ESTUDO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO COMPÓSITO COBRE-CINZA LEVE OBTIDO POR METALURGIA DO PÓ

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1 ESTUDO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO COMPÓSITO COBRE-CINZA LEVE OBTIDO POR METALURGIA DO PÓ Diego Pacheco Wermuth 1 Magnos Marinho da Silva 2 Vinícius Martins 3 Sandro Luís Arenhardt 4 André Carvalho Tavares 5 Lirio Schaeffer 6 1 Diego Pacheco Wermuth, Tecng Pesquisador e Mestrando do Departamento de Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. diego.wermuth@ufrgs.br 2 Magnos Marinho da Silva, Mestrando em Engenharia de Minas, Materiais e Siderurgia do Departamento de Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. magnos.marinho@hotmail.com 3 Vinícius Martins, Prof. Msc. Ensino Superior de Engenharia Mecânica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-riograndense Campus Sapucaia do Sul. Avenida Copacabana, nº100, Bairro Piratini, Sapucaia do Sul, RS-BRASIL. vmartins@sapucaia.ifsul.edu.br 4 Sandro Luís Arenhardt, Mestrando em Engenharia de Minas, Materiais e Siderurgia do Departamento de Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. sarenhardt@yahoo.com.br 5 André Carvalho Tavares, Prof. Msc. Ensino Superior de Engenharia Mecânica. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-riograndense Campus Sapucaia do Sul. Avenida Copacabana, nº100, Bairro Piratini, Sapucaia do Sul, RS-BRASIL. vmartins@sapucaia.ifsul.edu.br 6 Lirio Schaeffer, Prof. Titular na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS - Departamento de Metalurgia e Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM). Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. schaefer@ufrgs.br Resumo O cenário industrial brasileiro demonstra que a Metalurgia do Pó é um processo de conformação mecânica que está com um grande crescimento, por possuir um vasto campo de aplicação que inclui, por exemplo, a fabricação de componentes automotivos, eletrodomésticos, ferramentas de corte e ferramentas elétricas. 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, obtendo como resultado um material com excelente acabamento, precisão dimensional e propriedades mecânicas. O trabalho proposto analisa o comportamento do cobre com a adição de cinza mineral leve através do processo de metalurgia do pó, com o objetivo de verificar as propriedades fisico-mecânicas do compósito, através dos ensaios de contração volumétrica, densidade, microdureza HV e análise metalográfica. O intuito do trabalho é verificar a possibilidade da utilização de residuos termoelétricos para a fabricação 1

2 de peças de cobre, reduzindo custos com matéria prima e melhorando as propriedades mecânicas de peças fabricadas, anteriormente, por cobre puro. Palavras chave: Metalurgia do Pó, cinza mineral, cobre, sinterização. Abstract The Brazilian industry scenario demonstrates that the Powder Metallurgy is a metal forming process that is with a growth, by having a broad scope that includes, for example, the manufacture of automotive components, appliances, cutting tools and electric tools. Sintering is the most important step of the process in which the previously compacted powder is subjected to a temperature below its melting point, obtaining a material with an excellent finish, dimensional accuracy and mechanical properties. The proposed work analyzes the behavior of copper with the addition of mineral fly-ash through the powder metallurgy process, with the aim of verifying the physical-mechanical properties of the composite by the volumetric shrinkage tests, density, microhardness HV and metallographic analysis. The aim is to verify the possibility of using the thermoelectric waste for manufacturing copper pieces, reducing raw material costs and improving the mechanical properties of parts manufactured previously for pure copper. Keywords: Powder metallurgy, mineral ash, cupper, sintering. 1 INTRODUÇÃO A metalurgia do pó é potencialmente utilizada, ou uma alternativa muito atraente, na necessidade de produzir grandes lotes de peças e com complexidade de forma. Este é um processo moderno, mas os avanços científicos e tecnológicos não param [1]. Alguns exemplos de produtos que são mais eficientes 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 equipamento [2]. O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o estudo comportamental do Compósito de cobre (Cu) na metalurgia do pó com adição de cinza mineral leve (Cz) nas propriedades mecânicas e metalúrgicas do material. Trabalhos realizados anteriormente pelo Laboratório de Transformação Mecânica da UFRGS nos mostram que compósitos metal-cerâmico (Cermets) conferem uma adição as propriedades mecânicas da cerâmica pura [3,4,5]. Da mesma forma quando compara-se materiais cerâmicos monofásicos com cermets constata-se que estes compósitos proporcionam características físicas elevadas, principalmente resistência a fratura e tenacidade [6]. As cinzas provenientes da combustão do carvão mineral apresentam as características anteriormente citadas, tornando um dos motivos que este material vem sendo estudado e pesquisado por ser possível gerar materiais de alto desempenho aplicáveis a engenharia e provenientes de matéria prima de baixo custo. O uso destes óxidos representa ainda um benefício ao meio ambiente pela redução de resíduos que serão liberados no meio ambiente. 2

