al2o3 processamento do compÓsito cu – al 2 o 3 : via metalurgia do pÓ

7/26/2019 Al2O3 PROCESSAMENTO DO COMPSITO Cu Al 2 O 3 : VIA METALURGIA DO P

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS UFAM

MARCOS LUIZ DA SILVA ANDRADE

PROCESSAMENTO DO COMPSITO Cu Al2O3: VIA

METALURGIA DO P

MANAUS-AM

2013


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PROCESSAMENTO DO COMPSITO Cu Al2O3: VIA

METALURGIA DO P

Trabalho solicitado pela disciplina de

Cincias dos Materiais, sob

orientao do Prof. Dr. Daniele

Menergn.


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1: compsitos com fibras orientadas (a) aleatoriamente e (b) unidirecional 9

Figura 1.2: Representao das vrias etapas do processo de metalurgia do p ..... 12

Figura 2 - Esquema de compactao por compresso dos ps, numa prensa uniaxial......................................................................................................................... 15

(fonte: FERREIRA, 2002) .................. ................... ..................... ................... ...... 15

Figura 1.3: Etapas presentes na compactao (fonte: CHIAVERINI, 2001) ............ 16

Figura 1. 4: Curva tpica da variao da densidade do compacto com a presso decompactao(fonte: http://www.ebah.com.br/sinterizacao-ppt-a13217.html) ........... 17

Figura 1.5: Estgios de ligao entre partculas durante o processo de sinterizao......................................................................................................................... 19

(fonte: GRUPO SETORIAL, 2009)............. ................... ..................... .................. 19

Figura 1.6: Modificao das formas das partculas e reduo dos poros nos estgiosde sinterizao (fonte: GRUPO SETORIAL, 2009) ................................ ..... .......... 19

Figura 1.10: Sinterizao solidus, (a) configurao inicial das partculas, (b)formao preferencial de lquido nos contornos de gros, (c) densificao daspartculas semi-slidas e (d) estgio final da densificao (fonte: GERMAN, 1984). 27


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Sumrio

Reviso ...................... .................. ...................... ................... .................. ............ 6

1.1 Alumina ................................................................................................ ... 6

1.2 Cobre .................... .................. ..................... ................... .................. ...... 7

1.3 Materiais Compsitos ................... ................... ...................... .................. . 8

1.4 Metalurgia do p ................... ................... ...................... .................. ...... 10

1.4.1 Definies ........................... .................. ................... ..................... .. 10

1.4.2 Etapas do processo ................... .................. ...................... .............. 11

1.4.3 Vantagens e limitaes ............. ................... ..................... ............... 11

1.4.4 Processo da metalurgia do p .......................................................... 12

1.4.5 Ps metlicos ..................... .................. ...................... ................... .. 131.4.6 Mtodos de produo dos ps metlicos .......... ............... .................. 13

1.5 Pureza e composio qumica ............ .................... .................... ............ 13

1.6 Porosidade .................................... ...................... .................. ................ 14

1.7 Mistura, Homogeneizao e Lubrificao ................................................ 14

1.7.1 Compactao ..................... .................. ...................... ................... .. 15

1.8 Princpio da compactao ................... .................. ...................... ........... 16

1.9 Razo de compactao .................... .................. ...................... .............. 171.10 Sinterizao ................... .................. ...................... ................... ............ 18

1.10.1 Estgios de Sinterizao ...................... .................. ...................... .... 18

1.10.2 Tempo ............................................................................................ 19

1.10.3 Fornos de Sinterizao .................... .................. ...................... ........ 20

1.10.4 Atmosferas de Sinterizao .............................................................. 20

1.10.5 Fase Lquida de Sinterizao ........................................................... 21

1.10.6

Princpios da Fase Lquida de Sinterizao ................................ ....... 22

1.11 Principais Fatores para Ocorrer a Fase Lquida de Sinterizao ............... 23

1.11.1 Parmetros que Influenciam o Processo de Fase Lquida de

Sinterizao............ .................... .................... .................. ...................... ........... 26

1.11.2 Formas de ocorrncia da Fase Lquida de Sinterizao ..................... 26

Bibliografia .................... ................... ...................... .................. .................. ....... 29


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REVISO

1.1 Alumina

O xido de alumnio um xido anfotrico com a frmula qumica Al 2O3.

comumente conhecido como alumina, ou corndon na sua forma cristalina, assim

como muitos outros nomes, justificando sua ampla ocorrncia na natureza e naindstria. Seu uso mais significativo na produo do metal alumnio, embora seja

tambm usado como um abrasivo, devido sua dureza e como material refratrio,

devido ao seu alto ponto de fuso, acima de 2000 C.

Ocorre na natureza tambm na forma de dispora (Al2O3.H2O) e gibsita (Al2O3.3H2O)

e mais comumente na forma de bauxita, a qual uma forma impura da gibsita.

Corndon o que aparece mais comumente numa forma cristalina de xido de

alumnio. Rubis e safiras so formas da gema de corndon, que devem a sua corcaracterstica para rastrear impurezas. Os rubis tm a sua cor vermelho vivo

caracterstica de suas qualidades de laser por traos de cromo. Safiras vm em

cores diferentes devido a vrias outras impurezas, como o ferro e titnio.

O xido de alumnio um isolante eltrico, mas tem uma condutividade trmica

relativamente alta (30 W/m.K) para um material cermico. Na sua forma cristalina

mais comum, denominada corndon, ou xido de alumnio , sua dureza o torna

adequado para uso como um abrasivo e como componente de ferramentas de corte.O xido de alumnio responsvel pela resistncia do metal alumnio s

intempries. muito reativo com o oxignio atmosfrico, e uma camada fina de

alumina (4 nm de espessura) formada em cerca de 100 picosegundos em qualquer

superfcie de alumnio exposto. Essa camada protege o metal de futuras oxidaes.

