Processos de Fabricação Metalurgia do Pó

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1 Instituto Federal de Santa Catarina Campus de Florianópolis Departamento Acadêmico de Metal-Mecânica Curso Técnico de Mecânica Industrial ProIn II Processos de Fabricação Metalurgia do Pó ProIn II Mecânica Industrial Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng Apresentação baseada no curso de do Prof. Aloísio N. Klein, Dr. Ing - UFSC

2 CARACTERÍSTICAS Peças obtidas pela Metalurgia do Pó são produzidas a partir da união de partículas sólidas com geometria não definida. Em outra palavras, é o processo de fabricação em que a forma de uma certa peça é dada pela densificação de pós em uma matriz ou molde. 2

3 IMPORTÂNCIA DO PROCESSO 1. Necessidade tecnológica Muitos materiais só podem ser obtidos através da metalurgia do pó 2. Controle microestrutural A versatilidade na obtenção da microestrutura desejada é maior 3. Processo alternativo mais econômico Produção de grandes séries de peças iguais 3

4 VANTAGENS 1. Perda mínima de matéria-prima; 2. Controle da composição química; 3. Estreitas tolerâncias dimensionais; 4. Fácil automação; LIMITAÇÕES 1. Alto custo inicial; 2. Tamanho e formato das peças limitados; 3. Heterogeneidade microestrutural de ligas. 4

5 VIABILIDADE 5

6 CARACTERÍSTICA INTRÍNSECA Os materiais obtidos pela metalurgia do pó (MP) possuem POROS como característica intrínseca. Na maioria das situações a porosidade é indesejada ou atua como um defeito no material. No entanto, em outras é imprescindível para sua aplicação. 6

7 Prof. Henrique Cezar Pavanati Metalurgia do Pó POROSIDADE NA METALURGIA DO PÓ Porosidade Superficial Porosidade Interna 7

8 POROSIDADE NA METALURGIA DO PÓ 8

9 POROSIDADE NA METALURGIA DO PÓ 9

10 MERCADO METALURGIA DO PÓ Material do pó Demanda (ton) Demanda relativa (%) Ferro e aço ,8 Aços inoxidáveis ,8 Cobre e suas ligas ,7 Alumínio ,1 Molibdênio ,5 Tungstênio ,4 Carbeto de tungstênio ,3 Níquel ,1 Estanho 672 0,2 Total ,0 10 DEMANDA NORTE AMERICANA DE PÓS METÁLICOS EM 2001 (Fonte: MPIF)

11 MERCADO METALURGIA DO PÓ 11 Evolução de componentes da MP utilizados num veículo Norte Americano (Fonte: MPIF)

12 Peças produzidas pela MP 12 Pinhões e coroas

13 Peças produzidas pela MP 13 Polias e engrenagens

14 Peças produzidas pela MP 14 Componentes para bomba de óleo

15 Peças produzidas pela MP 15 Cubos e anéis para sistema de transmissão

16 Peças produzidas pela MP Acionadores, garfos (levers) 16

17 Peças produzidas pela MP 17 Componentes em bronze (Buchas autolubrificantes)

18 Peças produzidas pela MP 18 Componentes em bronze (acionadores e buchas) Bronze components

19 Peças produzidas pela MP Filtros metálicos 19

20 Peças produzidas pela MP 20 Metal Duro ( widia )

21 ETAPAS BÁSICAS DE PRODUÇÃO VIA METALURGIA DO PÓ 21

22 METALUGIA DO PÓ Etapas básicas - Obtenção e caracterização dos pós p Estes podem ser obtidos por moagem mecânica, atomização de metal no estado líquido, l processos físicof sico-químicos, etc. Aspectos importantes: características dos pósp - Mistura dos pós p Pó da matriz + componentes de liga ou partículas de outras fases + lubrificantes e ligantes - Compactação / moldagem Obtenção da geometria e densificação. Compactação isostática tica e injeção levam a menores gradientes de densidade. - Sinterização Tratamento térmico t com controle da velocidade de aquecimento e resfriamento, do tempo e da temperatura de tratamento e da atmosfera do forno Etapas complementares Calibração, tratamentos térmicos, t termoquímicos micos etc..

