14/07/2016 BIBLIOGRAFIA METALURGIA DO PÓ Livro Texto: “Introdução aos Processos de Fabricação de Produtos Metálicos” (capítulo 6) autores: Claudio Shyinti Kiminami, Tecnologia Metalúrgica Walman Benício de Castro e Prof. José Luís L. Silveira Marcelo Falcão de Oliveira; Curso de graduação em Engenharia Mecânica UFRJ – Centro de Tecnologia – sala I-241 Editora Edgard Blücher, 1ª edição, 2013. METALURGIA DO PÓ Uma mistura de pós é compactada em matrizes para formar o compactado “verde”. A peça verde em seguida é aquecida, ou sinterizada, para ligar as superfícies de contato entre as partículas de pó. A sinterização elimina vazios e produz um corpo, tanto quanto possível, denso. A figura a seguir mostra as etapas da produção de uma peça pela metalurgia do pó. 1 14/07/2016 FATOR DE EMPACOTAMENTO COMPACTAÇÃO O fator de empacotamento varia com a forma e a rugosidade da superfície das partículas. É a etapa em que a mistura de pós é colocada em uma matriz com a forma da peça a ser produzida e em seguida é submetida a uma pressão de compactação. No ponto de contato entre as partículas ocorrem deformações elástica e plástica. A compactação deve ser o mais homogênea possível, para evitar que surjam defeitos (heterogeneidades) durante a etapa de sinterização. FORMAS DAS PARTÍCULAS DE PÓ A forma das partículas do pó tem grande influência nas etapas de compactação e sinterização. FATOR DE EMPACOTAMENTO Para uma dada pressão de compactação e partículas do mesmo tamanho, quanto mais próximo da forma arredondada for a partícula, maior será a densidade de compactação. Uma mistura de partículas de tamanhos diferentes permite aumentar a densidade e o fator de empacotamento. Partículas pequenas se acomodam entre os interstícios das partículas grandes sem causar um afastamento dessas partículas. 2 14/07/2016 FATOR DE EMPACOTAMENTO O fator de empacotamento representa a fração do volume que corresponde a partículas de pó. VARIAÇÃO DA DENSIDADE NO COMPACTADO Uma mistura de pós não se comporta como um metal denso, que é insensível a pressão hidrostática para a deformação plástica (veja próximo slide). A pressão aplicada altera a massa específica (densidade) do material e a sua resistência mecânica. O atrito interno afeta o deslocamento das partículas do pó, bem como o atrito nas superfícies de contato entre o material em pó e as paredes da matriz. CRITÉRIO DE MISES CRITÉRIO DE MISES O critério de Mises afirma que a deformação plástica O tensor desviador e a tensão média podem ser iniciará quando a energia elástica de distorção definidos por: atingir um valor crítico. S = σ − Tm I 3 x3 O critério de Mises pode ser descrito pelo tensor de Tm = tensões ou pelo tensor desviador S: 1 2 1 2 [(σ 2 1 − σ 2 ) + (σ 1 − σ 3 ) + (σ 2 − σ 3 ) [(S − S ) 2 1 2 2 ] 2 1/ 2 2 ] 2 1/ 2 + (S1 − S 3 ) + (S 2 − S 3 ) 1 (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) 3 e, consequentemente, o tensor de tensões pode ser ≤ σe descrito por suas parcelas média e desviadora: σ = S + Tm I 3x3 ≤ σe σ 1 = S1 + Tm σ 2 = S 2 + Tm σ 3 = S 3 + Tm 3 14/07/2016 VARIAÇÃO DA DENSIDADE CRITÉRIO DE MISES NO COMPACTADO O tensor de tensões pode, em qualquer situação, ser descrito por suas parcelas média e desviadora, por exemplo: : S xx σ = S xy S xy S yy 0 0 Tm = 0 Tm 0 0 + 0 Tm S zz 0 0 0 0 Tm 1 (σ xx + σ yy + σ zz ) 3 COMPACTAÇÃO COM PUNÇÃO SIMPLES OU DUPLO SEQUENCIA DE COMPACTAÇÃO EM MATRIZ UNIAXIAL 4 14/07/2016 ETAPAS DA SINTERIZAÇÃO ETAPAS DA SINTERIZAÇÃO A sinterização ocorre a uma temperatura inferior a temperatura de fusão. Durante a sinterização ocorre a redução da área superficial das partículas e da energia interfacial. A sinterização ocorre em três estágios: Formação de pescoços – forma das partículas preservadas Fechamento de canais e poros – os canais são contínuos Poros isolados FORNOS PARA SINTERIZAÇÃO FORNO CONTÍNUO PARA SINTERIZAÇÃO Os fornos utilizados para sinterização podem ser: A gás – temperatura máxima em torno de 1200°C A resistência – temperatura máxima em torno de 3000°C A indução - temperatura máxima em torno de 2000°C Em geral os fornos são contínuos, como mostrado na figura a seguir, e possuem atmosfera controlada. 