Processo de Produo Industrial IIMetalurgia do P

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METALURGIA DO P1. Definio do processo Metalurgia do p um processo de fabricao que produz peas tendo como matria-prima p metlico. O processo consiste em compactar e/ou modelar a mistura e aquec-la (etapa chamada de sinterizao), com o objetivo de melhorar a coeso da estrutura interna.2

METALURGIA DO P A caracterstica especfica do processo que a temperatura permanece abaixo da temperatura de fuso do elemento constituinte principal. A metalurgia do p um processo em que a economia de material levada ao extremo, com mnimas perdas de matria-prima (as perdas na usinagem convencional, por exemplo, podem chegar a 50%).3

METALURGIA DO P Certas ligas podem ser obtidas pela metalurgia do p a custos vrias vezes inferiores do que se fossem produzidas pela metalurgia convencional. A possibilidade de conjugar peas simples e partes sinterizadas tambm representa um importante fator de economia de custos, com preservao de qualidade do produto final.4

METALURGIA DO P O controle exato da composio qumica desejada do produto final. A reduo ou eliminao das operaes de usinagem. O bom acabamento de superfcie. A pureza dos produtos obtidos.

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METALURGIA DO P A facilidade de automao do processo produtivo so alguns dos motivos que tornam a metalurgia do p uma fonte produtora de peas para praticamente todos os ramos da indstria, como o automobilstico, de informtica, aeroespacial, de material eletroeletrnico, de equipamentos e implementos agrcolas, txtil e tantos outros.6

METALURGIA DO P Algumas limitaes ainda no superadas tornam a metalurgia do p uma soluo invivel em algumas situaes. Em outras situaes, a metalurgia do p no o ltimo processo. Por exemplo, a pea tem de ser extrada de uma matriz, o que dificulta a produo de peas com certas caractersticas geomtricas (furos, rasgos etc.), que devem ser obtidas por usinagem posterior.7

METALURGIA DO P - Vantagens: Perda mnima de matria-prima; Controle rigoroso da composio qumica; Boa tolerncia dimensional, dispensando operaes posteriores de usinagem; Homogeneidade estrutural e de propriedades; Bom acabamento superficial; Uso mais eficiente de energia; Processo de fcil automao.8

METALURGIA DO P - Desvantagens: Alto custo inicial do ferramental, sendo necessria grandes produes para compensar o investimento; Tamanho e formato limitado das peas; Impede processo posterior de soldagem, devido ao comprometimento das propriedades fsicas e qumicas devido porosidade da pea.9

METALURGIA DO P O p confeccionado por processos especficos. Os ps so misturados para dar homogeneidade pea. A mistura colocada na matriz, prensada e depois extrada. A pea ento sinterizada em fornos especiais. Dependendo do caso, a pea passa por um processo complementar para melhorar tolerncias(calibragem), propriedades (tratamento trmico), entre outros.10

METALURGIA DO P Etapas da Metalurgia do P

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METALURGIA DO P Aplicaes1. Filtros sinterizados: so utilizados em vrias aplicaes industriais que requerem resistncia em altas temperaturas e resistncia mecnica e qumica (p.ex. filtragem de gases, leos combustveis e minerais, etc.). 2. So utilizados tambm como abafadores de rudo e vlvula corta chamas. So fabricados em bronze, nquel, aos inoxidveis, titnio e outros.

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METALURGIA DO P Aplicaes

Filtros sinterizados

Viso por microscopia13

METALURGIA DO P Aplicaes2. Mancais autolubrificantes: Uma das caractersticas da sinterizao possibilitar o controle da porosidade do produto final. Esta caracterstica particularmente importante na produo de mancais autolubrificantes. A porosidade existente no mancal pode ser preenchida com leo, para garantir uma lubrificao permanente entre o eixo e o mancal.

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Viso por microscopia da porosidade de um mancal autolubrificante15

METALURGIA DO P Aplicaes3. Baterias: Utilizam nquel poroso nos acumuladores cdmionquel e nas pilhas. 4. Prteses: Implantes cirrgicos so recobertos com liga porosa ( base de Co-Ti), permitindo que o tecido sseo penetre nos poros e assegure uma boa ligao com o implante. 5. Materiais especiais: So ligas (como W90-Cu-Ni) que no permite fabricao industrial devido ao alto ponto de fuso (3410C), alta densidade (18 g/cm), e outras caractersticas. Possuem alto poder de absoro de radiaes (setor nuclear) e para blindagens (setor militar).16

METALURGIA DO P Aplicaes6. Discos de freio e embreagem: So feitos base de liga de cobre ou ferro-cobre, aos quais se adiciona agente de atrito (SiC, SiO2, Al2O3) e agente lubrificante (Pb,C, MoS2).

