INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E
TECNOLOGIA DE MINAS GERAIS
ANDERSON FERNANDES
IAN BELOTE
PAULO BRANDÃO
METALURGIA DO PÓ
BELO HORIZONTE
ANDERSON FERNANDES
IAN BELOTE
PAULO BRANDÃO
Metodologias Para Adquirir o Pó Metálico e As Características Do Pó
Metálico
Trabalho apresentado ao curso de Graduação em Engenharia Mecânica, do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais –
IFMG, como requisito parcial à disciplina de Processos de Fabricação I.
Orientador: Prof. Norimar de Melo Verticchio.
BELO HORIZONTE
SUMÁRIO
1.
Introdução... 032.
Métodos De Fabricação De Pós Metálicos ... 042.1. Reações químicas ... 04
2.1.1. Produção de pó de ferro ... 04
2.1.2. Produção de pó de cobre ... 04
2.2. Decomposição - Processo “Carbonila” ... 04
2.3. Atomização ... 05
2.3.1. Atomização em água ... 05
2.3.2. Atomização a gás ... 05
2.3.3. Outros processos de Atomização ... 05
2.3.3.1. Processo do eletrodo rotativo ... 05
2.3.3.2. Processo de atomização a vácuo ... 05
2.3.3.3. Processo de atomização por disco rotativo ... 05
2.3.3.4. Processo de ultrarápida solidificação ... 06
2.4. Deposição eletrolítica ... 06
2.5. Processos mecânicos ... 06
3.
Caracteríticos Dos Pós-Metálicos ... 073.1. Tamanho e forma das partículas ... 07
3.2. Porosidade da partícula ... 08
3.3. Microestrutura da partícula ... 08
3.4. Superfície específica ... 08
3.5. Densidade aparente ... 08
3.6. Velocidade de escoamento ... 08
3.7. Compressibilidade ... 09
3.8. Composição química e pureza ... 10
3.9. Resistência verde ... 10
METALURGIA DO PÓ (SINTERIZAÇÃO) 1. INTRODUÇÃO
A Sinterização é o processo de aglutinação de partículas sólidas (Pós de metais, semimetais ou substâncias não metálicas) por aquecimento em temperaturas abaixo da temperatura de fusão, empregando apenas pressão e calor. Ou seja, é uma técnica metalúrgica que transforma a matéria-prima em peças de alta resistência mecânica.
As etapas fundamentais do processo da Metalurgia do Pó são: Mistura dos pós; Compressão da mistura resultante – compactação; Aquecimento do compactado –
Sinterização.
As vantagens da Sinterização estão ligadas à produção de peças de geometria complexa, peças produzidas com formas definitivas em tolerâncias estreitas, componentes com características estruturais e físicas difíceis de se obter por outro método metalúrgico. Ainda podemos citar a elevada escala de produção e a possibilidade de combinação de substâncias metálicas e não metálicos.
Outras vantagens: Reduz ao mínimo as perdas de matéria prima; Facilita o controle exato da composição química desejada; Elimina ou reduz operações de usinagem; Possibilita bom acabamento superficial; Produtos obtidos de alta pureza; Permite a utilização de características de resistência exatamente como requeridas pelo projeto.
Entre os produtos que são exclusivos da Metalurgia do Pó, temos: Metais refratários; Metal duro ou carbonetos de metais; Mancais porosos autolubrificantes; Filtros metálicos; Discos de fricção metálicos; Alguns tipos de contatos elétricos; Escovas coletoras de corrente, entre outros.
Fig. 1 - Etapas Fundamentais - Microestrutura
2. MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE PÓS-METÁLICOS
A matéria-prima, na metalurgia do pó, constitui um fator básico, principalmente no que se refere à sua uniformidade. Por esse motivo, é imprescindível o seu rigoroso controle, o que significa que todos os seus característicos devem ser conhecidos, determinados e controlados com a maior profundidade.
As matérias-primas são pós-metálicos e não metálicos, cujas características influem tanto no comportamento do pó durante o seu processamento, como também nas qualidades finais do produto sinterizado.
