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Influência da Moagem de Alta Energia na porosidade de produtos da metalurgia do pó

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Academic year: 2021

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Influência da Moagem de Alta Energia na porosidade de produtos da

metalurgia do pó

Kahl Zilnyk (UEPG) E-mail: 061040724@uepg.com

Osvaldo Mitsuyuki Cintho (UEPG) E-mail: omcintho@uepg.com

Resumo: Neste trabalho, foi investigada a influência do tempo de moagem na porosidade final de amostras feitas a partir de aço carbono em pó, processado em moinho do tipo SPEX. As amostras foram submetidas a metalografia quantitativa, para estimar a fração do volume ocupada por poros. Concluiu-se que a porosidade primeiro aumenta com a moagem, e depois diminui até atingir um patamar estável, acompanhando o tamanho de partícula do pó.

Palavras-chave: Porosidade, metalurgia do pó, moagem de alta energia, aço eutetóide.

1. Introdução

A Metalurgia do Pó, ou powder metallurgy (PM) em inglês, é uma forma de processamento já desenvolvida e bem estabelecida industrialmente para a fabricação de componentes ferrosos e não ferrosos. A PM é economicamente vantajosa frente a outras técnicas de produção, uma vez que minimiza a necessidade de usinagem e acabamento superficial, e mantém uma estreita tolerância dimensional. Geralmente, o processo de fabricação por PM incluía obtenção do pó, o processamento prévio deste pó, compactação a frio, sinterização e acabamento (ROCHMAN, 1999). Por produzir componentes inteiriços a partir de matérias primas em pó, produtos da metalurgia do pó sempre apresentam uma porosidade residual. Em geral deseja-se um produto final com a menor porosidade possível, para que a resistência mecânica não seja comprometida, mas em certas aplicações onde o peso é um fator determinante para a escolha de materiais e processos, um material resistente, ainda que poroso, pode ser preferível, como em aplicações aeronáuticas (por exemplo: ímãs para sensores e motores) ou então na fabricação de mancais auto-lubrificantes (POQUILLON, 2002).

A Moagem de Alta Energia (MAE) é uma técnica de processamento de pós que permite a produção de materiais homogêneos partindo da mistura de pós elementares. Desenvolvida a partir da década de 1960, é utilizada para obter materiais nanoestruturados, reações no estado sólido, materiais amorfos, ligas metaestáveis e soluções sólidas supersaturadas. O moinho do tipo SPEX é o de maior poder energético, porém de menor produção, em volume de material. Seu princípio de funcionamento consiste em um recipiente, contendo bolas de moagem e o material a ser moído, vibrando simultaneamente em torno dos três eixos, gerando uma elevadíssima freqüência de choques entre as bolas e as bolas e as paredes do recipiente (SURYANARAYANA, 2001).

No início do processo de moagem, as partículas frágeis são fragmentadas e as partículas dúcteis tornam-se achatadas por um processo de microforjamento. As partículas achatadas sofrem soldagem, enquanto as partículas frágeis são distribuídas na superfície do

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material mais mole (NOWOSIELSKI, 2005). Com isso, há um aumento do tamanho de partícula, como se observa em (a) e (b) na figura 1. As partículas também sofrem fraturas, as quais tendem a refiná-las. Em um segundo estágio do processo, a fratura torna-se mais comum que a soldagem das partículas. Com o decorrer da moagem, ambos os fenômenos, soldagem e fratura, entram em equilíbrio e o tamanho de partícula segue praticamente constante, como em (c) e (d) na figura 1. O material frágil depositado na superfície do material dúctil é incorporado em sua matriz. Em estágios extremos, ocorre a amorfização do material (SURYANARAYANA, 2001);

Figura 1. Variação do tamanho de partícula em função do tempo de moagem para uma liga de tântalo – níquel. Retirado de C. Suryanarayana, Progress in Materials Science. N.46, p.33, 2001.

Para produtos metalúrgicos, a porosidade geralmente é determinada através do porosímetro de mercúrio ou da adsorção de nitrogênio. Contudo, estas técnicas apresentam inconvinientes: o mercúrio é um metal pesado, tóxico ao organismo, e o nitrogênio um gás inerte, relativamente caro (MOURA, 2007). Para contornar estes problemas, pode-se utilizar o método da Contagem Sistemática Manual de Pontos. Nesta técnica, determina-se a fração volumétrica de uma determinada fase do material através da quantidade existente desta fase em uma secção plana do material. A quantidade de fase presente é determinada sobrepondo a uma fotografia da microestrutura do material uma grade (circular ou quadriculada, como as mostradas na figura 2) e contando os pontos contidos pela fase em questão. Apesar de esta técnica ter sido idealizada para ser usada com micro-constituintes do material, ela pode, com igual eficácia, determinar a porosidade do material, basta considerar os poros como uma segunda fase (ZILNYK, 2008).

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Figura 2 - Grades para a contagem sistemática manual de pontos

2. Objetivo

Determinar a influência da moagem de ata energia na porosidade de componentes sinterizados, utilizando o método da contagem sistemática manual de pontos para estipular de maneira simples, econômica e confiável a porosidade dos corpos de prova.