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METALURGIA DO P Aplicaes7. Metal duro: O carboneto metlico, tambm chamado de metal duro, tem importncia fundamental no campo das ferramentas de corte, peas de desgaste e brocas para perfurao de rochas. Nessas ferramentas, o metal duro adaptado nas partes cortantes, na forma de pastilha. Essas pastilhas possuem elevada dureza (quase igual do diamante) e suportam temperaturas de at 1.000C sem sofrer perda de corte. O metal duro pode ser produzido a partir do p de tungstnio (W) puro, misturado ao p de carbono (C) em propores cuidadosamente controladas para garantir a correta composio.18

METALURGIA DO P Aplicaes Esta mistura levada a uma temperatura de cerca de 1.700C, que provoca a unio do tungstnio e do carbono, dando origem s partculas duras do metal duro, representadas pelos carbonetos de tungstnio (WC). O carboneto de tungstnio dissolve-se facilmente em cobalto (Co), o qual adicionado mistura, atuando como metal ligante. O resultado final combina as propriedades da partcula dura (resistncia ao desgaste) com as propriedades do metal ligante (tenacidade - absorvio de impacto).19

METALURGIA DO P Aplicaes

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METALURGIA DO P Aplicaes8. Contatos eltricos: So produzidos a partir de ligas AgW, Ag-WC, Ag-Ni e W puro. Garantem boa condutividade eltrica e trmica, preservando a resistncia mecnica quando aquecidos, resistncia tendncia de soldagem quando em servio e elevada resistncia ao desgaste. 9. Ligas magnticas: economicamente vivel obter pequenos ms e ms permanentes em Co5Sm (Sm = samrio), ms cermicos em ferrita de brio, peas polares e ncleos magnticos de ampla utilizao em motores e alto-falantes de carros, rdio e TV.21

METALURGIA DO P Aplicaes10. Peas mecnicas: Fabricadas em Fe, Fe-CuNi, Fe-Cu-Ni-Mo, Fe-Cu-Pm (Pm = promcio), com ou sem carbono, so usados em engrenagens do eixo comando e do virabrequim, garfos, buchas da junta homocintica, anis sincronizadores, cubopolia da bomba dgua, amortecedores, pisto, corpo e guia da vlvula, caixa de cmbio (cubos, anis e luvas sincronizadoras), etc.22

METALURGIA DO P Processos de produo do p Existem vrios processos para obteno de p metlico, sendo que sua escolha depende do conjunto de propriedades do material e das caractersticas que se quer para o p, em funo da aplicao pretendida. Os principais so:

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METALURGIA DO P Processos de produo do p Mtodos mecnicos (quebra e moagem): indicado para materiais frgeis ou fragilizados por algum processo anterior, consiste em fragmentar o material com o auxlio de martelos ou moinhos at um determinado tamanho de partcula. Os moinhos mais comuns so de bolas, vibratrios e de atrito.24

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METALURGIA DO P Processos de produo do p Cold-stream: aumenta a fragilidade dos metais em temperaturas baixas para sua transformao em p. O p ainda grosseiro arrastado por um fluxo de gs sob alta presso, atravs de um tubo, alcanando uma cmara grande, que mantida sob vcuo. Ao atingir a cmara, o gs sofre uma expanso com conseqente diminuio brusca de temperatura.26

METALURGIA DO P Processos de produo do p O p em alta velocidade, colide com um alvo instalado dentro da cmara, e como encontrase relativamente frgil por causa da baixa temperatura, partem-se em partculas menores. O p que j apresenta um tamanho suficientemente pequeno separado da frao gasosa, a qual novamente reconduzida ao processo.27

METALURGIA DO P Processos de produo do p Atomizao: neste processo o metal fundido vazado atravs de um orifcio apropriado a essa operao, formando um filete lquido que atacado por jatos de ar (processo R-Z / RoheisenZunder), gs (processo ASEA-STORA que utiliza o argnio e o nitrognio, ou processo CSC /Centrifugal Shot Casting) ou gua. Esses jatos provocam a pulverizao do filete e seu imediato resfriamento.28

