PROCESSO DE METALURGIA DO PÓ

1. O PROCESSO DE METALURGIA DO PÓ:

Técnica consagrada na indústria automotiva e de eletrodomésticos, apresenta-se como a melhor solução na produção de peças em larga escala, a um baixo custo, com uma grande precisão dimensional.

Metalurgia do pó é a arte de produzir artefatos, em escala comercial, através da aplicação de pressão sobre pós metálicos ou cerâmicos. A aplicação de calor durante ou após a compactação é utilizada para aumentar a ligação entre as partículas. Este processo de aquecimento abaixo do ponto de fusão é conhecido por sinterização.

Também conhecida por sinterização, consiste na compactação de pó metálico em um ferramental com a dimensão e o formato da peça final. A composição química do material é preparada de acordo com a necessidade do cliente.

Esse aquecimento, chamado sinterização, normalmente confere à massa de pó aglomerada as propriedades físicas e mecânicas desejadas. É comum, entretanto, a ocorrência de outras fases de processo que permitem alcançar valores mais rigorosos de resistência mecânica, tolerância dimensional, acabamento, etc.

A peça pode passar posteriormente por processos de tratamento térmico, tratamento superficial (zincagem, níquelação, pintura, ferroxidação), jateamento, tamboreamento, usinagem e retífica.

Por ser um processo que requer uma baixa energia de transformação e também por ter um aproveitamento de matéria prima superior a 99%, o sinterizado é também economicamente vantajoso frente a outros processos como usinagem, microfusão e fundição.

A maioria das peças sinterizadas pesa menos de 2,5kg, embora peças com até 15kg, possam ser fabricadas. Em seu desenvolvimento inicial, a metalurgia do pó produzia peças de formas geométricas bastante simples, em contraste com a atualidade onde, por motivos principalmente econômicos, procura-se fabricar cada vez mais complexas, já que os processos convencionais tornam-nas extremamente onerosas.

1.1. Vantagens

Reduz ao mínimo as perdas de matéria prima; Facilita o controle exato da composição química desejada, podendo associar metais com materiais

não-metálicos; Elimina ou reduz operações de usinagem; Possibilita bom acabamento superficial, com rigoroso controle do produto acabado; Processo produtivo de fácil automação, possibilitando conformar metais impossíveis ou muito difíceis

de serem obtidos pelos processos metalúrgicos convencionais; Produtos obtidos de alta pureza; Permite a utilização de características de resistência exatamente como requeridos pelo projeto; A porosidade pode ser controlada; Elimina rebarbas.

1.2. Limitações

Quantidade de peças produzidas; Dimensões das peças a serem produzidas, que está sendo superada pela aplicações de técnicas de

compactação isostática, compactação a quente, etc;

2. HISTÓRICO DA METALURGIA DO PÓ

A obtenção de produtos rígidos a partir de pós (cerâmicos ou metálicos) foi uma das primeiras tecnologias dominadas pela raça humana, que depois veio a ser parcialmente substituída, para o caso dos metais, pela tecnologia de fusão. Blocos cerâmicos para construção, por exemplo, podem ser facilmente produzidos a partir da argila misturada à água para a obtenção de uma massa plástica, a conformação desta massa em uma forma adequada, seguida, preferencialmente, por sua queima em forno. Peças metálicas, como os pinos usados para unir os blocos de mármore no Parthenon de Atenas ou para construir o pilar de Déli (Índia) em 300AC foram produzidos a partir de pós de minérios metálicos. Os minérios, na forma de óxidos metálicos, foram reduzidos em fornos a carvão, rendendo pós metálicos que eram seguidamente forjados, obtendo-se uma peça rígida. No caso do pilar de Déli, tem-se uma peça de mais de 6 toneladas de ferro esponjoso.

Este processo foi substituído, ao menos nos locais de tecnologia mais avançada, quando a temperatura que se podia alcançar nos fornos aumentou a ponto de provocar a fusão dos materiais. Assim, a tecnologia de fusão passou a dominar como método de produção de peças metálicas.

Somente por volta de 1910, a metalurgia do pó (nome dado à técnica usada para a obtenção de produtos metálicos a partir de pós) ressurgiu por ser a única técnica capaz de processar determinados produtos. Inicialmente, a metalurgia do pó foi empregada para a produção de filamentos de tungstênio, usados em lâmpadas incandescentes.

Descobriu-se que barras rígidas de tungstênio poderiam ser produzidas aquecendo-se peças de pó, prensado por passagem direta de corrente elétrica. A temperatura das barras chegava a atingir 3000ºC. O tungstênio, que é frágil a baixas temperaturas, pode ser facilmente deformado a altas temperaturas. Assim, a barra porosa de tungstênio pode ser continuamente reduzida em diâmetro por forjamento e trefilação, até a formação de um fio muito fino, como os filamentos de lâmpadas incandescentes. Este é o processo Coolidge, ainda hoje usado.

O segundo desenvolvimento, e o mais importante deles, que marcou o retorno da metalurgia do pó deu-se por volta de 1920 com o patenteamento do carbeto cementado, um material compósito formado por carbeto de tungstênio e cobalto. Inicialmente projetado para uso em matrizes de trefilação, devido a sua elevada dureza e resistência ao desgaste, seu uso foi estendido para o corte e furação de metais e rochas, além de para atividades que envolvem intenso desgaste. Ainda hoje, a produção de carbetos cementados é a atividade econômica mais importante entre todas da metalurgia do pó.