23 METALUGIA DO PÓ Etapas básicas Obtenção e mistura Sinterização dos pósp Operações complementares Compactação 23

24 OBTENÇÃO DOS PÓS 24

25 OBTENÇÃO DOS PÓS Tipos Existem vários processos para a obtenção do pó metálico, que podem ser divididos em: 1. Mecânicos; 2. Químicos e termoquímicos; 3. Físicos; 4. Eletrolíticos. 25

26 OBTENÇÃO DOS PÓS Morfologia 26

27 OBTENÇÃO DOS PÓS Morfologia 27

28 METALUGIA DO PÓ Obtenção dos pós Processos mecânicos 1) Partindo do material no estado sólido (cominuição mecânica): - Quebra martelos, moinho de mandíbulas - Moagem moinho de bolas, moinho vibratório, moinho de rolos, moinho de atrito ou atritor, moinho planetário, outros, moinho de rolos. corpos de moagem material em moagem 28 MOINHO DE BOLAS

29 METALUGIA DO PÓ Obtenção dos pós Processos mecânicos 29 Materiais que podem ser cominuidos a pó por moagem: Metais frágeis como Mn, Cr, Sb, Bi e Be; 1) Ligas metálicas frágeis e compostos intermetálicos (Fe- Al, Fe-Si-Mn, Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Al-Ti, etc); 2) Materiais cerâmicos em geral (óxidos, carbetos, nitretos, boretos, outros); 3) Metais fragilizados por algum processo anterior, tais como: a) produtos esponjosos resultantes de redução (ex.ferro esponja); b) condensadores eletrolíticos; c) fragilização por oxidação ou conversão em algum d) outro composto frágil;

30 METALUGIA DO PÓ Obtenção dos pós Processos mecânicos 2) Partindo do material no estado líquido - atomização de metais e ligas metálicas - o líquido l é espalhado em gotas que se solidificam na forma de partículas de pó. p 30

31 METALUGIA DO PÓ Obtenção dos pós Processos mecânicos - atomização Metal líquido Bocal de atomização Câmara de atomização 31

32 Metalurgia do P Metalurgia do Pó METALUGIA DO PÓ Morfologia do pó atomizado 32

33 METALUGIA DO PÓ Obtenção dos pós Processos mecânicos Materiais / pós p s obtidos por atomização: - Metais e ligas dúcteis d e/ou de baixo ponto de fusão: Pb, Fe,, Cu, Ag,, Al, Cd, Sn, Zn,, Bronze, Co, Ni e outros - Produção de pós p s de ligas (pós s pré-ligados): Bronze, aço a o inoxidável, aço a o rápido, r ligas de níquel e outras. 33

34 MISTURA DOS PÓS 34

35 METALUGIA DO PÓ Mistura dos pós Preparação de misturas - mistura dos componentes que irão fazer parte do material: - pó da fase matriz; - pó dos elementos de liga; - Lubrificantes; - Outros... 35

36 Mistura de lubrificantes METALUGIA DO PÓ Mistura dos pós A adição de lubrificantes é obrigatória; O lubrificante diminui o atrito das partículas de pó entre si e o atrito destas com o ferramental de compactação. A adição de lubrificante visa: Reduzir gradientes de densidade na compactação 2. Diminuir o desgaste do ferramental de compactação 3. Minimizar carga de extração da peça, evitando a ocorrência de falhas como trincas

37 METALUGIA DO PÓ Mistura dos pós Misturador túrbula: movimento múltiplo mistura mais homogênea Figure 5. Blending powders (misturador em cone) 37

38 METALUGIA DO PÓ Mistura dos pós 38 Misturador em Y

39 MOLDAGEM DOS PÓS 39

40 MOLDAGEM DE PÓS Funções: obtenção da geometria da peça a (shaping( shaping) densificação da massa de pósp Pode ser feita: com aplicação de carga, sem aplicação de carga, a frio (temperatura ambiente) e, a quente (acima da temperatura de recristalização) 40