A qualidade do pó metálico é função do processo de fabricação. A seguir serão mostrados os principais métodos de obtenção de pós-metálicos. Em princípio, vários métodos podem ser agrupados nas seguintes classes:
- Reações químicas e decomposição - Atomização de metais fundidos - Deposição eletrolítica
processamento mecânico de materiais sólidos - Processamento mecânico de materiais sólidos 2.1. Reações químicas:
Redução: Constitui este igualmente um dos processos mais empregados para a fabricação de pós-metálicos, principalmente tungstênio, molibdênio, ferro, cobre, níquel e cobalto. A redução é feita a partir de óxidos, os quais são moídos até certa finura sob condições controladas de temperatura e pressão. A principal vantagem do processo é sua flexibilidade, pois variando-se o tamanho de partículas dos óxidos, a temperatura de redução, o tipo de agente redutor, é possível controlar dentro de largos limites o tamanho da partícula metálica resultante, a sua densidade aparente e outros característicos.
2.1.1. Produção de pó de ferro 2.1.2. Produção de pó de cobre
2.2. Decomposição - Processo “Carbonila”:
Processo de decomposição química de um composto metálico a temperaturas elevadas. Usam-se compostos gasosos (carbonilas), resultando partículas sólidas muito finas. Os principais pós produzidos são: ferro e níquel, sendo que são utilizados em ocasiões especiais.
2.3. Atomização:
Um dos processos mais importantes, pois por seu intermédio são produzidos os pós mais utilizados na metalurgia do pó, tais como ferro, aço, estanho, chumbo, bronze, latão e outros. O processo consiste em forçar o metal ou a liga, no estado líquido (fundido), a passar através de um pequeno orifício e desintegrar a corrente líquida formada, mediante um jato de ar comprimido, vapor, gás ou água, o que promove a solidificação (resfriamento) do metal em partículas finamente divididas (pulverização do filete), as quais são colhidas em coletores especiais por meio de um sistema de sucção.
O tamanho e a forma das partículas variam em função de vários parâmetros, entre os quais se destacam; a espessura do filete, a pressão da água ou gás, a geometria do conjunto de pulverização e, evidentemente, o tipo de atomização.
2.3.1. Atomização em água 2.3.2. Atomização a gás
2.3.3. Outros processos de Atomização: 2.3.3.1. Processo do eletrodo rotativo 2.3.3.2. Processo de atomização a vácuo
2.3.3.3. Processo de atomização por disco rotativo
2.3.3.4. Processo de ultrarápida solidificação 2.4. Deposição eletrolítica:
Tal processo permite obter uma grande variedade de pós-metálicos, entre os quais os mais comuns são o ferro, o cobre e os metais preciosos. Há dois métodos práticos para produzir pós-metálicos por eletrodeposição. No primeiro, resulta a formação de um depósito esponjoso de pequena aderência o qual pode ser mecanicamente desintegrado em partículas finas. No segundo, ocorre a deposição de uma camada densa, macia e quebradiça de metal, que pode ser moída. Os pós resultantes são muito puros, com excelentes propriedades para emprego em técnicas tradicionais de metalurgia do pó.
O processo eletrolítico para produção de pós-metálicos, apesar das suas restrições de natureza econômica permite a obtenção de pós de grande pureza e excelentes característicos de compactação. O tamanho de partícula dos pós, assim como outros característicos, pode ser controlado no processo eletrolítico, mediante alterações na densidade de corrente, da composição, temperatura e circulação do eletrólito e das dimensões e disposição dos eletrodos.
2.5. Processos mecânicos:
Moagem: Empregado na produção de metais e ligas friáveis, tais como Cu-Al, Al-Mg, Ni-Fe e outras. Na realidade, a técnica de moagem se presta principalmente para reduzir determinados pós a partículas de menores dimensões, como é o caso de carbonetos duros sinterizados. O equipamento utilizado consta principalmente de moinhos de bola.
3. CARACTERÍTICOS DOS PÓS-METÁLICOS
3.1. Tamanho e forma das partículas: As dimensões das partículas variam entre cerca de 0,4 a 0,0001 mm. Visto ser raro encontrar-se partículas de tamanho uniforme, é sempre necessário determinar-se a distribuição quantitativa de partículas entre as diversas dimensões, o que se faz geralmente pelo processo de peneiramento. A maioria dos pós apresenta forma irregular, tais formas variam de acordo com o processo de obtenção.
A forma esférica é aparentemente melhor para a compactação, no entanto a forma irregular que seria menos favorável tende a produzir compactados superiores característicos de sinterização, por haver interação dos contornos das várias partículas entre si.
Para determinar o tamanho e distribuição de tamanho de partículas é empregado o método do peneiramento. (Visão boa da composição granulométrica do material).