A espessura e as propriedades dessa camada de xido podem ser melhoradas

atravs de um processo chamado anodizao. Algumas ligas, tais como bronzes e

alumnio, exploram essa propriedade, incluindo uma proporo de alumnio na liga

para aumentar a resistncia corroso. A alumina gerada por anodizao

tipicamente amorfa, mas o processo de descarga por oxidao assistida tal como


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oxidao eletroltica de plasma, resulta numa proporo significativa de alumina

cristalina do revestimento, aumentando sua dureza.

A alumina o resultado do processamento qumico da bauxita, conhecido como

processo Bayer. Essa operao se realiza na refinaria, onde o minrio

transformado em alumina calcinada, a qual posteriormente ser utilizada no

processo eletroltico. Atravs de uma reao qumica, a alumina ser precipitada

atravs do processo de cristalizao por semente. O material cristalizado lavado e

secado atravs de aquecimento para que o primeiro produto do processo de

produo do alumnio, o xido de alumnio de alta pureza, ou alumina (um p branco

e refinado), seja obtido (MRTIRES, 2001).

1.2 Cobre

O cobre um elemento qumico metlico, de cor vermelho-amarelada, que forma

dois xidos: o cuproso e o cprico. No sofre conseqncias da ao do ar seco,

mas,quando exposto a ar mido que contenha dixido de carbono, forma-se uma

camada protetora esverdeada de carbonato bsico, tambm conhecido com

azinhavre. Com esse corpo txico, os utenslios de cobre usados na cozinha devem

ser estanhados ou mantidos sempre limpos. o segundo metal em conduo de

eletricidade (aps a prata) e, junto com suas ligas, o terceiro metal mais utilizado

no mundo, atrs somente do ao e do alumnio.

Em razo da sua elevada capacidade de conduo trmica, o cobre a matria-

prima mais utilizada na fabricao de cabos, fios e lminas. Alm disso, malevel

e dctil, podendo ser estirado sem causar quebras. Entre os compostos cuprosos,

destacam-se o xido vermelho, que serve para colorir vidros, e o cloreto cuja

soluo no amonaco reativa do acetileno. Entre os compostos cpricos mais

importantes citam-se o xido negro, utilizado para colorir vidros de verde, e o sulfato

de colorao azul, empregado principalmente nas indstrias de metalurgia e

galvanoplastia.

O cobre empregado principalmente na fabricao de cabos e fios utilizados na

transmisso eltrica e na telefonia. Esses dois setores absorvem cerca de 45% da

produo mundial. utilizado tambm em outras indstrias, tais como: construo

civil, eletroeletrnica, automobilstica, arquitetura, mecnica, objetos decorativos,

blica, minerao, construo naval e explorao petrolfera. Suas propriedades


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eltricas so mais bem aproveitadas quando empregado em estado puro, mas as

propriedades mecnicas e a inalterabilidade so melhores nas ligas com zinco,

estanho, chumbo e nquel. As ligas de cobre so utilizadas na maioria das indstrias,

em conseqncia da variedade de suas propriedades: os lates (uma das principais

ligas conhecidas, composta de cobre e zinco), que so uma das principais ligas de

cobre, so moldados e trabalhados facilmente (barras, perfilados, laminados); os

bronzes (ligas de cobre e estanho) tm interessantes qualidades de fundio,

associadas a suas caractersticas mecnicas de atrito (fundies, peas mecnicas);

bem como a resistncia oxidao e a certos agentes corrosivos

(BRASILGLOBALNET).

1.3 Materiais Compsitos

Os materiais compsitos poder ser considerados um grande avano tecnolgico. O

interesse nesses materiais esta ligado a dois fatores: dureza e desempenho. O fator

econmico vem do fato do material composto ser muito mais leve que os materiais

metlicos, o que implica em uma estrutura mais leve. O fator desempenho esta

ligado a busca dos componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito as

caractersticas mecnicas, tais como resistencia ruptura, resistencia ambientes

agressivos, etc. O carter anisotrpico dos materiais compostos o fator primordial

para obteno das propriedades mecnicas requeridas pelo componente. O principio

do desempenho estrutural superior dos materiais compsitos enquadra-se na alta

resistencia especfica, razo entre resistencia e densidade e na alta rigidez

especfica, razo entre rigidez e densidade e, em caractersticas anisotrpicas e

heterogneas do material. Estas ltimas fornecem ao material compsito, a

possibilidade de configurao tima do material, atravs do direcionamento

controlado das fibras, por exemplo.

Um material composto um sistema constitudo de duas ou mais fases em escala

macroscpica, em que as propriedades mecnicas so projetadas para serem

superiores aos materiais constituintes agindo de forma independente. Uma dessas

fases descontnua, resistente e rgida, chamada reforo, enquanto que a fase

contnua, menos rgida e mais fraca, chamada de matriz.

A fibra o elemento constituinte que confere ao material compsito suas

caractersticas mecnicas: resistencia ruptura, rigidez, etc. As fibras podem ser


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curtas (alguns centmetros), que so injetadas no momento da moldagem da pea,

ou longas, que so cortadas aps a fabricao da pea.