41 MOLDAGEM DE PÓS Moldagem com aplicação de pressão 1. Compactação uniaxial em matriz; 2. Compactação isostática; tica; 3. Laminação de pós; p 4. Extrusão de pós; p 5. Injeção de pós. p 41

42 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial 42 Preenchimento da matriz Compactação Ejeção Retirada da peça

43 MOLDAGEM DE PÓS Compactação Isostática Compactado Matriz elástica Câmara pressurizada 43

44 MOLDAGEM DE PÓS Laminação de pós 44

45 MOLDAGEM DE PÓS Extrusão de pós Cilindro de sustentação Punção Matriz Produto Pó misturado com ligante 45

46 MOLDAGEM DE PÓS Injeção de pós 46

47 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial De efeito simples - apenas um punção móvelm De efeito duplo - dois punções móveis m ou matriz flutuante 47

48 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial COMPACTAÇÃO DUPLO EFEITO Considerando que a densidade teórica do aço é da ordem de 7,9 g/cm

49 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial de pós dúcteis e frágeis Pós s DúcteisD 1) Rearranjo de partículas (preenchimento de vazios interpartículas culas) 2) Deformação das partículas 3) Fragilização e quebra de partículas 4) Rearranjo (segundo tipo) Pós s Duros 1) rearranjo de grânulos (quando houverem), 2) quebra de grânulos, 3) rearranjo de partículas, 4) fragilização e quebra de partículas e, 5) rearranjo de segunda ordem 49

50 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial de pós dúcteis e frágeis 50

51 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial Os principais parâmetros que influenciam a compactabilidade: tamanho e distribuição de tamanho de partícula, formato das partículas, capacidade de deformação plástica e, % de lubrificante adicionado 51

52 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial 52

53 MOLDAGEM DE PÓS Compactação uniaxial 53

54 MOLDAGEM DE PÓS Exemplo de peças obtidas por compactação uniaxial 54

55 SINTERIZAÇÃO 55

56 SINTERIZAÇÃO Exemplo de peças obtidas por compactação uniaxial Sinterização é um tratamento térmico t realizado em um compactado verde ou uma massa de pós p s visando gerar continuidade de matéria entre as partículas. Neste tratamento controla-se os seguintes parâmetros: - Velocidade de aquecimento e resfriamento - Tempo e temperatura de patamar - Atmosfera do forno 56

57 SINTERIZAÇÃO Conceito físico da sinterização Sinterização é o transporte de matéria ativado termicamente, em uma massa de pós p s ou um compactado poroso, resultando na diminuição da superfície específica livre pelo crescimento de contatos entre as partículas, redução do volume dos poros e alteração da geometria dos poros (Fritz E. Thümmler & Rainer Oberacker). 57

58 SINTERIZAÇÃO Tratamento prévio à sinterização O lubrificante ou demais aditivos que não compõem a liga adicionados à mistura antes da moldagem, devem ser removidos num ciclo térmico t ou químico numa etapa anterior à sinterização. Na metalurgia do póp convencional adiciona-se estearato de zinco ao póp de ferro e este é removido num ciclo de 500 ºC C durante 30 minutos 58

59 SINTERIZAÇÃO Antes e após a sinterização Processo: sinterização Estado 1: peça verde (após compactação ão) Estado 2: peça sinterizada (após sinterização ão) 59

60 SINTERIZAÇÃO Mecanismos de Sinterização 1. Difusão superficial 2. Evaporação e re-condensa condensação 3. Difusão no volume 4. Difusão no contorno de grão 60

61 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização

62 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização 1 - ESTÁGIO INICIAL Formação de contatos de sinterização Os contatos entre partículas formam pontes,, isto é,, a matéria torna-se contínua nua na região dos contatos. Neste estágio não ocorre grande movimentação (nem retração) de partículas. 62 Formação de "pontes" de continuidade de matéria

63 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização 2 - ESTÁGIO INTERMEDIÁRIO As partículas perdem gradativamente sua identidade. Neste estágio, o sinterizado apresenta duas fases contínuas: nuas: a do material (fases sólida) s e a vazia (rede interligada de poros). O tamanho de grão cresce, resultando em uma nova microestrutura. A maior parte da retração ocorre neste estágio. Lo L = Lo - ΔL 63 Crescimento dos "necks" e retração.