3 As cinzas em seu estado natural tem forma morfológica predominantemente esférica, tendo tamanho granulométrico entre 10 e 150 µm com uma densidade aparente baixa (de 0,5 a 2 g/cm 3 )[7]. A composição química apresenta basicamente SiO 2 e Al 2 O 3, apresentando também certa quantidade de carbono[4,7,8]. Com base nessas propriedades, pode-se estudar a possibilidade de utilização dessas cinzas para a preparação de produtos sinterizados. A partir da produção de amostras sinterizadas e compostas por diferentes percentuais de Cinza leve (Cz) no compósito com Cobre (Cu), produzidas através do processo da tecnologia do pó, será avaliado as propriedades mecânicas, metalúrgicas e principalmente a dureza e as diferentes microestruturas apresentadas. Neste trabalho também serão analisadas as densidades, massa específica e o comportamento dimensional dos corpos de prova. 2 MATERIAL E MÉTODOS Vários estudos são realizados visando melhorar as propriedades mecânicas, elétricas e térmicas do cobre. Mesmo tendo resistência mecânica relativamente baixa, se comparado a outros metais, suas ligas são amplamente utilizadas em aplicações tecnológicas que vão desde componentes elétricos em reles convencionais, em absorvedores de elétrons e fótons, em aceleradores síncrotrons e em aplicações estruturais. Neste artigo será formulado um compósito de Cobre-cinzas por Metalurgia do Pó convencional, este processo metalúrgico consiste em conformar os pós constituintes da liga em peças resistentes, comprimindo estes pós no interior de uma ferramenta com formato desejado obtendo um "compactado à verde" por pressão mecânica que, posteriormente, será sinterizado. Peças fabricadas por metalurgia do pó possuem certa porosidade, que pode ser controlada através de fatores como pressão de compactação, temperatura e tempo de sinterização, tamanho e forma das partículas do pó, etc. A peça pronta apresenta bom acabamento superficial e adequada tolerâncias dimensionais [9]. A metalurgia do pó tem a finalidade de transformar sem fusão efetiva, pós metálicos ou não metálicos usando pressão para compactação e calor, através de um tratamento térmico de sinterização, que se realiza a temperatura inferior ao ponto de fusão do material base do componente ou peça, permitindo obtê-los na sua forma final ou próximo dela ( near-net or net-shape ) [10]. As etapas fundamentais que compõem o processo de metalurgia do pó estão descritas abaixo: Obtenção dos pós: Há vários processos de fabricação de pó como, por exemplo, atomização à água e gás, moagem, mechanical alloying, eletrólise e métodos químicos, incluindo a redução de óxidos, entre outros [10,11]. Misturas dos pós: As misturas de variados pós para produzir a liga desejada e promover a homogeneização da matéria prima são realizadas em misturadores próprios para a metalurgia do pó ou ainda em moinho de esferas, também é adicionado um agente lubrificante que tem a função de diminuir o atrito das partículas de pó entre si e o atrito destas com o ferramental de compactação, facilitando a desmoldagem das peças [12]. Compactação: É a conformação dos pós pela aplicação de uma pressão uniaxial ou biaxial em ferramentas apropriadas e com a geometria aproximada do produto final, geralmente, em temperatura ambiente. Em muitas aplicações onde as propriedades mecânicas são um diferencial, necessita-se um aumento da densidade destas peças através de uma maior pressão de compactação [12]. 3

4 Sinterização: É um tratamento térmico que visa conferir o formato final desejado atingindo propriedades químicas e mecânicas através da ligação atômica entre as partículas vizinhas. Este processo ocorre a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão do metal base ou da liga metálica considerada, sob condições controladas de temperatura, tempo e atmosfera [13]. Operações complementares: Pode ser agregada uma série de outras operações adicionais de fabricação e/ou acabamento que melhoram as propriedades e precisão dimensional do produto sinterizado ou ainda impõem características particulares para aplicações específicas. A recompressão, resinterização, forjamento, calibragem, infiltração metálica, tratamento térmico, usinagem, tamboreamento e a impregnação em óleo em mancais autolubrificantes são outras etapas que podem ser agregadas no processo produtivo [14]. O processo de Metalurgia do Pó pode ser visto de maneira esquemática e simples através da Figura 1, demonstrada a seguir. Figura 1. Etapas simplificadas do processo de metalurgia do pó [15]. Seguindo as etapas da metalurgia do pó, iniciou-se o trabalho com a mistura dos pós de cobre com cinzas leves em diferentes percentuais, onde se utilizou um homogeneizador de pós, ilustrado pela figura 2. Figura 2. Homogeneizador de pós-metálicos 4