A metalurgia do pó é também a técnica mais indicada para a produção de peças com porosidade controlada. Foi nesta área que se deu um outro importante desenvolvimento, no final dos anos 20: o mancal autolubrificante de bronze. Trata-se de uma peça prensada de pós de cobre e estanho, na proporção 90%-10%, com pequena adição de grafite, que é aquecida. Isto resulta em um bloco rígido e poroso de bronze, cuja porosidade e dimensões finais podem ser ajustadas por prensagem. A peça possui porosidade aberta ao exterior, que é infiltrada com óleo. Quando posto a girar como um mancal, o óleo é expulso dos poros por centrifugação e lubrifica as superfícies em contato. Quando o giro cessa, o óleo infiltra novamente nos poros da peça.

Os desenvolvimentos iniciais basearam-se na exclusividade da metalurgia do pó para a fabricação de certos produtos, porém o próximo passo foi concorrer diretamente com a tecnologia de fusão, produzindo peças de aço até então fabricadas somente por fusão. A vantagem competitiva está no fato de a metalurgia do pó conseguir produzir as peças quase ou em seu formato final, sem a necessidade de acabamento, que em muitos casos corresponde a uma significativa fração dos custos totais. Além desta importante característica, deve-se acrescentar que a metalurgia do pó pode obter estruturas de grande homogeneidade e altamente reprodutíveis, principalmente em se tratando de ligas. Esta é uma enorme vantagem sobre a técnica de fusão, em especial quando se trabalha com ligas de elementos com grande diferença de ponto de fusão, pressão de vapor e densidade.

Hoje, a metalurgia do pó conquistou alguns nichos do mercado antes dominados pela tecnologia de fusão. Por exemplo, a fabricação de peças de aço e outras a base de ferro é responsável pela maior produção em termos de peso entre todas as áreas de atuação da metalurgia do pó.

Muitos desenvolvimentos foram feitos e novos produtos e processos existem no mercado ou em laboratórios. Podemos citar a fabricação de pós com características muito mais controladas com respeito à distribuição de tamanho e forma (nanopartículas, whiskers, platelets, fibras), com respeito à conformação (moldagem por injeção, spray forming) e a sinterização (sinterização a laser para prototipagem rápida). Estas entre muitas outras novidades, algumas delas não tão recentes, expandem as possibilidades da metalurgia do pó e colocam-na em posição de destaque como forma de produzir peças de alto desempenho, com alto valor agregado.

3. OBTENÇÃO DOS PÓS METÁLICOS

A qualidade do pó metálico é função do processo de fabricação, que será feito um apanhado dos principais métodos de obtenção dos pós metálicos. Estes métodos podem ser agrupadas nas seguintes classes:

reações químicas e decomposição atomização de metais fundidos deposição eletrolítica processamento mecânico de materiais sólidos.

Um mesmo pó pode ser obtidos por mais de um método. O pó a ser utilizado deve ter propriedades adequadas, pois as propriedades finais da peça produzida dependem de cada uma das etapas do processo, incluindo as características do pó.

3.1. Reações químicas

É o método de redução de óxidos metálicos, pelo emprego de um agente gasoso ou sólido (carbono). Os pós mais comumente produzidos por esse processo são o ferro, cobre, tungstênio e o molibdênio.

Um dos métodos para a produção do pó de ferro é feito a redução de óxido de ferro e de minério de ferro pelo carbono. Através do processo Hoganaes parte do minério magnetita (Fe3O4) com 71,5% de ferro, após beneficiamento através da moagem e separação magnética. Como fonte de carbono, é utilizado finos de coque como agente redutor. Para reagir com o enxofre do coque (85%), utiliza-se calcário (15%). Ela deve ser secada em forno rotatório e moída até tamanhos uniformes. O minério e a mistura (coque-calcário) são colocados em tubos cerâmicos de carbetos de silício. O minério é introduzido entre os tubos de aço e a mistura no interior dos dois tubos de carga concêntrica que é colocado logo abaixo dos tubos cerâmicos. Os tubos são colocados em fornos de redução por 68 horas.

Reações químicas: Ocorre a decomposição do calcário resultando a formação de CO2, o qual oxida o carbono do coque produzindo CO, este reage com o minério magnetita, formando CO2 adicional e óxido de ferro que é produzido pelo CO, resultando o ferro metálico em partículas que se sinterizam entre si, formando uma massa cilíndrica de "ferro esponja". Esse ferro esponja é submetido a moagem, separação magnética e peneiramento.

Outro exemplo, os pós de tungstênio produzido a partir de carbeto de tungstênio. A partir da chelita ou da wolframita, pode-se obter o paratungstato de amônia ou ainda o ácido tungstico, ambos na forma de pó. Através de uma calcinação, obtém-se o tri-óxido de tungstênio ou o chamado óxido azul de tungstênio, também em forma de pó. Pode-se reduzir estes óxidos facilmente com hidrogênio em temperaturas na faixa de 700º - 950ºC. O produto obtido é o pó de tungstênio. Controlando-se os parâmetros de redução, tais como a temperatura, a quantidade de óxido sendo reduzida, a umidade da atmosfera, pode-se controlar as características do pó de tungstênio produzido. O pó de carbeto de tungstênio é produzido de uma mistura entre os pós de tungstênio, produzido tal qual descrito aqui, e o negro de fumo, em proporção estequiométrica com um ligeiro excesso de carbono. A mistura é colocada em barquinha de grafite e todos em um forno com atmosfera dinâmica de hidrogênio a temperaturas que variam entre 1500º a 1800ºC por algumas horas. A reação dá-se em estado sólido através da difusão de carbono pela rede do tungstênio. Controlando-se principalmente o tamanho de partícula do pó de tungstênio, mas também a temperatura de reação, é possível controlar o tamanho de partícula do pó de carbeto.