As fibras podem ser definidas como unidirecionais, quando orientadas em uma

mesma direo, fig. 1.1; bidimensionais, com fibras orientadas segundo duas

direes ortogonais (tecidos), ou com fibras orientadas aleatoriamente (esteiras) e

tridimensionais, quando as fibras so orientadas no espao tridimensional. A

geometria e composio fsica de uma fibra so muito importantes na avaliao de

sua resistencia, devendo ser levado em conta, em aplicaes estruturais. De forma

geral, uma fibra tem propriedades mecnicas melhores que a do material na forma

bruta, devido a estrutura mais perfeita da fibra. Nas fibras, os cristais so alinhados

ao longo do eixo central. Alm disso, h menos defeitos internos nas fibras do queno material bruto.

Figura 1.1: compsitos com fibras orientadas (a) aleatoriamente e (b) unidirecional

As propriedades de um material composto dependem das propriedades dos

constituintes, da geometria e distribuio das fases. Um dos parmetros mais

importantes a frao de volume ou massa de reforo. A distribuio do reforo

determina a homogeneidade ou uniformidade do material. Quanto menos uniforme

a distribuio do reforo, maior ser a heterogeneidade e maior ser a probabilidade

de falhas nas reas mais fracas do material. A geometria e orientao do reforo

afetam a anisotropia do sistema.

As fases do sistema tm diferentes funes que dependem do tipo e aplicao do

material composto. Nos casos de baixo a mdio desempenho dos materiaiscompsitos, o reforo, usualmente na forma de manta ou partcula, fornece pouca


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rigidez e somente resistencia local no material. A matriz, por outro lado, o principal

agente que governa as propriedades mecnicas do material. No caso de materiais

compsitos de alto desempenho, o reforo a espinha dorsal que determina sua

rigidez e resistencia na direo da fibra. Nesse caso, a matriz fornece proteo e

suporte para as fibras e transferncias de cargas entre uma fibra e outra.

1.4 Metalurgia do p

A Tecnologia da Metalurgia do P (P/M Powder Metallurgy) pode ser definida

como um conjunto de tcnicas e processos para produo de ps dos materiais

metlicos, e do seu processamento em produtos metalrgicos consolidados numamassa de ps coerente (metlicos e no metlicos), atravs da aplicao de

elevadas presses e, simultnea ou subseqentemente, de calor, em geral abaixo

dos pontos de fuso dos materiais metlicos de base principais, constituinte dos ps

(FERREIRA, 2002).

A operao de consolidao dos ps normalmente realizada por prensagem,

seguida por um aquecimento para consolidao executado num forno de atmosfera

controlada, sendo esta ltima operao referida como sinterizao. A temperatura

de sinterizao deve ser mantida abaixo da temperatura de fuso dos materiais em

p, ou inferior temperatura de fuso dos constituintes em maior proporo, se for

utilizada uma mistura de ps metlicos (FERREIRA, 2002).

1.4.1 Definies

A metalurgia do p se distingue dos demais processos metalrgicos convencionais

pelas seguintes caractersticas:1. Utilizao de ps metlicos e no metlicas como matrias-primas.

2. Ausncia de fase lquida ou presena apenas parcial da fase lquida durante

processo de fabricao.

3. Produo de peas com formas definidas ou praticamente definitivas, dentro

de tolerncias muito estreitas, geralmente sem necessidade de operao de

usinagens posteriores ou de qualquer outro tipo de acabamento.

4. Produo de componentes com caractersticos estruturais e fsicosimpossveis de se obter por outro qualquer outro processo metalrgico.


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5. Obteno de peas em grandes sries, tornando o processo altamente

competitivo em relao aos processos convencionais (CHIAVERINI, 2001).

1.4.2 Etapas do processo

Na fabricao corrente de componentes pela tecnologia da metalurgia do p, a

sequencia normal de operaes inicia-se pela dosagem de ps metlicos, seguido

de uma operao de mistura para homogeneizao e uniformidade da distribuio

dos ps (metlicos e/ou no metlicos). No seguimento os ps misturados so

submetidos a operaes de prensagem, em geral executada por prensas axiais,

para a sua compactao e conformao. O produto desta operao de prensagem,

em ps compactados, toma a designao de compacto verde, devido sua fraca

resistncia mecnica antes da operao de sinterizao.

A operao seguinte, para gerar a unio das partculas de p, efetuada em fornos

a temperaturas geralmente inferiores s do ponto de fuso dos materiais em p em

maior porcentagem, e denominada por sinterizao, da qual resulta um compacto

sinterizado, com uma estrutura coerente de ps e com uma elevada resistncia

mecnica. Quando a forma geomtrica do compacto necessita de ser melhorada, ou

modificada, pode recorrer-se a uma operao de forjamento dos compactos

sinterizados, para se obterem componentes acabados e calibrados (FERREIRA,

2002)

1.4.3 Vantagens e limitaes

Comparando os processos de metalurgia do p com os processos de produo

convencionais, os processos tecnolgicos P/M recentes tm as seguintes

vantagens:1. Muitos dos ps metlicos so obtidos por reciclagem de sucatas metlicas (ex.:

ps de ferro, de ao, de ligas de cobre ou de alumnio), outros so obtidos de

minrio (ex.: ps de tungstnio);

2. A obteno de produtos P/M, em grandes sries, com forma geomtrica final

definitiva, sem desperdcios de materiais (ex.: sem gitos de fundio, sem aparas

provenientes de processos de corte, sem resduos provenientes dos processos

de fabricao);


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3. Um baixo custo por componente P/M, sobretudo no caso de geometrias

complexas, ou de requisitos de uma elevada preciso de forma, e/ou uma grande

quantidade de partes iguais a serem produzidas;

4. A tecnologia da P/M apresenta um consumo energtico relativamente baixo,

comparativamente a outros processos tecnolgicos de processamento de metais;

5. A tecnologia da P/M permite processos de produo relativamente limpos para

preservao do meio ambiente (FERREIRA, 2002).

