DESENVOLVIfêEflíTO DE UK AÇO SINTERIZADO
LIGADO AO MANGANÊS E FÕSFORO
D issertaçã o submetida à U niversidade Federal de Santa para a obtenção do Grau de M estre em Engenharia.
ERNANI SALES PALMA
Catarina
FLORIANÓPOLIS AGOSTO/1985
LIGADO AO MANGANÊS E FÓSFORO
ERNANI SALES PALMA
ESTA DISSERTAÇÃO FOI JULGADA ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA
-ESPECIALIDADE: ENGENHARIA MECÂNICA E APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO DA UFSC.
BANCA EXAMINADORA:
A lo isio /N e Im o K l e i n , D r. In g .
--- 4Ingeborg Kuhn Arroyo, M .Sc.^
---Augusto J.de Aliæida Buschinelli, Dr. Ing.
I Ä O
Aos professores K le in e Ingeborg p ela dedicação labo rio sa e p ac ie n te ao longo dos cursos e especialm ente na orientação des te tr a b a lh o .
Ín d i c e
Pagina
1 . INTRODUÇÃO ... ... 1
2. PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR METALURGIA DO P Ô ... 5
2 . 1 . Obtenção dos Pós ... 6 2 . 2 . M istura ... ... 6 2 . 3 . Compactação ... 7 2 . 4 . S in t e riza ç ã o ... 8 2 . 5 . Operações c o m p le m e n t a r e s ... ... 8 2 . 5 . 1 . Calibraçã o ... 9 2 . 5 . 2 . In filt r a ç ã o ... .. 9 2 . 5 . 3 . Compactação dupla ... . . . . ... 9
3. TÉCNICA DE LIG A EM METALURGIA DO P Õ ... .. 10
3 . 1 . Mecanismos de aumento de r e s i s t ê n c i a mecânica . . . 10
3 . 2 . E fe it o s dos elementos de lig a nos aços ... .. 11
3.3. Os elementos de lig a na m etalurgia do põ f e r r o s a . 12 3 . 4 . Formas de introdução dos elementos de lig a na me t a lu r g ia do põ fer ro sa .. 16
4 . FÓSFORO E MANGANÊS EM AÇOS SINTERIZADOS ...19
- 1 Q 4 . 1 . Sistem as b in á rio s ... 4 . 1 . 1 . Sistema Fe-P ... 4 . 1 . 2 . Sistema P-Mn ... ... .. 21
4 . 1 . 3 . Sistema Fe-Mn ...22
4 . 2 . U t iliz a ç ã o de fó sfo ro e manganês em aços sinteri- zados ... .. ..24
4 . 2 . 1 . Fósforo ... .. ... ..24
4 . 3 . Conclusão ... ... ... ... 29
5 . MATÉRIA PRIMA E METODOLOGIA UTILIZADA NO TRABALHO EXPERI MENTAL ... 31
5 . 1 . Desenvolvim ento do portador terná rio Fe-P-Mn ... ... 31
5 . 2 . M atéria p r i m a ... ...32
5 . 2 . 1 . Ferro ... ... 32
5 . 2 . 2 . Ferro- fósforo ... ....33
5 . 2 . 3 . Ferro-manganês ... ...33
5 . 2 . 4 . Cobre e carbono ... 33
5 . 2 . 5 . Portador terná rio MP ... ... 33
5 . 3 . Procedimento experim ental ... ... 36
6. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 41
6 . 1 . Introdução ... 41
6 . 2 . Estudo da s in t e r iz a ç ã o e homogeneização dos compac tados ... .. • 42
6 . 3 . Propriedades mecânicas d e aços s in t e r iz a d o s ligados ao Mn e P ... ... 51
6 . 3 . 1 . In f l u ê n c ia do carbono e do cobre sobre as propriedades mecânicas de aços ligados com o portador terná rio M P ... * ... 61
7 . DISCUSSÃO ... ... 65
8. CONCLUSÃO ... ... 72
RESUMO
No p resen te trabalho estuda-se a p o s s ib il id a d e da sinteri- zação d e aços lig ad o s ao Mn e P , onde estes elementos são in t r o duzidos à m istura sob a forma de uma l i g a mestre (Mastèr a llo y ) a base de F e , Mn e P , que apresenta além da vantagem d a ativid ade quím ica re d u zid a dos elem entos, a p o s s ib il id a d e da u t iliz a ç ã o dos e fe it o s b en éfico s da s in te r iza ç ã o com fase lí q u id a t r a n s i e n t e .' O ■trabalho abrange um estudo da s i n t e r a b i l i d a d e , homogeneização e propriedades mecânicas o b tid as em aços s in t e r iz a d o s m ediante uso de t a l portador de l i g a te r n á rio de desenvolvim ento e fabricação p r ó p r ia , e dos portadores b in á rio s Fe-P e Fe-Mn, iso la d o s ou s i multaneamente.
ABSTRACT
In th is work the s in te r in g p o s s i b i l i t y of a Mn-P a llo y s t e e l is s t u d i e d , where these elements are introduced through a Fe-Mn-P master a l l o y , presen tin g the advantages of reduced chem ical a c t i v i t y of the elements and s in t e r in g with tran sie n t l iq u id phase in which good e f f e c t s are ob tain ed, th is work a n a l is e s the s i n t e r a b i l i t y , hom ogenization and m echanical p rop erties of a sin tered steel in which th is ternary masteralloy of own development and production is u sed , b esid es u sing the binary c a r r ie r s Fe-P and Fe-Mn.
1 . INTRODUÇÃO
A fabricaçã o de peças u t iliz a n d o a técnica da m etalurgia do pó, embora só recentemente tenha experimentado um d e s e n v o lv i mento i n d u s t r i a l , é usada d esde a a n tigüidade como a lt e r n a t iv a aos métodos convencionais devido im p o ssib ilid ad e s práticas de se a l
cançar as elevadas temperaturas de fusão de certos m a t e r ia is .
Assim foi há 6000 anos |l| na redução de m inério de ferro em ferro espo nja para fabricação de armas e u t e n s í l i o s . Foi tam bém a im p o s s ib ilid a d e de fu n d ir a p la t in a que levou W o llasto n em 182 9 a d esenv o lv er um processo de produção de p l a t in a compactada a p a r t ir do pó esponjoso d este m etal. Novamente as altas tempera turas de fusão de certos elementos (W, Mo, T a , e t c . ) , p r i n c i p a l mente o tungsténio para fabricação de filam entos de lâmpadas i n ca n d esce n tes, fo i a razão do grande impulso nesta téc n ic a no nos so tempo a tu a l.
Embora o estágio de desenvolvim ento da te cn o lo g ia nos per m ita hoje a obtenção de temperaturas elev a d íssim as, a m etalurg ia do pó se impõe por s i p róp ria como uma téc n ic a a lt e r n a t iv a de
produção de p e ç a s , pelas seguintes v antagens:
- p o s s i b i l id a d e de obtenção de peças na forma e dimensões f i n a i s sem produção de cavacos, aparas e /o u re b arb as;
- a lt a p ro d u tiv id a d e p e la automação do processo, p o s s ib i litando a produção em grandes s é r i e s ;
- obtenção de peças com to ler â n c ia s dim ensionais muito es t r e it a s ;
- p o s s ib il id a d e de p ro d u zir e conformar m etais im possíveis ou muito d i f í c e i s de serem produzidos pelos métodos convencionais. Exemplos: m etais r e fr a tá r io s (W, Mo, T a ) , metal d u r o , e tc. | l | ;
- p o s s ib il id a d e de obtenção de m ateria is conjugados (Cer- m e t s ). Exemplos: m ateria is de fricção m e tá lic o s, combustíveis nu
c le a r e s , è t c . ;
- p ro d u zir m a te ria is com c a r a c t e ríst ic a s e s p e c i a i s , como porosidade co n tro lad a. Exemplos: f i l t r o s , mancais auto- lubrifi-
cantes , e t c . ;
- requerer menos en e r g ia que outro método |2| ; - ecologicam ente limpo.
A seqüência de fabricação de peças p ela m etalurg ia do pó pode ser resum ida, de uma m aneira g e r a l , em:
- obtenção dos p ó s; - m istura dos p ó s;
- compactação na forma d e s e ja d a ; - s in t e r iz a ç ã o .
Podem ocorrer algumas variações como: c a l ib r a ç ã o , i n f i l t r a ção, d up la compactação, dup la s i n t e r iz a ç ã o , acabamentos f i n a i s
por usinagem , conformação, etc.
Após a compactação, na qual a peça adquire a forma d e s e ja d a e r e s is t ê n c ia s u f i c i e n t e para se r manuseada (r e s is tê n c ia v e r d e ) , procede-se a sin te r iz a ç ã o sob condições controladas de tem p o , temperatura e atm osfera. 0 prodüto resu ltante terá uma d e n s i dade i n f e r i o r â d en sid a d e t e ó r ic a devido à porosidade e portanto,
apresentará menor r e s is t ê n c ia . Para compensar essa perda u tiliza - se normalmente elementos de l i g a em quantidades relativam ente e- l e v a d a s .