3.2. Atomização de metais fundidos

Na atomização, o metal fundido é vazado através de um orifício apropriado a essa operação, formando um filete liquido que é "agredido" por jatos de ar, gás ou água. Esses jatos provocam a pulverização do filete e seu imediato resfriamento. O pó recolhido é reduzido e peneirado, estando pronto para ser usado. Através deste método pode-se produzir pós com partículas quase esféricas e com distribuição de tamanho muito estreita. Com ligeiras modificações, este método pode ser usado para produzir pós com partículas aciculadas, quase na forma de fibras. A figura 3.2.1. mostra imagem de pó de feita em mev.

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 (Figura 3.2.2) ou gás (Figura 3.2.3), a geometria do conjunto de pulverização e, evidentemente, o tipo de atomização.

A atomização a água normalmente conduz a partículas irregulares e angulosas, no metal liquido é levado em uma panela que supre um fluxo uniforme, contínuo e controlado de metal à válvula de vazamento, localizada no inferior da panela; essa válvula pode apresentar vários formatos, controla a forma e o tamanho da corrente de metal liquido; essa corrente é atingida pelo meio desintegrador através de um sistema de válvulas de atomização e é desintegrada, diminuindo o tamanho da "gota do metal", o qual resfria rapidamente, solidificando e depositanto-o no fundo da câmara de atomização

Figura 3.2.1. - Imagem de pó pelo processo de atomização feita em microscopia eletrônica de varredura.

Enquanto que a atomização a ar produz partículas mais esferoidais, sendo o processo feito por duas configurações possíveis: de dois jatos e anel anular; a velocidade do gás depende da forma do bocal de atomização e a temperatura entre o ponto de fusão do metal e a temperatura na qual o metal é atomizado varia de 75º a 150ºC.

Esse processo permite a fabricação de pós de praticamente qualquer metal ou liga metálica, desde metais e ligas como fero, aços, cobre, bronze, latão, alumínio e etc., até ligas mais sofisticadas como aços inoxidáveis, aços para ferramentas, super-ligas, etc.

Figura 3.2.2.- Representação esquemática do processo de atomização em água

Figura 3.2.3.- Representação esquemática do processo de atomização a gás

3.3. Deposição eletrolítica

A fabricação de pós metálicos a partir da eletrolise é outro processo comumente utilizado para a produção de pós de cobre. Os pós produzidos apresentam elevada pureza, baixa densidade aparente e tem grãos de estrutura nitidamente dendrítica. Após recolhida dos tanques de eletrólise, a massa de pó, sob a forma de uma lama, é neutralizada, secada, reduzida e classificada por peneiramento.

Existem dois métodos práticos: o primeiro resulta a formação de um depósito esponjoso de pequena aderência, o qual pode ser mecanicamente desintegrado em partículas finas; o segundo, ocorre a deposição de uma camada densa, macia e quebradiça de metal, o qual pode ser moída.

3.4. Processos mecânicos

É aplicada em metais duros e quebradiços, como ferro e bismuto eletrolítico ou em alguns metais reativos como berílio e hidretos metálicos. Eles são mais aplicáveis como operações complementares à outros processos.

Esse processo tem como objetivos: reduzir o tamanho de partículas do pó, modificar a forma das partículas, aglomeração do pó, formação mecânica da liga, modificação das propriedades, etc.

O princípio da moagem é provocar um choque entre o material a ser desintegrado e a massa dura. Como exemplo, o moinho de bolas.

4. CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS

Em muitos casos, os pós são fornecidos prontos para o uso. Em outros casos, é necessário prepará-los para uso posterior. Em todos, é importante conhecer as características deste pó para que se saiba se ele é adequado para o processamento que se quer empregar.

A primeira tarefa na determinação da caracterização dos pós metálicos e que vai influir na qualidade dos valores obtidos é a amostragem, ou seja, retirada das amostras dos recipientes onde o pó esta contido, para a sua adequada análise.

As características mais importantes dos pós são a composição e o tamanho médio de partícula, mas eventualmente outras características podem ser importantes, tais como pureza, microestrutura, porosidade, densidade aparente, velocidade de escoamento, superfície específica, compressibilidade e resistência a verde. Todas estas características estão direta ou indiretamente relacionadas às etapas seguintes de processamento ou a reações que podem ocorrer entre os materiais e/ou entre estes e a atmosfera de processamento.

4.1. Pureza e composição química

O principal objetivo é conhecer a pureza ou composição química do pó metálico, consistindo em determinar qual as suas impurezas presentes, visto que essas impurezas podem afetar as condições de compactação e as condições de sinterização.

4.2. Microestrutura da partícula

A estrutura cristalina dos pós pode exercer grande influência no seu comportamento durante a compactação e a sinterização e nas propriedades do produto final. A tendência é produzir partículas policristalinas com tamanho de grão pequeno, mesmo que essas partículas provoquem uma certa dificuldade na compactação, mas por outro lado, esse compensado pela maior ductilidade que a maioria das partículas apresentam devido ao maior número de planos de escorregamento.

4.3. Tamanho e forma de partículas

A maioria dos pós apresentam forma irregular,umas são mais ou menos equi-dimensionais e outras apresentam formas em que uma dimensão predomina em relação a outra. As partículas esféricas são o caso mais simples e mais ideal de uma partícula equi-dimensional.

A forma esférica de partícula é aparentemente mais favorável sob o ponto de vista de compactação. Entretanto, a forma irregular que seria menos provável, tende a produzir uma compactação com melhores característicos de sinterização, devido ao fato de haver uma interação dos contornos das várias partículas entre si.