1.4.4 Processo da metalurgia do p

Os ps sob presso no se comportam como lquidos, a presso necessria compactao/conformao dos ps no transmitida uniformemente na massa dos

ps, e s existe um pequenssimo escoamento lateral dos ps, dentro do molde.

Assim, a obteno de densidades satisfatrias nos componentes P/M depende em

larga escala da escolha do processo de conformao dos ps e do projeto da

ferramenta P/M de compresso.

Atualmente so utilizadas, na indstria, uma grande diversidade de tcnicas da

metalurgia do p, para a conformao e consolidao dos ps metlicos. Assequncias de operaes mais correntemente utilizadas em metalurgia do p, para

os processos de conformao e consolidao dos ps metlicos, esto

representados na figura 1.2 (FERREIRA, 2002).

Figura 1.2: Representao das vrias etapas do processo de metalurgia do p


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1.4.5 Ps metlicos

A primeira etapa do processo tecnolgico da metalurgia do p corresponde

produo de ps metlicos, e/ou no metlicos, e sua mistura uniforme em

diversas porcentagens com outros ps metlicos e no metlicos de modo a

formarem-se composies homogneas. Nestas misturas de ps so, por vezes,

adicionados lubrificantes, ou outros aditivos, para facilitar os processos de

conformao e melhorar as propriedades finais dos produtos obtidos com a

tecnologia da metalurgia do p.

A seleo dos processos para a produo deps metlicos , geralmente,

condicionada por razes de pureza e das propriedades fsicas requeridas, tendo

sempre em ateno os aspectos econmicos de produo (FERREIRA, 2002).

1.4.6 Mtodos de produo dos ps metlicos

Em princpio, os vrios mtodos podem ser agrupados nas seguintes classes:

1. Reaes qumicas e decomposio;

2. Atomizao de metais fundidos;

3. Deposio eletroltica;

4. Processamento mecnico de materiais slidos;

Um mesmo p pode ser obtido por mais de um mtodo. Os mtodos includos nas

duas primeiras classes acima so os que apresentam a maior importncia prtica,

pois so os que produzem ps de custo mais baixo, com caractersticas que

atendem s exigncias da maioria dos produtos sinterizados ( (CHIAVERINI, 2001).

1.5 Pureza e composio qumica

Partindo-se do pressuposto que o p metlico apresente uma pureza acima de 99,0

ou 99,5%, o principal objetivo de conhecer-se sua composio qumica ou pureza

consiste em determinar-se quais as impurezas metlicas ou no-metlicas

presentes, visto que essas impurezas podem afetar as condies de compactao e

as condies de sinterizao (CHIAVERINI, 2001).


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1.6 Porosidade

Quando presentes, os poros afetam no somente outros caractersticos dos ps,

como a densidade aparente e a compressibilidade, como igualmente a porosidade

da pea acabada. Devem-se distinguir dois tipos de porosidade: porosidade tipo

esponjosa, caracterizada pela presena de poros que no esto interligados entre si

e porosidade em que os poros esto interligados entre si. Neste caso e quando,

alm disso, os poros estiverem ligados com a superfcie, verifica-se um aumento da

superfcie especifica das partculas, alm de ficar facilitada a absoro de gases

durante o seu processamento (CHIAVERINI, 2001).

1.7 Mistura, Homogeneizao e Lubrificao

- Mistura: a operao em que dois ou mais ps de composio diferentes so

intimamente misturados (CHIAVERINI, 2001).

- Homogeneizao: a operao de misturar intimamente ps de idntica

composio nominal (CHIAVERINI, 2001).

- Mistura e Homogeneizao: Essas operaes aumentam o contato entre as

partculas. O resultado depende do tamanho e da forma das partculas. Considera-

se que quanto maior a uniformidade do tamanho de partcula do material a ser

misturado ou homogeneizado, tanto maior a possibilidade de obter-se resultados

uniformes e consistentes. Por outro lado, partculas maiores apresentam forte

tendncia de segregar. Se possvel, a eliminao dessas partculas maiores deveria

ser realizada (CHIAVERINI, 2001).

- Lubrificao: a funo do lubrificante de minimizar o desgaste, por reduo do

atrito entre a massa do p em contato com as superfcies das ferramentas (matrizes,

punes e machos metlicos), e por reduo do atrito entre as partculas de ps. O

lubrificante adicionado a mistura dos ps em pequenas percentagens, usualmente

da ordem dos 0,5 % a 1,0 % do peso total da mistura dos ps metlicos.

Os lubrificantes mais utilizados tm por base: os estearatos de zinco; os estearatos

de ltio; os estearatos de clcio; o cido esterico; a parafina; a cera; e o sulfureto de

molibdnio (FERREIRA, 2002).


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1.7.1 Compactao

Est a primeira das operaes de consolidao da metalurgia do p. Seus

objetivos so os seguintes:

5. Conformar o p na forma projetada;

6. Conferir as dimenses finais, ou aproximadamente finais, especificadas, levando

em conta as possveis alteraes dimensionais que possam ocorrer durante a

sinterizao;

7. Conferir a adequada densidade verde ao compactado;

8. Conferir a resistncia mecnica necessria para o manuseio posterior;

9. Proporcionar o necessrio contato entre as partculas de p, para que a operao

de sinterizao seja efetuada de modo mais eficiente.

Os processos mais importantes de compactao so os seguintes:

1. Compresso em matrizes rgidas.

2. Compresso isosttica.

3. Compresso isosttica a frio, em receptculo flexvel.

4. Compresso isosttica a quente.

5. Compactao por laminao de ps, para a conformao de chapas e tiras;

6. Extruso de ps metlicos.

Alm desses, h outros processos como forjamento de ps, compactao por

exploso, e processos mistos como forjamento-sinterizao (CHIAVERINI, 2001).

