MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SUL-RIO-GRANDENSE CAMPUS SAPUCAIA DO SUL CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EMFABRICAÇÃO MECÂNICA AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICASE METALÚRGICAS DOS COMPÓSITOS DE COBRE-CINZA (Cu-Cz) OBTIDOS PELA METALURGIA DO PÓ CONVENCIONAL. ANDERSON DRESCH MAGNOS MARINHO DA SILVA Orientador: Prof. MSc. Vinícius Martins Co-Orientador: Tecgº Diego Pacheco Wermuth Sapucaia do Sul 2013
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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
SUL-RIO-GRANDENSE CAMPUS SAPUCAIA DO SUL
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EMFABRICAÇÃO MECÂNICA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICASE METALÚRGICAS DOS COMPÓSITOS DE COBRE-CINZA (Cu-Cz) OBTIDOS PELA METALURGIA DO PÓ
CONVENCIONAL.
ANDERSON DRESCH MAGNOS MARINHO DA SILVA
Orientador: Prof. MSc. Vinícius Martins Co-Orientador: Tecgº Diego Pacheco Wermuth
Sapucaia do Sul
2013
II
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
SUL-RIO-GRANDENSE CAMPUS SAPUCAIA DO SUL
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EMFABRICAÇÃO MECÂNICA
ANDERSON DRESCH MAGNOS MARINHO DA SILVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E METALÚRGICAS DOS COMPÓSITOS DE COBRE-CINZA (CU-CZ) OBTIDOS PELA METALURGIA DO PÓ
CONVENCIONAL.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica do Instituto Federal Sul-Rio-Grandense, como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo.
Orientador: Prof. MSc. Vinícius Martins Co-Orientador: Tecgº Diego Pacheco Wermuth
Sapucaia do Sul 2013
III
ANDERSON DRESCH MAGNOS MARINHO DA SILVA
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS E METALÚRGICAS DOS COMPÓSITOS DE COBRE-CINZA (CU-CZ) OBTIDOS PELA METALURGIA DO PÓ
CONVENCIONAL.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Fabricação Mecânica do Instituto Federal Sul-Rio-Grandense, como requisito parcial para a obtenção do título de Tecnólogo.
_________________________________________ Avaliador: Dr. Renato Mazzini Callegaro
_________________________________________
Prof°: Projeto de Graduação: MSc. David Garcia Neto
IV
Dedico a minha famíliae aos grandes amigos, pelo apoio incondicional em momentos bons e principalmente nos mais complicados. Aos meus pais, Dario Dresch e Sara Dresch, um agradecimento especial e imensurávelpor toda dedicação, incentivo e por sempre indicar o melhor caminho, mostrando a importância da educação e, principalmente, os valores fundamentais para ser um grande homem, de dignidade, caráter, honestidade, justiça e lealdade. Que eu tenha a mesma serenidade e competência de transmitir isso a meus filhos.
Anderson Dresch
V
Agradeço em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho durante esta jornada e jamais me abandonou. Dedico a minha esposa Michellen, que sempre esteve ao meu lado, apoiando nas horas de difíceis e principalmente em momentos turbulentos, que de forma especial e carinhosa me deu força e coragem. E a meus pais, Aldino e Jurema, que me deram a vida e sempre me ensinaram a ser um homem honesto e justo Agradeço de forma especial e grandiosa por tudo que fizeram por mim.
MagnosMarinho
VI
AGRADECIMENTOS
Primeiramente agradecemos a Deus, pois sem ele nada é possível.
A todos que colaboraram direta ou indiretamente na elaboração deste trabalho, o nosso
reconhecimento.
Ao amigo e competente Orientador Professor MSc. Vinícius Martins, pela crença na
capacidade dos graduandos, pela paciência e apoio incondicional em todos os momentos.
Também ao amigo e competente Co-orientadorTecg° e Mestrando Diego Pacheco
Wermuth, pelo zelo, compreensão, apoio e dedicação durante todo o trabalho.
Aos professores que participaram da banca, Renato Mazzini Callegaro, Vinícius
Martins e David Garcia Neto pelas valiosas colaborações e pelo empenho em avaliar o
trabalho.
Ao professor Dr° Lírio Schaeffer por ter nos emprestado o Laboratório de
Transformação Mecânica (LdTM) da UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul)
para a compactação do pó de Cobre-Cinza que utilizamos em nosso trabalho.
Ao IFSUL – Instituto Federal Sul-Rio-Grandense – Campus de Sapucaia do Sul, por
disponibilizar os recursos didáticos e locais para realizar os ensaios do trabalho.
A todos os colegas de disciplinas do IFSUL.
A todos os professores do curso de Tecnologia em Fabricação Mecânica do IFSUL,
que muito acrescentaram ao longo desta caminhada.
VII
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................. IX
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................ XI
LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................ XII
RESUMO .................................................................................................................................. XIII
ABSTRACT ............................................................................................................................. XIV
2. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................................... 17
2.1. Metalurgia do pó 17
2.1.1. Introdução ao Processo 17
2.1.2. Particularidades 17
2.1.3. Etapas do processo 17
2.1.4. Vantagens e limitações do processo 19
2.2. Pós Metálicos 21
2.2.1. Características dos pós 21
2.2.2. Métodos de obtenção 23
2.2.3. Mistura, Homogeneização e lubrificação 26
2.3. Compactação 26
2.3.1. Princípio da compactação 26
2.3.2. Comportamento dos pós 27
2.3.3. Matrizes para compactação 28
2.3.4. Etapas da compactação 29
2.3.5. Particularidades e cuidados na compactação dos pós 31
2.3.6. Lubrificantes usados para compactação 32
2.4. Sinterização 33
2.4.1. Fornos de Sinterização 34
2.4.2. Atmosfera de sinterização 35
2.4.3. Estágios de Sinterização 36
2.4.4. Sinterização em Fase Sólida 38
2.4.5. Sinterização em Fase Líquida 39
VIII
2.4.6. Fase Líquida de Sinterização Transiente 39
2.5. Cinza Leve 40
2.6. Carvão mineral 41
2.7. Cobre 42
2.7.1. Propriedades físicas e químicas do cobre 43
2.7.2. Obtenção do cobre 44
2.7.3. Aplicação do cobre 44
2.8. Microdureza Vickers 44
3. MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................................................. 46
3.1. Tamanho e distribuição do tamanho de partícula 46 3.2. Preparação da mistura e homogeneização dos pós 47 3.3. Compactação das Amostras 49 3.4. Sinterização 51 3.5. Microscopia ótica 51 3.6. Medição da massa específica 53 3.7. Microdureza 53
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ..................................................................................................... 54
4.1. Densidade aparente dos compósitos Cobre – Cinza 54 4.2. Resultado do Compósito de Cobre com 5% de Cinza leve 54 4.3. Resultado do Compósito de Cobre com 10% de Cinza leve 56 4.4. Resultado do Compósito de Cobre com 15% de Cinza leve 58 4.5. Resultado do Compósito de Cobre com 20% de Cinza leve 61
Figura 1: Processo de fabricação de peças com maior frequência de utilização na metalurgia do pó. 19
Figura 2:Consumo de energia e aproveitamento de matéria prima por processo de fabricação. 20
Figura 3:Tolerância Geométrica / Resistência mecânica entre alguns processos de fabricação. 20
Figura 4: Formas geométricas de partículas 22
Figura 5: Processo de obtenção de pó metálico em moinho de bolas. 24
Figura 6: Atomização por ASEA-STORA- jato de argônio ou nitrogênio. 25
Figura 7: Esquema de compactação por compressão dos pós na matriz. 27
Figura 8: Evolução quantidade de pó (1) para a sua quantidade compactada (2) 27
Figura 9: Comportamento das partículas do pó na compressão 28
Figura 10: Matriz simples de compactação de pós metálicos com seus diversos componentes 29
Figura 11: Compactação realizada com simples ação 30
Figura 12: Compactação realizada com dupla ação 30
Figura 13: Formação da linha neutra em compactação de duplo efeito 31
Figura 14: Formação de poros alongados durante a compactação 31
Figura 15: E tapas do processo de sinterização convencional 34
Figura 16: Ciclo de sinterização típico de um forno contínuo com as curvas de temperatura de cada zona durante todo o processo de sinterização. 35
Figura 17: Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização 37
Figura 18: Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de sinterização 37
Figura 19: Esquema representativo dos estágios de sinterização em fase sólida 38