Nas considerações a respeito do tamanho de partículas, é importante levar em conta a distribuição das dimensões das partículas, porque tanto sob os pontos de vista de compactação, como de sinterização, uma distribuição adequada de tamanho de partículas oferece melhores condições de operação na metalurgia do pó. Na figura 4.1 mostra os tipos e formas de partículas metálicas.

Figura 4.3.1. - Tipos e formas de partículas metálicas

Existem vários métodos para determinar o tamanho e distribuição de partículas, sendo o mais comum, o peneiramento, em que se tem uma visão bem adequada da composição granulométrica do material. Consiste em peneiras empilhadas com o maior tamanho de malha no topo e um prato no fundo. Uma quantidade de amostra é distribuída na peneira superior. O conjunto de peneiras é agitado durante um certo tempo. As frações de pó que sobram em cada peneira e no prato inferior são pesadas separadamente.

Outros processos utilizados são: dispersão da luz, onde a luz incidente em pequenas partículas é dispersa em ângulos que são inversamente proporcionais ao tamanho de partícula; sedimentação, que é baseado no princípio da velocidade dos pós sedimentados num fluido e microscopia, que são observadas em microscópio.

4.4. Porosidade

Os poros afetam características dos pós, densidade aparente e compressibilidade. A porosidade pode ser do tipo esponjosa e de poros interligados entre si. Quando os poros estão interligados a superfície, aumenta a superfície especifica das partículas, além de facilitar a absorção de gases durante seu processamento.

4.5. Densidade aparente

Define-se como o peso de uma unidade de volume de pó solto ou a relação do peso para o volume em g/cm3. A densidade aparente determina o verdadeiro volume ocupado por uma massa solta de pó e em conseqüência, determina a profundidade da cavidade da matriz de compactação e o comprimento do curso da prensa necessários para compactar e densificar o pó solto.

4.6. Velocidade de escoamento

Define-se como o tempo necessário para uma amostra do pó de peso determinado escoar, nas condições atmosféricas, através de um funil, no interior da cavidade de um recipiente. É importante na produção em grandes quantidades na qual depende essencialmente da rapidez, uniformidade e consistência de enchimento da cavidade da matriz.

4.7. Superfície específica

Define-se como a área superficial da partícula, expressa em cm3/g. Consiste no fato de que qualquer reação entre as partículas ou entre elas e o meio circunvizinho se inicia nas suas superfícies, de modo que a operação de sinterização será afetada pela relação entre a área superficial e o volume da partícula.

4.8. Compressibilidade

Significa a extensão a qual uma massa de pó pode ser densificada pela aplicação de pressão. É também relacionada entre a densidade a verde e a densidade aparente.

A compressibilidade é afetada pela dureza do metal, forma de partícula, porosidade, composição granulométrica, substâncias não-metálicas, presença de lubrificantes e adições de elementos ligas.

4.9. Resistência a verde

Permite verificar a habilidade que um compactado verde tem de manter a forma e as dimensões antes da sinterização.

O travamento mecânico das irregularidades superficiais das partículas ocasiona a resistência de compactados verdes e esse travamento é devido a deformação plástica que ocorre durante a aplicação de pressão.

5. MISTURA E HOMOGENEIZAÇÃO DOS PÓS

Quando os pós recebidos não são adequados para uso direto, então eles devem sofrer um tratamento antes de se iniciar a seqüência usual da metalurgia do pó. Este tratamento é comum quando se pretende fazer uma liga e os pós dos constituintes devem ser misturados e homogeneizados.A seguir estão listados os tratamentos mais comuns feitos aos pós:

5.1.Mistura e homogeneização

Quando se deseja misturar pós diferentes para formar uma liga ou mesmo usar pós de mesma natureza, porém de estoques diferentes, é necessário fazer uma mistura dos pós e garantir a homogeneização dela. Existe uma variedade de equipamentos que fazem isto, garantindo diferentes níveis de qualidade de mistura e homogeneização. Pode-se fazer tanto uma mera mistura mecânica, usando um misturador em V (Figura 5.1.1) ou uma mistura mais profunda, optando-se por uma moagem.

Figura 5.1.1. – Misturador em V

5.2. Moagem

Usada quando é necessário reduzir ou ajustar o tamanho de partícula e/ou quando se deseja misturar mais profundamente diferentes pós. Existe uma série de moinhos capazes de promover moagens mais ou menos intensas, em períodos variados e com capacidades diferentes. Os chamados moinhos de alta energia, moinhos cujos corpos de moagem possuem alta energia cinética, são capazes de amorfizar os materiais e deformar bastante as partículas. Este tipo de moagem é muito desejado quando se deseja produzir uma liga entre elementos de reduzida solubilidade ou difíceis de serem ligados por problemas de difusão, dinâmica de transição de fases ou diferenças de densidade.

5.3. Lubrificação

Necessária quando se deseja aumentar a compressibilidade aos pós e para proteger a matriz de compactação. Consiste em misturar aos pós um agente que servirá como atenuador do atrito entre as partículas e entre estas e as paredes da matriz de compactação, durante a conformação dos pós. Ceras ou pós são usados como substâncias lubrificantes. Em geral, elas formam uma fina camada sobre a superfície das partículas. Pode-se também cobrir as partículas para protege-las contra a oxidação quando se pretende estoca-lo por longos períodos ou quando se pretende promover sua aglomeração. A aglomeração é recomendada quando o pó tem certa toxidade e é muito fino. Para diminuir a concentração de partículas em suspensão no ambiente de trabalho, produz-se a aglomeração das partículas.