Figura 1.3: Esquema de compactao por compresso dos ps, numa prensa uniaxial

(fonte: FERREIRA, 2002)


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1.8 Princpio da compactao

Considerando os dois processos mais comuns de compactao compactao emmatriz rgida e compactao isosttica em invlucros ou receptculos flexveis

pode-se dividir o comportamento dos ps, quando submetidos compresso, em

trs estgios:

1. No primeiro estgio, as partculas de p so re-amontoadas e ou re-arranjadas,

de modo a eliminar parcialmente a formao de vazios, formao essa sempre

acontece quando se empilha a esmo partcula de p;

2. O segundo estgio envolve deformao plstica das partculas. A profundidadeda deformao plstica do p e a sua compressibilidade. A deformao mais

profunda em ps de metais dcteis. Contudo, mesmo com esses ps dcteis, a

compressibilidade ou a densidade verde (obtida no compactado verde) pode

variar muito. Outro fator a considerar a porosidade: ps com porosidade (ps

obtidos por reduo de xidos), ao contrrio de ps que no se mostram porosos

(atomizados e eletrolticos), possuem caractersticos de baixa compressibilidade;

3. No terceiro estgio, as partculas de p que ficaram frgeis devido ao

encruamento dos estgios anteriores, quebram e formam fragmentos menores.

Os trs estgios geralmente se sobrepem (CHIAVERINI, 2001). Abaixo segue

ilustrao mostrando as etapas da compactao:

Figura 1.4: Etapas presentes na compactao (fonte: CHIAVERINI, 2001)


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1.9 Razo de compactao

A razo de compactao pode ser definida como a razo entre a densidade do

compacto (densidade final dos ps conformados aps compactao) dividida pela

densidade aparente dos ps soltos antes da operao de compactao para

conformao:

=

Esta grandeza determina a profundidade de deslocamento do puno na matriz de

compactao, por forma a obter-se a densidade final do p comprimido requerida,

pelo que tambm pode ser expressa em termos da razo da altura do enchimento

da matriz, em ps soltos. Dividido pela altura do compacto verde aps conformaopor compactao:

=

Quando a presso de compactao aumenta, o aumento de densidade do compacto

vai sendo retardado pelo encruamento das partculas e pelo atrito. Na figura 9 est

representada graficamente uma curva tpica do aumento da densidade do compacto

com o aumento da presso de compactao. A densidade do compacto com a

presso de compactao segue uma relao hiperblica (FERREIRA, 2002).

Figura 1. 2: Curva tpica da variao da densidade do compacto com a presso de compactao

A operao de compactao crtica no conjunto do processo de metalurgia do p,pois a geometria final do componente e as suas propriedades mecnicas so


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determinadas, essencialmente, pela uniformidade da densidade no interior do

compacto verde (FERREIRA, 2002).

1.10 Sinterizao

Nas aplicaes da tecnologia da metalurgia do p, a sinterizao pode ser definida

como um processo de tratamento trmico para a ligao coerente de partculas

numa estrutura predominantemente slida por transporte de massa e difuso,

acontecimento que ocorrem freqentemente a uma escala atmica. O princpio

fundamental da metalurgia do p postula que a sinterizao envolve um processo de

difuso no estado slido, o qual permite que as partculas de ps compactadas seaglutinem, sem se atingir o estado de fuso completo. As partculas dos ps

desenvolvem ligaes metalrgicas, e a estrutura dos ps densifica-se sob a ao

do calor, o que conduz a uma melhor resistncia mecnica e a uma baixa energia do

sistema (FERREIRA, 2002).

Normalmente, a temperatura especificada de sinterizao da ordem de 2/3 a 3/4

da temperatura de fuso da liga considerada. Por exemplo, no caso do ferro, a

temperatura de sinterizao varia de 1000C a 1200C, sendo, para os casos mais

comuns, de 1100C (CHIAVERINI, 2001).

1.10.1 Estgios de Sinterizao

Apesar do processo de sinterizao ter sido objeto de extensos trabalhos tericos e

experimentais, no existe uma teoria universalmente aceita que lhe seja aplicvel.

Contudo, correntemente aceita que a sinterizao consiste genericamente em

estgios distintos, no necessariamente seqenciais:1. Estgio de ligao inicial das partculas por adeso.

2. Estgio inicial de crescimento do colo e diminuio da rea superficial.

3. Estgio intermdio de densificao e de encerramento dos poros e dos canais.

4. Estgio final de densificao e segregao seguida de coalescncia dos poros.

5. Os estgios de sinterizao correntes, acima descritos, esto esquematizados na

figura 1.5 (FERREIRA, 2002).


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Figura 1. 3: Estgios de ligao entre partculas durante o processo de sinterizao

(fonte: GRUPO SETORIAL, 2009)

medida que a forma dos poros fica arredondada, as partculas discretas ficam

menos evidentes, e um estgio intermedirio de sinterizao ocorre como mostrado

na figura 1.6 (FERREIRA, 2002).

Figura 1. 4: Modificao das formas das partculas e reduo dos poros nos estgios de sinterizao

(fonte: GRUPO SETORIAL, 2009)

1.10.2 Tempo

O grau de sinterizao aumenta com o aumento do tempo temperatura. Contudo,

o efeito no to aprecivel, pois, na prtica, as principais modificaes ocorrem no

estgio inicial do processo. A figura 14 ilustra o efeito do tempo sobre a resistncia

mecnica final, a qual afetada pelas condies de sinterizao. Uma das razes

porque o tempo temperatura no teria uma ao to efetiva atribuda perda de

fora motora para remover toda a porosidade, com o aumento do tempo a qualquer

temperatura (CHIAVERINI, 2001).