Suas partículas exibem uma grande variedade de formas: esféricas uniformes (mais simples e ideal), esferóides ou em gotas (atomização), esponjosa irregular (redução), dendrítica (processo eletrolítico), angular (moagem).
3.2. Porosidade da partícula: A porosidade interna das partículas afeta a porosidade do produto acabado, além de influenciar o comportamento do pó durante seu processamento. Os poros influenciam a densidade aparente e a compressibilidade. Existem dois tipos de porosidade: Esponjosa – poros que não estão interligados entre si – e porosidade em que os poros estão interligados entre si.
3.3. Microestrutura da partícula: A estrutura cristalina dos pós-metálicos exercem influência no seu comportamento durante a compactação e sinterização, bem como nas propriedades do produto acabado. Aparentemente, as partículas consistindo em grande número de grãos muito finos promovem a compressibilidade do pó, sendo que partículas de um só grão ou de poucos grãos apresentam maior resistência à compactação pela aplicação de pressão. Existem duas classes de estrutura cristalina: monocristalina e policristalina. Podem ocorrer alterações dimensionais durante o aquecimento na sinterização.
Devemos ressaltar que no processo de sinteraização há crescimento do grão, sendo que quanto menor o tamanho de grão inicial, menor o tamanho de grão final. As alterações dimensionais que podem ocorrer no aquecimento são mais uniformes quando o pó é policristalino, contribuindo para propriedades mecânicas finais melhores.
3.4. Superfície específica: Área superficial da partícula. Qualquer reação entre as partículas ou entre elas e o meio vizinho se inicia na superfície, afetando a sinterização. A área específica da partícula pode ser muito maior se sua forma for irregular e sua superfície for rugosa.
3.5. Densidade aparente: Nas matrizes de compressão, o enchimento de suas cavidades é feito por volume. Além disso, o curso de compressão, nessa operação e, em conseqüência, a profundidade das matrizes dependem do volume ocupado pelo pó ao amontoar-se no seu interior. A densidade aparente constitui, assim, um fator quase decisivo na escolha do tipo de pó. A densidade aparente determina o verdadeiro volume ocupado por uma massa solta de pó, além da profundiade da cavidade da matriz e o comprimento do curso da prensa necessário para compactar o pó solto.
O aparelho que ensaia a velocidade de escoamento de pós-metálicos é o medidor de vazão Hall.
O dispositivo de ensaio consiste num funil com um orifício calibrado de 2,5mm de diâmetro. O funil, fabricado de uma liga de alumínio, deve possuir um acabamento macio para diminuir atrito de parede. Como auxílio de um cronômetro e uma balança, se determina facilmente os característicos de escoamento do pó metálico. Adota-se uma amostra de pó pesando 50g, devendo-se ter o cuidado de verificar se o pó está bem seco. O orifício do funil fica fechado com um dedo do operador. O pó é carregado no funil e o cronômetro é acionado no momento em que o dedo é retirado. O cronômetro para quando a última partícula de pó deixa o funil. A velocidade de escoamento do pó considerado corresponde ao tempo, em segundos, que foi necessário para o pó sair totalmente do funil.
Pós-metálicos finos aprensentam baixa velocidade de escoamento. A umidade do pó reduz a velocidade de escoamento. A velocidade também pode ser afetada por presença de películas de óxidos e de lubrificantes.
3.7. Compressibilidade: Capacidade de um pó ser conformado em briquete de um volume predeterminado a uma dada pressão. Mede o decréscimo de volume que ocorre durante a compactação. A compressibilidade é função da pressão de compactação, sendo
diretamente proporcional. A “compactabilidade” é relacionada à compressibilidade e
determina a pressão mínima necessária para produzir um compactado de resistência mecânica satisfatória.
3.8. Composição química e pureza: Os pós-metálicos podem ser produzidos com considerável pureza, acima de 99%. Conhecer a composição para determinar impurezas presentes, já que as impurezas afetam as etapas de compactação e sinterização. A principal razão do recozimento em vários tipos de pós, depois de sua obtenção, é minimizar o teor de óxidos.
3.9. Resistência verde: Não é propriamente um característico do pó antes da compactação, mas sim do pó compactado em briquete, antes de ser submetido à sinterização. A importância desse característico reside no fato de que a sua determinação permite verificar a habilidade que um compactado verde tem de manter a forma e as dimensões antes da sinterização.