Figura 20: Representação esquemática de sinterização com fase líquida transiente. 40
Figura 21: Ilustração do processo de distribuição granulométrica por peneiramento 47
Figura 22: Balança precisão Marte AL 500 47
Figura 23: Misturador de cargas 48
Figura 24: Pó de cobre utilizado na confecção dos eletrodos 49
Figura 25: Amostra de cinza 49
Figura 26: Matriz de compactação 50
Figura 27: Prensa Hidráulica Bovenau 30 Toneladas 50
Figura 28: Forno de Sinterização SANCHIS. 51
Figura 29: Politriz AROTEC AROPOL 2V 52
Figura 30: Microscópio ótico 52
Figura 31: Microdurômetro ISH-TDV1 000 53
Figura 32: Curva de compressibilidade da liga Cu-5%Cinza. 55
Figura 33: Curva de densidade a verde e do sinterizado – Cu-5%Cz 56
Figura 34: Curva de compressibilidade da liga Cu-10%Cinza. 57
Figura 35: Curva de densidade a verde e do sinterizado – Cu-10%Cz 58
Figura 36: Curva de compressibilidade da liga Cu-15%Cinza. 59
Figura 37: Curva de densidade a verde e do sinterizado – Cu-15%Cz 60
Figura 38: Amostras com trincas devido a excesso de pressão na compactação. 61
Figura 39: Curva de compressibilidade da liga Cu-20%Cinza. 62
X
Figura 40: Curva de densidade a verde e do sinterizado – Cu-20%Cz 63
Figura 41: Análise metalográfica (sem ataque químico) 64
Figura 42: Metalografia com ataque químico 64
XI
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Conversão mesh – Tamanho da partícula .............................................................................. 46
Tabela 2. Densidade aparente de Ligas Cobre com Cinzas................................................................... 54
Tabela 3: Dados obtidos a partir das amostras verdes de Cobre com 5% Cinza leve. .......................... 55
Tabela 4: Dados obtidos a partir das amostras verdes de Cobre com 10% de Cinza leve. ................... 57
Tabela 5: Dados obtidos a partir das amostras verdes de Cobre com 15% Cinza leve. ........................ 59
Tabela 6: Dados obtidos a partir das amostras verdes de Cobre com 20% Cinza leve. ........................ 61
Tabela 7: Dados obtidos das medições de microdureza das amostras sinterizadas............................... 65
XII
LISTA DE SÍMBOLOS
Al = Alumínio
As = Arsênio
B = Boro
Ca = Cálcio
Cu = Cobre
Cz = Cinza leve
cm³ = Medidas em centímetros cúbicos
Fe = Ferro
g = grama
g/cm³ = unidade de volume
h = altura [mm]
H2O = Água
HNO3 = Ácido Nítrico
HV = Dureza Vickers
K = Potássio
m = massa [ g ]
MPa =Mega Pascal
M/P = metalurgia do pó
Mo = Molibdênio
Na = Sódio
O = Oxigênio
pH = potencial de hidrogênio
r = raio [mm]
S = Enxofre
Se = Selênio
Si = Silício
V = volume [ cm3 ]
δ = massa específica [ g/cm3]
Ø – Diâmetro
XIII
RESUMO
A Metalurgia do Pó é um processo de conformação mecânica que vem tendo um crescimento desua aplicação no cenário industrial brasileiro, por possuir um vasto campo de aplicação que inclui, por exemplo, a fabricação de peças para componentes automotivos, eletrodomésticos, ferramentas de corte e ferramentas elétricas. Além disso, o processo tem como característica o baixo custo para produção de peças em larga escala e um baixo impacto ambiental quando comparado com as tecnologias concorrentes, pois exige menos consumo de energia de transformação e possibilita um alto aproveitamento da matéria prima. A sinterização é a fase mais importante do processo, no qual o pó já compactado é submetido a uma temperatura abaixo do seu ponto de fusão e que, como resultado, confere ao material excelente acabamento, precisão dimensional e propriedades mecânicas. O trabalho proposto analisa o comportamento do cobre com a adição de cinza mineral através do processo de metalurgia do pó. As amostras foram compostas de quatro lotes de misturas de pós com variações no percentual de cinza mineral em cada uma delas, tendo como objetivos específicos realizar levantamentos sobre o comportamento dimensional, densidade, dureza e microestrutura apresentados pelas amostras.
Palavras-chave: fase líquida, cinza mineral, metalurgia do pó, sinterização.
XIV
ABSTRACT
The Powder Metallurgy is a mechanical forming process and its application has been growing in the industrial setting in Brazil, because it has a broad scope that includes, for example, the manufacture of parts for automotive components, appliances, cutting tools and power tools. Moreover, the process is characterized by low cost of parts for large-scaleproduction and low environmental impact compared to competing technologies because it requires less processing power consumption and the raw materials can be used almost fully. Sintering is the most important phase of the process, on it, the already compacted powder is subject to a temperature below its melting point and as a result it gives the material excellent finish, dimensional accuracy and mechanical properties. This work analyzes the behavior of copper with the addition of mineral ashthrough the process of powder metallurgy. The samples were composed of four batches of powder mixtures with variations in the percentage of mineral ash in each one, with the specific objectivefinding out the dimensional behavior, density, hardness and microstructure of the samples shown.
Key-words: liquid phase, mineral ash, powder metallurgy, sintering.
15
1. INTRODUÇÃO
Embora a metalurgia do pó seja uma técnica metalúrgica relativamente recente, sabe-
se, devidoà história que o homemjá produzia suas armas há cerca de 6.000 anosa.c, como
lanças e espadas, e até mesmo ferramentas a partir de aglomerados de ferro,mas somente no
século XIX foram dados os primeiros passos para odesenvolvimento da técnicada metalurgia
do pó. Em 1829, Wollaston deu um passo importante na história do processo, pois produziu
peças de platina compacta a partir de pó esponjoso deste material, obtido por transformação
de um cloreto de amônio e platina. A real consolidação da técnica se deu a partir da Segunda
Guerra Mundial.
Para o desenvolvimento industrial da técnica ocorreram etapas mais importantes no
início deste século quando foi estudada a possibilidade de fabricação, por sinterização, de
molibdênio e tungstênio, metais refratários. Sua obtenção por processos metalúrgicos
convencionais eram impossibilitadas devido ao ponto de fusão apresentado, extremamente
elevados.Em 1909, a partir do pó de tungstênio, o processo de fabricação de fios de tungstênio
dúcteis para utilização em lâmpadas incandescentes foi desenvolvido por C. Coolidge. Após
esta importante contribuição, os próximos passos foram rápidos. A produção de ligas duras
sinterizadas a partir de carboneto de tungstênio aglomerados com metal do grupo do ferro e
cobaltosão utilizados na produção de misturas para materiais de contato elétrico eem diversas
aplicações, pois praticamente todos os metais e ligas podem ser produzidos pela metalurgia do
pó (CHIAVERINI, 2001).
A metalurgia do pó é potencialmente utilizada, ou uma alternativa muito atraente, na
necessidade de produzir grandes lotes de peças, comcomplexidade de forma ou com
materialbase de alto ponto de fusão.Este é um processo moderno, mas os avanços científicos e
tecnológicosnão param(GRUPO SETORIAL, 2009).
Alguns exemplos de produtos que são mais eficiente e economicamente fabricados
pela metalurgia do pó são peças de grande precisão dimensional e de forma relativamente
complexa, de ferro e aço, cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas e outros metais e ligas. São
muito utilizadas, em grande escala, nos mais variados setores de máquinas, veículos e
equipamentos (CHIAVERINI, 2001).
16
Uma operação fundamental da técnica de metalurgia do pó é a sinterização, pois ela
constitui a fase final do ciclo de consolidação dos pós metálicos, ciclo esse iniciado com a
compactação (CHIAVERINI, 2001).
O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o estudo comportamental do Compósito
de cobre (Cu) na metalurgia do pó com adição de cinza mineral (Cz) nas propriedades
mecânicas e metalúrgicas do material.
O objetivo específico é a partir das amostras compostas por diferentes percentuais de
Cinza leve (Cz) no compósito com Cobre (Cu) produzido através de sinterização por meio do
processo da tecnologia da metalurgia pó eavaliar as propriedades mecânicas, metalúrgicas e
principalmente a dureza e as diferentes microestruturas apresentadas, também devem ser
analisados as densidades, massa específica e o comportamentodimensional dos corpos de
prova.