64 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização 3 - ESTÁGIO FINAL Ocorre o isolamento e o arredondamento dos poros (densidade da ordem de 90 a 98% da teórica). Se os poros contêm gases não solúveis no metal base, não se conseguirá a densificação total. Se os poros são vazios ou contém m gases solúveis na matriz, pode haver densificação total. 64

65 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização Fe Ni Liga sinterizada a 700 ºC 65 Liga Fe-7Ni-0,4P (C=0,05%) (Fonte: NOBREGA NETO, S.C., Tese Doutorado UFSC, 2001)

66 SINTERIZAÇÃO Estágios da Sinterização 700 ºC 800 ºC 900 ºC 1000 ºC 1100 ºC 1250 ºC 66 Liga Fe-7Ni-0,4P (C=0,05%) (Fonte: NOBREGA NETO, S.C., Tese Doutorado UFSC, 2001)

67 SINTERIZAÇÃO Forno de Sinterização 67

68 SINTERIZAÇÃO Micrografias Típicas - SUPERFÍCIE Fe-puro compactado a 600 MPa e sinterizado a 1150 ºC Antes da sinterização Após a sinterização 68 Fonte: AM Maliska, et al. Mat Sci Eng A v352 (2003) p273

69 SINTERIZAÇÃO Micrografias Típicas - NÚCLEO Fe-puro compactado a 600 MPa e sinterizado a 1150 ºC 69 Fonte: HC Pavanati, et al. Mat Sci Eng A v474 (2008) 15-23

70 ETAPAS COMPLEMENTARES 70

71 ETAPAS COMPLEMENTARES Calibração Durante a sinterização as peças podem sofrer alteração dimensional fora do previsto. Para corrigir os defeitos, utiliza-se a calibração. A calibração éuma deformação plástica por aplicação de pressão realizada em moldes específicos a fim de atingir a tolerância dimensional requerida da peça. 71

72 ETAPAS COMPLEMENTARES Recompressão Uma nova compressão realizada na peça após a sinterização com a finalidade de reduzir a porosidade superficial e/ou aumentar a densidade final do produto resultando na melhoria das propriedades mecânicas da peça. 72

73 ETAPAS COMPLEMENTARES Tratamentos térmicos e/ou termoquímicos As peças sinterizadas podem receber tratamentos térmicos após a sinterização a fim de alterar suas propriedades mecânicas. Nos tratamentos termoquímicos, a porosidade desempenha um papel importante, pois os poros comunicantes permite a difusão de gases ou líquidos para o seu interior interferindo positivamente ou negativamente no resultado final. 73

74 ETAPAS COMPLEMENTARES Usinagem Assim como na fundição, muitas peças sinterizadas são submetidas a posterior usinagem para conseguir a configuração projetada que, muitas vezes, não é possível de se obter no processo. p. ex.: furos, roscas, rasgos, etc.. 74

75 ETAPAS COMPLEMENTARES Infiltração 75 É um processo de fechamento dos poros (total ou parcial) de uma peça sinterizada com baixa ou média densidade (5,6 até 6,8 g/cm³ no caso dos aços) com um metal ou liga de ponto de fusão mais baixo. A infiltração do metal líquido ocorre por efeito de capilaridade, e tem o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas, resistência à corrosão, promover a estanqueidade do produto e também como pré-tratamento para acabamento superficial, como cromagem, niquelação e galvanização. (PS neste caso somente os poros superficiais e os poros comunicantes são fechados)

76 ETAPAS COMPLEMENTARES Impregnação Consiste em impregnar substâncias como óleos, graxas, impermeabilizantes para evitar corrosão ou oxidação. É realizada com banho quente, banho parcial (capilaridade) ou a vácuo. 76