Para concorrer com os demais processos de fabricação.na área de peças e s tru tu r a is de aço, é necessário não só a p e rfeiço a r a téc n ic a de produção mas também desenvolver novas lig as que levem à melhores propriedades com um menor custo.
Considerando que as propriedades do aço s in t e r iz a d o são, além da i n f l u ê n c i a dos elementos de l ig a p r e s e n te s, função de to do o comportamento c in é tic o do compactado durante a s i n t e r i zaçã o, sendo muitas vezes o fator predom inante, tornou-se impe rioso o uso de novas técnicas de l i g a que levam este fato d e v id a mente em consideração [ 3 , 4 , 5 | .
Os resultados de pesquisas sistem áticas baseadas neste pon to de v i s t a , levaram à aços s in t e r iza d o s com propriedades supe riores àquelas até então conhecidas [ 3 , 4 | r e elementos de l ig a antes considerados sem u t il id a d e para a m etalurgia do pó ferro sa passaram a a d q u ir ir elevada im portância. T a is elementos ( S i , Mn, C r , V e A l) devido à sua elevada tendência à oxidação devem ser in tro d u zid o s na m istura através de portadores de lig as complexos, conhecidos na l it e r a t u r a por "l i g a s m estres" (master a l l o y s ) , on de têm sua a t iv id a d e red uzid a e onde são combinados em proporções
processos d e s in t e r iza ç ã o e homogeneização.
O p resen te trabalh o dá continuidade à essa lin h a de pes q u is a na área de t é c n ic a de l i g a estudando o comportamento na s i n t e r iz a ç ã o , através d a d ila to m e t r ia d i f e r e n c i a l e m icroscopia ó t i c a , e as propriedades d e aços s in t e r iz a d o s e ligados ao fó sfo
ro e m anganês, onde estes elementos são in tro d u zid o s na m istura através de uma l i g a ter n á ria Fe-P-Mn de produção p ró p ria . Para e fe it o s de comparação, são também estudadas amostras utilizando- se ferro- fósforo e ferro-manganês como portadores de l i g a s , i s o
lada ou sim ultaneam ente. Além d i s t o , foi examinada também a i n flu ê n c ia dos elementos cobre e carbono na s i n t e r iz a ç ã o , a d ic io n a dos ao Fe com o portador te r n á rio Fe-P-Mn.
2 . PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR METALURGIA DO PÓ
A i n d ú s t r i a a tu a l requer uma enorme v arie d ad e de componen tes e s t r u t u r a is , com propriedades bem d e fin id a s e custos de pro dução com petitivos. Assim na sua fabricação vários processos com petem entre s i , perm itindo uma certa f l e x i b i l i d a d e na escolha do caminho a s e g u ir para obtenção do produto f i n a l . Os processos de fabricação mais d ifu n d id o s são aqueles no qual o m etal ou a lig a é fundida e v azad a em um m olde, que pode te r a forma do produto f i n a l ou a forma d e lin g o t e s . Neste c aso , o lin g o te é transform a do na forma d e s e ja d a através dos processos de lam inação, forja- m ento, extrusã o , usinagem , e t c . A m etalurgia do pó co n stitu i um grupo â p a r t e , pois a transformação da m atéria prim a, na forma de p ó s, até o produto f i n a l se dá predominantemente no estado s ó l i d o .
Um fato r in e r e n te ao processo é a presença de poros que diminuem a r e s is t ê n c ia do m a t e r i a l , tendo em conseqüência uma cer ta restriçã o no seu campo de a p lic a ç ã o , embora para determinados produtos constitua- se na única m aneira de p roduzi- los.
Basicamente o processo consta das seguintes e ta p as :
2 . 1 . Obtenção dos pós
Os pôs m etálicos são obtidos de uma maneira g e r a l através dos seguintes métodos:
- f í s i c o s ; - quím ico s; - m ecâ n ico s.
Dentre e s t e s , o método mais u t i l i z a d o ê a produção de põs por atom ização a p artir do metal (ou lig a ) no estado lí q u id o .
O processo u t i l i z a d o na obtenção dos põs tem in f l u ê n c ia d ir e t a nas etapas de compactação e s in t e r iz a ç ã o , consequentemente nas propriedades mecânicas f i n a i s a t in g id a s .
As p r in c ip a is c a r a c t e r í s t ic a s dos põs são: - tamanho de p a r t í c u la ;
- d is t r ib u iç ã o do tamanho de p a r t í c u la ; - forma das p a r t í c u la s ;
- composição quím ica; - s u p e r fí c ie e s p e c i f i c a ; - e s c o a b i l i d a d e ;
- d ensidade a p a r e n te ; - c o m p r e s s ib ilid a d e .
2 . 2 . M istura
É a operação i n i c i a l do p rocesso, na qual os põs depois de pesado-, são m isturados com o o b je t iv o de u nifo rm izar a d i s t r i buição dos elem entos de lig a e /o u do l u b r if ic a n t e usado, f a c i l i
-tando as operações de compactação e s in t e r iz a ç ã o . 0 tempo de m is tura é um fator impostante p o is tempos muito longos podem levar a resu ltado s contrários ao esperad o, t a is como a segregação de a l - gúm componente por d ife r e n ç a de d e n sid a d e , e , tempos curtos podem r e s u lt a r em m isturas im p e r fe ita s .
2 . 3 . Compactação
Nesta operação, os pós devidamente misturados são confo r mados em uma m atriz c o n ferin d o ao "compactado verde" re su lta n te a
forma f i n a l e s p e c ific a d a e uma r e s is t ê n c ia mecânica s u fic ie n t e pa ra ser manuseado.
A compactação tem fo rte in flu ê n c ia na porosidade e dimen sões do produto f i n a l , apesar das v ariaçõ es que o compactado so - frerã na s it e r iz a ç ã o . A densidade verde obtida por esta operação é função da pressão u t i l i z a d a , do t ip o , d is t r ib u iç ã o , tamanho e forma das p a r tíc u la s do pô, do uso ou não de l u b r ific a n t e e da forma geométrica da m a triz.
São vã rios os métodos para compactar-se os põs na forma d e s e ja d a :
- compactação u n id ir e c io n a l de ação sim ples; - compactação u n id ir e c io n a l de dupla ação; - compactação is o s tã tic a (â f r i o ou à q u e n t e ) ; - laminação dos p õ s;
- extrusão dos p õ s ; - forjam ento dos põs.
O método largamente usado na in d ú stria ê a compactação u- n id ir e c io n a l em m atrizes de dupla ação.
2 . 4 . S in t e r iza ç ã o
A s in te r iz a ç ã o ê o passo na fab ricaçã o de uma peça por me t a lu r g ia do põ que consome maior parcela de e n e r g ia , e por isto tem fo rte i n f lu ê n c ia nos custos de produção.
É um processo a tiv a d o term icam ente, no qual o compactado v e r d e , poroso, iso la d o do meio ambiente por uma atmosfera proteto r a , tende ao sistema l iv r e de poros, sofrendo alterações micro e s tr u tu r a is e /o u d im e n s io n a is, resultando no produto f i n a l com as p rop riedades d e s e ja d a s .
De um modo g e ral a força motora do processo de s i n t e r i z a ção ê a en e rg ia liv r e de s u p e r fí c ie e a energia dos d e fe it o s c r i£ t a l i n o s .
Em sistem as m onofásicos o mecanismo de transporte de mate r i a e f e t iv o ê a d ifu s ã o |2 |. No caso de m istura de põs de d ife r e n tes elem entos, além d esta auto- difusão , ocorre uma inter - d i f u - são devido ao g ra d ie n te químico formado quando da adição de um segundo componente. Neste último caso o transporte de m atéria po de se dar no estado s ó l id o , ou na presença de uma fa se liq u id a que poderá ser permanente ou então estar presente durante um certo in tervalo de tempo, so lid ific a n d o - se em seguida (fase liq u id a tr a n s i e n t e ) . Se a fa se llq u id à tiv er uma boa m o lh a b ilid a d e , penetrará entre as p a r tíc u la s e /o u contornos de grão d ev id o às fo rças de tensão s u p e r f i c i a l , acelerando bastante os processos de s i n t e r iz a ção e homogeneização, p o s s ib il it a n d o alcançar propriedades supe - r io r e s ou redução da temperatura e tempo de s in t e r iz a ç ã o .
2 . 5 . Opçrações complementares
Os produtos s in te r iz a d o s às vezes requerem outras opera - ções além das v i s t a s , com o b jetiv o s de c o n fe r ir maior precisã o d i m en sion al, melhorar o acabamento, aumentar a d e n s id a d e , r e s i s t ê n c i a , d u r e z a , e t c . As p r in c ip a is são:
2 . 5 . 1 . C a lib ra çã o
Esta operação v is a a t in g ir as e s t r e it a s to lerâ n cias pre v is t a s ou dimensões d e f i n i t i v a s no produto acabado. Ê f e i t a a tr a vés de uma re-compressão da peça s i n t e r iz a d a , em uma m atriz . de a lt a p re c isã o , ou por operações de usinagem .