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1.10.3 Fornos de Sinterizao

So inmeros os tipos de fornos empregados na metalurgia do p. Neles, as fontes

de aquecimento so de dois tipos: gs e eletricidade.

O gs permite temperaturas at a ordem de 1200C. Contudo, acima de 1080C, o

calor perdido nas chamins muito grande, por isso esses fornos no so

normalmente usados acima dessa temperatura.

Os fornos eltricos so mais versteis. So aquecidos pelo emprego de elemento de

resistncia (CHIAVERINI, 2001).

Quanto aos fornos, os diversos tipos e modelos podem ser agrupados da seguinte

maneira:

1. Fornos contnuos, tipos esteira, empurrador, soleira de roletes e de vigasmovedias;

2. Fornos intermitentes, tipos caixa, sino, tubo e mufla e de alta freqncia

(CHIAVERINI, 2001).

A figura 1.7 mostra o ciclo de sinterizao tpico de um forno contnuo.

Figura 1.5: Perfil tpico de temperatura num forno de sinterizao contnuo (fonte: CHIAVERINI,

2001)

1.10.4 Atmosferas de Sinterizao

As atmosferas empregadas na operao de sinterizao tm diversos objetivos:

1. Impedir a entrada de ar no forno.

2. Facilitar a eliminao de lubrificante ou cera nos compactados.

3. Sinterizar.4. Reduzir os xidos superficiais.


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5. Controlar o teor de carbono na superfcie e no ncleo das peas (carbonetando

ou descarbonetando)

6. Transmitir de modo uniforme e eficiente o calor

As atmosferas convencionais empregadas na operao de sinterizao so: gs

endotrmico, gs exotrmico, amnia dissociada, hidrognio e vcuo (ou falta de

atmosfera) (CHIAVERINI, 2001).

1.10.5 Fase Lquida de Sinterizao

comum a presena de uma fase lquida durante a operao de sinterizao. Isso

acontece:1. Quando a composio da mistura tal que, durante o aquecimento, um dos

componentes funde: o caso tpico da mistura cobre-estanho para formao da

liga bronze;

2. Quando a fase slida apresenta uma solubilidade limitada na fase lquida; o

caso tpico da composio WC+Co de metal duro em que, a certa temperatura,

pequena quantidade de WC fica dissolvida no cobalto, o qual funde a essa

temperatura;3. Ou quando se pratica a operao de infiltrao, a ser estudada mais adiante, em

que, por exemplo, se sinteriza uma mistura de ferro-cobre a uma temperatura

acima da de fuso do cobre, forando a penetrao deste metal na compactado

poroso ferro-cobre (CHIAVERINI, 2001).

A sinterizao por fase lquida utilizada para melhorar as propriedades mecnicas

do material sinterizado pela reduo da sua microporosidade, podendo-se quase

atingir a condio livre de poros. A diferena bsica entre a sinterizao slida e a

sinterizao por fase lquida que nesta ltima ocorre a formao de uma fase

lquida transiente ou permanente, durante o processo de sinterizao. Sendo assim,

o aglomerado de ps a ser sinterizado composto de dois ou mais componentes,

onde um dos componentes, chamado de aditivo tem menor ponto de fuso que o

componente principal da mistura (P, 2009).

Alguns dos metais, ou ligas metlicas, de baixo ponto de fuso, constituintes dos

ps, fundem, originando metal fundido durante a sinterizao dos ps. Tal fase ajudamarcadamente a operao de sinterizao por infiltrao metlica, e pode ser


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observada como um caso especial de sinterizao ativada. Os ps de estanho com

os de cobre, e os de cobre com os de ferro, so exemplos tpicos utilizados neste

processo de sinterizao (FERREIRA, 2002).

1.10.6 Princpios da Fase Lquida de Sinterizao

Quando o compacto aquecido temperatura de sinterizao e ocorre a liquefao

de um dos componentes, a tendncia do lquido cobrir as partculas do

componente slido, eliminando desta forma a interface slido-vapor. A eliminao

desta interface vai depender da molhabilidade do lquido sobre a superfcie slida.

Do ponto de vista microestrutural o processo pode ser classificado na seguinte

sequncia:

Processo de Rearranjo o primeiro estgio do processo, subseqente

formao da fase lquida. Nesta fase, ocorre o rearranjo das partculas slidas

pelo efeito de capilaridade exercida sobre o lquido. Neste estgio, o

compactado comporta-se como um slido viscoso onde a frao de

densificao fortemente influenciada pela quantidade de lquido, tamanho

da partcula (partculas menores tem melhor rearranjo) e solubilidade do

slido no lquido. Estima-se que para obter porosidade nula so necessrios

aproximadamente 35% do volume de fase lquida formada durante o

rearranjo. Da mesma forma, o processo de rearranjo pode ser inibido por

partculas com forma irregular ou alta densidade a verde.

Processo de soluo / precipitaoa caracterstica geral deste estgio o

engrossamento microestrutural, tambm chamado de Ostwald ripening. A

solubilidade no lquido de um gro inversamente proporcional ao seu

tamanho. Esta proporcionalidade em solubilidade estabelece um gradiente de

concentrao no lquido, resultando no transporte de matria por difuso de

gros pequenos para gros grandes, conhecido como engrossamento dos

gros. Este processo contribui para a densificao do material. A forma final

do gro determinada no s pelas energias interfaciais slido-lquido e

slido-slido, como tambm pela quantidade do lquido e de qualquer

anisotropia na energia superficial do slido.

