate. São cons truí dos em geral para su po rt ar t ens ões no min ais d e 600 V e 1 20 0V, mas at ualment e, dispo sitiv os q ue s up ort am t ens ões d a o rdem d e 2 kV j á s ão en con trad os com rel ati va facili dade n o m ercado .
Fi gura 3 .18 Sím bolo e an al o gi a d e acio nam ent o d e um IG B T (ch av e el etrôni ca d e est ado sólid o) d e canal N com o acio namento d e u m int errupt or el étri co d e acion am ento m ecâni co.
Um puls o de t ens ão de am plitu de p o sitiv a acion a o IG BT , qu e perm an ece n ess e est ado enq u anto d urar o pulso. O efei to d ess e puls o pod e s er com parado ao acion ament o m ecâni co de u ma i nt errup tor el étri co, qu e p erm ite à co rren te el ét ri ca ci rcul ar at rav és dele.
A Fi gura 3.1 9 mo stra o asp ecto d e 3 tip os diferentes d e IG BTs .
A est rutu ra físi ca es quemáti ca do IG BT pod e s er vi st a n a Fi g ura 3 .20 .
Fi gura 3.2 0 Est rutu ra físi ca d o IG BT[ 1 2 ].
Fi gura 3 .21 Desenh o esq u emático do funcion am ent o de u m IG BT d e can al N. C om a aplicação d a tens ão Vt h ao gat e do di s positi vo, o corre circulação d e corren te entre os pi nos d e dreno (D ) e so urce (S), rotul ado s na imagem como an odo e catod o resp ect iv am ent e[ 1 2 ].
Fi gura 3.2 2 Lim ites de op eração d e co mpon ent es semicond utores d e pot ên cia[ 1 2 ].
3.14 Estruturas Metaestáveis Obtidas por Resfriamento Rápido RSP
Estrutu ras met aest áv eis ou , mai s precis ament e, con figuraçõ es con geladas d e est ruturas metaest áv ei s não s ão nov idad e na met al urgia. Realment e, muit o da prática t radicion al em metal urgi a tem s ido cent rad a n a fo rmação , caracteriz ação, com preens ão e cont rol e s ob re est ru turas qu e sej am com posi cio nalment e, topo lo gi cam ent e e/o u mo rfolo gicam ent e met aest áv eis.
met áli co estão en tre as m ais o ri gi nai s e interess ant es d esco bert as so bre mat eri ai s m et aestáveis.
O p ro cedim ent o geral p ara sínt es e de estrutu ras m etaestáveis co rres pon de a en ergizar e resfri ar b rus camente o m at eri al . A en ergização con sist e em evapo ração, di ssol ução , i rradi ação, defo rm ação pl ás tica o u aqu ecim ent o do m at eri al em um est ad o sólid o o u líq uido . O R esfri am ent o bru sco é n orm alm en t e caracteriz ado p el a tax a de resfriam ento.
3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rápida Solidificação.
Li gas soli difi cad as rapi damente o u prep arad as p or m étodos d e pro cess am ent o po r rápi da so lidi fi cação (RSP Rapid Soli difi catio n Pro cessi n g) pod em ap res ent ar um a o u o ut ra d e q uat ro fo rmas d e met aest abi lidade[ 2 2 ]:
1. Uma ex ten são de solubili dade s ólid a al ém do v alo r de equ ilíb rio , qu e pod e ser p arci al ou (co mo no sist em a A g Cu) com plet a.
2. Fo rm ação d e uma ou mai s fases m et aes táveis cri stal in as.
3. Ab aix o d e Ms , tem peratu ra ond e t em i níci o a t ransformação martensíti ca, al gum as vezes a mart ensi ta pode s er substi tuíd a por um a out ra fas e.
4. Fo rm ação d e vid ro m et áli co.
Du rante as p rim ei ras décadas d a p esqu is a sobre RSP, a ênfas e foi fo cada nas fas es crist ali nas , esp eci alm ente n as fas es m et aest áv eis não ferros as. A parti r d o iní ci o d e 19 70, hou ve cres cim ent o no int eress e p or vi dro s m et áli cos.
