Processo de Fabricação I. Metalurgia do Pó. Prof.: João Carlos Segatto Simões

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1 Processo de Fabricação I Metalurgia do Pó Prof.: João Carlos Segatto Simões

2 Introdução 6000 anos a.c: armas, lanças e ferramentas produzidas a partir de aglomerados de ferro Século XIX: primeiros passos para o desenvolvimento da moderna metalurgia do pó. 1829: produção de peças de platina maleável, material que até então não podia ser processado por fundição normal (ponto de fusão C). Início do século XX: foram desenvolvidos processos para obtenção de peças de tungstênio e de molibdênio por sinterização. Após a 2ª Guerra Mundial: a produção se expande para atender à demanda da indústria automobilística.

3 Introdução Hoje são inúmeras as aplicações industriais de peças produzidas por sinterização. Esta tecnologia, comparada à metalurgia convencional, tornou-se competitiva tanto por razões tecnológicas quanto por razões econômicas. Onde for preciso produzir grandes quantidades de peças, de formas complexas, sempre haverá espaço para a metalurgia do pó.

4 Definição Processo de fabricação em que um pó (geralmente metálico ou cerâmico) é compactado sob pressão em uma matriz e em seguida é aquecido, produzindo a peça. Não há fusão do material

5 Fluxograma PRODUÇÃO DO PÓ COMPACTAÇÃO DO PÓ SINTERIZAÇÃO

6 Produção do Pó Pode ser produzido de várias formas e com diferentes características: Atomização Redução de óxidos Eletrólise Cominuição Mechanical alloying

7 Características do Pó Tamanho e distribuição de tamanho das partículas; Forma da partícula e sua variação com o tamanho; Área superficial; Atrito entre as partículas; Enchimento e empacotamento; Estrutura interna da partícula; Gradientes químicos e filmes superficiais.

8 Características do Pó Tipos de partículas esférica flocos ou lascas arredondada irregular irregular

9 Características do Pó Variação de forma e tamanho

10 Características do Pó (a) Telúrio, moído. (b) Liga Fe, atomização a gás (argônio). (c) Tungstênio, reduzido por gás, agregado poligonal. (d) Estanho, atomizado com ar, arredondado com ligamentos. (e) Liga Fe, atomizado por centrifugação, esférico. (f) Estanho, resfriam. rápido sobre uma placa, flocos.

11 Características do Pó (g) Aço inox, atomizado com água. (h) Paládio eletrolítico, esponja. (i) Níquel, decomposição química da carbonila, porosa. (j) Vidro metálico de Fe, (k) Titânio, reduzido com Na e moído, irregular. (l) Hidreto de Nióbio, moído, irregular.

12 Caracterização do Pó Métodos mais comuns de medida de tamanho e suas limitações

13 Caracterização do Pó MICROSCOPIA MICROSCÓPIO OPTICO MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO

14 Caracterização do Pó MICROSCOPIA MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA

15 Caracterização do Pó PENEIRAMENTO

16 Caracterização do Pó SEDIMENTAÇÃO

17 Caracterização do Pó

18 Caracterização do Pó ESPALHAMENTO DE LUZ

19 Caracterização do Pó ESPALHAMENTO DE LUZ

20 Caracterização do Pó BLOQUEIO DE LUZ

21 Caracterização do Pó CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

22 Área Superficial Técnicas de medição de área superficial: Adsorção de gás

23 Área Superficial Técnicas de medição de área superficial: Permeabilidade

24 Fricção Área Fricção Densidade aparente

25 Fricção Indicação da fricção

26 Fricção Técnicas de medição da densidade aparente do pó: Medidor de escoamento de Hall Medidor de volume de Scott

27 Fricção Método Hall para escoamento

28 Porosidade

29 Métodos de Produção do Pó Atomização: método físico em que o metal fundido é vazado por um orifício, formando um filete líquido que é bombardeado por jatos de ar, de gás ou de água. Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de grão desejado e produzem a pulverização do filete de metal fundido e seu imediato resfriamento. Depois, o pó é recolhido, reduzido, peneirado e está pronto para ser usado.