17
2. REVISÃO DE LITERATURA
2.1.1. Introdução ao Processo
A metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que transforma pós de metais, metalóides
ou ligas metálicas e, às vezes, também substâncias não metálicas, em peças resistentes, sem
recorrer-se à fusão, mas apenas pelo emprego de pressão e calor (CHIAVERINI, 2001).
A operação de aquecimento, realizada em condições controladas de temperatura,
tempo e atmosfera, é chamada de sinterização. Esta operação de consolidação dos pós é
normalmente realizada por prensagem, seguida por um aquecimento para consolidação
executado num forno de atmosfera controlada. A temperatura de sinterização deve ser
mantida abaixo da temperatura de fusão dos materiais em pó, ou inferior à temperatura de
fusão dos constituintes em maior proporção, se for utilizada uma mistura de pós metálicos
(FERREIRA, 2002).
2.1.2. Particularidades
Algumas características fazem com que a metalurgia do pó se distingue dos demais
processos metalúrgicos convencionais, como a utilização de pós-metálicos e não metálicas
como matérias-primas, a ausência de fase líquida ou presença apenas parcial da fase
líquidaduranteoprocesso de fabricação, a produção de peças com formas definidas ou
praticamente, dentro detolerâncias muito estreitas, geralmente sem necessidade de operação
de usinagens posteriores ou de qualquer outro tipo de acabamento. Além disso, através deste
processo é possível produzircomponentes com características estruturais e físicas impossíveis
de se obter por qualquer outro processo metalúrgico e em grandes séries, tornando o processo
altamentecompetitivo em relação aos processos convencionais (CHIAVERINI, 2001).
2.1.3. Etapas do processo
O processo consiste em compactar e/ou modelar a mistura e aquecê-la (etapa chamada
de sinterização), com o objetivo de melhorar a coesão da estrutura interna. A característica
2.1. Metalurgia do pó
18
específica do processo é que a temperatura permanece abaixo da temperatura de fusão do
elemento constituinte principal (MORO; AURAS, 2007).
No processo de manufatura de componentes, ou peças, através da tecnologia de
metalurgia do pó, a seqüência operacional inicia-se pela dosagem dos pós, seguido de uma
operação de mistura para homogeneização e uniformidade da distribuição dos pós (metálicos
e/ou não metálicos). Feito isso, a misturada é submetida à operação de prensagem,
normalmente executada por prensas axiais, para a sua compactação e conformação. O produto
desta operação de prensagem é chamado de compacto verde, devido à sua fraca resistência
mecânica antes da operação de sinterização (FERREIRA, 2002).
A sinterização, que é a operação seguinte, é realizada com o intuito de gerar a união
das partículas de pó. É realizada em fornos a temperaturas geralmente inferiores às do ponto
de fusão dos materiais em pó em maior porcentagem, da qual resulta um compacto
sinterizado, com uma estrutura coerente de pós e com uma elevada resistência mecânica.
Quando a forma geométrica do compacto necessita ser melhorada, ou modificada, pode
recorrer-se a uma operação de forjamento dos compactos sinterizados para se obtiver
componentes acabados e calibrados (FERREIRA, 2002).
No processo da metalurgia do pó, os mesmos sob pressão não se comportam como
líquidos, pois a pressão necessária à compactação/conformação não é transmitida
uniformemente na massa e só existe um pequeníssimo escoamento lateral dos pós, dentro do
molde. Assim, a obtenção de densidades satisfatórias nos componentes do processo depende,
em larga escala, da escolha do processo de conformação dos pós e do projeto da ferramenta de
compressão utilizada no processo de metalurgia do pó (CHIAVERINI, 2001).
Deve ser levada em consideração a presença de porosidades no material, característica
dos processos de metalurgia do pó, problema este que se pode ser minimizado se utilizado
compressão isostática a quente, alta pressão na compactação convencional e/ou
processamento mecânico que leve a uma diminuição deste inconveniente. Em alguns casos
esta porosidade pode se mostrar interessante, como por exemplo, para algumas aplicações
biomédicas, pois permite maior osteointegração, resultando numa fixação mecânica da
prótese por tecido ósseo (KARAGEORGIOU; KAPLAN, 2005).
Uma grande diversidade de técnicas da metalurgia do pó são utilizadas na indústria,
atualmente, para a conformação e consolidação dos pós metálicos. As sequências de
19
operações e processos mais frequentemente utilizados na tecnologia do póestão representadas
na Figura 1 (FERREIRA,2002).
Figura 1: Processo de fabricação de peças com maior frequência de utilização na metalurgia do pó.
(Fonte: Qualisinter, 2013).
2.1.4. Vantagens e limitações do processo
Comparando o processo de metalurgia do pó com os processos de produção com
técnicas metalúrgicas convencionais, o processo tecnológicoM/P recenteapresenta diversas
vantagens, como a obtenção de efeitos estruturais especiais, combinação de substâncias
metálicas com materiais não metálicos, aquisição de materiais onde os constituintes metálicos
e não metálicos continuam a conservar suas características físicas individuais.
É um processo com baixo impacto ambiental por não ser poluente e por exigir uma
baixa energia de transformação do material (CHIAVERINI, 2001).
O processo apresenta um alto aproveitamento da matéria prima, geralmente acima de
95%.Este aproveitamento reflete diretamente no custo de fabricação, permitindo que o
produto seja economicamente vantajoso frente aos obtidos por outros processos
(FERREIRA,2002).A Figura 2 ilustra o consumo de energia e aproveitamento de matéria
prima para alguns processos de fabricação mecânica.
20
Figura 2:Consumo de energia e aproveitamento de matéria prima por processo de fabricação.
(Fonte:Grupo Setorial Metalurgia do Pó, 2011)
A obtenção depós metálicos, por muitas vezes, é realizada por reciclagem de sucatas
metálicas (ex.: pós de ferro, de aço, de ligas de cobre ou de alumínio), outros são obtidos de
minério (ex.: pós de tungstênio) (FERREIRA,2002).
A produção através da tecnologia do pó, em grandes séries, apresenta ótimos
resultados, com forma geométrica final definitiva, com altos volumes de produção e sem
desperdícios de materiais. O processo apresenta ótimo resultados e acabamento superficial,
quanto a tolerâncias dimensionais e geométricas (CHIAVERINI, 2001). A Figura 3 apresenta
a tolerância Geométrica/ Resistência mecânica entre alguns processos de fabricação.
Figura 3:Tolerância Geométrica / Resistência mecânica entre alguns processos de fabricação.
(Fonte:Grupo Setorial Metalurgia do Pó, 2011)
21
O controle rigoroso da composição do material e eliminação ou redução a um mínimo
das impurezas introduzidas pelos processos metalúrgicos convencionais, operação em
atmosferas rigorosamente controladas ou em vácuo, redução ou eliminação das perdas de
material ou produção de sucata, maior rapidez e maior economia de fabricação
(CHIAVERINI, 2001).
O processo de metalurgia do póapresenta um baixo custo por componente,
principalmente no caso de geometrias complexas, ou de características de alta precisão de
forma, sobretudoem uma grande quantidade de partes iguais a serem produzidas. As
propriedades mecânicas são dimensionadas de acordo com a aplicação, evitando-se assim o
desperdício pelo uso de materiais superdimensionados, permitindo as mais variadas
combinações de elementos químicos (ligas) e por consequência permite obter várias
microestruturas, e por conseqüência, excelentes resultados referente à resistência mecânica
(FERREIRA, 2002).
Entretanto, a técnica de metalurgia do pó apresenta ainda certas limitações. As prensas
de compressão têm capacidade limitada, ou seja, à medida que as dimensões das peças a
serem produzidas aumentam, maiores prensas devem ser usadas, o que pode tornar o processo
impraticável, técnica e economicamente. Para produção de peças grandes e pesadas é
necessário que os lotes de um mesmo item sejam elevados, para um bom custo benefício do
processo, pois as matrizes de compressão e recompressãoapresentam alto
custo(CHIAVERINI, 2001).
2.2.1. Características dos pós
Na metalurgia do pó as matérias primas são os pós-metálicos e não metálicos, tendo
suas características influenciadas pelo seu comportamento durante o processamento e assim
influenciando diretamente nas qualidades finais do produto sinterizado (CHIAVERINI, 2001).
As características, que devem ser conhecidas e controladas, são:
- Tamanho da partícula e distribuição: Existe uma grande variação no tamanho das
partículas, geralmente entre 400 a 0,1 mícrons, portanto é raro encontrar partículas de
2.2. Pós Metálicos
22
tamanho uniforme. Sabendo disto, é importante determinar uma distribuição quantitativa de
partículas dentre as diversas dimensões, o que é feito, geralmente, pelo processo de
peneiramento (CHIAVERINI, 2001).