5.4. Aglomeração

A aglomeração das partículas é também um recurso usado para aumentar a fluidez do pó, pois pós de partículas maiores "escorrem" mais facilmente. Existem diversas técnicas para isto. A mais comum é a mistura do pó com alguma substância, geralmente orgânica, tal como uma cera. Esta substância une diversas partículas, formando um aglomerado. Se estes aglomerados têm forma arredondada, maior será sua fluidez. Outro método simples de aglomeração é compactação do pó a baixa pressão, provocando a aglomeração de partículas por meio de pressão e a quebra do corpo prensado em pequenas partes, seguida de peneiramento. O peneiramento tem função dupla: serve para descartar os aglomerados muito grandes e também para arredondar a forma dos aglomerados através do atrito continuado entre estes e a malha da peneira. Existem certos aglomeradores que trabalham com o pó ligeiramente úmido. O movimento particular da máquina é o responsável maior pela aglomeração. Industrialmente, a técnica de spray drying é muito comum, devido a sua eficiência e capacidade para processar grandes quantidades de pó. A técnica consiste em fazer escorrer uma suspensão do pó, ou este úmido, por um orifício e "bombardear" o filete com um jato quente de gás. O jato evapora imediatamente o líquido e as partículas da suspensão se aglomeram em uma forma bastante esférica.

6. COMPACTAÇÃO

É a primeira das operações de consolidação da metalurgia do pó. Seus objetivos são conformar o pó na forma projetada, conferir as dimensões finais ou aproximadamente finais, conferir a adequada densidade verde ao compactado, resistência mecânica para o manuseio e proporcionar o necessário contato entre as partículas de pó, para que a operação de sinterização seja efetiva.

Existem inúmeras técnicas para isto. A maioria delas faz uso de pressão para dar uma forma ao pó. Isto significa que o pó é prensado contra um molde que reproduz, de modo invertido, as formas da peça que se deseja produzir. Ao retirar o molde, o pó retém sua forma.

Os processos mais importantes:

Compressão em matriz rígida; compressão isostática, a frio ou a quente; compactação por injeção; compactação por laminação de pós e extrusão de pós metálicos.

Além desses, há outros processos como forjamento de pós, compactação por explosão, e processos mistos como "forjamento-sinterização", etc.

Os processos de compactação consiste em 3 etapas:

1ª etapa: as partículas são re-amontoadas e/ou re-arranjadas, de modo de eliminar parcialmente a formação de vazios;

2ª etapa: envolve deformação plástica das partículas, que depende da ductilidade do pó e de outras características e a porosidade dos pós, ao contrario dos pós que não se mostram porosos, possuem característicos de baixa compressibilidade;

3ª etapa: as partículas de pós que ficaram frágeis devido ao encruamento das etapas anteriores, quebram e formam fragmentos menores.

6.1. Compactação unidirecional em matriz rígida

É a forma mais comum de conformação usada na metalurgia do pó. Necessita de uma prensa e de um molde, denominado matriz. A matriz é composta por uma cavidade e um êmbolo. Ambos possuem formas apropriadas, relacionadas à forma da peça. O pó é colocado dentro do molde e o êmbolo é pressionado, pela prensa, contra o pó. Depois que a pressão é retirada, a peça é sacada da cavidade na forma desejada. Este tipo de conformação possui muitas vantagens. As maiores são a simplicidade e a possibilidade de automação, o que permite produção em larga escala. As principais desvantagens são o alto custo do ferramental, principalmente devido às matrizes e a seu grande desgaste, a limitação das formas que se pode obter (peças com certa simetria, principalmente cilindricamente simétricas) e a limitação de tamanho destas peças. Limitação imposta

pela capacidade da prensa usada para a prensagem do pó. A figura 6.1.1 mostra esquematicamente como ocorre este tipo de conformação.

Figura 6.1.1. – Representação esquemática do processo compactação em matriz rígida

6.2. Prensagem isostática a frio

A prensagem uniaxial possui outra limitação: a pressão não é aplicada de modo uniforme ao longo de toda a massa de pó. Isto resulta em gradientes de densidade na peça prensada, o que pode levar a defeitos em etapas posteriores. Isto pode ser resolvido parcialmente, se a pressão for aplicada sobre a peça não mais em uma única direção, mas em todas as direções. Daí o nome prensagem isostática. Na prática, isto é feito colocando-se o pó em um molde flexível, geralmente um elastômero. Pode ocorrer também que o pó seja prensado uniaxialmente e depois inserido no molde de borracha para ser reprensado isostaticamente, reduzindo seus defeitos. O molde é colocado em uma câmara (vaso de pressão) contendo geralmente um líquido (normalmente óleo) e pressão é feita sobre o líquido. A pressão sobre o líquido é integral e uniformemente transmitida ao molde e dele à peça. Obviamente, o maquinário é mais caro que aquele usado na prensagem uniaxial. A escala de produção também não é tão elevada. Afigura 6.2.1. esquematiza este tipo de conformação de pó.

Figura 6.2.1. – Representação esquemática do processo compactação isostática a frio

6.3. Compactação isostática a quente

Neste processo, a pressão é aplicada isostaticamente, simultaneamente com a temperatura. Resulta em um corpo inteiramente denso, embora se possa produzir compactados parcialmente densificados. Trata-se de prensar de modo que ao mesmo tempo em que é compactada, a peça é sinterizada. A massa de pó é sujeita à pressão uniforme de todos os lados.

A figura 6.3.1. mostra esquematicamente o equipamento empregado. Ele consiste basicamente de cinco componentes: O vaso de pressão, o forno interno, o sistema de manuseio a gás, o sistema elétrico e o sistema auxiliar. O equipamento pode ser descrito grosseiramente como um vaso de pressão com um forno acoplado. O pó é colocado em uma cápsula de metal refratário selada e esta é colocada dentro do vaso. Um compressor bombeia gás inerte e eleva a pressão no interior do vaso, ao mesmo tempo em que a temperatura é elevada. Obviamente, após o tratamento, o molde deve ser retirado. Esta técnica possui a vantagem de produzir peças completamente densas, porém, além de cara, seu volume de produção não é tão elevado quantos as técnicas comuns. O principal inconveniente é, contudo, o alto custo dos moldes e as operações de selar e desmoldar.