30 Métodos de Produção do Pó Fatores que determinam o tamanho e forma das partículas do material pulverizado: Espessura do filete Pressão do fluido utilizado Formas do conjunto de atomização Configuração do bocal de atomização Tipo de atomização

31 Métodos de Produção do Pó Eletrólise: método físico-químico utilizado principalmente para a produção de pós de cobre. O metal, na forma sólida, é colocado num tanque e dissolvido numa solução eletrolítica, na qual passa uma corrente elétrica. Depois de recolhida do tanque de eletrólise, a massa de pó, em forma de lama, é neutralizada, secada, reduzida e classificada por peneiramento. Para obtenção de grãos menores, este processo é complementado por métodos mecânicos. Os pós apresentam elevado grau de pureza.

32 Métodos de Produção do Pó Pirólise: método físico-químico que consiste na decomposição de uma substância por ação do calor. Corrosão: método químico que produz a oxidação do metal pelo ataque de ácidos ou bases, ou a redução de óxidos metálicos pelo emprego de hidrogênio ou monóxido de carbono.

33 Métodos de Produção do Pó Cominuição: Redução de tamanho Britagem Moagem Moagem: método mecânico que utiliza um equipamento chamado moinho de bolas, que consiste num tambor rotativo contendo esferas metálicas de material resistente ao desgaste. Quando o tambor gira, as esferas chocamse umas contra as outras, desintegrando gradativamente o material.

34 Métodos de Produção do Pó Mechanical Alloying ou Mecanosíntese: caracterizado como um método eficaz no processamento de ligas em estado sólido, que confere estruturas que podem ser micro/nanocristalinas, quasecristalinas, cristalinas e amorfas. Além desta vantagem, os produtos obtidos pelos processos se apresentam na forma final para diversas aplicações. É um processo de moagem que surgiu nos Estados Unidos em 1970 e teve um desenvolvimento considerável nestes últimos anos a partir da descoberta da amorfização no estado sólido e também pelo interesse dado aos nanomateriais e aos materiais metaestáveis de maneira geral.

35 Métodos de Produção do Pó Mechanical Alloying ou Mecanosíntese (Benjamin, 1970), o precursor desta nova técnica, descreveu o processo de síntese por moagem como uma sucessão de fenômenos, onde partículas se fraturam e depois se soldam. A repetição desse fenômeno ocorre sob determinadas condições, nas quais as taxas de soldagens e fraturas estão em equilíbrio e a média das partículas do pó permanecem relativamente grosseira. No estágio inicial do processo, as partículas são deformadas umas sobre as outras, de modo a formar uma estrutura em camadas, onde estas são novamente refinadas durante a moagem.

36 Compactação 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 superior e inferior, à temperatura ambiente.

37 Compactação do Pó Nos primeiros movimentos do punção superior e do punção inferior, a compactação causa apenas o adensamento do pó, sem deformação das partículas e sem produzir adesão entre elas. Se o processo for interrompido, o pó não manterá uma forma com contornos definidos. O aumento da pressão provocará deformação plástica das partículas. As partes mais finas de cada partícula sofrerão deformação ou quebra, que favorece o entrelaçamento dos grãos, produzindo uma espécie de solda fria.

38 Compactação do Pó Com o aumento da compressão, o atrito do material contra as paredes da matriz e a fricção interna das partículas elevam a densidade do material aos valores desejados. Após a compactação, a peça é chamada de compactado verde. A consistência do compactado verde faz lembrar a de uma paçoca de amendoim, que deve ser manuseada com cuidado para não se quebrar. A densidade e a resistência são duas características importantes nesta etapa, pois influenciam as propriedades mecânicas da peça final.

39 Compactação do Pó Zona neutra: é a região do compactado verde em que as partículas menos sofreram a ação das forças de compactação. Dependendo da geometria da peça, a localização da zona neutra torna inviável a produção de uma peça por sinterização, pois não se consegue, em torno dessa zona, um grau de compactação compatível com as outras regiões da peça.

40 Compactação do Pó

41 Sinterização É a etapa de consolidação final da peça. A massa de partículas, na forma de compactado verde ou confinada em moldes, é aquecida a temperaturas altas, mas abaixo do ponto de fusão do metal base, sob condições controladas de temperatura, velocidade de aquecimento e resfriamento, tempo de permanência e atmosfera.