- Forma da partícula: Devido aos processos de fabricação dos pós, existe grande
variação nas geometrias. Elas podem ser esféricas uniformes, esferóides ou em gotas,
esponjosa irregular, dendrítica, angular, entre outras, menos comuns (CHIAVERINI, 2001).
Na Figura 4 podem-se observar algumas formas geométricas de partículas.
Figura 4:Formas geométricas de partículas
(Fonte: Moro; Auras, 2007)
- Porosidade da partícula: Quando presentes, os poros afetam não somente outras
características dos pós, como a densidade aparente e a compressibilidade, como igualmente a
porosidade da peça acabada. Devem-se distinguir dois tipos de porosidade: porosidade tipo
esponjosa, caracterizada pela presença de poros que não estão interligados entre si e
porosidade em que os poros estão interligados entre si. Neste caso e quando, além disso, os
poros estiverem ligados com a superfície, verifica-se um aumento da superfície específica das
partículas, além de ficar facilitada a absorção de gases durante o seu processamento
(CHIAVERINI, 2001).
- Estrutura da partícula: Partículas de um só grão, ou formadas por poucos grãos
apresentam maior resistência à compactação pela aplicação da pressão, enquanto que as
23
partículas formadas por um grande número de grãos muito finos tendem a promover a
compressibilidade do pó (CHIAVERINI, 2001).
- Superfície específica: O conhecimento desta característica é de muita importância
para o processo, pois define o número de pontos de contato entre as partículas na sinterização
(CHIAVERINI, 2001).
- Densidade aparente: Relação de gramas por cm3. É de suma importância devido à
maioria das matrizes de compressão o enchimento é realizado por volume. Sendo assim, esta
característica torna-se um fator muito importante na escolha do tipo de pó para o processo
(CHIAVERINI, 2001).
- Velocidade de escoamento: É a capacidade de o pó fluir, sob condições atmosféricas,
sobre dos planos inclinados no interior da cavidade da matriz, dentro de um determinado
intervalo de tempo (CHIAVERINI, 2001).
- Compressibilidade: É a capacidade de um pó ser conformado em briquete de um
volume predeterminado a uma dada pressão, ou, relação entre densidade aparente do briquete
simplesmente comprimido (chamado densidade verde) e a densidade aparente do pó
(CHIAVERINI, 2001).
- Composição química e pureza: Partindo-se do pressuposto que o pó metálico
apresente uma pureza acima de 99,0 ou 99,5%, o principal objetivo de conhecer a sua
composição química ou pureza consiste em determinar quais as impurezas – metálicas ou não
metálicas – presentes, visto que essas impurezas podem afetar as condições de compactação e
de sinterização (CHIAVERINI, 2001).
2.2.2.Métodos de obtenção
Existem vários processos para obtenção de pó metálico, sendo que sua escolha
depende do conjunto de propriedades do material e das características, que se quer para o pó,
em função da aplicação pretendida.
Em princípio, dentre os principais métodos estão:
Métodos mecânicos (quebra e moagem): indicado para materiais frágeis ou
fragilizados por algum processo anterior. Consiste em fragmentar o material com o auxílio de
24
martelos ou moinhos até um determinado tamanho de partícula. Os moinhos mais comuns são
de bolas, conforme mostra na Figura 5, vibratórios e de atrito (Moro; Auras, 2007).
Figura 5:Processo de obtenção de pó metálico em moinho de bolas.
(Fonte: Moro; Auras, 2007)
Cold-stream: aumenta a fragilidade dos metais em temperaturas baixas para sua
transformação em pó, aindaque, grosseiro é arrastado por um fluxo de gás sob alta pressão,
através de um tubo, alcançando uma câmara grande, que é mantida sob vácuo. Ao atingir a
câmara, o gás sobre uma expansão com consequente diminuição brusca de temperatura. O pó
em alta velocidade colide com um alvo instalado dentro da câmara e como se encontra
relativamente frágil por causa da baixa temperatura, parte-se em partículas menores. O pó que
já apresenta um tamanho suficientemente pequeno é separado da fração gasosa, a qual é
novamente reconduzida ao processo (Moro; Auras, 2007).
Atomização: neste processo o metal fundido é vazado através de um orifício
apropriado a essa operação, formando um filete líquido que é atacado por jatos de ar
(processo R-Z / Roheisen-Zunder), gás (processo ASEA-STORA que utiliza o argônio e o
nitrogênio, conforme mostrado na Figura 6 ou processo CSC / CentrifugalShotCasting) 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. A atomização a água
normalmente conduz a partículas irregulares e angulosas, enquanto que a atomização ao ar
produz partículas mais esferoidais (Moro; Auras, 2007).O tamanho e a forma das partículas
25
variam em função de vários parâmetros, entre os quais se destacam: a espessura do filete,a
pressão do fluído, a geometria do conjunto de pulverização e evidentemente, o tipo de
atomização.
Figura 6:Atomização por ASEA-STORA- jato de argônio ou nitrogênio.
(Fonte: Moro; Auras, 2007)
Processo de redução química: ocorre a redução de compostos de metais com agentes
redutores gasosos ou sólidos representam o grupo de processos mais significativos para
obtenção de pós. Os agentes redutores mais utilizados são o carbono e o hidrogênio. A
redução com o carbono só é utilizável para elementos metálicos que não formam carbonetos
muito estáveis, a não ser que se deseje obter pó de carboneto como produto final e não o pó
metálico como no caso o carboneto de tungstênio, que pode ser reduzido e carbonetadoem um
só tratamento. A redução com carbono é principalmente utilizada para o ferro, no caso, pelo
processo Höganas (MORO; AURAS, 2007).
Processo de eletrólise: os pós produzidos por esse processo apresentam elevada
pureza, baixa densidade aparente e tem grãos de estrutura nitidamente dendrítica. Depois de
colhido dos tanques de eletrólise, a massa de pó sob a forma de uma lama é secada e
classificada por peneiramento (MORO; AURAS, 2007).
26
2.2.3. Mistura, Homogeneização e lubrificação
A mistura dos pós é a primeira operação ou etapa do processo. O objetivo é efetuar a
mistura uniforme em diferentes percentuais, fazendo composições homogêneas, com
características específicas de distribuição e tamanho de partícula. Os equipamentos
empregados neste processo são basicamente moinhos de bola, misturadores de pás ou de
rolos, e homogeneizadores. (CHIAVERINI, 2001).
Estas operações, de mistura e homogeneização, aumentam o contato entre as
partículas. O resultado depende do tamanho e da geometria das mesmas. Considera-se que,
quanto mais uniforme as dimensões das partículas do material a serem misturados ou
homogeneizados, maior a probabilidade de resultados uniformes e consistentes. Por outro
lado, partículas maiores apresentam forte tendência de segregar. Se possível, a eliminação
destas deve ser realizada (CHIAVERINI, 2001).
Nas misturas de pós, por vezes, são adicionados lubrificantes, ou outros aditivos, para
facilitar os processos de conformação e melhorar as propriedades finais dos produtos obtidos
com a tecnologia da metalurgia do pó. (FERREIRA, 2002).
A função do lubrificante é minimizar o desgaste, por redução do atrito entre a massa
do pó em contato com as superfícies das ferramentas (matrizes, punções e machos metálicos)
e por redução do atrito entre as partículas de pós. O lubrificante é adicionado à mistura dos
pós em pequenas percentagens, usualmente da ordem dos 0,5 % a 1,0 % do peso total da
mistura dos pós metálicos.Os lubrificantes mais utilizados têm por base: os estearatos de
zinco; os estearatos de lítio; os estearatos de cálcio; o ácido esteárico; a parafina; a cera; e o
sulfureto de molibdênio (FERREIRA, 2002).
2.3.1. Princípio da compactação
Compactação é a primeira das operações de consolidação da metalurgia do pó. Nesta
etapa, uma quantidade predeterminada de pó é colocada na cavidade de uma matriz montada
em uma prensa de compressão, que pode ser mecânica ou hidráulica.A compactação ocorre
por deslocamentos simultâneos dos punções superiores e inferiores, à temperatura ambiente
(MORO; AURAS, 2007). A Figura 7 exibe a compactação esquemática dos pós na matriz.
2.3. Compactação
Figura 7: Esquema de compactação por compressão dos pós na matriz.
