MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307) 2º Semestre 2005/ Sinterização

Transcrição

1 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307) 2º Semestre 2005/06 3. Sinterização F. Jorge Lino Alves 1

2 Resumo 3. SINTERIZAÇÃO Introdução à sinterização Sinterização no estado sólido e em presença de fase líquida Densificação e crescimento de grão 2

3 SINTERIZAÇÃO Um pouco de história 1949 GEORGE KUCZYINSKI Acidentalmente deixou cair partículas de Cu num substrato quente SEM X 5 t 1950 HERRING Determinar cinética da sinterização R Equação de Frenkel Velocidade x 2 R t x R x 1 t 1 R Fluxo viscoso x R = x R 3

4 ALEXANDER E BALUFFI (MIT) Utilizaram fios de Cu para desenvolver uma estrutura que continha poros nas juntas de grão 1955 KINGERY E BERG Desenvolveram um modelo para o estádio inicial da sinterização Todos os processos que retirem massa da zona de contacto entre as partículas produzem contracção DENSIFICAÇÃO 4

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6 1959 KINGERY Desenvolveu um modelo para a sinterização com fase líquida 1961 R. COBLE e J. BURKE (GE) Descobriram forma de obter cerâmicos policristalinos transparentes Explosão na utilização de aditivos Coble - modelos para o estádio inicial e final da sinterização - modelos para a sinterização com pressão (HP) - modelo para a fluência (Coble creep) 1967 KINGERY e FRANÇOIS Numero de coordenação e ângulo diedro EFEITOS TERMODINÂMICOS O desaparecimento dos diferentes tipos de poros depende de: 1. Tamanho de grão 2. Numero de coordenação 3. Existência de fases gasosas dentro dos poros Grãos com menos de 6 lados tendem a ser convexos e contrair 6

7 1969 R. J. BROOK (aluno de PhD de Kingery) Desenvolveu os mapas de sinterização. Importantes para correctamente definir a forma de densificar um cerâmico 7

8 Preparação dos pós Pré-Consolidação (prensagem, vazamento, injecção) Pré-forma Compactação Verde Secagem Sinterização COMPONENTE FINAL 8

9 SINTERIZAÇÃO estado sólido com fase liquida estádio inicial intermédio final rearranjo de partículas solução-precipitação formação de esqueleto sólido ou coalescência Principal vantagem: Maior resistência mecânica Principal vantagem: Menor temperatura de sinterização Mais rápida 9

10 Vários elementos sólidos têm sido utilizados para modelar as diversas fases da sinterização, no entanto o tetracaidecaedro é aquele que permite resultados mais rigorosos. Tetracaidecaedro G = 2 2 l p 2 A = ( )l p V = 8 2l p 3 Estádio intermédio: conjunto de poliedros que permitam uma ocupação perfeita do espaço tridimensional 10

11 c) Estádios de sinterização descritos por Coble 1. Formação e crescimento de colos entre as partículas (b). b) d) 2. Poros formam canais contínuos ao longo das arestas comuns a três tetracaidecaedros. Migração das juntas de grão e aumento significativo da densidade (c). b) c) 3. Poros ficam isolados nos vértices comuns a cada quatro tetracaidecaedros. Aumento significativo do tamanho de grão (d). d) 11

12 12 Tamanho de Grão Crescimento de Grão Densificação Densidade, %

13 Estádios de sinterização com fase líquida Crescimento do grão Sistemas monofásicos Parâmetro de densificação, % Dissolução e Reprecipitação Rearranjo Sinterização em Fase Sólida Sem fase líquida Com fase líquida Sistemas bifásicos Tempo de sinterização, minutos Com fase líquida 1. Dissolução 2. Difusão através do líquido 3. Reprecipitação 13

14 Alumina sinterizada com fase líquida Filmes finos (industria electrónica) Diferentes componentes (refractários, cadinhos, tubos, etc.) Regiões onde existia a fase líquida 14

15 Densidade, % densidade Tamanho de grão A energia motora (força catalisadora) para a densificação é a energia superficial, no entanto é necessário ter em atenção que o grão também cresce. Tempo, minutos Materiais covalentes são muito difíceis de sinterizar (AlN, Si 3 N 4 ), pelo que aditivos que geram uma baixa % de fase líquida, desempenham um papel crucial para a obtenção de cerâmicos técnicos de baixa porosidade e elevada resistência G + 1% C AlN ρ +1%CaO µm CaO forma o aluminato de cálcio (fase líquida) 15

16 1. Densificação γ sg Considerando partículas cúbicas Metais: γ sg 1Jm-2, γ ss 1Jm-2 γ sg γ gb Cerâmicos: γ sg γ ss de=γ sg da sg + γ gb da gb <0 6G 2 3G 2 E=E f -E i E i = γ sg M ρ G 3 w ( J / mol ) E f = γ gb M ρg 3 w (J / mol) Exemplo M w( Al 2 O 3 ) = 102 g / mol ρ 4 g / cm 3 γ sg 1Jm 2,γ gb 0.5Jm 2 G = 0.5µm E = 230 Jmol 1 16

17 2. Crescimento de Grão Pó G i G f E i = γ sg 6G i 2 6G 3 M f w E ρ G f = γ sg 3 M w i ρg f 2 E = 6γ sg M w ρ 1 1 G i G f Exemplo se G f >> G i E = 300 Jmol 1 G i = 0.5µm Grãos E 3γ gb M w ρ G i E = 75 Jmol 1 Conclui-se que a energia para ocorrer crescimento do grão é semelhante à energia da densificação, o que significa que a partir do momento em que deixam de existir entraves ao movimento das juntas de grão (fase final da densificação em que os poucos poros se localizam nos pontos triplos), dá-se um rápido crescimento do grão, o que é indesejável. 17

18 Crescimento de Grão É um processo activado termicamente que ocorre por migração das juntas de grão na direcção dos seus centros de curvatura. A força catalisadora para crescimento de grão é a redução da energia livre do sistema, que ocorre à medida que a área dos limites de grão diminui. A nível local, a força catalisadora para migração das juntas de grão é o gradiente do potencial químico que deriva da diferença de pressão ao longo da superfície curva (a junta de grão) tensão superficial. Cinética de crescimento de grão é determinada pela taxa de difusão dos átomos através das juntas de grão dg dt M b = D b Ω ktw = α v b v b = M b F b F b = 2γ b r c 18

19 Crescimento de Grão em Sistemas Porosos v b = M p M b n a M b + M p n a M b << M p n a M b >> M p v b = M b F b v b = F b M p n a Influencia a densidade final e o tipo de microestrutura obtida 19

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