Processo final este estgio controlado pela sinterizao slida. Nesta

etapa, ocorre ligao das partculas slidas, crescimento do pescoo e


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formao do contorno do gro, e a fase lquida j foi toda consumida. A

densificao lenta devido existncia do corpo slido. A rigidez do corpo

inibe rearranjos adicionais, no entanto o engrossamento microestrutural

continua atravs do processo de difuso entre os elementos constituintes do

material. Se no final deste processo existir poros residuais com gases

aprisionados, ocorrer a dilatao do sinterizado (P, 2009)

Figura 1.6: Estgios da fase lquida da sinterizao envolvendo a misturas de ps

(fonte:www.ebah.com.br\MINI-CURSO DE TP EENG07.pdf)

1.11 Principais Fatores para Ocorrer a Fase Lquida de Sinterizao

-Energia de superfcie: quando se forma o lquido durante a sinterizao, a

microestrutura consiste de slidos, lquido e fases de vapor. Fase lquida da

sinterizao bem sucedida exige uma reduo na energia de superfcie como o

lquido se espalha por toda superfcie das partculas slidas. Deste modo, a energia
http://www.ebah.com.br/MINI-CURSO%20DE%20TP%20EENG07.pdfhttp://www.ebah.com.br/MINI-CURSO%20DE%20TP%20EENG07.pdf


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de superfcie slido-lquido deve ser menor do que a energia de superfcie de slido

vapor.Neste caso, o lquido "molha" o slido e fornece uma fora de ligao entre as

partculas para ajudar na densificao.

Molhabilidade auxiliada pela solubilidade do slido no lquido, a formao de

compostos intermedirios, e interdifuso. Energias interfaciais podem ser altamente

dependentes do grau de pureza de superfcie, o comportamento da molhabilidade

pode ser drasticamente alterado por contaminantes ou etapas de processamento

que limpam a superfcie do p. Limpar as superfcies so especialmente importantes

para os sistemas metal-metal (RAJIV et al., 1998).

- Solubilidade: solubilidade do slido no lquido geralmente exigida para a bem

sucedida fase lquida da sinterizao, especialmente para sistemas com mais de 65% de volume slido. Esta solubilidade permite a soluo re-precipitao e permite

uma embalagem mais eficiente dos gros, levando a maior densidade do

sinterizado. Por outro lado, a solubilidade do lquido no slido geralmente

indesejvel, pois pode resultar em inchao, como o lquido difunde nos gros slidos

(deixando para trs grandes poros que so geralmente difceis de eliminar durante a

sinterizao subseqente). No entanto, em certos sistemas, como Cu-Sn e Cu-Zn, a

fase lquida transiente pode ser controlado para produzir propriedades nicas.O parmetro de solubilidade est definido como a relao da solubilidade slida no

lquido, e para solubilidade lquida no slido, prov uma estimativa razovel de se

inchando ou encolhendo que acontece durante a fase lquida de sinterizao.

O diagrama de fase til na identificao de parmetros de solubilidade e outras

caractersticas contundentes para fase lquida da sinterizao. Um diagrama de fase

ideal para fase lquida de sinterizao mostrado na figura 15.

Em fases de alta-temperatura pode baixar as taxas de difuso, enquanto que asfases intermetlicas frgeis que se formam durante o esfriamento podem degradar

as propriedades mecnicas. O diagrama de fases tambm indica a tendncia de

elementos de ligas e impurezas para segregar os limites do gro. Quanto maior a

separao do slidus e liquidus, maior ser a segregao de soluto para interfaces.

A inclinao para baixo liquidus e solidus tambm indicam uma tendncia para

segregao de soluto e energias superficial inferior. A temperatura de sinterizao

acima da temperatura euttico ideal para uma composio na L + regio (RAJIV

et al., 1998).


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Figura 1.7: Diagrama de fases ideal para o sistema fase lquida de sinterizao

(fonte: RAJIV et al., 1998)

- Difusividade: Um dos benefcios para a fase lquida da sinterizao a

densificao rpida e homogeneizao que ocorre devido a altas taxas de difuso

de tomos de metais em um lquido. Aditivos que tm baixas temperaturas de fuso

so preferidos devido a sua baixa energia de ativao e difusividades alta em

temperaturas mais baixas. Para alguns sistemas, durante o aquecimento,

significativamente a densificao pode ocorrer devido sinterizao de estado

slido, reforado pela fase do aditivo. Nesses casos, a difusividade aumenta

exponencialmente com a temperatura at que o aditivo derrete. Uma vez que se

forma a fase lquida h um salto rpido tanto da solubilidade e difusividade, devido a

ligao mais fraca associada a uma fase lquida. Um aumento exponencial da

difusividade acompanha as elevaes na temperatura. Assim, temperaturas mais

elevadas so favorveis para densificao, mas tambm aumenta a presso de

vapor do lquido. Evaporao preferencial do lquido pode alterar a composio

global do componente sinterizado. Alm disso, reposio de vapores nas paredes do

forno pode resultar em danos para fornos (RAJIV TANDON, 1998)


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1.11.1 Parmetros que Influenciam o Processo de Fase Lquida de Sinterizao

Os parmetros que influenciam o processo de sinterizao por fase lquida so:

1. Tamanho e forma da partcula, influencia na resistncia mecnica do

componente sinterizado.

2. A taxa de aquecimento e resfriamento, na taxa de aquecimento deve ser

controlada a reduo de xidos e remoo de ligantes e lubrificantes e rpidas

taxas de resfriamento evitam segregao de impurezas e conseqente

fragilizao do sinterizado.