O resultado da compactação é uma peça, chamada de compactado verde, com formato
final ou muito próximodo que se deseja na man
muito frágil, e o manuseio inadequado pode “esfarelar” a peça (MORO; AURAS, 2007).
Figura 8:Evolução quantidade de pó (1) para a sua quantidade compactada (2)
2.3.2. Comportamento dos pós
Considerando os dois proces
isostática em invólucros ou receptáculos flexíveis. P
em três estágios:
Esquema de compactação por compressão dos pós na matriz.
(Fonte: FERREIRA, 2002)
O resultado da compactação é uma peça, chamada de compactado verde, com formato
final ou muito próximodo que se deseja na manufatura, conforme ilustrado na F
muito frágil, e o manuseio inadequado pode “esfarelar” a peça (MORO; AURAS, 2007).
Evolução quantidade de pó (1) para a sua quantidade compactada (2)
(Fonte: DELFORGE et al., 2007)
Comportamento dos pós
Considerando os dois processos mais comuns de compactação o
ucros ou receptáculos flexíveis. Podendodividir o comportamento dos pós
27
Esquema de compactação por compressão dos pós na matriz.
O resultado da compactação é uma peça, chamada de compactado verde, com formato
conforme ilustrado na Figura 8. É
muito frágil, e o manuseio inadequado pode “esfarelar” a peça (MORO; AURAS, 2007).
Evolução quantidade de pó (1) para a sua quantidade compactada (2)
sos mais comuns de compactação o em matriz rígida
odendodividir o comportamento dos pós
28
No primeiro estágio, as partículas de pó são remontadas e ou rearranjadas, de modo a
eliminar parcialmente a formação de vazios, que sempre acontece quando se empilha a esmo
partícula de pó.
O segundo estágio envolve deformação plástica das partículas do pó e a sua
compressibilidade. Esta deformação é mais profunda em pós de metais dúcteis, porém,
mesmo desta forma, a compressibilidade ou a densidade verde pode variar muito. Outro fator
a considerar é a porosidade, pois os pós com essa característica,ao contrário dos que não se
mostram porosos (atomizados e eletrolíticos) possuem características de baixa
compressibilidade (CHIAVERINI, 2001).
No terceiro estágio, as partículas de pó que ficaram frágeis devido ao encruamento dos
estágios anteriores, quebram e formam fragmentos menores.Os três estágios geralmente se
sobrepõem (CHIAVERINI, 2001). A Figura 9 mostra o comportamento das partículas a partir
da compactação dos pós.
Figura 9:Comportamento das partículas do pó na compressão
(Fonte: PEREIRA, 2010).
2.3.3. Matrizes para compactação
Uma matriz simples de compactação é constituída essencialmente do corpo, do punção
superior, do punção inferior e no caso de peças com furos passantes, do macho.
(CHIAVERINI, 1986).
Um dos principais problemas a considerar na confecção das matrizes de metalurgia do
pó está relacionado com as tolerâncias dimensionais. Tolerâncias apertadas, ou seja, precisas,
29
podem ser conseguidas em formas relativamente simples, por exemplo, para peças até 5 cm
de dimensão maior, conseguem-se tolerâncias de aproximadamente 0,025 mm na direção
radial e 0,127 mm na direção da pressão. (CHIAVERINI, 1986).
As matrizes são confeccionadas com aço de alto carbono e cromo, temperado e
revenido. Freqüentemente são revestidas de cromo duro ou fabricadas com núcleo de metal
duro, como pode ser observado na Figura 10 (CHIAVERINI, 1986).
Figura 10: Matriz simples de compactação de pósmetálicos com seus diversos componentes
(Fonte: CHIAVERINI, 1986)
Devido ao seu elevado custo, a duração das matrizes e dos respectivos componentes
deve corresponder a dezenas ou, se possível, a centena de milhares de peças compactadas
(CHIAVERINI, 1986).
2.3.4. Etapas da compactação
As etapas da compactação podem ser descritas como: enchimento, compressão e
extração.
Na Figura 11 é descrito a compactação de simples ação, onde a força de compactação
é exercida apenas por um dos dois punções. Esta estratégia gera a linha neutra deslocada para
baixo.
30
Figura 11: Compactação realizada com simples ação
(Fonte: GRUPO SETORIAL DA METALURGIA DO PÓ, 2009)
Na Figura 12 é demonstrada uma compactação com dupla ação onde a força é exercida
pelos dois punções. Isso garante que a linha neutra fique no centro da peça a ser compactada.
Figura 12:Compactação realizada com dupla ação
(Fonte: GRUPO SETORIAL DA METALURGIA DO PÓ, 2009)
Durante a compactação uniaxial a densidade e a tensão interna variam localmente,
criando gradientes de densidade e regiões de concentração de tensões. Quando uma força
externa é aplica ao pó por meio dos punções superior e inferior, o atrito entre as partículas e a
parede da matriz aumenta. Assim, se for considerado que a pressão axial é constante, é
possível encontrar que a tensão gerada pelo atrito com a parede será dada pelo produto entre o
coeficiente de atrito e a pressão radial (GERMAN, 1994).
31
Na compactação em matriz de duplo efeito a pressão axial é simétrica em relação à
seção central do compactado. Esse plano central é denominado “linha neutra” e representa o
plano de menor densidade no compactado conforme pode ser observado na Figura 13. Essa
distribuição de densidade pode gerar defeitos no elemento sinterizado (SEEBER, 2008).
Figura 13:Formação da linha neutra em compactação de duplo efeito
(Fonte: SEEBER, 2008).
2.3.5. Particularidades e cuidados na compactação dos pós
É importante conhecer algumas particularidades e cuidados necessários na etapa de
compactação dos pós.Algo que ocorre neste processo são os gradientes de densidade,que são
introduzidos no compactado devido ao atrito com as paredes da matriz, o que resulta em
retração anisotrópica durante a sinterização. Desta forma, os compactados podem apresentar
poros achatados em relação à direção de compactação, porém alongados na direção
perpendicular, conforme mostra a Figura 14. (GERMAN; BOSE, 1997).
Figura 14:Formação de poros alongados durante a compactação
(Fonte: SEEBER, 2008).
32
O projeto da peça é muito importante, porque pode acarretar nessa etapa a formação da
zona neutra, que é uma região em que as partículas sofreram menor força de compactação,
gerando uma peça final heterogênea, com zonas de propriedades distintas. Certos tipos de
geometria de peça são inviáveis justamente devido à formação de zonas neutras (MORO;
AURAS, 2007).
A compressibilidade de um pó é afetada por diversos fatores (KNEWITZ, 2009):
- Dureza do metal ou da liga metálica sob compactação;
- Forma da partícula: geralmente quanto mais irregular for à partícula, menor a sua
compressibilidade;
- Porosidade: se for caracterizada por possuir poros internos finos, durante a
compactação elas podem reter ar no seu interior, prejudicando a compressibilidade; desse
modo. Pós isentos de poros possuem maior compressibilidade;
- Uma composição granulométrica homogênea favorece uma boa compressibilidade
dos pós metálicos, em contra partida oscompostos não metálicos, tais como óxidos não
reduzidos, acabam reduzindo a compressibilidade devidoa sua dureza e baixa gravidade
específica. A compressibilidade é igualmente afetada pela presença de lubrificantes sólidos,
devido seu baixo peso e o volume que ocupam na massa de pó. (MORO; AURAS, 2007).
2.3.6. Lubrificantes usados para compactação
O processo de compactação envolve o rearranjo e a deformação das partículas,
produzindo, desta forma, ligações entre elas. Para aumentar a eficiência de compactação, o pó
deve passar por um processo de condicionamento. Neste processo são utilizados lubrificantes
e aglomerantes. Os lubrificantes são utilizados na parede da matriz de compactação para
minimizar o atrito entre as partículas do pó e a parede da matriz, facilitando a extração do
compactado e visando diminuir gradientes de densidade.
Os aglomerantes são também utilizados para melhorar as propriedades de
empacotamento e facilitar o manuseio da peça a "verde". Estes são compostos orgânicos,
formados por longas cadeias de carbono, que volatilizam a temperaturas relativamente baixas.
33
Os lubrificantes e aglomerantes mais utilizados são: parafina, estearato de zinco, de
lítio e polietilenoglicol. O estearato de zinco é um dos lubrificantes mais utilizados, possuindo
ponto de fusão de 126 °C e tem como vantagens o aumento de densidade aparente da mistura
comparado com a cera, boa compressibilidade em comparação com a cera, bom desempenho
em termos de lubrificação, incluindo a etapa de extração do compactado, boa escoabilidade da
mistura e custo baixo. Apresenta tambémalgumas desvantagens podendo causar manchas na
superfície da peça, deixa resíduos no interior do forno e restrições devido à presença do zinco
(SAVI, 2011).