2 . 5 . 2 . In f i l t r a ç ã o
Para d im in uir a porosidade da peça s in t e r iz a d a , esta pode ser i n f i l t r a d a com um metal ou lig a de ponto de fusão in fe r io r ao do m a teria l s in t e r iz a d o . Convêm s a lie n ta r que apenas os poros in- tercom unicantes são preenchidos por c a p ila r id a d e com o liq u id o i n f i l t r a n t e . Na m aioria dos casos usa-se o cobre ou suas l i g a s .
2 . 5 . 3 . Compactação dupla
Apõs uma p rê- sin terizaçã o , o compactado sofre uma segunda compactação com o o b je t iv o de r e d u zir sua po ro sid ad e. Esta opera ção' pode ser r e a l iz a d a â f r i o , geralmente seguida de sin te r iza ç ã o f i n a l , ou â quente. Neste últim o caso consegue-se um compactado praticam ente isento de poros.
3 . TÉCNICA DE LIGA EM METALURGIA DO PÔ
3 . 1 . Mecanismos de aumento de r e s i s t ê n c i a mecânica
São vários os mecanismos po ssív eis de elevar a r e s is t ê n c ia mecânica dos m a te ria is m etá lico s:
- redução do tamanho de grão;
- trabalho mecânico â f r i o , ou se j a, encruamento;
formação de solução só lid a pelo uso de elementos de li -g a ;
- p rec ip ita çã o ou dispersão de uma segunda f a s e ; - transformação m a r t e n s it ic a .
O tamanho de grão f i n a l em produtos s in t e r iz a d o s sem trata mento térmico p o s t e r io r , será sempre superior àquele corresponden
te na m etalurgia convencional em v irtu d e da permanência prolonga - da em a lt a s temperaturas n ecessá ria ao processo de s in t e r iz a ç ã o . U sam-se v ã rias té c n ica s para m inim izar o crescim ento de grão, t a is como o uso de s in te r iza ç ã o não iso térm ica , controle da d i s t r ib u i - ção do tamanho de p a r t í c u la , segregação do so lu to , e tc.
m eta lu rg ia do p ó , uma vez que a com petitividade do processo r e s i d e exatamente na produção da peça em su a forma e dimensões f i
n a is .
A adição de elementos de l ig a para formação de solução só l i d a e /o ü p r e c ip ita d o s de uma segunda fase é a m aneira mais eco nômica e e f ic a z no aumento d e r e s i s t ê n c i a , sendo o carbono, n í q uel e cobre os elementos mais u t il iz a d o s na produção de peças e s tru tu r a is em s é r i e por m eta lu rg ia do pó.
3 . 2 . E fe ito s dos elementos d e l i g a nos aços
Os elementos de l i g a são adicionados ao ferro com o o b je tiv o de a lt e r a r uma ou mais propriedades m ecâ n ica s, m agnéticas e / ou q uím icas, não ineren tes ao ferro puro. Assim para atender a d i v e r s i f i c a d a demanda da in d ú s t r ia em g e r a l , é usado um grande nú mero de elementos de l i g a , sendo o carbono, sem dúv ida alguma, o mais importante pelos seus e fe ito s e baixo custo. 0 preço do e le mento adicionado ê um im portante fa to r a se r c o n sid erad o , pois
in f lu e n c ia r á diretam ente no custo f i n a l do produto.
A m aneira com que os elementos estão presentes no aço der- pende d e suas "a f i n i d a d e s " in d i v id u a i s entre s i e com o f e r r o .E s tes podem se r encontrados no aço das seguintes m aneiras |6J s
.a) d is s o lv id o s na m atriz f e r r í t i c a ; b) formando carb on eto s;
c) sob a forma de inclusõ es não m e t á lic a s ; d) sob a forma de compostos in t e r m e t á lic o s ;
Os elementos lig an tes podem se r c la s s ific a d o s ainda de acordo com a i n f l u ê n c i a que exercem sobre as transformações alo- tró p ica s do fe r r o . Tem-se assim d o is grandes grupos:
a) E s t a b iliza d o r e s da fa se a ou a lfa g ê n e o s ; b) E s t a b iliz a d o r e s da fa se y ou gamagêneos. Estes dois grupos podem s e r su b d iv iv id o s em:
a ) l - Formado pelos elementos que estreitam a f a ix a de e x is tê n c ia do ferro - y , até suprim i- la. A zona a u s te n ític a é c irc u n dada por uma zona b i f á s i c a a-y, que não é interrom pida nem por compostos in t e r m e t ã lic o s , nem por soluções só lid a s do elemento a d ic io n a d o .
E x . : P, S i , C r , A l , Mo, e t c
--a) 2 - Mesmo tipo acima,com exceção de s u r g ir uma interrupção no en vo ltó rio da região a u s t e n í t ic a .
b ) l - Formado pelos elementos que esta b ilizam a fase y sem a formação de compostos ou soluções só lid a s que alcancem a região f e r r í t i c a .
E x . : Mn, N i , Cu, e t c .
b )2 - Quando há a formação de compostos e /o u soluções só lid a s em composições onde está presente a fa se a.
E x . : Au , C, Zn, e t c .
3.3. Os elementos de l i g a na m e ta lu r g ia do pó fe r ro sa
Na s i n t e r i z a ç ã o , embora a adição de elementos de l i g a obe deça aos p rin c íp io s g erais v is t o s anterio rm ente, deve se r co n si
derado o comportamento c in é t ic o do compactado durante o processo, o qual será o fato r de in flu ê n c ia predominante nos re su ltado s f i n a i s .
Assim sendo, a u t il i z a ç ã o destes não é f e i t a com o único o b je t iv o de alcançar melhores propriedades f i n a i s pela formação de solução só lid a e /o u p recip ita ç ã o de 2^ f a s e , mas também no se ntido de a tiv a r os mecanismos da s in t e r iz a ç ã o , conseguindo com i s t o uma otim ização a d ic io n a l d estas p rop riedades.
O g rad ien te químico provocado pela presença do elemento de l i g a , na sua forma elementar ou sob a forma de compostos na mistu r a , i n t e n s i f i c a bastante o transporte de m atéria, provocando um estabelecim ento e fo rtalecim en to de contatos mais e f ic a z e s entre as p a r t í c u la s .
Alguns c r it é r io s | 7 ,8| devem ser resp eitad o s na éscolha dos elementos a serem u t il i z a d o s juntamente com o f e r r o , para que as alteraç õ es f í s i c a s e químicas decorrentes sejam no sentido de "a t i v a r " o p rocesso:
1) Redução da en e rgia de a tiv a ç ã o : O a d it iv o deve ter o e f e i t o de redução da en ergia de ativaçã o da auto-difusão â temperatura de s in t e r iz a ç ã o .
2) S o l u b il id a d e : O fe r ro (m aterial de base) deve ter uma solubiljL dade s u f ic ie n t e no a d i t i v o , pro p iciando um flu x o de átomos p a ra a camada a d ic io n a d a . A s o lu b ilid a d e r e v e r s a , ou s e ja , do adi_ tiv o no f e r r o , deve ser a mínima p o s s ív e l, p o is do contrário o e f e i t o ativador da adição se ria perdido pela formação de so lu ção s ó lid a .
3) Segregação: A segunda fa se deverá permanecer segregada nos contornos de grão e de p a r t í c u la s , in t e n s ific a n d o a c o n t r ib u i
ção dos contornos de grão na d ifu s ã o . Para tanto o diagrama de fases deve apresentar a lin h a líquidus e so lid u s com i n c l i n a ção n e g a t iv a , ã medida que houver d isso lu ção do ferro no a d i t i v o . E sta c a r a c t e r í s t ic a levará à partições químicas com i n terfaces rica s do a d it i v o . Este c r it é r io será i n t e n s ific a d o ca so a p a r tí c u la do a d itiv o s e j a menor que a do m a te ria l de ba s e .
4) D ifu s ã o : Deverá haver uma a l t a razão de d i f u s iv id a d e expressa p e la equação 1:
V DFe ” 1 (1)
onde. D , = d ifu s ã o do Fe na 2? fase ' A
D „ = auto-difusão do ferro Fe
A fig u r a 3 . 1 mostra um diagram a de fases b iná rio i d e a l que apresenta esquematicamente as c a ra c t e r ís t ic a s d e s c rita s acim a. A fig u r a 3.2 apresenta o e fe it o da ativação obtido p ela adição de elementos quím icos.
A ativação do processo de s in te r iza ç ã o segundo estes c r i té r io s é conseguida através da adição de elementos d e l ig a em quantidades lig e ira m e n te superiores ao seu lim ite de s o lu b ilid a d e à temperatura d e t r a b a l h o , não havendo aqui a intenção de formar- se l i g a p ela combinação d e t a i s elementos com o f e r r o . As proprie- daües são melhoradas pela maior den sid ad e alcançada.