5 Com a misturada pronta, coletou-se a medida de densidade aparente. Este procedimento consiste em medir a densidade do material sem que haja alguma pressão aplicada, para isto o material é escoado dentro de um recipiente com volume conhecido, após o preenchimento completo do recipiente é feito a medição da massa do material que foi nele depositado. A densidade aparente é obtida, então, pela razão de massa (em gramas) por volume (em cm³). O valor obtido da densidade aparente é o primeiro ponto da curva de compressibilidade deste material. A curva de compressibilidade é descrita em forma de gráfico, sendo que cada ponto utilizado para sua construção é a medida da densidade de corpos de prova, obtidos de uma matriz de compactação por diferentes pressões. As pressões utilizadas na obtenção destes corpos de prova iniciam em 100MPa na primeira amostra e acrescido mais 100MPa para cada amostra seguinte até a pressão de 1000MPa, totalizando 10 amostras. Para a compactação das amostras foi utilizado uma matriz cilíndrica de aço temperado, com diâmetro interno (Ø) de 13 mm e 63 mm de altura (h) da cavidade, com o punção inferior de 15 mm de altura e o punção superior de 65 mm de altura. Ao final da compactação das amostras verde foram encaminhadas para a sinterização em forno de atmosfera controlada. Os corpos de prova sinterizados foram submetidos a ensaios mecânicos que consistiram nas análises da dureza das amostras, análise da microestrutura, verificações das densidades e de medições das amostras para verificar os efeitos das variações de adição de cinza mineral. Os ensaios foram realizados no Laboratório de LdTM (Laboratório de Transformação Mecânica), localizado dentro do campus do Vale da UFRGS (Universidade Federal do Rio Grande do Sul). Os procedimentos dos ensaios de metalografia foram realizados conforme a norma ABNT NBR O pó de cinza foi inserido em cinco diferentes teores no cobre com o objetivo de alcançarmos resultados que satisfaça a utilização do compósito (Cu-Cz) em escala industrial. Para efeito do teste foram inseridos teores de 5%, 10%, 15% e 20% de pó de cinza no cobre. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES Após a mistura dos pós de cobre com diferentes percentuais de cinzas, o primeiro resultado obtido foi o da densidade aparente, que é a densidade medida do material que preenche um recipiente de volume conhecido, através de sua escoabilidade. A densidade é descrita pela fórmula relatada a seguir: Onde: ρ = densidade g = gramas cm³ = centímetros cúbicos Densidade (ρ) = massa (g) Volume (cm³) 5

6 A densidade aparente obtida para cada material ensaiado está descrita no Quadro 1 a seguir: Liga Cobre e Cinza leve Densidade Aparente (g/cm³) Cu-5%Cinza 1,71 Cu-10%Cinza 1,55 Cu-15%Cinza 1,39 Cu-20%Cinza 1,28 Quadro 1. Densidade aparente dos materiais ensaiados Compósito de Cobre com 5% de Cinza leve A Figura 03 demonstra que pressões entre 400MPa e 500MPa aplicadas para a compactação de amostras conferem um melhor resultado na densificação destas amostras após a sinterização, sendo assim, as melhores pressões para compactação. Utilizando-se pressões de 100MPa à 400MPa percebe-se aumento de densidade dos corpos de prova. Acima de 400MPa a densidade começa a se estabilizar, devido ao aumento da pressão de compressibilidade, até 500MPa. A partir de uma pressão de 500MPa não tem-se melhores resultados de densidade, ou seja, esforço desnecessário utilizado pela máquina, já que não há mudança específica no resultado da compressibilidade. A Figura 01 ainda nos mostra que para o compósito de cobre com 5% de cinza leve a uma pressão de 500MP a densidade do sinterizado apresentou o melhor resultado de densificação. Figura 03. Gráfico com os resultados do Cobre com 5% cinza leve Compósito de Cobre com 10% de Cinza leve A Figura 04 demonstra que pressões acima de 400MPa apresentam melhores resultados para compactação. Utilizando-se pressões de 100MPa à 300MPa percebe-se aumento significativo de densidade dos corpos de prova. A melhor densificação apresentou-se na amostra compactada a pressão de 100MPa, porém as densidades dos sinterizados aumentam até a pressão de compressibilidade de 600MPa, mas com densificações bem menores relacionadas às peças verdes. 6