No emprego da metalurgia do pó existem diferentes aplicações de sua tecnologia,
pode-se definir sinterização como um processo físico, termicamente ativado, que faz com que
um conjunto de partículas de determinado material, inicialmente em contato mútuo, adquira
resistência mecânica. A força motora é o decréscimo da energia livre associado à superfície
do conjunto de partículas, conseguido pela diminuição da superfície total do sistema (SILVA;
JÚNIOR, 1998). Em muitas ocasiões, isto traz como conseqüênciaà eliminação do espaço
vazio existente entre as partículas, resultando em um corpo rígido e completa ou parcialmente
denso (BRITO et al., 2007).
A resistência mecânica obtida pela estrutura de uma peça durante o processo da
metalurgia do pó é resultante da sinterização, onde por aquecimento em temperaturas abaixo
do ponto de fusão as partículas são unidas de forma coerente, em uma massa sólida. A
porosidade é eliminada enquanto as partículas se unem durante a sinterização a alta
temperatura, normalmente, esta especificação de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da
temperatura de fusão da liga considerada. Por exemplo, no caso das ligas ferrosas, a
temperatura de sinterização varia de 1050°C a 1150°C (CHIAVERINI, 2001).
As partículas dos pós desenvolvem ligações metalúrgicas e a estrutura dos pós
densifica-se sob a ação do calor, o que conduz a uma melhor resistência mecânica e a uma
baixa energia do sistema (FERREIRA, 2002).
Na Figura 15 pode-se observar o processo de sinterização é dividido em três zonas
distintas, na primeira etapa com a peça ainda verde entra na denominada zona de pré-
aquecimento, passando pelas fases de sinterização na segunda câmara onde ocorre a ligação
2.4. Sinterização
34
metalúrgica das partículas de pó e por fim a última zona de resfriamento onde a micro
estrutura do material é formada.
Figura 15: E tapas do processo de sinterização convencional
(Fonte: Grupo Setorial Da Metalurgia Do Pó, 2009)
2.4.1. Fornos de Sinterização
Os fornos de sinterização que podem ser a gás ou elétrico, por resistência ou por
indução (fornos a vácuo geralmente). São normalmente do tipo contínuo, com esteira, com
empurradores ou com vigas movediças, para liga de baixo ponto de fusão ou ligas metálicas.
(CHIAVERINI, 1986).
O gás permite temperaturas até a ordem de 1200°C. Contudo, acima de 1080°C, o
calor perdido nas chaminés é muito grande, por isso esses fornos não são normalmente usados
acima dessa temperatura. Quanto aos fornos, os diversos tipos e modelos podem ser
agrupados da seguinte maneira:
Fornos contínuos, tipos esteira, empurrador, soleira de roletes e de vigas movediças;
fornos intermitentes, tipos caixa, sino, tubo e mufla e de alta frequência (CHIAVERINI,
2001). A Figura 16 apresenta um ciclo esquemático de sinterização.
35
Figura 16: Ciclo de sinterização típico de um forno contínuo com as curvas de temperatura de cada zona durante todo o processo de sinterização.
(Fonte: Grupo Setorial Da Metalurgia Do Pó, 2009)
O processo de sinterização é dividido em três zonas distintas. Na primeira etapa a peça
ainda verde passa pela zona de pré aquecimento em uma temperatura entre 600 a 800 graus,
conforme ilustra o gráfico,onde o lubrificante é removido da peça. Na zona seguinte a peça
passa pelo processo de sinterização, que leva em consideração o tempo de permanência e a
temperatura utilizada, ocorrendo assimà ligação metalúrgica das partículas dopó. Já na
terceira zona a peça entra em estado de resfriamento, onde a permanece até atingir a
temperatura desejada, formando assim a microestrutura do material.
2.4.2. Atmosfera de sinterização
As possíveis reações químicas que possam ocorrer entre a amostra e a peça a ser
sinterizada, em toda a gama de temperatura e pressões devem ser consideradas para
definiçãoda atmosfera de sinterização a ser empregada. (KNEWITZ, 2009).
Para a sinterização de materiais como o titânio usam-se gases inertes, que criam uma
atmosfera protetora sobre este, sem que ocorra nenhuma reação (desde que este possua pureza
36
adequada). O hidrogênio é outro gás utilizado para materiais com afinidade ao oxigênio, pois
este cria uma atmosfera redutora sobre a camada de óxido, facilitando a adesão e a máxima
integridade da peça sinterizada. (KNEWITZ, 2009).
As atmosferas empregadas na operação de sinterização possuem objetivos, que são:
• Impedir a entrada de ar no forno;
• Facilitar a eliminação de lubrificante ou cera nos compactados;
• Sinterizar;
• Reduzir os óxidos superficiais;
• Controlar o teor de carbono na superfície e no núcleo das peças
(carbonetando ou descarbonetando);
• Transmitir de modo uniforme e eficiente o calor.
As atmosferas convencionais empregadas na operação de sinterização são as
seguintes: gás endotérmico, gás exotérmico, amônia dissociada, hidrogênio e vácuo (ou falta
de atmosfera) (CHIAVERINI, 2001).
2.4.3. Estágios de Sinterização
O processo de sinterização é constituído por três etapas representadas numa típica
curva tempo/temperatura. Os parâmetros que influenciam na microestrutura dos materiais
sinterizados são: as características do pó, empacotamento das partículas, estrutura dos poros
do compactado verde, taxa de aquecimento e ciclo de sinterização.
Na primeira etapa, “remoção de aglomerante”, ocorre à eliminação do
lubrificante/aglomerante orgânico que é adicionado para facilitar a compactação e a redução
do atrito entre as partes.No segundo estágio, que ocorre a densificação e o crescimento dos
grãos, as partículas ainda se encontram conectadas isoladamente, isto é, a porosidade entre as
partículas está contida. (ALLIBERT, 2001).
O “patamar de sinterização” é atingido na terceira e última etapa e permanece na
temperatura de sinterização, no qual é promovida uma total densificação (fechamento de
porosidade), porém o uso de tempos elevados nesta etapa pode induzir o crescimento de grão
(ALLIBERT, 2001). A Figura 17 mostra os estágios de densificação durante a sinterização.
Figura 17:Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização
Conforme ilustrado na figura 17, no
matéria, transformando-se em pontes s
intermediário é caracterizado pela densificação e crescimento do grão do material
ocorre uma redução no volume dos po
porros, que são fechados, perdendo sua forma irregular.
À medida que a forma dos poros fica arredondada, as partículas discretas ficam menos
evidentes, e um estágio intermediário de sinterização
(FERREIRA, 2002).
Figura 18: Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de
Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização
(Fonte: Grupo Setorial, 2009)
Conforme ilustrado na figura 17, no estágio inicial ocorre uma formação continua de
se em pontes sinterizadas denominadas pescoço.O
intermediário é caracterizado pela densificação e crescimento do grão do material
uma redução no volume dos poros, e já no estágio final acontece
perdendo sua forma irregular.
À medida que a forma dos poros fica arredondada, as partículas discretas ficam menos
evidentes, e um estágio intermediário de sinterização ocorre como mostrado na Figu
Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de sinterização
(Fonte: Grupo Setorial, 2009)
37
Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização
a formação continua de
interizadas denominadas pescoço.O estágio
intermediário é caracterizado pela densificação e crescimento do grão do material, com isso
acontece o arredondamento dos
À medida que a forma dos poros fica arredondada, as partículas discretas ficam menos
como mostrado na Figura 18
Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de
38
2.4.4. Sinterização em Fase Sólida
A sinterização em fase sólida ocorre em temperatura onde nenhum dos elementos do
sistema atinge o ponto de fusão. Essa é realizada com transporte de material, por exemplo,
difusão atômica, transporte de vapor e fluxo viscoso. Com o intuito de promover uma maior
força motriz, a sinterização em fase sólida às vezes ocorre com adições de elementos reativos
que alteram o equilíbrio entre a energia superficial das partículas e a energia de contorno de
grão, favorecendo a sinterização (COSTA, 2004).Esta sinterização pode-se dividir em três
estágios:
O estágio inicial, caracterizado pela formação de contornos de grãos na área de contato
entre partículas ou formação e crescimento de pescoços entre as partículas, a partir dos
contatos estabelecidos durante o processo de compactação, conduzindo até o instante onde
estes começam a se interferir. O estágio intermediário, onde há uma grande densificação do
compactado e é caracterizado por uma lisa estrutura na forma de cilindros interconectados,
grande densificação, inicialmente com 70 a 92% de porosidade e terminando com cerca de
8% de porosidade remanescente. (GOTOH; MASUDA; HIGASHITANI, 1997 e GERMAN,
1990).