O processo é versátil, pois permite produzir peças com formas praticamente definitivas, exigindo usinagem posterior com perda apenas de 10 a 20% do material.

Figura 6.3.1. – Representação esquemática do processo compactação isostática a quente

6.4. Extrusão e compactação por rolos

Esta técnica é empregada quando se deseja produzir peças que possuem simetria cilíndrica ou lâminas. Na extrusão, o pó é colocado em uma cápsula deformável e esta é forçada a passar através de um orifício cuja seção possui uma forma específica. A enorme pressão envolvida no processo garante a formação de uma peça com rigidez razoável. Naturalmente, a peça de pó deve ser retirada do molde. A figura 6.4.1. ilustra o processo.

Figura 6.4.1. – Representação esquemática do processo por extrusão

No caso da compactação por rolos, o pó é prensado entre dois rolos paralelos que giram sem contato, a uma distância determinada entre elas. Pó é colocado entre os rolos em quantidade suficiente para mais que preencher o espaço entre os rolos e é compactado, de modo que uma tira ou lâmina é produzida. A mesma técnica dos rolos pode ser usada colocando-se um pó em um molde deformável e passando-o entre os rolos. Após a deformação, a peça conformada deve ser desmoldada. A figura 6.4.2. mostra esquematicamente este processo.

Figura 6.4.2. – Representação esquemática do processo compactação por rolos

6.5. Moldagem por injeção de pó

Em comparação com as técnicas já mencionadas, esta é recente e possui a capacidade de produzir peças com formatos bem mais complexos que as técnicas mais comuns, além de ser facilmente automatizada, permitindo a produção em larga escala. Esta técnica é basicamente uma adaptação da técnica de moldagem de plástico

por injeção. Neste caso, uma massa plástica contendo o pó e substâncias plásticas é preparada e colocada em uma máquina injetora. Esta máquina tem a função de injetar, sob pressão, a massa em um molde. O material plástico é adicionado principalmente para conferir plasticidade à mistura, portanto sua quantidade e viscosidade são características essenciais. A injeção ocorre em temperatura que ajuste a viscosidade da mistura ao valor adequado. A massa deve preencher o molde homogeneamente. Após a injeção, o molde é retirado da máquina e deixado a resfriar. Depois de frio, o molde é separado da peça e esta tem resistência suficiente para ser manejada. O próximo passo e a retirada do material plástico, denominado genericamente de ligante. Este é um passo crucial, pois presente em grande quantidade, sua retirada deve ser feita cuidadosamente para que não provoque a quebra da peça. Existem diversas tecnologias para a injeção da mistura nos moldes, diversos materiais plásticos que podem ser utilizados e diversas técnicas para a retirada do ligante, após a moldagem. A figura 6.5.1. mostra esquematicamente as etapas do processo de moldagem por injeção de pó.

Figura 6.5.1. – Representação esquemática do processo compactação por injeção

7. SINTERIZAÇÃO

Esta operação é fundamental na metalurgia do pó, porque ela constitui a fase final do ciclo de consolidação dos pós metálicos.

A sinterização consiste no aquecimento das peças comprimidas a temperaturas especificas, sempre abaixo do ponto de fusão do metal base da mistura, eventualmente acima do ponto de fusão do metal secundário da mistura, em condições controladas de velocidade de aquecimento, tempo a temperatura, velocidade de resfriamento e atmosfera do ambiente de aquecimento.

Em alguns casos certas peças de metal duro entre outros procede-se a uma sinterização prévia, a uma temperatura mais baixa com o objetivo de conferir a briquetes de compactadas condições de serem usinadas antes da sinterização final. Esta operação é denominada pré-sinterização.

A temperatura ideal de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga considerada. Basicamente a sinterização é um processo de estado sólido ocorrendo ligação química e metalurgia do pó, no sentido de eliminar ou diminuir a porosidade existente no compactado verde; formando um corpo coerente provido das propriedades físicas primárias do sinterizado.

a) Sinterização por fase líquida: neste tipo de sinterização necessariamente existem no mínimo dois diferentes materiais misturados sinterizando. Uma fase líquida surge à determinada temperatura como conseqüência da

fusão de um dos componentes ou de uma reação entre eles. É esta fase líquida a responsável pela diminuição da energia superficial do sistema e pelo fechamento da porosidade, provocando o enrijecimento da estrutura quando a temperatura é abaixada e o líquido é solidificado. A sinterização por fase líquida pode ser dividida em três estágios, mas nem sempre todos eles podem ocorrer. Além disso, eles ocorrem ao mesmo tempo, porém um sempre domina os demais em algum período da sinterização. Os estágios são: espalhamento e rearranjo de partículas, dissolução e reprecipitação e sinterização em estado sólido.

Assim que o líquido é formado, ele se espalha e molha as partículas sólidas. Isto pode acontecer rapidamente. Dois são os parâmetros que controlam a ocorrência deste processo: a quantidade de líquido formada e a molhabilidade da fase líquida sobre a fase sólida. A quantidade da fase líquido vai depender da quantidade da fase fundida (ou das fases participantes da reação) e da velocidade de formação da fase líquida, o que está ligada à taxa de aquecimento empregada e da relação entre a temperatura e a reação. Quanto mais líquido maior será o efeito de sua penetração pela estrutura porosa. A molhabilidade depende das energias interfaciais das fases sólida, líquida e vapor coexistentes no material naquela temperatura. A molhabilidade pode ser medida pelo ângulo de contato ou pelo ângulo diedral. Quanto menor for o ângulo de contato maior será a molhabilidade e isto significa que mais o líquido pode penetrar pela estrutura. Acredita-se que para ângulos de contato acima de 90º , o líquido sairá da estrutura ao invés de penetrar pelos poros. Em decorrência disso, a estrutura não sinteriza ou tende a quebrar. Ângulos de contato em torno de zero caracterizam sistemas de fácil sinterização.

