MICROESTRUTURA DE BRONZE DE ALUMÍNIO SINTERIZADO A PLASMA

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1 MICROESTRUTURA DE BRONZE DE ALUMÍNIO SINTERIZADO A PLASMA T. M. P. Frota, E. C. de Lima, R. A. de Brito, C. Alves Jr.* e V. Hajek LabPlasma, Departamento de Física UFRN, Campus Universitário, Natal, RN, BRASIL *alvesjr@dfte.ufrn.br RESUMO Materiais porosos tem sido utilizados com sucesso em buchas auto-lubrificantes, mancais e filtros. Estas peças são produzidas por metalurgia do pó, onde partículas de pós misturados ou pré-ligados são utilizadas. Dentre os materiais normalmente encontrados, houve uma considerável procura pelos de bronze de alumínio. Nestes últimos, pós pré-ligados de Cu-10%Al são compactados e sinterizados em fornos resistivos. A proposta do presente trabalho é testar um novo método de sinterização utilizando o plasma como fonte energética. Essa pesquisa é justificada pela grande diferença existente no mecanismo de aquecimento entre este e àqueles convencionais, como o aquecimento resistivo, por exemplo. Neste trabalho, amostras cilíndricas de pós de bronze de alumínio, compactadas a 100 MPa, foram sinterizadas em temperaturas entre 400 a 750 C, com isotermas que variaram entre 12 e 30 minutos e taxas de aquecimento de aproximadamente 10 C/min. Com as diferentes condições utilizadas, visou-se analisar a formação da fase líquida, distribuição de poros, gradiente composicional e microestrutural. Verificou-se que amostras com temperaturas relativamente baixas apresentaram maior uniformidade e que para maiores temperaturas de sinterização, uma região no interior da amostra, solidificada, possuía um maior diâmetro. Concluiu-se que essa região era formada com material existente na periferia da amostra, uma vez que nas bordas a porosidade do material sinterizado era aumentada. Palavras-Chaves: Bronze de Alumínio, Sinterização a Plasma, Catodo Oco INTRODUÇÃO Bronze de alumínio é um material poroso metálico, que vem tendo uma grande procura dentre vários outros existentes, devido suas características em diversas aplicações com boas propriedades e baixo custo. Esses materiais são caracterizados pela presença de porosidade interligada e isso tem proporcionado sua aplicação maciça na fabricação de filtros metálicos e buchas autolubrificantes para mancais. Seu emprego se estende a aplicações criogênicas, farmacêuticas, produção de alimentos e bebidas, industria têxtil, industria de processamento químico, etc (1). As buchas porosas autolubrificantes são empregadas em muitos equipamentos que exigem algum movimento rotativo. Os mais comuns são: componentes automotivos, eletrodomésticos, ferramenta elétrica portátil, aparelhos eletrônicos, máquinas de calcular e de escrever, computadores e copiadoras, equipamentos agrícola e marítimo (2). Os materiais porosos metálicos superam os demais devido sua resistência mecânica, boa condutividade térmica, resistência à corrosão, resistência ao choque, baixo coeficiente de atrito, possibilidade de se ter porosidade e permeabilidade controlada com certo rigor. As porosidades dos materiais produzidas por metalurgia do pó são caracterizadas pela presença de porosidade interligada. Entre os materiais mais empregados encontram-se: bronze, aço inoxidável, níquel, e ligas a base de níquel, titânio e alumínio (2). A sinterização de pós obtidos a partir de uma liga, comumente mencionados como pré-ligados, com for mação de fase liquida para uma temperatura próxima porém inferior a temperatura de fusão da liga, é conhecida em inglês pela sigla (SLPS), referindo-se a sinterização por fase liquida de supersólidos. Excelentes ligas, microestrutura homogênea e possibilidade de total densificação dos produtos sinterizados, resultam em melhores propriedades mecânicas (3).O liquido se forma no interior das partículas e se espalha para as regiões de contato entre elas, resultando em forças capilares que 3422