E por fim um terceiro estágio, onde há um isolamento dos poros na região dos
contornos de grão e eliminação gradual da porosidade por difusão de vacâncias dos poros ao
longo dos contornos de grão com somente uma pequena densificação da estrutura (GOTOH;
MASUDA; HIGASHITANI, 1997 e GERMAN, 1990). A Figura 19 apresenta os estágios de
sinterização.
Figura 19: Esquema representativo dos estágios de sinterização em fase sólida
(Fonte: GOMES, 1995 e LEE; REINFORTH, 1994).
39
Na Figura 19 os estágios entre as partículas durante o processo de sinterização em fase
sólida, apresentam em seu estágio inicial uma formação continua de matéria transformando-se
em pontes sinterizadas, denominadas pescoço. Durante o estágio intermediário é caracterizado
adensificação e o crescimento do grão do material, com isso tem-seuma redução no volume
dos poros. Já no estágio final o arredondamento dos poros que são fechados perdendo sua
forma irregular.
2.4.5. Sinterização emFase Líquida
A sinterização em fase líquida é caracterizada pelo aparecimento de uma fase líquida a
uma determinada temperatura. Para este tipo de sinterização, o processo pode ocorrer de duas
formas diferentes: Primeiro, quando o líquido permanece presente durante todo o tempo, no
qual o compacto está na temperatura de sinterização e um segundo, chamado de sinterização
em fase líquida transiente, onde o líquido é formado durante o aquecimento do compacto à
temperatura de sinterização e desaparece por interdifusão durante a temperatura de
sinterização do mesmo (COSTA, 2004).
Durante a fase de sinterização das peças é comum à presença de uma fase líquida
durante a operação. Isso ocorre devido um dos componentes da mistura se fundir durante o
aquecimento,típico caso da mistura cobre e estanho para formação da liga bronze. Acontece
também quando a fase sólida apresenta uma solubilidade limitada na fase líquida, que é o caso
típico da composição WC+Co de metal duro em que, a certa temperatura pequena quantidade
de WC fica dissolvida no cobalto, o qual funde a essa temperaturaou quando se pratica a
operação de infiltração, em que, por exemplo, sinteriza-se uma mistura de ferro-cobre a uma
temperatura acima da de fusão do cobre, forçando a penetração deste metal no compactado
poroso ferro-cobre (CHIAVERINI, 2001).
2.4.6. Fase Líquida de Sinterização Transiente
A sinterização com fase líquida transiente pode ser dividida nas seguintes etapas de:
formação de uma fase líquida, distribuição intergranular do líquido e consumo do líquido pela
formação de uma solução sólida, com a distribuição dos elementos de liga na matriz por
difusão em estado sólido.
40
A fase líquida pode se originar a partir da fusão de um aditivo, que provoca o
envolvimento das partículas do pó de base. Fases líquidas podem também ser formadas
nointerior das partículas, devido à interação entre dois materiais de composições diferentes,
como por exemplo, em sinterização de pó de ferro com carbono ou de aços rápidos (RAJIV et
al., 1998).
A presença de fase líquida transiente pode provocar expansão ou contração no
sinterizado. Maior heterogeneidade inicial do pó provoca maiores expansões no sinterizado. A
densificação associada com a fase líquida transiente depende da quantidade do líquido
formado e do tempo de existência desta fase. Normalmente, a fase líquida existe por pouco
tempo e não ocorre a densificação total. Em razão do curto tempo de presença de fase líquida
pouca contração ou expansão pode acontecer no compactado. (RAJIV et al., 1998). A Figura
20 mostra a sinterização com fase líquida.
Figura 20:Representação esquemática de sinterização com fase líquida transiente.
(Fonte: RAJIV et al., 1998)
Pode-se observar na Figura 20 que, durante a presença da fase líquida transiente no
processo de sinterização, o comportamento do material a ser sinterizado pode variar entre
contração e expansão.
2.5. Cinza Leve
As Cinzas são resultado da queima do carvão, resíduos sólidos inorgânicos nos
processos de geração de energia em usinas termelétricas do mundo todo em países como,
Estados Unidos, Índia,China, Austrália, África do Sul, Rússia, Polônia,Indonésia, Espanha,
Brasil, entre outros (FERRET, 2004).
41
A formação das Cinzas se dá pela combustão direta do carvão fóssil, que é uma
matéria-prima sólida, constituída por duas frações intimamente misturadas, uma orgânica
(matéria volátil mais carbono fixo) e uma mineral (argilas, quartzo, piritas1, carbonatos, etc).
Pela ação do calor, a fração orgânica gera voláteis e coque, enquanto a fração mineral se
transforma em cinza com uma mineralogia modificada, tendo em vista a perda de água das
argilas, decomposição dos carbonatos, oxidação dos sulfetos, etc. (ROHDEet al., 2006).
As características físicas e químicas das cinzas de carvão variam de acordo com as
características do mineral natural que as originou (carvão mineral), com o tipo de queima,
projeto e operação da caldeira, grau de beneficiamento e moagem do carvão, sistema de
extração e manuseio (Adrianoet al., 1980). Portanto, é difícil ter uma previsão precisa de suas
características. De modo geral, cinzas de carvão são minerais aluminosilicatos2 constituídos
pelas fases amorfa e cristalina. Constituem-se de um pó de grãos finos com propriedades
pozoiânicas, composto principalmente por partículas vítreas e esféricas (Querolet al., 2002).
As cinzas de carvão possuem elementos predominantes em sua composição, como Al,
Si, O, Fe, Ca, K e Na. Elementos traços como As, B, Ca, Mo, S e Se podem ser encontrados
nas partículas menores. O pH das Cinzas variam de 4,5 a 12, dependendo das características
geoquímicas do carvão precursor (FERRET, 2004). No processamento do carvão a queima
origina diferentes tipos de Cinzas, sendo elas as volantes, leves, pesadas e escorias, que
diferem entre si pelo método de coleta, granulometria e umidade, principalmente. (ROHDEet
al., 2006).
As Cinzas leves, geradas em maior quantidade, possuem a menor granulometria entre
as cinzas, variando entre 0,01 e 100 µm (FERRET, 2004). Suas finas partículas são arrastadas
pelos gases de combustão após a queima do carvão mineral, sendo retidas por sistemas de
filtros de mangas, ou precipitadores eletrostáticos.
2.6. Carvão mineral
Carvão Mineral é uma rocha sedimentar combustível formada por vegetais que depois
de soterrados e na ausência de ar, sofreram transformações físico-químicas e geológicas
nas bacias poucas profundas. Nessas transformações houve a carbonificação gradativa da
1Dissulfeto de ferro 2Minerais compostos de alumínio, silício e oxigênio
42
matéria vegetais originais ocasionados por fatores como a temperatura, pressão, processos
tectônicos se o tempo de atuação. (SILVA et al, 1980).
Foi uma das primeiras fontes de energia utilizadas em larga escala pelo homem. Sua
aplicação na geração de vapor para movimentar as máquinas foi um dos pilares da Primeira
Revolução Industrial, iniciada na Inglaterra no século XVIII. Já no fim do século XIX, o
vapor foi aproveitado na produção de energia elétrica. Ao longo do tempo, contudo, o carvão
perdeu espaço na matriz energética mundial para o petróleo e o gás natural, com o
desenvolvimento dos motores a explosão. (SILVA et al, 1980).
O carvão é uma complexa e variada mistura de componentes orgânicos sólidos,
fossilizados ao longo de milhões de anos, como ocorre com todos os combustíveis fósseis.
Sua qualidade, determinada pelo conteúdo de carbono, varia de acordo com o tipo e o estágio
dos componentes orgânicos. A turfa, de baixo conteúdo carbonífero, constitui um dos
primeiros estágios do carvão, com teor de carbono na ordem de 45%; o linhito apresenta um
índice que varia de 60% a 75%. O carvão betuminoso (hulha), mais utilizado como
combustível, contém cerca de 75% a 85% de carbono, e o mais puro dos carvões, o antracito,
apresenta um conteúdo carbonífero superior a 90% (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA
ELÉTRICA, 2011).