7 Figura 04. Gráfico com os resultados do Cobre com 10% cinza leve Compósito de Cobre com 15% de Cinza leve A Figura 05 demonstra que pressões superiores a 600Mpa obtem-se os melhores resultados de densidade para compactação. A partir de uma pressão de 600MPa não se tem melhores resultados de densidade, ou seja, esforço desnecessário utilizado pela máquina, já que não há mudança específica no resultado da compressibilidade. Observa-se também que após a sinterização, o melhor resultado de densificação apresentou-se na amostra compactada a pressão de 100MPa, porém as densidades dos sinterizados aumentam até a pressão de compressibilidade de 1000MPa, mas, a partir da pressão de 600MPa com densificações bem menores relacionadas às peças verdes. Figura 05. Gráfico com os resultados do Cobre com 15% cinza leve Compósito de Cobre com 20% de Cinza leve A Figura 06 demonstra que pressões entre 300MPa e 500MPa apresentam um melhor resultado de densificação, sendo assim pode-se afirmar que acima de 300MPa a densidade começa a se estabilizar. A partir de uma pressão de 600MPa os corpos de prova sofreram danos devido a excesso de pressão na compactação, com isso as amostras compactadas com 600MPa e 700MPa apresentaram trincas, o que impossibilitou que estas fossem levadas até o forno de sinterização, pois ao serem manuseadas acabaram sofrendo fratura. 7

8 Observa-se que o corpo de prova sinterizado a uma pressão de 300MPa apresentou melhor resultado de densidade e também boa densificação Microestrutura Figura 06. Gráfico com os resultados do Cobre com 20% cinza leve A análise metalográfica das amostras demonstram que não há interação entre o Cobre e a Cinza leve. Observa-se também grande quantidade de porosidade nas amostras conforme ilustra a Figura 07. Porosidade Cinza leve Matriz de cobre Figura 07. Análise metalográfica (sem ataque químico) As amostras foram submetidas a ataque químico com HNO 3 50% H 2 O, o que confirmou a não inclusão da cinza ao cobre. Apesar da fragilidade gerada nas regiões com cinzas, pelo ataque químico, observou-se que a estrutura micrográfica do cobre permaneceu inalterada, ou seja, sem interação química com nenhum elemento, conforme ilustrado na Figura 08. 8

9 3.6 - Microdureza Vickers Figura 08. Análise metalográfica (com ataque químico) As medições de microdureza foram realizadas no Microdurômetro ISH-TDV1 000, demonstrado na figura 09. Figura 09. Microdurômetro ISH-TDV1 000 Foi utilizada a escala de medição Vickers (HV-25) e realizado 5 medições em cada amostra dos conjuntos de compósitos (5%, 10%, 15%, 20% de Cinza leve). Efetuou-se uma média aritmética de cada conjunto e os resultados das microdurezas estão descritos na Tabela 01. 9

10 Tabela 01. Dados obtidos das medições de microdureza (HV-25) das amostras sinterizadas Compósito Amostra I II III IV V VI VII VIII IX X Cu5%Cinzas 64,1 52,7 74,8 58,2 74,1 89,3 77,1 72,9 73,4 77,6 Cu10%Cinzas 70,0 66,8 71,2 75,3 69,6 84,9 81, Cu15%Cinzas 38,0 50,1 58,9 79,3 65,8 65,7 63,8 58,7 69,9 60,4 Cu20%Cinzas 62,6 49,0 66,6 46,8 32,1 39,8 37, Analisando metalurgicamente a Tabela 01, verificou-se que o melhor resultado das propriedades mecânicas do sinterizado ocorreram na amostra VI da composição Cu-5% Cz com uma pressão de 600MPa em sua compressibilidade, pois sua microdureza foi mais elevada comparada com os outros corpos de prova. 4 CONCLUSÃO Após a análise dos resultados apresentados por este estudo pode-se concluir que a obtenção de compósitos de Cobre-Cinza (Cu-Cz) obtidos pela tecnologia do pó não atingiram os resultados esperados. Através dos métodos propostos a Cinza leve acrescida ao Cobre não melhora as propriedades mecânicas (dureza) comparando ao Cobre puro (composição de 99,9% Cu), pois os estudos mostraram que devido à falta de afinidade química dos materiais não ocorrem difusões entre os mesmos. Pressões de compactação a partir de 400MPa apresentam melhor resultado de densificação após a sinterização, sendo assim pode-se afirmar que ocorre a estabilidade da densidade a verde. Com pressão superior de 600MPa na compactação, na composição de 20% de Cinza leve com Cobre, os corpos de prova sofreram danos devido a excesso de pressão através do fator de empacotamento das partículas do pó, com isso as amostras compactadas com 600MPa e 700MPa apresentaram microtrincas, e após a sinterização fraturaram. A metalográfica analisada demonstrou que não há interação entre o Cobre e a Cinza. Durante a sinterização ocorre à liberação de oxigênio da sílica contido na Cinza, o que proporciona muita porosidade nos corpos de prova sinterizados. Após ataque químico com HNO 3 50% H 2 O nas amostras, pode-se confirmar que não há inclusão da Cinza ao Cobre. Apesar da fragilidade gerada nas regiões com Cinzas, pelo ataque químico, conclui-se que a estrutura micrográfica do cobre permanece inalterada, ou seja, sem interação química com nenhum elemento, pois o ataque revelou dentritos na microestrutura, o que é confirmado através de literatura especializada que o cobre continua com suas características micrográficas. O ensaio de Microdureza demonstra que os melhores resultados para esta propriedade mecânica apresenta-se na composição de Cobre com 5% de Cinza compactado a 600MPa e sinterizado a temperatura de 900 C, atingindo a dureza de 89,34 HV