Quando se u t i l i z a elementos de l i g a com o b je tiv o s de a l t e rar as c a r a c t e r ís t ic a s do m a te ria l p ela formação de solução s ó l i da e /o u p rec ip ita çã o de segunda f a s e , as quantidades adicionadas devem se r m a io re s. Considerando que estes devem então so lu b
ili-FIGURA 3 . 1 - Diagrama de fases b in á r io i d e a l para um elemento a- t i v a r a s in te r iza ç ã o |7 | .
A a d i t i v o
a d i t i v o segr egado
v e r d e
FIGURA 3 .2 - Diagrama esquemático mostrando o e f e it o de ativação do a d it iv o que ao se escoar para o contato entre as p a r t í c u l a s , i n t e n s i f i c a a d ifusã o | 7 | .
zar-se para a t i n g i r a homogeneização n e c e s s á r ia , os c r ité r io s a- cima não são a p lic á v e is na su a t o t a l i d a d e , devendo procurar uma solução in t e rm e d iá ria de compromisso.
3 . 4 . Formas de introdução dos elementos d e l i g a na m etalurg ia do pó fe r ro sa
A otim ização da c in é t ic a dos fenômenos que ocorrem durante a s in te r iz a ç ã o depende tanto dos parâmetros do processo quanto das c a r a c t e r í s t ic a s do m a t e r ia l. A sin te r iza ç ã o ativada introduz
assim conceitos a d ic io n a is sobre o comportamento do compactado du rante o p ro cesso , além dps e fe it o s t r a d ic io n a is de tempo, tempe r a t u r a , atm osfera, c a r a c t e r ís t ic a s dos p ó s, etc.
Dentro d e s te co n texto , uma questão fundamental é a forma p e la qual o elemento de l i g a é adicionado à m is t u r a , sendo p o ssí v e l fazê-lo de v á rias m aneiras:
- Sob a forma de pós elem entares: Tem a grande vantagem de provocar o mínimo d e sg a ste nas m atrizes durante a compactação. A a lt a co m p ressib ilid ad e perm ite alcançar grandes v alo res de d e n s i dade v e r d e . Há o inco n v en ien te de não se alcançar uma homogenei
zação completa durante o p ro cesso ;
- Sob a forma de pós p ré - lig a d o s: Onde cada p a r tíc u la do pó tem "a composição f i n a l d a l i g a , não necessitando assim da ho m ogeneização durante a s i n t e r iz a ç ã o . 0 alto d e sg a ste que t a is pós
causam na m atriz de compactação e a má c o m p ressib ilid a d e r e s t r in gem o seu uso i n d u s t r i a l ;
penas na região s u p e r f i c i a l com o elemento de l i g a d e s e ja d o . 0
processo de homogeneização é bastante acelerado por este enrique cimento s u p e r f i c i a l , p e la elim inação da d is t r ib u iç ã o não uniforme re su lta n te d a m istu ra dos pós elementares sem p r e ju d ic a r a com- p r e s s i b il i d a d e como no caso a n te r io r . Esta forma de introdução a- tualmente está experimentando um grande desenvolvim ento in d u s t r i a l ;
- Sob a forma de portadores de l i g a : Os elementos são a d i cionados à m istu ra sob a forma d e ferro- ligas b i n á r io s , terná r i o s , ou ainda lig as complexas.
Pesquisas recentes levaram ao uso d e portadores de lig a complexas (ligas m e s t r e s ), onde os elementos a serem adicionados ao pó de ferro são combinados numa pré- liga por fu sã o , a qual é re d u zida a pó posteriorm ente. Estes portadores devem t e r uma com posição adequada, que levem a formação de fases que tenham fá c il dissoluçã o e beneficiem os processos de s in t e r iz a ç ã o e homogenei zação. De uma forma geral o portador é concebido de m aneira que se possa explorar uma ou mais das seguintes v an ta g en s:
- Dependendo das c a r a c t e ríst ic a s do diagram a, as v árias fases que se formariam por in t e r d ifu s ã o dos componentes puros no deco rrer do p ro cesso , não se formam mais com o uso do p o rtado r, pois esta in t e r d ifu s ã o dos elementos adicionados ocorre durante a sua fa b r ic a ç ã o , fazendo com que os processos de d ifu sã o sejam
>•
n-somente no sentido d e fo r t a le c e r os contatos entre as p artículas e de formação de solução s ó l id a com o fe r r o ;
- A a t iv id a d e química re d u zid a dos elementos d ilu í d o s no portador dim inui as e x ig ên cia s impostas â p ureza da atm osfera de s i n t e r iz a ç ã o ;
- P o s s ib i l i d a d e de o co rrê n cia d e "d ifu sã o conjunta" onde o elemento com c o e f ic ie n t e de d ifu s ã o m a io r, acelera a d ifusão do elemento com menor d i f u s i v i d a d e ;
- P o s s ib i l i d a d e da formação de fase líq u id a tr a n s ie n t e na s i n t e r i z ação. Para t a n t o , o portador deve formar com a m atriz fa ses ou composições com lin h a sõ lid u s i n f e r i o r à temperatura de s i n t e r i z ação.
Assim é v antajoso que a composição da l i g a portadora apre sente composição hipereutética em relação aos elementos de l i gas | 5 | .
0 uso de elementos de l i g a na m etalurg ia do pó ferro sa pro porciona p o i s , uma v a s ta gama de lig as e p ro p riedades. U t i l i z a n do-se os seus e f e it o s "en durecedo res" bastante conhecidos da me t a lu r g ia c o n v e n c io n a l, e as suas in f lu ê n c ia s sobre a c in é t ic a do p rocesso , o seu uso torna-se muito e f i c a z . Assim na escolha do elemento a s e r u t i l i z a d o , deve-se co n sid erar todos estes aspec t o s , para se o b ter além do e fe it o a t iv a d o r , o e f e it o de aumento de r e s is t ê n c ia por solução s ó lid a e precip itaçã o de segunda f a s e , ocorrendo um e f e it o f i n a l acum ulativo.
4 . FÓSFORO E MANGANÊS EM AÇOS SINTERIZADOS
4 . 1 . Sistem as b in á rio s
4 . 1 . 1 . Sistem a Fe-P
O fósforo pertence ao grupo a ) l dos elementos de l i g a d e s crito anteriorm ente, sendo um fo rte e s t a b i l i z a n t e da fase a. Não se combina com o carbono, tendo este elem ento, i n c l u s i v e , forte i n f l u ê n c i a na segregação do fósforo quando da s o l i d i f ic a ç ã o .
A f i g u r a 4 . 1 mostra o diagrama de e q u ilí b r io Fe-P |9 | .
Deve-se r e s s a lt a r o se g u in t e :
- A s o l u b ilid a d e máxima do P no ferro a é 2 , 8 % (em peso) a 1 0 5 0o C e no ferro y é 0,2% ;
- A s o l u b i l id a d e à tem peratura ambiente ê 0 , 0 0 1 5 % |6| ; - Ocorre um eutético a 1 0 5 0 °C , sendo constituído de Fe-^C e F e^P ;
FIGURA 4 . 1 - Diagrama de fases Fe-P | 9 1
- Devido este elemento se r bastante eletron eg ativ o em re lação ao ferro
| l o [ ,
não há formação de soluções só lid a s term i n a i s , levando a e x is t ê n c ia d e compostos interm ediários bem d e f i nidos 112 | :a) Fei^P com 1 5 , 6 % P, tendo estrutura tetrag o nal de corpo centrado •com 24 átomos por c é lu la u n i t á r ia ;
b) F6 2P com 2 1 , 6 % P, sendo a e s tru tu r a l hexagonal compacta com 9 átomos por c é lu la u n i t á r ia ;
Existem ainda a formação de compostos mais ricos em fó s fo ro como FeP e Fe?2 , sem m aior in t e r e s s e neste estudo.
- Devido à la rg a f a ix a d e separação das curvas liq u id u s e só lid u s da fig u r a 4 .1 (que contornam a região b i f á s i c a ferro a +
l í q u i d o ) , haverá a o co rrên cia d e segregação do fósforo durante a s o l id ific a ç ã o |ll| resultando em estrutura heterogênea com
regi-ões ricas d e s t e elem ento, b astante espalhadas entre s i .
Além d i s t o , em algumas lig a s d e s te elemento fo i observado ao m ic ro sc ó p io , após o envelhecim ento, a ocorrên cia de p r e c ip it a dos d e Fe^P | 9 , 1 2[, sendo estas p artícu las b astan te finas e i n coeren te s, levando a um e fe it o combinado de aumento de r e s is t ê n c i a por solução s ó lid a e presença destes p r e c ip ita d o s .