Quando o líquido se forma e se espalha pelos poros da estrutura, ele molha a superfície de partículas vizinhas, unindo-as. Isto gera uma força, uma força de capilaridade, que tende a aproximar estas partículas, caso não haja obstáculos a isso. Estas forças podem provocar translação, rotação e deslizamento de partículas e opera sempre no sentido de aproximar as partículas, produzindo melhor empacotamento de partículas, ou seja, aumento da densidade da estrutura. Este processo é chamado de rearranjo de partículas e ocorre logo após a formação do líquido, acompanhado por seu espalhamento através da porosidade. Este processo pode ocorrer muito rapidamente, entre segundos e poucos minutos. Ocorre sempre e é geralmente responsável pela maior parte da densificação da estrutura.

Quando a fase líquida dissolve a fase sólida, o mecanismo de solução-reprecipitação também opera para promover a sinterização. Caso a fase líquida não dissolva a sólida, este mecanismo não ocorre. O mecanismo opera da seguinte forma: a fase sólida é dissolvida pelo líquido e difunde nele. O processo de solução é dependente do tamanho de partículas. As partículas menores tendem a dissolver mais que as partículas maiores. Existe ainda um tamanho de partícula crítico além do qual, ao invés de serem dissolvidas as partículas recebem material e crescem, ou seja, material é reprecipitado sobre elas. Isto faz com que as partículas menores tendam a diminuir de tamanho e a desaparecer, enquanto que as partículas maiores tendam a aumentar de tamanho. Além de crescimento de grão, conforme mencionado, ocorre mudança de forma das partículas. Dependendo da estrutura cristalina do material, as partículas tendem a ficar arredondadas ou ganhar faces cristalográficas bem mais definidas. Em ambos os casos ocorre densificação. No caso da mudança de forma, o formato mais arredondado das partículas permite um maior contato entre as partículas, aumentando assim o empacotamento. No caso do crescimento de grão, é bem sabido que pós de partículas maiores apresentam sempre maior densidade que pós de partículas menores, logo o crescimento do tamanho médio das partículas é acompanhado do aumento de densidade da estrutura. A solução-reprecipitação contribui tanto mais para a densificação da estrutura quanto maior for a solubilidade do sólido no líquido. Este mecanismo pode provocar uma significativa densificação, porém, em geral, inferior a provocada pelo rearranjo de partículas e em um período de tempo mais longo.

b) No caso da sinterização por fase sólida, durante o processo de aquecimento e isoterma, nenhuma das fases do material sob sinterização está presente na forma líquida. O mecanismo de sinterização é a difusão atômica em estado sólido. Dito de forma breve, o processo de sinterização de um material monofásico dá-se pela tendência que tem o material de minimizar sua energia, o que pode ser feito diminuindo sua área superficial (diminuição da energia superficial do material). Deste modo, regiões das partículas que possuem altas áreas superficiais específicas (energia por unidade de massa) devem ter suas formas suavizadas, ou seja, seus perfis tornam-se mais arredondados. A área de contato entre duas partículas é uma região com esta característica. A forma de diminuir a superfície desta região é a criação de um contato entre as partículas, chamado pescoço. Para isto, átomos de ambas as partículas migram delas para a região de contato. Assim, o pescoço aparece e cresce com o tempo, dependendo da temperatura, uma vez que o transporte ocorre por difusão. São diversas as fontes de átomos e seus percursos da fonte ao pescoço. Como o transporte atômico ocorre por difusão de vacâncias, pode-se entender que as vacâncias têm origem na área do pescoço e sumidouro nas fontes dos átomos. A criação destes pescoços nos contatos entre as partículas torna a estrutura interconectada e mais rígida. Com o crescimento destes pescoços, a peça fica cada vez mais rígida. A tendência é que toda a superfície interna da peça desapareça e ela se torne completamente densa. Isto de fato ocorre se a temperatura for alta e o tempo for longo o suficiente. A figura 7.b.ilustra o processo de aparecimento e crescimento de pescoço entre duas partículas esféricas devido à difusão de átomos de diversas fontes por diferentes caminhos.

Quando a sinterização ocorre entre materiais diferentes, o processo é mais complicado, pois envolve interdifusão de diferentes espécies atômicas e a formação de ligas e fases intermediárias pode ocorrer. Neste caso, até mesmo a sinterização pode não ocorrer, pois as variações de energia devido à interação entre as diferentes fases podem exceder em muito a variação de energia devido à sinterização. Quando esta variação de energia permite a sinterização, esta pode ser retardada ou acelerada. No último caso, a sinterização é dita ser ativada por reação.

Figura 7.b.- Formação do pescoço, em conseqüência da ligação inicial entre duas partículas

Estes dois mecanismos podem ser responsáveis por toda a densificação da estrutura. Caso isto não ocorra, um terceiro mecanismo também deve ser considerado. Se há contato entre as partículas, então pode ocorrer sinterização por fase sólida, porém esta sinterização ocorrerá na presença de uma fase líquida, ao invés de na presença de fase vapor, como é o caso da sinterização convencional por fase sólida. Este processo é bem mais lento que os anteriormente descritos. Em algumas ocasiões, a presença do líquido pode acelerar a sinterização em estado sólido através da mudança das energias superficiais específicas sólido/vapor e sólido/líquido.