42 Sinterização A sinterização é feita, normalmente, em fornos contínuos, caracterizados por três zonas de operação: preaquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento.

43 Sinterização

44 Sinterização Nesta etapa, ocorre a ligação química e metalúrgica das partículas do pó, o que reduz ou até mesmo elimina a porosidade existente no compactado verde. Este passa a formar um corpo coerente, que apresenta as propriedades típicas dos produtos sinterizados. Na sinterização ocorre, normalmente, uma deformação do compactado, que se contrai, podendo chegar a uma redução de 50% do seu volume inicial ou a uma redução de peso de cerca de 20%.

45 Operações Complementares Depois da sinterização, a peça ainda pode passar por processos de recompressão o, tratamentos térmicos e usinagem usinagem, ou ser imediatamente utilizada. A recompressão é necessária para garantir tolerâncias apertadas, rugosidade prevista etc. Deve ser feita quando, durante a sinterização, a deformação da peça ultrapassa os limites estabelecidos. Pastilhas de metal duro não devem ser recomprimidas. Havendo deformação, devem ser lapidadas ou retificadas.

46 Operações Complementares Peças sinterizadas podem ser tratadas termicamente, do mesmo modo que as peças metálicas convencionais. Em tratamentos térmicos que conferem dureza apenas à camada superficial da peça, como a cementação e a nitretação, a densidade é um fator importante na difusão dos gases através dos seus poros. Pode ocorrer o endurecimento total da peça.

47 Operações Complementares A usinagem de peças deve ser feita sempre que for impossível conseguir a configuração geométrica ideal da peça diretamente nas matrizes e machos de compactação. É o caso de furos transversais, sangrias, roscas, reentrâncias transversais internas ou externas etc., como mostra a figura abaixo.

48 Principais Aplicações Filtros sinterizados: São aplicados na filtragem de gases, líquidos, óleos combustíveis e minerais. São também utilizados como abafadores de ruído e válvula cortachamas. Carboneto metálico: ferramentas de corte, peças de desgaste e brocas para perfuração de rochas. Mancais autolubrificantes. Etc...

49 Vantagens A economia de material é levada ao extremo, com mínimas perdas de matéria-prima. Possibilidade de conjugar peças simples e partes sinterizadas, com preservação de qualidade do produto final. Controle exato da composição química desejada do produto final Redução ou eliminação das operações de usinagem Bom acabamento de superfície Pureza dos produtos obtidos Facilidade de automação do processo produtivo

50 Limitações A peça tem de ser extraída de uma matriz. Isso dificulta a produção de peças com certas características geométricas, já citadas anteriormente (rasgos transversais), que devem ser obtidas por usinagem posterior. custo de produção do ferramental (matriz e macho) é muito elevado. Tamanho das peças. A maioria das peças sinterizadas pesa menos de 2,5 kg. Peças maiores, com até 15 kg, podem ser fabricadas. (Potências de compactação são proporcionais à área da seção transversal).

51 Exercícios Exercício 1 As etapas básicas do processo de produção pela metalurgia do pó são: a)... b)... c)... Exercício 2 Quais as formas de produção do pó para sinterização? Exercício 3 Quais as características do pó que influenciam no processo de sinterização? Exercício 4 Para que serve o método de atomização? Exercício 5 Descreva o funcionamento do método de moagem. Exercício 6 O que é o compactado verde?

52 Exercícios Exercício 7 Por que, em alguns casos, a peça tem de ser recomprimida após a sinterização? Exercício 8 Cite 4 métodos de caracterização do pó. Exercício 9 Quais são as técnicas de medição da área superficial das partículas? Exercício 10 Como a fricção se relaciona com a área superficial e a densidade aparente? Exercício 11 Quais são e em que são indicadas as técnicas de medição da densidade aparente?

53 Exercícios Exercício 12 Descreva de forma resumida a mecanossíntese ou mechanical alloying. Exercício 13 Descreva resumidamente a compactação do pó. Exercício 14 O que ocorre na etapa de sinterização? Exercício 15 Quais as operações complementares ao processo de sinterização? Exercício 16 Em que casos deve ser feita usinagem após a sinterização? Exercício 17 Cite as vantagens da metalurgia do pó. Exercício 18 Cite as limitações da metalurgia do pó.

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