4 . 1 . 2 . Sistema P-Mn
0 sistem a b in á rio P-Mn, apresentado na fig u r a 4 . 2 , mostra o se g u in te | 9[ :
- O manganês absorve, em solução s ó l i d a , grandes q u a n tid a des de fó s fo r o ;
- Ocorre um eu tético à tem peratura de 96 0°C com 7 , 9 % P, con stitu ído de c r is t a is de Mn e Mn^P;
- Há a formação dos seguintes compostos in te rm e d iá rio s: a) Mn^P com 1 5 , 8 2 % P, tendo estru tura te tr a g o n a l d e corpo centra
d o ;
T E O R DE F Ó S F O R O ( % EM P E SO )
FIGURA 4 .2 - Diagrama de fases fósforo - manganês | 9 |
4 . 1 . 3 . Sistem a Fe-Mn
O manganês é um elemento de l i g a e s t a b il iz a d o r d e austeni- t a , pertencente ao grupo b ) l v i s t o anteriorm ente. A sua tendência de formar carbonetos é lig eiram ente su p erio r ao f e r r o . Este e l e mento tem s o l u b il id a d e il im it a d a no ferro y (Figura 4 . 3 ) . A so lu b ilid a d e na fase a é aproximadamente 10% à 2 4 6 °C e 3% à tempe ratu ra ambiente |6| , formando solução s ó l id a s u b s t it u c io n a l . A sua disso lu ção no ferro tende a aumentar o parametro do r e t ic u la do (ver fig u r a 4 .4 e ta b e la I I d i a n t e ) .
T E O R D E M AN S A N E S ( % EM PE SO )
FIGURA 4 .3 - Diagrama de fases ferro - manganês | 9 |
Assim como o v a n á d io , s i l í c i o , alumínio e outros elementos, o manganês tem maior a f in id a d e pelo oxigênio que o fe r r o , além de uma a lt a pressão de vapor.
A t a b e la I mostra as p r in c ip a is c a ra c terística s destes dois elem entos, no que d iz resp eito ao seu uso na fabricação de peças ferrosas | l0, 1 3 |.
TABELA. I - C o e fic ie n t e s d e d ifu s ã o do fósforo e manganês no f e r r o .
SOLVENTE SOLUTO C O E F .2 DE DIFUSÃO (cm / s e g . ) T (°C)
Fe y Mn
IO" 12 1000
P 3 , 6 x 10-12 910
Fe a Mn IO“ 1 9 ' 6 500
P 2 , 0 x 10“ 10 910
4.2. U t iliz a ç ã o d e fó s fo ro e manganês em aços s in t e r iz a d o s
4 . 2 . 1 . Fósforo
Como já fo i v i s t o , devido se r bastante e le t r o n e g a t iv o , o fósforo tem a ten d ên cia de formar compostos estáveis com o fe r r o , e além d i s t o , em v ir t u d e do seu tamanho esta r no lim ite favorá v e l |1 0| , a solução formada é do tipo s u b s t i t u c i o n a l , ocorrendo
vana dim inuição do parâmetro atómico do re tic ula d o do ferro pro p orcion al ao teor absorvido [ l 4 [ . Este e f e i t o , como o de outros elementos sobre o ferro pode s e r v is t o na fig u r a 4 .4 e na t a b e la I I .
Apesar do fósforo se r o elemento que tem m aior in f l u ê n c i a na r e s is t ê n c ia mecânica do f e r r o , den tre os d i s c u t i d o s , além de apresentar baixo custo e c o n fe r ir certa r e s is t e n c ia a corrosão quando sob a forma de solução s ó l i d a , ele nao é usado na f a b r i c a ção de aços convencionais p e la fr a g iliz a ç ã o que a c a r r e t a ,
prin-E E ui O UI OC UJ O o (£ H UJ 2 «<tc 2 o »<o < cE %
FIGURA 4 .4 - In f l u ê n c ia do teor de elementos de lig a sobre o parâmetro atômico do ferro |1 4 | .
absorvido
TABELA I I - In f l u ê n c ia dos elementos de l i g a sobre o parâmetro atômico do ferro
ELEMENTO DE VARIAÇÃO DO PARÂMETRO
LIGA ATÔMICO (A°)
Si a „ - 0, 0003_x (at%Si)
Fe
P a „ Fe - 0 , 0 0 1 x (at%P)
cipalm ente na presença de teores elevados de carbono. Is t o porque ocorre segregação durante o re sfria m en to , resultando em uma e s tru tu ra h etero gê nea, onde as regiões ricas em fósforo ficam bas ta n te afastadas entre s i , e a sua d i f u s iv id a d e não é s u f i c i e n t e mente grande para uma homogeneização durante tratamentos térmicos
p o s te r io r e s .
Na m eta lu r g ia do pó, apesar do compactado verde também ser heterogêneo, as d is t â n c ia s d e d ifu s ã o são bem menores que no l i n gote fundido |1 1| e uma considerável homogeneização poderá ser alcançada durante a s i n t e r i z a ç ã o , explicando assim o crescente uso do fósforo em aços s i n t e r i z a d o s . D iversos autores | 2 , 1 1 , 1 5 , 1 6 , 1 7 | encontraram altos v alo res de r e s is t ê n c ia m ecânica, combi nados com alongamentos relativam ente altos como mostra a fig u ra 4 . 5 . MPo 500 400 300 20 % 15 10 RES I S T E N C I A A T R A Ç Á 0 ° C 1 3 0 0 1 2 0 0 1120 / / V t " a l o n gA M E U Tò 1 —— — ---,, X ---V A R I A Ç Ã 0 0 i I M E N S I 0 N 1 .. A L “" ~ ' ~ 1 TEOR DE FÓSFORO %
FIGURA 4 .5 - Propriedades mecânicas do ferro lig ad o com ro | ll|
fósfo-A presença de um eutético a 10 5 0 °C no diagrama b in á r io , p o s s i b i l i t a a formação de fa se lí q u id a tr a n s ie n te durante a s i n te riza ç ã o nas temperaturas ind u strialm en te u t i l i z a d a s , sendo esta a p r i n c ip a l razão do uso cada vez m aior do fósforo em aços sin- t e r iz a d o s . O líquido formado que tem uma excelente m olhabilida- de | 1 1, 1 8 1 , d is t r ib u i- s e por c a p ila r id a d e através do compactado, penetrando entre as p artícu las e /o u contornos de grão do f e r r o , tornando as d is t â n c ia s d e d ifu s ã o ainda menores.
A m edida que ocorre a inter- difusão entre as p artículas d e ferro e o lí q u i d o , ocorre p recip itaçã o de ferro a saturado de fósforo conforme o diagram a de e q u i l í b r i o . Quando toda a fa se l í quida d esap arece o fósfo ro continua a se d i f u n d i r no estado s ó l i d o , a p a r t ir d e regiões fe r r í t ic a s para o i n t e r io r de grãos aus- teníticos- por d ifu s ã o volum étrica e de contorno de grão. Devido ao fo rte e f e i t o e s t a b i l i z a n t e d a f e r r i t a , onde a d i f u s iv id a d e é cerca de 100 vezes aquela da a u s t e n it a , a taxa de transporte de m a teria l na presença do fósforo é bem m aior que ho ferro puro,
completamente a u s te n ític o nestas tem peraturas.
O volume d a fa s e lí q u id a não deve se r excessivo para não comprometer a geom etria da peça s i n t e r iz a d a .
O fósforo ainda é usado nà forma de Fe^P como "a d i t i v o " da s i n t e r iz a ç ã o , em quantidades b astan te pequenas. A m elhoria das propriedades é dev ido à ativação do processo não ocorrendo a formação de l i g a .
Devido aos v á rios fatores v is t o s acima que ativam a d i f u são levando a altas taxas de s i n t e r iz a ç ã o , ocorrerá grande enco lhimento durante o p ro cesso , sendo proporcional ao teo r a d ic io n a d o , tempo e tem peratura de sinteriz-ação. Apesar de resultarem boas
propriedades m ecâ n icas, o contro le dim ensional torna-se d i f í c i l , sendo p reciso a d ic io n a r outros elementos juntam ente com o fó s fo r o , que não alterem a e s s ê n c ia da ativação do processo nem piorem as propriedades f i n a i s , p rincip alm ente o alongamento.
O fó sfo ro é , p o rta n to , um elemento com enorme p o ten cial na m eta lu rg ia do pó. Consegue-se a t i n g i r boas propriedades mecâ nicas com temperaturas d e s in te r iza ç ã o relativam ente b a ix a s .
4 . 2 . 2 . Manganês
O manganês ê iam elemento de l ig a com ampla u t il iz a ç ã o na m etalurg ia convencional devido ao seu baixo preço a lia d o às me
lh o rias de propriedades mecânicas c o n fe r id a s.
Contudo, devido a su a elevada a f in id a d e pelo o x ig ê n i o (e x i gindo atm osfera de pureza elevada) que leva a sua introdução sem pre sob forma de l i g a s , e a sua a lt a pressão de vapor que im p lica em perda por evaporação para a atm osfera de s i n t e r iz a ç ã o , o uso d e s t e elemento não ê tão intenso em m etalurgia do pó.
Recentemente numerosas pesquisas vem sendo re a liza d a s no sentido de in t r o d u z ir este elemento sob a forma de um portador de li g a adequado | l8| além da su a u t il iz a ç ã o na forma d e Fe-Mn e Fe-Mn-C. Algumas p ublicações J 3.91 relatam também o uso do manga nês e le t r o lí t ic o lig ad o ao f e r r o , onde foram o btidas propriedades mecânicas a in d a s u p e r io r e s .