3. A temperatura deve ser suficiente para formar fase lquida.

4. A atmosfera, se a atmosfera residual for aprisionada durante a fase lquida, pode

reduzir a formao de filmes superficiais e alterar a molhabilidade entre oscomponentes.

5. Outros parmetros podem ter influncia, como: estequiometria do p,

homogeneidade, densidade a verde, etc.

1.11.2 Formas de ocorrncia da Fase Lquida de Sinterizao

1.11.2.1 Fase Lquida de Sinterizao SolidusA fase lquida da sinterizao solidus (FLSS) envolve o aquecimento de um p pr-

ligado entre as temperaturas solidus e liquidus para formar a fase lquida. A

fundamental diferena com a fase lquida comum com fase lquida solidus a

sequncias dos eventos que levam a densificao. Comparado com a fase lquida

comum, o processo de densificao na FLSS postulado pela a ocorrncia e

sequncias das etapas demonstrada na figura 16. No primeiro estgio, consiste na

formao do lquido ao redor do gro. geralmente observada a formao delquidos no limites dos gros, dentro da partcula, e no interior do gro. Estes locais

dependem de vrios fatores, tais como a microestrutura do p, liga qumica,

tamanho de partculas, e a taxa de aquecimento. medida que aumenta o volume

do lquido h uma temperatura crtica acima do valor limite da linha de solidus,

ocorre existncia de lquidos ao longo das fronteiras dos gros. Acima desta linha,

os gros possuem mobilidade suficiente para reorganizar, conduzindo

fragmentao das partculas e por capilaridade e induzindo ao rearranjo. Assim, a

densificao durante a FLSS anlogo ao fluxo viscoso na sinterizao, porque as

partculas semislidas ficam murchas e o fluxo do lquido se espalha ao longo das


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fronteiras dos gros. Subseqentemente, continuando a densificao ocorrem por

soluo reprecipitao, os gros se acomodam, e removendo os poros, como na

fase liquida comum (RAJIV TANDON, 1998).

Figura 1.8: Sinterizao solidus, (a) configurao inicial das partculas, (b) formao preferencial de

lquido nos contornos de gros, (c) densificao das partculas semi-slidas e (d) estgio final da

densificao (fonte: GERMAN, 1984).

1.11.2.2 Fase Lquida de Sinterizao Transiente

A fase lquida da sinterizao transiente (FLST) observada em sistemas de ps

misturados onde a o aditivo tem uma alta solubilidade no material base. Alguns

exemplos de composies que ocorrem a FLST incluem o Cu-Sn, Cu-Al, Ni-Cu, Fe-

Mo-C, Fe-P e ligas de Fe-Ti. Como consequncia, ocorre o ponto baixo de fuso do

aditivo que substitudo por poros aps a ocorrncia da homogeneizao do lquido.

A vantagem da FLST a curta durao do lquido que eliminado resulta em variao

dimensional uniforme. No entanto, o lquido depende de vrios parmetros de


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processamento, A FLST altamente sensvel as condies de processamento, tais

como o tamanho da partcula, quantidade de aditivo e temperatura mxima de

aquecimento. Alm disso, a relao de solubilidade necessria para o lquido ser

transiente podem induzir ao inchao durante a temperatura de aquecimento de

sinterizao para determinados sistemas. Para aplicaes tais como rolamentos de

bronze poroso este processo benfica, enquanto que para materiais estruturais a

porosidade e o inchao so prejudiciais. Algumas aplicaes comerciais para a

FLST incluir amlgamas dentrias com base em prata e mercrio, auto-lubrificantes

porosos, rolamentos de bronze e materiais magnticos moles, tais como Fe-Si e Fe-

P (RAJIV TANDON, 1998).

1.11.2.3 Fase Lquida de Sinterizao Ativa

A fase lquida de sinterizao ativa (FLSA) pode ser utilizada para melhorar o

comportamento de sinterizao de sistemas com pouca ou nenhuma solubilidade do

slido nos fludos. Densificao melhorada pela adio de elementos que

segregam nos contornos de gro e diminui a energia de ativao para a difuso em

estado slido. Tais elementos podem ser identificados por caractersticas no

diagrama de fases. Limitada a solubilidade do aditivo no lquido ajuda a garantir a

segregao aos contornos dos gros, enquanto a formao de fases de baixa

temperatura de fuso intermetlicos com o metal de base proporciona a fase de alta

difusividade necessrios para o estado slido reforandoa sinterizao na presena

do lquido. As fraes de volume lquido de 35% ou mais, de alta densidade

aglomerado pode ser alcanado em sistemas que falta solubilidade mtua, porque

para forma de gros no necessrio alojamento. Assim, ativadores so

necessrias apenas para as composies com as fraes de baixo volume de

lquido. Neste caso, a difuso de volume por uma fase de alta difusividade fornece a

forma de gros necessrio para atingir altas densidades sinterizado.


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BIBLIOGRAFIA

BRASILGLOBALNET. O MERCADO BRASILEIRO PARA MINRIOS DE COBRE.

brasilglobalnet. Disponivel em:

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Acesso em: 15 dez. 2013.

CHIAVERINI, V. Metalurgia do p: tcnica e produtos. 4. ed. So Paulo: [s.n.],

2001.

FERREIRA, J. M. G. D. C. Tecnologia da Pulverometalurgia. Lisboa: [s.n.], 2002.

MRTIRES, R. A. C. Balano Mineral Brasileiro. [S.l.]. 2001.

P, G. S. D. M. D. A Metalurgia do P:Alternativa econmica com menor impactoambiental. Rio de Janeiro: [s.n.], 2009.

RAJIV TANDON, P. Powder Metal Molding. Powder Metal: Technologies and

Applications: [s.n.], v. Vol.7, 1998.

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