2 atuam sobre esse conjunto semi-sólido, que controla a relação sólido-líquido, elas é a principal responsável pela densidade do sinterizado e sua precisão dimensional (3). Portanto, parâmetros do processo como a taxa de aquecimento deve ser um fator importante na sinterização. O processo a plasma, pela sua versatilidade de interação com o material processado, é um forte candidato para substituição do processo convencional de sinterização (4). O estudo da aplicação deste processo tem importância tanto do ponto de vista básico como aplicado. No primeiro caso, porque ele permitirá um entendimento melhor do mecanismo da interação do plasma com a superfície. No segundo caso, porque novas propriedades poderão ser obtidas em peças assim sinterizadas. O plasma além de potente fonte térmica, capaz de provocar novas fases e propriedades nos materiais, é conhecido pelos atributos de ser energeticamente econômico e ecologicamente não poluente (5). O uso do plasma como fonte térmica na sinterização pode ter um papel importante, uma vez que o seu mecanismo de aquecimento é bastante diferente das principais técnicas usadas para este fim. Ele ocorre através do bombardeamento da superfície por partículas energéticas, liberando assim uma alta energia localizada a qual é, posteriormente, transferida para o volume da peça que se deseja sinterizar. Portanto, nesta microrregião a temperatura pode ser instantaneamente superior à temperatura média da peça (temperatura medida). Durante o processo, íons colidem sobre a superfície arrancando átomos (sputtering), alterando sua composição, produzindo defeitos, além de aquecê-la (4). O material a ser sinterizado é aquecido devido ao bombardeamento contínuo das espécies ionizadas positivamente e neutras deste plasma. Inicialmente o campo gerado por dois eletrodos numa câmara acelera ao poucos elétrons livres existentes no gás. Com um campo suficientemente intenso, elétrons ganham energia necessária para retirar, por colisão, elétrons dos átomos e/ou moléculas do gás. Neste trabalho, o método de sinterização por aquecimento a plasma foi aplicado para amostras compactadas de pós de bronze de alumínio. Essas amostras foram sinterizadas em diferentes valores e tempos de isotermas. MATERIAIS E MÉTODOS Utilizou-se o pó de bronze com 90%Cu, 9%Al, 1%Fe, produzido por atomização, com forma irregular, produzido pela P/M Ind.e Com. Ltda., com um padrão de tamanho de partículas do pó de 325 mesh. A prensagem dos pós foi feita uniaxialmente em matriz cilíndrica de 10 mm de diâmetro, 6 mm de altura e pressão de 100 MPa. Em seguida as amostras foram sinterizadas para diferentes isotermas (400, 450, 500, 550, 600, 650, 700 e 750 C), para 12 e 30 minutos em isoterma. Na sinterização utilizou-se um equipamento como esquematizado na Fig. 1. O equipamento é composto de uma câmara de vidro, sistema de vácuo, uma unidade de potência e um sistema de aquisição de dados e controle. Fig. 1: Esquema da câmara de sinterização. As amostras a ser sinterizadas foram colocadas no porta amostra, passando automaticamente a fazer parte do cátodo do sistema. Ela se torna polarizada negativamente direcionanda para si os 3423