A ta b e la I I I mostra as propriedades mecânicas do ferro l i gado ao manganês 119 [.
en-TABELA I I I - Propriedades mecânicas da l ig a ferro-manganês para teores crescentes de m anganês, adicionado sob a for ma d e Fe-Mn. % Mn (fr [MPa ] A [% ] . HB . (kgf/mm2 ) A l / l o , [%] 2 340 1 0 ,0 47 - 0 , 0 6 4 530 4 , 0 78 + 0 , 2 8 6 65 0 4 , 0 86 + 0 , 7 8 Temperatura d e s in t e r iz a ç ã o = 12 00 °C Tempo = 100 minutos
carecem o p ro ce sso , um elemento muito in t e r e s s a n te para s i n t e r i zação do f e r r o , p e la p o s s i b i l id a d e de m elhorar as propriedades me cânicas por solução s ó l i d a , além do seu custo se r relativam ente b a ix o . Os inco nv en ientes podem ser superados introduz indo-o na forma de um portador adequado.
4 . 3 . Conclusão
As propriedades f i n a i s d e um pròduto s in t e r iz a d o são d e terminadas princip alm ente p e la d e n sid a d e a lcan çada. U tiliza n d o pressão de compactação, tempo e tem peratura de sin te r iz a ç ã o nas faixas usuais da i n d ú s t r i a , a m aneira mais económica de se melho rar estas propriedades é o uso de elementos de l i g a , os q uais co mo v i s t o , poderão ter sim ultaneam ente e fe it o s d e ativação do pro cesso e formação d e solução s ó l id a e /o u compostos in t e rm e d iá rio s.
Assim os elementos fósforo e manganês têm v á rias razões para serem u t il iz a d o s na m eta lu rg ia do pó f e r r o s a , tanto do ponto de v i s t a tecnológico quanto econômico. A combinação dos seus e- fe it o s poderá proporcionar boas propriedades f in a is e condições que favoreçam a homogeneização durante o processo à temperaturas de s in t e r iz a ç ã o i n d u s t r i a i s .
5 . MATÉRIA PRIMA E METODOLOGIA UTILIZADA NO TRABALHO EXPERIMENTAL
5 . 1 . Desenvolvim ento do portador terná rio Fe-P-Mn
Com i n t u it o de desenvolver um aço e s tru tu ra l de boas pro priedades mecânicas e ainda estudar a i n f l u ê n c i a de d iv ersa s fo r mas de introdução de elementos de l ig a sobre a s i n t e r i z a ç ã o , che gou-se ao fó sfo ro e manganês para combinados ao ferro fa b ric a r uma lig a te r n á ria (M P ), pelas seguintes ra zõ e s:
- O diagram a Fe-P é b astante semelhante àquele diagram a i d e a l para um "a t iv a d o r " da s i n t e r iz a ç ã o ;
- O fó sfo ro forma compostos b astante semelhantes com o ferro e com o m anganês, o que e v it a a segregação de um elemento devido a presença do o u tro ;
*- Tanto o diagram a de fases Fe-P, quanto o diagrama Mn-P têm ponto eutêtico à temperaturas in f e r io r e s àquelas normalmente usadas na s i n t e r iz a ç ã o , propiciando a ocorrência de fa se lí q u id a durante o p ro cesso ;
coe-f i c i e n t e s de d icoe-fu s ã o bem m aiores que o manganês, o que fa z com que a d ifu s ã o no estado s o lid o se dê sempre de re g iõ es r ic a s em fõ s fo r o (f e r r í t ic a s ) para o in t e r io r do grão ( a u s t e n l t i c o ). D e v i do a esta d ifu s ã o co n ju n ta , o manganês se d ifu n d ir á mais rapida - mente do que na ausên cia d este e f e i t o :
- O manganês tem a sua a t iv id a d e química re d u zid a por se encontrar combinado com o fe r r o e fõ s fo r o ;
- Baixo custo dos d o is elem entos.
5 . 2 . M atéria prima
5 . 2 . 1 . Ferro
U tilizo u - se o põ de fe r r o ASC 1 0 0 . 2 9 fab ricad o por atomi-zação pela C ia Hõganás ( S u é c i a ) . É um põ de a lt a com
pressibilida-^ ■ 2
de e tem uma s u p e r fíc ie e s p e c ific a de 25 m /K g . A ta b ela IV mos -tra a d is t r ib u iç ã o de tamanho de suas p artícu las |5 | .
TABELA IV - Granulom etria do põ de ferro ASC 1 0 0 . 2 9
Granulometria % (em peso)
(ym) 230 0 200 1 152 10 44 10 a 30 < 44 balanço
Fornecido em forma de "p e d r a s " p ela D im eta l, contendo 19,9% (em peso) de f ó s f o r o , é co n stitu íd o de c r is t a is de ferro a e í ^ P . Foi transform ado em pó através da quebra e moagem mecânica
até a t i n g i r um tamanho d e p a r tíc u la <_ 44 ym.
5 . 2 . 3 . Ferro-manganês (FeMn)
O ferro-manganês u t i l i z a d o fo i fornecido p e la G es ellsc h a ft ftir Eletro- M etallurgic Ntirenberg, Alemanha. U tilizo u - se uma fr a ção com tamanho de p a r tíc u la menor que 40 ym separada por p en ei- ramento.
5 . 2 . 4 . Cobre e carbono
O pó de cobre (PAM 1) foi produzido e fornecido p ela Me- t a l p ó , sendo posteriorm ente moido até a t in g ir tamanho de p artícu la ^ 4 4 ym.
Para a adição do carbono u tilizo u - se g r a f i t a UF2 que apre se n ta uma granulom etria de 2 ym.
5 . 2 . 5 . Portador te rn á rio MP
O portador MP fo i obtido através da pesagem e m istura dos portadores biná rio s FeP e FeMn em proporções adequadas para ob ter-se a composição f i n a l d e s e ja d a (ver ta b e la V ) . Foi então
fun-d ifun-d o a uma tem p eratu ra fun-de 12 0 0 °C sob v á c u o . P o ste rio rm e n te os t a rugos o b t id o s foram tra n sfo rm ad o s em p5 a t r a v é s da quebra e moa - gem r e s u lt a n d o em p a r t í c u l a s com tamanho i n f e r i o r a 44 ym. A f i g u r a 5 . 1 m ostra a m ic r o e s t r u t u r a d e s t e p o r t a d o r , onde vê-se a e x i s t ê n c ia de d u as f a s e s : a m a tr iz e uma segunda fa s e na forma de l a m elas b a s t a n t e sem elhante ao e u t é t i c o f o s f o r o s o . N e s ta segunda f a s e , de a c o rd o com a n á l i s e s s e m i- q u a n t ita tiv a s em m icro- sonda, a co n c e n tra ç ã o de manganês e f ó s f o r o chega a ser o d o b ro e o t r i p l o r e s p e c t iv a m e n t e , em r e la ç ã o à m a t r i z . A f i g u r a 5 .2 m ostra o r e s u l tado o b t id o na a n á l i s e . Por comprimento de onda (micro-sonda) de f ó s f o r o , a f i g u r a 5 . 3 m ostra o p e r f i l de c o n c e n tra ç ã o do manganês no p o rtad o r MP, onde è c l a r o a m aior co n cen tra ç ã o d e s t e s elemen - tos na f a s e em forma de la m e la s .
FIGURA 5 .1 - M ic r o e s t r u t u r a do p o rtad o r MP no e s t a d o bruto de f u s ã o .
FIGURA 5 . 2 - Imagens de r a i o s X do f ó s f o r o no p o rtad or M P.
A t a b e l a V a p r e s e n t a a composição quím ica dos pós m e t á l i cos u t i l i z a d o s .
TABELA V - Composição quím ica d a m a té r ia prim a u t i l i z a d a .
PÓS METÁLICOS COMPOSIÇÃO QUÍMICA o. (em peso )
Fe P Mn
c
Si 0 ASC 1 0 0 .2 9 9 9 ,7 0 0 , 0 1 0 ,05 0 ,0 1 0 ,0 2 0 ,15 FeP 7 9 , 7 3 1 9 , 9 0 ,0 5 0 ,2 2 0 ,0 8 -FeMn 1 3 , 5 9 0 ,1 2 8 4 ,7 0 0 ,1 1 0 ,9 7 0 ,5 1 MP 5 6 , 5 3 12 ,6 6 3 0 ,5 7 0 ,1 8 0 ,05 -5 . 3 . P roced im ento e x p e r im e n t a lOs pós foram pesados nas com posições p r é - d e t e r m in a d a s , e m istu rad o s d u r a n t e 60 m inutos em um m is tu r a d o r em Y , a uma r o t a
ção d e 5 0 RPM.