7.1. Efeito nas propriedades mecânicas

A figura 7.1.1. mostra o efeito da sinterização sobre vários característicos do material sinterizado.

Figura 7.1.1. – Efeito ilustrativo da operação de sinterização sobre várias características do material

Experiências de LIBSCH, VOLTERRA e WULFF, representada esquematicamente na figura 7.1.2., mostram o efeito da temperatura de sinterização sobre a densidade, resistência mecânica e alongamento de compactação do ferro. Neste caso particular do ferro, verifica-se uma queda dos valores representados na faixa de 850º a 950ºC, a qual deve ser atribuída à transformação gama-alfa de ferro, o que levaria a um relaxamento das forças de sinterização.

7.2. Fornos de sinterização

A sinterização é comumente processada em fomos contínuos ou semi-contínuos, caracterizado por 3 zonas de operação:

Pré-aquecimento; Manutenção; Resfriamento.

Basicamente existem 4 tipos de fornos:

Forno de Esteira (até 1150oC); Forno Wakkingbean (até 1300oC); Forno Pussher (até 1300oC); Forno a vácuo (até 1350oC).

Os fornos de sinterização são a gás ou elétricos, por resistência ou indução (fornos a vácuo geralmente). Nos fornos a resistência, os elementos de aquecimento, em fios, ou barras, são de Ni-Cr para temperatura até 1150oC, de carboneto de cilício (Globar) até da temperatura da ordem de 1400oC, de molibdênio ou tungstênio, até temperatura da ordem de 1550oC (neste caso, exigindo a atmosfera protetora redutora de hidrogênio).

Os fornos de sinterização trabalham normalmente com atmosfera protetora com objetivo de evitar a oxidação das peças e reduzir os eventuais óxidos contidos nos pós e que poderiam prejudicar o grau de sinterização.

7.3. Atmosfera de sinterização

As atmosferas empregadas na sinterização tem o objetivo de impedir a entrada de ar no forno, facilitar e eliminar lubrificantes ou cera nos compactados, sinterizar, reduzir os óxidos superficiais, controlar o teor de carbono na superfície e no núcleo das peças e transmitir de modo uniforme e eficiente o calor.

As atmosferas convencionais são: gás endotérmico, gás exotérmico, amônia dissolvida, hidrogênio e vácuo.

As atmosferas exotérmicas são produzidas por combustão parcial de hidrocarbonetos com ar, em gerações especiais. Esta atmosfera é altamente descarburizante para o aço a temperatura acima de ~700ºC. É empregada para sinterizar bronze e outras pecas de liga de cobre, porque esses materiais exigem um agente altamente redutor.

As atmosferas endotérmicas são geradas mediante a reação de misturas relativamente ricas de gás hidrocarboneto e ar sobre um catalisador limpo tal como oxido de níquel numa câmara aquecida externamente. As operações de sinterização são realizadas variando de 23 a 59ºF.

A amônia dissociada (75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio) é pura, consistente e seca. Ela é altamente redutora em relação a óxidos superficiais, em conseqüência, é empregada em aços inoxidáveis, pois necessitam de alta capacidade redutora de óxidos estáveis.

O hidrogênio é uma atmosfera altamente redutora para a maioria dos óxidos metálicos. É um excelente condutor de calor, impurezas como oxigênio e água são fáceis remover. Devido seu alto custo, seu emprego é limitado.

O nitrogênio é um gás neutro, portanto não redutor; reage com determinados elementos, podendo também provocar a formação de nitretos com certos elementos de liga, resultando em fragilidade do compactado sinterizado.

O vácuo esta sendo empregado para sinterizar aços inoxidáveis, aços ferramentas, carbonetos, ligas magnéticas e metais como titânio, zircônio, urânio, tântalo e outros metais refratários e compostos que passam reagir com hidrogênio, nitrogênio e monóxido de carbono contido nas atmosferas. Ainda pode ser empregado na sinterização a alta temperatura de peças convencionais ferrosas e não pode ser empregado em fornos contínuos de sinterização, de modo que a maioria dos fornos de sinterização baseados a vácuo são do tipo intermitente.

Para que se obtenha os melhores resultados nas operações de sinterização, é essencial um controle rigoroso da qualidade das atmosferas empregadas.

8. REMOÇÃO DE LUBRIFICANTES

A remoção do lubrificante é feita numa câmara anterior à câmara final de sinterização, que é chamada de queima. A queima satisfatória depende muito da atmosfera protetora do forno. A amônia dissociada, que é uma das atmosferas mais comumente empregadas, é muito seca e não confere uma queima ótima do lubrificante. Do mesmo modo, o hidrogênio puro é ineficiente na queima de vapores do lubrificante devido ao baixo ponto de fusão.

Numa atmosfera a base de nitrogênio, a introdução de agentes oxidantes ajudam a queima do lubrificante. Numa sinterização de aços inoxidáveis, depósitos de carbono residual, devido a queima insuficiente, podem ocasionar queda na resistência a corrosão.

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CHIAVERINI, Vicente. Metalurgia do pó: técnica e produtos. 4º ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais, 2001.

Processos de Sinterização. Disponível em http://cursos.unisanta.br/mecanica/polari/sinterizacao.html Acesso em 01/07/2005.

Metalurgia do Pó. Disponível em http://grupopo.vilabol.uol.com.br/sobremp.htm Acesso em 01/07/2005.

Metalurgia do Pó. Disponível em <http://www.dcmm.puc-rio.br/~ranunes/org/introducao.pdf> Acesso em 01/07/2005.