3. Materiais e Métodos

Ferro e grafite em pó, comercialmente puros, foram misturados na proporção eutetóide (0,76% de C em massa) e processados em um moinho do tipo SPEX com poder de moagem 7:1 pelos tempos de 0,25, 0,5, 0,75, 1, 2, 4, 8 e 12 horas. Amostras de 1 grama dos pós processados foram compactadas uniaxialmente, em matriz rígida sob a tensão de 2 GPa, a temperatura ambiente. Os compactados foram sinterizados à 1200ºC por uma hora em atmosfera de argônio. Depois de embutidos em resina de poliéster, foram lixadas e polidas, segundo a preparação metalográfica convencional. Em um microscópio óptico equipado com câmera digital, foram feitas imagens da superfície da amostra e estimadas as porosidades por meio de contagem sistemática manual de pontos, usando uma grade quadriculada com cem pontos, em 5% da área da amostra, conforme a norma ASTM E 562-02.

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4. Resultados e discussão

A figura 3 mostra uma fotografia da superfície de cada imagem. Apenas através da sua observação, constata-se qualitativamente que a porosidade aumenta e depois decresce com o aumento do tempo de moagem.

Figura 3 - Exemplos de imagens da superfície das amostras utilizilizadas para determinação da porosidade pelo método da contagem sistemática manual de pontos: a) 0,25h, b) 0,5h, c) 0,75h, d) 1h. e) 2h, f) 4h, g) 9h, h) 12h.

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Os valores estimados de porosidade através de metalografia quantitativa estão demonstrados na tabela 1 e apresentados em gráfico em função do tempo de moagem na figura 4.

Tabela 1 - Valores médios de porosidade

Tempo de moagem (horas) Porosidade (%) Desvio Padrão

0,25 4,7 5,5 0,5 5,0 2,1 0,75 7,7 3,6 1 9,6 4,1 2 13,3 4,6 4 18,4 1,9 9 5,4 2,0 12 5,5 1,6

Figura 4. Variação do volume ocupado por poros nas amostras em função do tempo de moagem.

O gráfico da figura 2 confirma quantitativamente que no primeiro estágio da moagem a porosidade aumentou, atingindo o valor máximo com 4 horas. Este fato pode ser explicado pelo aumento do tamanho de partícula característico deste estágio do processamento, como visualizado na figura 1. Ao atingir o ponto onde a freqüência de fratura das partículas passa a ser maior que a união a frio delas, o tamanho de partícula cai e juntamente a porosidade é reduzida. Por isso, a amostra moída por 9 horas apresentou porosidade inferior à moída por 4

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horas. Uma vez atingindo o equilíbrio entre fratura e união das partículas, o tamanho de partícula e a porosidade mantêm-se constantes, portanto não houve variação expressiva de porosidade para as amostras moídas por mais de 9 horas. O formato da curva de porosidade em função do tempo é bastante semelhante ao de tamanho de partícula durante a moagem, exibido na figura 1, o que sugere que ambas as propriedades estão relacionadas.

5. Conclusão

A porosidade de um sinterizado pré-compactado uniaxialmente é proporcional ao tamanho de partícula. Conforme se aumenta o tempo de moagem, diferentes mecanismos atuam sobre o pó (e.g. mudança do formato de partícula, soldagem e fratura), modificando o tamanho de partícula e consequentemente a porosidade dos componentes produzidos a partir deste material. O entendimento de como a moagem de alta energia influência características dos produtos e processos da metalurgia do pó é um caminho para diminuir o tempo de formulação de projetos, bem como reduzir a quantidade de refugo devido a componentes com propriedades insuficientes.

Referências

D. POQUILLONet al.Cold compaction of iron powders—relations between powder morphology and mechanical properties Part I: Powder preparation and compaction.Powder Technology Vol. 126, p. 65– 74, 2002.

SURYANARAYANA, C.Mechanical alloying and milling.Progress in Material Science. Vol. 46, p. 1-184, 2001.

NOWOSIELSKI, R. & PILARCZYK, W. Structure and properties of Fe-6.67%C alloy obtained by mechanical alloying.Journal of Materials Processing Technology, Vol.162-163, p. 373-378, 2005.

MOURA, M. J. & FIGUEIREDO, M. M.; Aplicação das Técnicas de Picnometria de Gás e de Porosimetria de Mercúrio. Silva Lusitana. Vol. 10, p. 207 - 216, 2002.

ZILNYK, K.D. & CINTHO, O. M. Avaliação do processo de compactação uniaxial de pós metálicos por meio de ensaios de compressibilidades de alta resolução. Anais do 63º congresso anual da ABM, 2008.

ASTM E 562-02 Determining volume fraction by systematic manual point count.

ROCHMAN, N. T.; KAWAMOTO, K.; SUEYOSHI, H.; NAKAMURA, Y. & NISHIDA. T.Effect of milling temperature and additive elements on an Fe-C system alloy prepared by mechanical alloying.Journal of Materials Processing Technology, Vol.89-90, p. 367-372, 1999.

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