Para o estudo do comportamento d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o fo ram r e a l i z a d o s en s a io s d il a t o m é t r ic o s no fe r r o puro e em lig a s Fe- FeP, Fe-FeMn, Fe-FeP-FeMn e Fe-MP em proporções t a is que os teo res d e P e Mn mantiveram -se c o n s t a n t e s . U t il iz o u - s e corpos de provas -de 1 0 , 0 mm d e diâ m etro e 10 mm de com prim ento, com pacta dos a uma p r e ss ã o d e 600 MPa em uma m a triz b i p a r t i d a de d u p la a-
ção. A s i n t e r i z a ç ã o r e a liz o u - s e a 1 1 6 0 ° C por duas h o r a s , so b a t m o s fe r a d e h i d r o g ê n i o , em um d ila t ô m e t r o 402E-NETZSCH GERATEBAU
Os corpos de prova u t i l iz a d o s para a determ inação das pro p r ie d a d e s m ecânicas também foram compactados a uma pressão de 600 M Pa, u t iliz a n d o - s e e s t e a r a t o de zin c o na l u b r if ic a ç ã o das pa redes d a m a tr iz de d u p la ação usada conforme norma IS O 27 4 0 ,
a-3
t in g in d o d e n s id a d e v er d e de 6 ,9 a 7 , 0 g/cm . A subseqü en te sinte- r iza ç ã o r e a liz o u - s e a 1 1 6 0 °C por duas horas em atm osfera de H
(mesmas condições a n t e r io r e s ) em um forno com tubo de A l 2° 3 (F i gura 5 . 4 ) . Foram usadas tem peraturas de 1120 e 1 2 0 0 °C para a v e r i f i c a ç ã o d a sua i n f l u ê n c i a sobre a s i n t e r i z a ç ã o . A f ig u r a 5 .5 m ostra os c ic l o s térm icos d e sta s s i n t e r i z a ç õ e s .
I S O T É R M I C A
FIGURA 5 . 5 - C ic lo térm ico das s i n t e r i z a ç õ e s .
A t a b e l a V I a p r e s e n t a os v a lo r e s o b tid o s na determ inação das d e n s id a d e s dos corpos d e provas após a s i n t e r i z ação.
Os e n s a io s d e tra ç ã o foram r e a l iz a d o s segundo norma I S O / R 1 9 0 , em uma m áquina u n i v e r s a l Z V 1 0 .
As m edidas d e d u r e z a foram r e a l i z a d a s p e lo método V ic k e r s (HV 1 0 ) õonforme norma I S O / R 8 1 , em uma m áquina HPO 2 5 0 .
TABELA V I - D e n s id a d e dos corpos d e provas s i n t e r i z a d o s . M ATERIAL DENSIDADE (g /c m 3 ) TEMPERATURA DE S IN TE R IZ AÇÃO Fe 7 ,17 1160 Fe+2MP 7 / 1 9 1160 Fe+ 4MP 7 ,2 0 1160 Fe+ 6MP 7 ,2 3 1160 Fe+8MP 7 ,25 1160 Fe+ 4MP 7 ,1 8 1 12 0 Fe+ 4MP 7 ,2 4 12 00
A d e n s i d a d e fo i m ed ida pelo p r i n c í p i o d e Arquim edes de acordo cora a norma I S O 27 3 8 , p a ra m a t e r ia is m e t á lic o s s in t e r i z a - dos p e r m e á v e is , u t i l i z a n d o uma b a la n ç a a n a l í t i c a de p r e c is ã o SAR-
T O R IU S , conforme a equação ( 2 ) .
Os corpos d e prova antes de serem pesados na água foram im pregnados com p a r a f i n a f u n d id a ã tem p eratu ra d e aproxim adam en t e 8 0 ° C .
m, x /
/ = -í--- •” (2) m 2 ~ m3 onde f = d e n s id a d e o b t i d a m^ = m assa do C . P . no ar m.2 = m assa do C . P . no ar após im pregnação m^ = m assa do C . P . na água após im pregnaçãoA m edida do alongam ento f o i d ete r m in a d a p e la d i f e r e n ç a e- x i s t e n t e e n t r e os t r a ç o s de 25 mm, m arcados nos corpos de provas a n t e s de serem t r a c io n a d o s e após a sua r u p t u r a , segundo a e q u a ção (3 ) .
L f L
A long am ento (%) = —---— — x ioo (3) L
o
onde L = 2 5 mm o
L j = com prim ento e n t r e tra ç o s apôs a ru p tu r a
A v a r ia ç ã o d im e n s io n a l d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o f o i o b t id a p e la d i f e r e n ç a no comprimento e n t r e os corpos de p r o v a s v e r d e s e s i n t e r i z a d o s , conforme equação ( 4 ) .
onde SL = comprimento do C . P . v erde
SLç = comprimento do C . P . s i n t e r i z a d o
Para a n a l i s e das m i c r o e s t r u t u r a s , u t i l iz o u - s e um m icro s - c o p io C a r i Z e i s s Neophot 2 1 , sendo as am ostras a t a c a d a s com n i t a l 2 % .
6
.
APRESENTAÇÃO E A N Á LISE DOS RESULTADOS6 . 1 . In tr o d u ç ã o
A m ic r o - e s t r u t u r a d e aços s i n t e r i z a d o s , em co n se q ü ên cia d o p ro c esso d e f a b r i c a ç ã o , a p r e s e n t a um novo m i c r o - c o n s t it u i n t e ,o p o r o , c u ja q u a n t id a d e r e l a t i v a , tamanho e forma in f l u e n c ia m de- term inantem ente as c a r a c t e r í s t i c a s m e c â n ic a s . Quando s e s i n t e r i z a compactados d e m is t u r a d e p ó s , a l i g a p ro p riam en te d i t a se forma d u r a n t e o p r o c e s s o d e s i n t e r i z a ç ã o por i n t e r d i f u s ã o dos componen
t e s . O esta do d e i n t e r d i f u s ã o a lc a n ç a d o , ou s e j a a h o m o g en eiza çã o , a p r e s e n t a ao lado dos elem entos d e l i g a i n t e g r a n t e s , im por t â n c i a fund am ental na formação d a m ic r o - e stru tu r a do produto f i n a l . Os parâm etros t e m p e r a t u r a , tempo e a tm o sfe ra d e s i n t e r i z a ç ã o exercem i n f l u ê n c i a d i r e t a t a n t o so b re a evo lução d a p o r o s id a d e co mo s o b re o p ro cesso de hom ogeneização do com pactado. A composição q u í m ic a , e n t r e t a n t o , tem s u a i n f l u ê n c i a s o b r e o pro d uto i n t im a m ente l i g a d a ã forma p e l a q u a l são i n t r o d u z i d o s os elem entos de
l i g a na m i s t u r a , po is as fa s e s p r e s e n te s n e s t a , esta bele cem o comportamento c i n é t i c o do compactado na s i n t e r i z a ç ã o , como
f i c o u e v id e n c ia d o nos c a p í t u lo s 2 e 3.
Para a v e r ig u a r q u a n t it a t iv a m e n t e a i n f l u ê n c i a d a forma de in t r o d u ç ã o do manganês e f ó s f o r o ao f e r r o , foram compactados e s i n t e r i z a d o s corpos d e prova p a ra e n s a io s d ila t o m é t r ic o s e en s a io s d e t r a ç ã o , s o b as mesmas c o n d iç õ e s , u t il iz a n d o - s e como po r tad o res d e l i g a fe r r o m a n g a n ê s , f e r r o f õ s f o r o e a l i g a t e r n á r i a MP, d e produção p r ó p r ia (c a p í t u lo 5 ) . A i n f l u ê n c i a d a tem peratu ra d e s i n t e r i z a ç ã o e d a adiçã o de pequenos te o res de cobre e carbono às l ig a s Fe-Mn-P também fo i e s t u d a d a n e s t e t r a b a l h o , e uma sxn - t e s e dos r e s u lt a d o s o b tid o s é a p r e s e n t a d a a s e g u i r .
6 . 2 . Estudo d a s i n t e r i z a ç ã o e hom ogeneização dos compactados
A f i g u r a 6 . 1 m ostra a v a r ia ç ã o d im e n s io n a l d u r a n t e o aque cim ento e s i n t e r i z a ç ã o is o t é r m ic a d e compactados d e fe r r o (cur v a 1 ) , Fe-FeMn (curva 2) e Fe-FeP (cu rva 3 ) .
A curv a 1 a p r e s e n t a o comportamento já b a s t a n t e conhecido do fe r ro puro d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o , com a expansão térm ica e v a r ia ç ã o d im e n s io n a l d u r a n t e a tra n sfo rm açã o a - y n o r m a is , e um en co lh im en to s u a v e d u r a n t e o p e r ío d o is o t é r m i c o .