3 íons positivos do plasma. A fonte de potência possui uma tensão máxima de saída de 1500 V, dc, ajustável continuamente. As leituras de tensão, corrente, e temperatura do cátodo foram realizadas no painel sistema de aquisição de dados. A pressão do gás foi medida com o auxílio de um sensor de membrana capacitiva, tipo Barocell e o gás utilizado foi o hidrogênio. Este foi introduzido na câmara após feito o vácuo até uma pressão de 300 Pa. Aumentando-se gradativamente a voltagem e regulando-se a entrada e saída do gás nos primeiros momentos, evitou-se a abertura de arcos. Logo que o cátodo aquecia, o sistema se tornava estável e o controle de aquecimento podia ser feito variando-se a voltagem. Como observado ainda no Fig. 1, a configuração de eletrodo utilizada foi de cátodo oco, com distância entre cátodos (distância superfície da amostra/parede interna do cátodo) de 9,0 mm. A taxa de aquecimento, considerada lenta, foi realizada com os controles da voltagem e atmosfera da câmara, de forma a se obter uma taxa de aproximadamente 10 C/ min. Essa temperatura foi medida no porta-amostra, o que significa que na superfície essa temperatura será sempre maior. Todas as condições experimentais são mostradas na Tab. I. Após a sinterização, as amostras foram impregnadas em resina e preparadas metalograficamente, para caracterização microestrutural. Para contraste ótico, o seguinte reagente foi utilizado: 5 g de cloreto férrico, 2 ml de acido clorídrico e 95 ml de etanol. As microestruturas foram estudadas mediante a microscopia óptica (Olympus BX60M), microscopia eletrônica de varredura- MEV (Philips modelo XL 30 ESEM). Para uma inspeção visual da amostra macroscopicamente foi utilizada uma máquina fotográfica digital Sony (Mavica 90) acoplada a uma lupa. A porosidade foi medida através de analise de imagens obtidas por microscopia ótica. Tabela I: Condições de processo. Amostra Temperatura ( C) Tempo de isoterma (min) A1 --- Não sinterizada A A A A A A A A B B B B RESULTADOS E DISCUSSÃO As micrografias mostradas na Fig. 2 correspondem às amostras A1, A2, A5 e A6, respectivamente. Comparando-se a micrografia da Fig. 2a com a Fig. 2b, verifica-se que esta última apresenta maior uniformidade topográfica. Isto pode ser atribuída a mudança no estado de ligação entre as partículas. Para a amostra não sinterizada havia desprendimento das partículas durante o lixamento. Essa mesma uniformidade topográfica também foi observada para as amostras sinterizadas a 450 e 500 C. Para as amostras seguintes, a partir de 550 C, (Fig. 2c), começou a apresentar uma região central solidificada, a qual aumenta com o aumento da temperatura (Fig. 2d), expandindo até a de 750 C que apresentou um vazio nesta região juntamente com solidificação. Essas amostras apresentaram gradiente radial de porosidade que variou com a temperatura de sinterização. Na Fig. 3 são mostrados detalhes desse gradiente para as amostras A2 e A5. Comportamento como A2, onde a porosidade teve pouca variação, foi observado para as amostras A3 e A4. Enquanto as demais amostras sinterizadas durante 12 min. tiveram comportamento 3424

4 semelhante ao observado em A5. Ainda na Fig. 3b observa-se a região solidificada, indicada pela região 1. A explicação do mecanismo que causou a fusão do material nesta região, certamente não é óbvia. Observa-se pelo diagrama de fase, que o ponto de fusão para a liga na composição inicial, ocorre em temperaturas superiores a 1000 C. Como a sinterização foi realizada a temperatura de 600 C, medida na base do porta-amostra, o mecanismo responsável pela fusão pode estar associado ao gradiente térmico causado radialmente na amostra. Este gradiente já foi determinado em outros trabalhos realizados em nosso laboratório (6) e pode ser gerado por picos térmicos originados da colisão dos íons com a superfície do material. Estes picos podem atingir valores iguais ou superiores a temperatura de fusão desse material, fudindo-o localmente. A massa fundida permeará os poros por capilaridade, enriquecendo de Al as partículas do pó de bronze e solidificando-se na parte central, por uma das razões: o núcleo se encontra a temperatura inferior a temperatura de fusão ou o tempo de isoterma não foi suficiente para homogeneizar a massa líquida Fig. 2: A evolução de estrutura dos amostras, cortadas transversalmente de diâmetro de 10 mm e altura de 6 mm, tratadas por 12 min.;(a) Amostra não sinterizada; (b) Temperatura de 400 C com porosidade uniforme; (b) 550 C inicio da fusão na região central; (c) 600 C aumento da região central fundida. Fig. 3: Amostras mais detalhadas; (a) temperatura de 400 C com uniformidade, (b) gradiente de porosidade bem definida. Na Fig.4 são mostradas evidências dessa seqüência de eventos. Essa figura detalha as diferentes regiões apontadas na Fig. 3b. A certeza que a temperatura na periferia da amostra é maior que no interior, indica-nos que a fusão deve começar na superfície. As partículas da superfície da amostra, ao absorver a energia do plasma, funde-se internamente. O liquido formado no interior das partículas se espalha para a superfície de contato, através dos contornos de grãos, como previsto na sinterização por fase liquida de supersólidos. 3425