11 Agradecimentos À Universidade Federal do Rio Grande do Sul, principalmente ao Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) pela disponibilização dos recursos materiais e tecnológicos utilizados na elaboração deste trabalho. Aos órgãos CAPES e CNPq pelo apoio a projetos e investimento na área da pesquisa. REFERÊNCIAS [1] PÓ, Grupo Setorial de Metalurgia do; A Metalurgia do Pó: Alternativa econômica com menor impacto ambiental, Rio de Janeiro: [2] CHIAVERINI, Vicente; Metalurgia do pó: técnica e produtos, 4. ed. São Paulo: 2001; [3] LEANDRO, R. P. FABRI, G. T. P. Aproveitamento da cinza pesada de carvão, mineral na construção de bases e sub-bases de pavimentos flexíveis , pp [4] CHEESEMAN, C.R., VIRDI, G.S. Properties and Microstructure of Lightweight Aggregate Produced from Sintered Sewage Sludge Ash. Resources. 45, 2005, pp [5] HUANG, L.P., Li, J.P. Properties of cobalt-reinforced Al2O3 TiC ceramic matrix composite made via a new processing route , Vol. 30, pp [6] Schicker S, Erny T, Garcia DE, Janssen R, Claussen.N. Microstructure and mechanical properties of Alassisted sintered Fe/Al2. of the European Ceramic Society. 1999, Vol. 19, pp [7] SONG, M., S., GUO, B., GEERT, M., SCHUTTER, D., LI, X. Effect of Shale Addition on Properties of Sintered Coal Fly Ash, Construction and Building Materials. 2011, Vol. 25, pp [8] S. Bethanis, C.R. Cheeseman, C.J. Sollars. Properties and microstructure of sintered incinerator bottom ash. [9] SANDEROW, H.; Management & Engineering Technologies. Powder Metallurgy Methods and Design. ASM Metals Handbook v7 - Powder Metal Technologies and Applications. ASM International, 9ª Edition p [10] YVES TRUDEL. Introduction to Metal Powder. Production and Characterization ASM Metals Handbook v7 - Powder Metal Technologies and Applications. ASM International, 9ª Edition p [11] SURYANARAYANA, C.; IVANOV, E.; BOLDYREV, V.V. The science and technology of mechanical alloying. Materials Science and Engineering, Elsevier Science B.V [12] SALGADO, L. Processamento da liga Ferro-Níquel-Cobre-Molibdênio por moagem de alta energia. Tese para obtenção do título de doutor. Área de concentração: ciência na área de Tecnologia Nuclear- Aplicações Pós-graduação no Instituto de pesquisa energética associado a USP. São Paulo SP, Brasil [13] ARNDT, M. C. Obtenção de material magnético macio de Fe-Si pelo processo de injeção de pós metálicos. Dissertação para obtenção do título de mestre. Área de concentração: ciência e engenharia de materiais. Pós-graduação em engenharia metalúrgica. Porto Alegre RS, Brasil

12 [14] GOMES DE BRITO, F. I.; MEDEIROS, K. F.; LOURENÇO J. M. Um estudo teórico sobre a sinterização na metalurgia do pó. Holos, Ano 2003, Vol. 3 [15] MECHANICAL ENGINEERING, A Complete Online Guide for Mechanical Engineer. Disponível em: Acesso em 10/08/