O compactado de Fe-FeMn (l ,3 % M n ) a p r e s e n t a m a io r expansão que o fe r ro puro d u r a n t e o aq uecim ento (curva 2) d e v id o a s e p a r a ção p a r c i a l d o s contatos como c o n s e q ü ê n c ia das tensõ es causadas p e lo m áior c o e f i c i e n t e d e d il a t a ç ã o térm ica das p a r t í c u l a s do p o rta d o r de l i g a [ 5 | . A te m p e ra tu ra d e transfo rm açã o a - y l i g e i ramente i n f e r i o r é r e s u lt a d o d a i n t e r d i f u s ã o já d e s e n c a d e a d a en t r e as p a r t í c u l a s d e fe r r o e fe rro - m a n g an es, já que e s t e elem ento de l i g a é e s t a b i l i z a d o r de a u s t e n i t a . D u r a n t e o p e r ío d o isotérm
i-V A R IA Ç A O D IM E N S IO N A L (% )
FIGURA 6 .1 - V a r ia ç ã o d im e n s io n a l d u r a n t e o aquecim ento e s i n t e r i z a ç ã o is o t é r m ic a .
c o , o enco lh im ento bem m ais p r o n u n c ia d o ê o r ig in a d o p e la m aior a tiv a ç ã o do p r o c e s so d e v id o ao g r a d ie n t e d e con centração e p e la c o n t r ib u iç ã o e f e t i v a do mecanism o d e evaporação e recòndensação p ara o t r a n s p o r t e d e m a t é r ia j á que o manganês tem pressão de v a por m uito e l e v a d a .
A l i g a Fe-FeP ( 0 , 5 1 % P ) , curva 3 , quando comparada ao ferro p u r o , a p r e s e n t a m a io r expansão d u r a n t e o aquecim ento (pelas mes mas razões a n t e r i o r e s ) até pouco mais d e 5 0 0 ° C , quando então a s it u a ç ã o é i n v e r t i d a . 0 p o r t a d o r FeP d u r a n t e a p r o g r e s s iv a d i f u são d e fó s fo r o p a r a as p a r t í c u l a s de f e r r o , e v i c e - v e r s a , le v a a
transfo rm açã o d e Fe2 P em F e 3 P , sendo que e s t e últim o composto a- p r e s e n t a um menor volum e e s p e c í f i c o . Além d i s t o , e s t a menor ex pansão e i n c l u s i v e o " p i c o d e e n c o lh im e n t o " a p rese n ta d o em torno d e 85 0 °C são r e s u lt a d o s d a redução no parâmetro d e rede do fe rro quando d a s u a d i s s o l u ç ã o . D ev id o ao f ó s fo r o s e r um fo r t e estabi- l i z a n t e d a f e r r i t a , a transform açã o a - y é b a s t a n t e i n i b i d a . A a l t a t a x a d e e n c o lh im e n to v e r i f i c a d a a in d a na fa s e do aquecim ento (a p a r t i r d e aproxim adam ente 1 0 0 0 ° C ) s e d e v e ã formação de fa se l í q u i d a t r a n s i e n t e e a s i n t e r i z a ç ã o na f a s e a do f e r r o . A t a x a de e n co lh im en to d im in u i s u c e s s iv a m e n t e d u r a n t e o perío do is o té r m ic o ã m ed ida que reduz a fo r ç a m otora do p r o c e s s o , mas ê a in d a m aior que no fe r r o puro d e v id o ã p r e s e n ç a d e fe r r o - a em grandes e x tensõ es no com p actado. A f a s e l í q u i d a que s e s o l i d i f c a g radativ a- m ente d e v id o ao en r iq u e c im e n to com f e r r o , p a re c e esten der- se ape nas à fa s e i n i c i a l do e s tá g io i s o t é r m ic o .
Ao a d ic io n a r - s e o manganês e fó s fo r o sim ulta nea m ente ao f e r r o , sob a forma d e Fe-FeP-FeMn (curva 5 , f i g u r a 6 . 2 ) os fe n ó menos d i s c u t i d o s acim a ocorrem p a r a l e l a m e n t e , além de uma in ter- d i f u s ã o e n t r e FeP e FeM n, levando a uma v a r ia ç ã o d im e n s io n a l i n t e r m e d iá r ia a das l i g a s b i n á r i a s . 0 manganês ten de a c o n t r a b a la n çar o e f e i t o do fó s fo r o d im in u in d o o volum e d e f e r r i t a p r e s e n t e d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o o que o c a s io n a o menor e n c o lh im e n t o , quan do comparado com a curv a 3 (F e - F e P ). No aquecim ento (até a p r o x i madamente 8 0 0 ° C ) , como os e f e i t o s v e r i f i c a d o s nos p o rtad o re s b i n á rio s são s i m i l a r e s , há uma m aior expansão que a a p r e s e n t a d a p e la s l ig a s b i n á r i a s . A p r e s e n ç a do manganês não i n i b e a formação d e f a s e l í q u i d a t r a n s i e n t e , mas d im in u i apenas a extensã o das r e g iõ es f e r r í t i c a s , s e comparado com a l i g a b i n á r i a Fe + F e P . Por i s t o a t a x a d e e n c o lh im e n t o , embora m en o r, a in d a é b a s t a n t e
ele-v a d a na f a s e f i n a l do aq uecim ento e i n í c i o do período is o t é r m ic o .
A m ic r o - e s t r u t u r a do Fe-FeP (f i g u r a 6 . 3 a ) m ostra p o r o s id a d e t o t a l menor e uma m aior t e n d ê n c ia ao arredondam ento dos p o r o s , s e comparada à l i g a Fe-FeP-FeMn (f i g u r a 6 . 3 b ) , o que concorda com o e x p o sto a n t e r io r m e n t e .
A a d içã o d e f ó s f o r o e manganês ao fe r r o atrav és do p o r t a d o r t e r n á r io M P, a p r e s e n t a o comportamento d im e n s io n a l d u r a n t e a s i n t e r i z a ç ã o v i s t o na f i g u r a 6 . 4 (curva 4 ) . Os p ro cesso s d e sin- t e r iz a ç ã o e hom ogeneização são fa v o r e c id o s p e lo su rg im en to d e f a s e l í q u i d a t r a n s i e n t e em m a io r q u a n t i d a d e , além das van tag e n s do e f e i t o d a "d i f u s ã o c o n ju n t a " | 3 , 4 , 5 | , d a e lim in a ç ã o d a etap a de i n t e r d i f u s ã o e n t r e manganês e fó s fo r o e con seq üente formação " i n s i t u " d e fa se s e n t r e e s t e s , já p r e s e n te s no p o r t a d o r .
D u r a n t e o aquecim ento a curva d a l i g a Fe-4MP (curva 4 , f i gura 6 . 4 ) a p r e s e n t a comportamento b a s t a n t e s em e lh an te ãqu ela dos p o rtad o res b in á r io s (curva 5 ) a té uma tem peratu ra em torno de 5 0 0 ° C , onde a expansão já é menor a c e n t u a d a , como c o n se q ü ê n c ia da m a io r d i f u s ã o e x p o s ta a n t e r io r m e n t e . O comportamento aproxima-se então ao d a curva c o r r e s p o n d e n t e ao Fe-FeP (curva 3 , f i g u r a 6 . 1 ) , onde perm anece o p ic o d e enco lh im ento por v o l t a dos 8 0 0 °C e in- t e n s i f i c a - s e a q u e le c o r r e s p o n d e n t e â 6 0 0 ° C . Assim a p r e se n ç a do manganês quando no p o r t a d o r t e r n á r i o , l e v a ao fo r t a le c im e n t o dos p ic o s de e n c o lh im e n t o , já o c o r r id o s na l i g a Fe- FeP. E s t e e f e i t o é p r o v a v e lm e n t e , d e v id o ã decom posição do M ^ P em Mn^P (s im ila r à o c o r r id a quando d a transform açã o do F e 2 P em F e ^ P ) , c o n se q ü ê n c ia d a g r a d a t i v a h o m o g eneizaçã o . As f ig u r a s 6 . 5 a e 6 . 5 b mostram a v a
r ia ç ã o d im e n s io n a l m e d ia n te s i n t e r i z a ç ã o is o t é r m ic a d e Fe + 4% MP, nas tem p era tu ra s c o r r e sp o n d e n te s aos d o is p ic o s d e enco lhim ento
FIGURA 6 . 2 - V a r ia ç ã o d im e n s io n a l (A£/ £q ) d u r a n t e o aquecim ento e s i n t e r i z a ç ã o is o t é r m ic a . .O -'..7 / V ( ■ > -N • V
* „• ' o * * 'J""K
V 'N
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'• K W
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* y *L<a
‘ --A/ * íV
XfT* jÇj -■ « * i *W 2 Fe ♦ 1 , 3 % Mn 3 Fe * 0 , 5 % ? 5 ---Fe + 0 , 5 % P+ l , 2 5 % M n tu 0 , 4 <í > J______I______i______ i I 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 IOOO 1160 TEMPERATURA ( ° C ) | --- A Q U E C I M E N T O ---3_____ I_________ i_________ I_________ 1___
3 0 6 0 9 0 120 T E M PO ( mi n) S I N T E R I Z A Ç Ã O I S O T É R M I C A ---H FIGURA 6 .3 - M ic r o - e s tr u tu r a das l i g a s : a) Fe-FeP (Fe + 0 , 5 1 % P ) ; b) Fe-FeP-FeMn (Fe + 0 , 5 1 % + 1 , 3 3 % Mn)