5 Fig. 4: (a) Micrografia obtida pelo MO, região central atacada de ácido onde forma estrutura dentríticas; (b) obtidas pelo MEV, próximo da região central sólidas com partículas não muito ligadas; (c) o alumínio sai da superfície de partículas; (d) a região superficial foi fundida para o centro. Observou-se que todos os núcleos fundidos das amostras sinterizadas em plasma apresentaram uma estrutura dendrítica, o que caracterizou uma solidificação abrupta após a fusão (Fig. 4a). Na Fig. 4c o alumínio fundido (região clara nos contornos das partículas) penetra para o interior por capilaridade, diminuindo o ponto de fusão do material nessa região. As razões que justificam essa solidificação abrupta já foram apresentadas anteriormente. Uma forma de excluir a possibilidade da solidificação abrupta ser devida a pequeno tempo de isoterma pode ser descartada ou aceita se aumentarmos o tempo de isoterma. Os resultados desse experimento são mostrados através das micrografias apresentadas na Fig. 5. Verificou-se que aumentando o tempo de isoterma para 30 minutos a porosidade, anteriormente observada para 12 minutos, diminuiu drasticamente. Esta diminuição pode explicar, parcialmente, que a solidificação ocorreu devido ao pequeno tempo de isoterma para redistribuir o soluto. Entretanto, verificou-se que essa redistribuição foi maior para temperaturas entre 700 e 750 C. Isto leva a pensar que a solidificação rápida se deve aos dois mecanismos. 3426

6 Fig. 5: (a) Amostra (10 mm de diâmetro, 6 mm de altura) bem sinterizada, a 700 C durante 30 min, estrutura homogênea não mostra região central fundida. (b) Imagem do MEV vista, do centro a borda, uma redução de porosidade. CONCLUSÃO 1. Amostras sinterizadas a temperaturas inferiores a 550 C (medida no porta-amostra), não apresentaram fase líquida. 2. Amostras sinterizadas a temperaturas superiores apresentaram fase líquida na região central. 3.Verificou-se em todas amostras assim sinterizadas a existência de gradiente de porosidade, que aumentava com a temperatura. 4. Amostras sinterizadas com maior tempo de isoterma tiveram redistribuição da fase líquida, diminuindo sua porosidade. AGRADECIMENTOS Agradecemos ao CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica, pesquisador 2C e DCR. A METALPÓ LTDA. pelo fornecimento dos pós-utilizados neste trabalho. REFERÊNCIAS 1. U. U. Gomes,Tecnologia dos Pós: fundamentos e Aplicações, 1 ed. UFRN, Editora Universitária, 1993, p V. Chiaverini, Metalurgia do pó: Técnica e produtos, 3 ed., São Paulo: ABM, São Paulo, 1992,i278p 3. R. M. German, Supersolidus liquid -phase sintering of Prealloyed Powders, Metallurgical and Materials Transactions A, v. 28A, 1997, p S. F. Maia, Sinterizaçao Ativada por Plasma do Bronze de Alumínio, dissertação de mestrado,natal, RN C. Alves Jr, Nitretação em plasma pulsado: equipamento, preparação e caracterização das camadas nitretadas, tese de Doutorado, São Carlos, SP 1995, p C. F. Sousa Jr., C. Alves Jr., Anais do Third International Latin-American confer ence on Powder Technology, Florianópolis, 2001,

7 MICROSTRUCTURE OF ALUMINUM BRONZE COMPACTS SINTERED IN PLASMA T. M. P. Frota, R. A. de Brito, C. Alves Jr.* and V. Hajek LabPlasma, Departamento de Física UFRN, Campus Universitário, Natal, RN, BRASIL ABSTRACT Porous materials are successfully utilized for fabrication of many industrial components such as filters and selflubricating bearings. These components are maid by powder metallurgy, where mixtured or presintered powders can be used. The aluminum bronze material is one of the most wanted because of low cost of the raw materials. In this work, single action compacted (100 MPa) aluminum bronze cylinders are sintered using a hollow cathode discharge. Temperatures between 400 and 750 C with duration on the isotherm 12 and 30 min are used. Microstructure changes, homogeneity, porosity and composition are analyzed after the treatment. Sintering bellow 550 C leaded to uniform but porous structure. Above 550 C a central dense solidified region and highly porous surface are observed. The diameter of the central region increases with temperature. It is concluded that due to the intense plasma heating and subsequent surface melt formation a mass flow direction to the center of compacts originates. Longer duration of sintering (30 min) at temperatures above 600 C leads to homogeneous and dense structure. Key-words: Aluminum Bronze, Plasma Sintering, Hollow Cathode 3428