METALURGIA DO P Processos de produo do p O p recolhido reduzido e peneirado, estando pronto para ser usado. O tamanho e a forma das partculas variam em funo de vrios parmetros, entre os quais destacam-se: a espessura do filete, a presso do fludo, a geometria do conjunto de pulverizao e evidentemente, o tipo de atomizao. A atomizao a gua normalmente conduz a partculas irregulares e angulosas, enquanto que a atomizao ao ar produz partculas mais esferoidais.29

METALURGIA DO P Processos de produo do p Processo de reduo qumica: Os processos de reduo de compostos de metais com agentes redutores gasosos ou slidos representam o grupo de processos mais significativos para obteno de ps. Os agentes redutores mais utilizados so o carbono e o hidrognio.

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METALURGIA DO P Processos de produo do p A reduo com o carbono s utilizvel para elementos metlicos que no formam carbonetos muito estveis a no ser que deseja-se obter p de carboneto como produto final e no o p metlico, como no caso o carboneto de tungstnio, que pode ser reduzido e carbonetado num s tratamento. A reduo com carbono principalmente utilizada para o ferro, no caso pelo processo Hganas.31

METALURGIA DO P Processos de produo do p Processo de eletrlise: Os ps produzidos por esse processo, apresentam elevada pureza, baixa densidade aparente e tem gros de estrutura nitidamente dendrtica. Aps recolhido dos tanques de eletrlise, a massa de p sob a forma de uma lama secada e classificada por peneiramento.

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METALURGIA DO P Caractersticas dos ps Entre as caractersticas mais importantes dos ps metlicos esto a forma e o tamanho das partculas individuais. Para o projeto de uma pea sinterizada, a distribuio granulomtrica das partculas outra informao importante. Os vrios mtodos de obteno de p metlicos conduzem a diversas formas, tamanhos, distribuio e outras caractersticas dos ps, sendo imprescindvel o domnio do processo de obteno e caracterizao dos ps para se chegar a uma pea final que atenda os quesitos de engenharia.33

METALURGIA DO P Caractersticas dos psa) Forma geomtrica das partculas: as formas mais comuns so acicular, dendrtica, angular, fibrosa, granular, porosa, nodular, irregular ou esfrica.

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METALURGIA DO P Caractersticas dos psb) Tamanho: o dimetro mdio das partculas influencia algumas caractersticas do produto final. Por exemplo, uma partcula maior permite maior compactao, enquanto uma menor permite uma superfcie com menor rugosidade.

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METALURGIA DO P Caractersticas dos ps Abaixo podemos ver imagens microscpicas de vrios ps, caracterizados pelo material e processo de fabricao do p: (a) Telrio, modo. (b) Liga Fe, atomizao a gs (argnio). (c) Tungstnio, reduzido por gs, agregado poligonal. (d) Estanho, atomizado com ar, arredondado com ligamentos. (e) Liga Fe, atomizado por centrifugao, esfrico. (f) Estanho, resfriamento rpido sobre uma placa, flocos.39

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METALURGIA DO P Caractersticas dos ps(g) Ao inox, atomizado com gua. (h) Paldio eletroltico, esponja. (i) Nquel, decomposio qumica da carbonila, porosa. (j) Vidro metlico de Fe. (k) Titnio, reduzido com Na e modo, irregular. (l) Hidreto de Nibio, modo, irregular.41

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METALURGIA DO P Compactao Nesta etapa, uma quantidade predeterminada de p colocada na cavidade de uma matriz montada em uma prensa de compresso, que pode ser mecnica ou hidrulica. A compactao ocorre por deslocamentos simultneos dos punes superior e inferior, temperatura ambiente.

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METALURGIA DO P Compactao Nos primeiros movimentos do puno, a compactao causa apenas o adensamento do p, sem deformao das partculas e sem produzir adeso entre elas. Com o aumento da presso, que varia de 1,6 a 9,3 t/cm ocorre deformao plstica das partculas, formando uma espcie de solda fria.44

METALURGIA DO P Compactao A compactao gera uma pea com formato final ou aproximado pea a ser fabricada, chamada de compactado verde. muito frgil, e o manuseio inadequado pode esfarelar a pea.