O carvão mineral é composto por átomos de carbono, oxigênio, nitrogênio, enxofre,
associados a outros elementos rochosos (como arenito, siltito3, folhelhos e diamictitos4) e
minerais, como a pirita (AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2011).
2.7. Cobre
Evidências arqueológicas indicam que o cobre era utilizado, há mais de 10.000 anos,
na Ásia ocidental. Durante o período Calcolítico, as sociedades descobriram como extrair e
utilizar o cobre para produzir ornamentos e acessórios. Entre o 3º e o 4º Milênio a.C., o cobre
era ativamente extraído da região de Hulva, na Espanha. Por volta de 2.500 a.C., a descoberta
de propriedades úteis das ligas de cobre-zinco levou à Era do Bronze (DIETER, 1981).
Como o mais importante elemento na história das civilizações, o cobre foi o primeiro
metal minerado e manufaturado pelo homem, pois estava disponível em grandes quantidades
e praticamente se encontrava na superfície do solo para extração, além do mais, foi descoberto
3São rochas cujos grãos variam de 0,002 mm a 0,06 mm 4Rocha sedimentar conglomerática com matriz argilosa que contém grãos de areia e grânulos
43
que o metal era apropriado para a produção de armas, ferramentas, objetos de arte e
ornamentos.
Este material foi sendo desvalorizado ao longo do tempo, principalmente com o
descobrimento do aço, até que a telefonia e a eletricidade passaram a utilizá-lo em larga
escala novamente. Muito bom condutor térmico, sua condutividade elétrica merece especial
menção, por ter sido adotada pela Comissão Eletrotécnica Internacional em 1913 como base
da norma IACS2. (DIETER, 1981)
2.7.1. Propriedades físicas e químicas do cobre
O cobre é um elemento metálico com numero atômico 29 e peso Atômico 63,57. O
seu símbolo químico é Cu, e suas valências são +1 e +2. Não é magneto e pode ser utilizado
puro ou em ligas com outros metais que lhe conferem excelentes propriedades químicas e
físicas. De cor vermelho-alaranjado, símbolo Cu (do latim cuprum), pertence à família dos
metais, tem densidade 8,9 e funde-se a 1.083ºC. Com dois isótopos estáveis, um de massa 63
e outro de massa 65, o cobre cristaliza no sistema cúbico (DIETER, 1981).
Não reage com o ar seco, mas quando o ar está úmido e contem dióxido de carbono
reage formando uma camada protetora esverdeada de carbonato básico.
O cobre é um excelente condutor de eletricidade, ficando logo depois da prata na fila
de melhor condutividade elétrica. Possui elevada condutividade térmica, sendo matéria-prima
preferencial para fabricação de cabos, fios e lâminas. É maleável e dúctil, podendo ser
estirado sem quebrar. Aumenta sua dureza por meio de tratamentos metálicos.
• Densidade: 8,96 g/cm² ( 20 °C )
• Ponto de Fusão:1083 °C
• Ponto de Ebulição: 2595 °C
• Coeficiente de dilatação térmica linear: 0,0000165 cm/cm/°C ( 20 °C )
• Resistividade Elétrica: 1.673.000 ohm.cm ( 20 °C )
• Condutividade Elétrica: 101 % IACS à ( 20 °C )
• Calor Lactente de Fusão: 50,6 cal/g
• Calor específico: 0,0912 cal/g/°C ( 20 °C )
• Forma Cristalina: Cúbica de faces centradas.(DIETER, 1981).
44
2.7.2. Obtenção do cobre
A grande maioria das reservas mundiais de cobre localiza-se em quatro regiões: Nos
Andes, entre o Chile e o Peru,em montanhas rochosas e na área dos grandes lagos nos Estados
Unidos, Planalto central africano e no Centro da América do Norte. Destacam-se os minérios
de sulfetos (pirita e calcopirita), de óxidos (cuprita5e melaconita6) e de carbonatos
(malaquita7).
Os minérios de cobre sofrem um processo de moagem e pulverização para separá-lo
de diversos tipos de materiais rochosos sem valor comercial. Para cada tipo de minério é
aplicado um diferente método de extração do material. Para os sulfetos aplica-se a flotação,
que é o caso mais comum. (ANDRADE et at, 1997).
2.7.3. Aplicação do cobre
Quando descoberto, o cobre era usado para a fabricação de armas e utensílios ou
ferramentas. Com o desenvolvimento industrial, suas características permitiram as mais
diversificadas aplicações (DIETERet al, 1981).
A maior utilização do cobre hoje é na transmissão elétrica e na telefonia. Para
aproveitar melhor suas propriedades elétricas recomenda-se usá-lo em estado puro. Já as
propriedades mecânicas são melhores nas ligas formadas com zinco, estanho, chumbo, níquel,
etc. (ANDRADE et at, 1997).
A maior parte dos processos industriais utiliza alguma liga de cobre. O latão (liga de
cobre e zinco) é uma das principais ligas de cobre, é facilmente moldado e trabalhado. O
bronze (liga de cobre e estanho) tem boas propriedades para fundição. As ligas com alumínio
ou níquel resistem bem à oxidação e a alguns agentes corrosivos. (DIETER, 1981).
Dureza é uma propriedade mecânica relacionada à resistência que um material, quando
pressionado por outro material ou por marcadores padronizados, apresenta ao risco ou à
formação de uma marca permanente. A dureza depende diretamente das forças de ligação
5 Mineral do grupo de óxidos de cor avermelhada.
6 Mineral que consiste de óxido de cobre
7 Mineral do grupo dos carbonatos.
2.8. MicrodurezaVickers
45
entre os átomos, íons ou moléculas e do estado do material (processo de fabricação,
tratamento térmico, etc.). Essas definições não caracterizam o que é dureza para todas as
situações, pois ela assume um significado diferente conforme o contexto em que éempregada
(SOUZA, 1974).
É importante destacar que, apesar das diversas definições, um material com grande
resistência à deformaçãoplástica permanente também terá alta resistência ao desgaste, alta
resistência ao corte e será difícil de serriscado, ou seja, será duro em qualquer uma dessas
situações. Os ensaios de dureza são realizados commaior freqüência do que qualquer outro
ensaio mecânico, pois são simples, mais baratos e nãocomprometem funcionalmente a peça
ensaiada (CHANG et al., 1976).
A microdurezaVickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de
uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma
determinada carga. O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada “F” pela
área de impressão “A” deixada no corpo ensaiado (SOUZA, 1974).
A máquina que faz o ensaio de microdurezaVickers não fornece o valor da área de
impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas
das diagonais “d1” e “d2” formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide. Conhecendo
as medidas das diagonais e a sua média “d”, é possível calcular a microdurezaVickers através
da equação (1) (SOUZA, 1974).
[Eq.01]
Fórmula damicrodurezaVickers em função da profundidade “h” da penetração no
material. Como demonstra a equação 2.
[Eq.02]
46
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho foi utilizado o método de distribuição do tamanho de partícula das
cinza leve através do método de peneiramento. O tamanho de partícula tem um efeito
significativo no comportamento de pós do metal durante o processamento. Assim a uma
extensão considerável, governam as propriedades dos produtos finais feitos do pó,
conseqüentemente, a caracterização de tais propriedades é essencial. (VALADÃO, et al,
2007).
Na indústria de Metalurgia do Pó, o método tradicional e o mais extensamente usado
para a determinação do tamanho de partícula é o peneiramento. As peneiras ou as telas são
usadas não somente para a medida do tamanho de partícula, mas também para a separação dos
pós em frações de diferentes granulometrias. (VALADÃO, et al, 2007).
A Tabela 1 apresenta relação entre o mesh8 da tela utilizada na peneira e o tamanho
de partícula, em micrometro.
Tabela 1: Conversão mesh – Tamanho da partícula
Tamanho do furo da peneira Mesh µm 30 600 40 425 50 300 60 250 80 180
100 150 140 106 200 75 230 63 325 45
(Fonte:http://www.mspc.eng.br/unid/par.shtml)
A Figura 21 apresenta uma ilustração da disposição das peneiras da análise
granulométrica por peneiramento.
8Unidade de medida para granulometria
3.1. Tamanho e distribuição do tamanho de partícula
47
Figura 21:Ilustração do processo de distribuição granulométrica por peneiramento
R.S. Industria de Cobre – Área de operações industriais, BNDS. 1997
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