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METALURGIA DO P Compactao O projeto da pea muito importante, porque pode acarretar nessa etapa a formao da zona neutra. Esta zona uma regio em que as partculas sofreram menos foras de compactao, que ir gerar uma pea final heterognea, com zonas de propriedades distintas. Certos tipos de geometria de pea so inviveis justamente devido formao de zonas neutras.46

METALURGIA DO P Sinterizao O compactado verde, dentro ou fora da matriz, aquecido a temperaturas altas, mas que permanecem abaixo da temperatura de fuso do metal base ( o material predominante da pea, que ir determinar as caractersticas bsicas do produto final). Alm da temperatura, so controlados a velocidade de aquecimento e resfriamento, o tempo de permanncia e a atmosfera em contato com a pea.47

METALURGIA DO P Sinterizao O tempo de aquecimento melhora o mecanismo de coeso do compactado para uma determinada temperatura. Em contrapartida, temperaturas prximas s de fuso do metal, geram obteno da fora coesiva mxima em um curto espao de tempo, geralmente segundos.

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METALURGIA DO P Sinterizao So quatro as funes do controle da atmosfera: previne ou minimiza reaes qumicas entre o compactado verde e os gases da atmosfera; evita oxidao; remove impurezas superficiais e internas existentes; e eventualmente, fornece um ou mais elementos qumicos para se ligarem com o compactado verde.49

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METALURGIA DO P Sinterizao A sinterizao feita, normalmente, em fornos contnuos, caracterizados por trs zonas de operao: pr-aquecimento, manuteno da temperatura e resfriamento. Durante a sinterizao ocorrem reaes qumicas e fsicas entre as partculas, reduzindo e em alguns casos at eliminando a porosidade existente no compactado verde. A contrao do compactado verde, em comparao com a pea final, chega a ser de 40% do volume, sendo uma reduo linear de cerca de 16%.51

METALURGIA DO P Sinterizao Os fenmenos que ocorrem na sinterizao so os seguintes: ligao inicial entre partculas; crescimento da ligao; fechamento dos canais que interligam os poros; arredondamento dos poros; densificao ou contrao dos poros; crescimento eventual dos poros.52

Micrografia: compactado verde

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Micrografia: compactado sinterizado

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Influncia da temperatura nas propriedades da pea55

METALURGIA DO P Operaes complementares Nem sempre a produo de peas por metalurgia do p termina na operao de sinterizao. Operaes complementares so freqentemente aplicadas com os seguintes objetivos: conferir melhor acabamento; maior preciso dimensional s peas; melhor densidade, dureza e resistncia mecnica; etc.56

METALURGIA DO P Operaes complementares Calibragem: durante a sinterizao, as peas podem sofrer mudanas no esperadas nas dimenses e at empenar. Para corrigir os defeitos, utiliza-se a calibragem, que uma deformao plstica por aplicao de presso em moldes especficos. O resultado melhor preciso dimensional.

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METALURGIA DO P Operaes complementares Recompresso: uma nova compresso aps a sinterizao aumenta a densidade e melhora as propriedades mecnicas do material. Os esforos envolvidos so bem maiores que na calibragem e s podem ser aplicados para certos tipos de material. Por exemplo, pastilhas de metal duro, utilizados como ferramentas de usinagem, no podem ser recomprimidas. Caso existam deformaes, devem ser lapidadas ou retificadas.58

METALURGIA DO P Operaes complementares Tratamentos trmicos: as peas sinterizadas podem ser submetidas a tratamentos trmicos convencionais para melhoria das propriedades mecnicas. Em tratamentos superficiais (cementao e nitretao) a densidade fator importante, devido a difuso dos gases atravs de seus poros (quanto maior a densidade menor a porosidade).59

METALURGIA DO P Operaes complementares Usinagem: assim como na fundio, muitas peas sinterizadas sofrem posterior usinagem para conseguir a configurao projetada e que no possvel ser feita, como furos, sangrias, roscas, etc.

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METALURGIA DO P Operaes complementares Infiltrao: um processo de fechamento dos poros (total ou parcial) de uma pea sinterizada com baixa ou mdia densidade (5,6 at 6,8 g/cm) com um metal ou liga de ponto de fuso mais baixo. A infiltrao do metal lquido ocorre por efeito de capilaridade (atrao molecular), e tem o objetivo de melhorar as propriedades mecnicas, resistncia corroso, e tambm como prtratamento para acabamento superficial, como cromao, niquelao e galvanizao.61

METALURGIA DO P Operaes complementares Impregnao: consiste em impregnar substncias como leos, graxas, impermeabilizantes para evitar corroso / oxidao. feita com banho quente, banho parcial (por capilaridade) ou a vcuo.

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