5 14/07/2016 FORNOS PARA SINTERIZAÇÃO TEMPERATURAS E TEMPOS DE SINTERIZAÇÃO PARA ALGUNS METAIS A atmosfera controlada permite: Proteger as peças contra a oxidação. Remover óxidos existentes por meio de uma atmosfera redutora. Estabelecer uma atmosfera carburante. Auxiliar na eliminação dos aditivos, lubrificantes e ligantes, usados na compactação. São utilizados, além do vácuo, argônio e hélio, nitrogênio, hidrogênio, entre outros. PRODUÇÃO DE PÓS METÁLICOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE PÓS Os principais processos de fabricação são: Moagem – é realizada em moinhos de bolas, de mandíbulas, entre outros, pode ser a úmido ou a seco. Atomização – é o método mais aplicado e consiste na atomização do metal líquido em água ou gás. Condensação – é um processo químico que consiste na evaporação do óxido (de zinco) seguida pela redução do vapor e a condensação do zinco na forma de pó. Eletrólise – precipitação de pós a partir de uma solução eletrolítica. 6 14/07/2016 PRODUÇÃO DE PÓS METÁLICOS PÓ DE LIGA DE FERRO ATOMIZADO A GÁS (INERTE – ARGÔNIO) Os principais processos de fabricação são: (continuação) Decomposição térmica – consiste na passagem de CO por carbonila do metal na forma esponjosa a alta temperatura e pressão (por exemplo: Fe(CO)5, Ni(CO)4), produzindo partículas quase esféricas do metal. Redução – aplicada a óxidos metálicos em pó, que são colocados em uma atmosfera redutora (com excesso de átomos de hidrogênio). DISTRIBUIÇÃO DO TAMANHO DA PARTÍCULA PARA PÓ ATOMIZADO A GÁS EXEMPLOS DE CARACTERÍSTICAS DE PÓS METÁLICOS SEGUNDO O PROCESSO DE FABRICAÇÃO 7 14/07/2016 MISTURADORES TIPOS DE MISTURADORES São utilizados para a mistura e homogeneização do pó e podem ser classificados em: Equipamentos que usam a gravidade – duplo cone rotativo, tambor rotativo, misturadores em V, indicados para materiais que se misturam facilmente. Equipamentos que usam esforços mecânicos – misturador de rosca, misturador de lâminas, indicados para materiais que não se misturam facilmente. Equipamentos que usam um escoamento (fluxo) – indicados para pós extremamente finos como os usados no processo de moldagem por injeção. ADITIVOS São utilizados aditivos na mistura do pós tais como: Lubrificantes – estearato de zinco e alumínio em pequenas quantidades, para reduzir o atrito entre as partículas e as partículas e as paredes da matriz. Ligantes – para conferir resistência mecânica “a verde” para permitir a manipulação das peças. IMPREGNAÇÃO E INFILTRAÇÃO Na impregnação, óleo ou outro fluido é permeado para dentro dos poros da peça sinterizada (por exemplo: mancais autolubrificantes). Na infiltração, metal fundido, com ponto de fusão inferior ao do material da peça, penetra nos poros da peça sinterizada. Defloculantes – para inibir a aglomeração dos pós e manter um escoamento adequado durante a alimentação da matriz. 8 14/07/2016 LAMINAÇÃO DE PÓS O pó é compactado por laminação e em seguida é sinterizado. COMPACTAÇÃO ISOSTÁTICA A pressão para a compactação é aplicada em todas as direções no pó confinado em um molde flexível. A compactação isostática pode ser realizada a frio ou a quente. A compactação isostática a frio utiliza água ou óleo para aplicar a pressão. A compactação isostática a quente utiliza argônio ou hélio para aplicar a pressão. Na compactação isostática a quente a compactação e a sinterização são realizadas em um só estágio. MOLDAGEM POR INJEÇÃO É utilizada para peças pequenas, com geometrias complexas ou de paredes finas. Pós metálicos extremamente finos (<10µm) são misturados com ligantes orgânicos. Em seguida o material é peletizados. Os péletes (pellets) são aquecidos até se tornarem pastosos e injetados na cavidade do molde. Após o resfriamento, a peça verde é retirada do molde e o ligante é eliminado por um tratamento térmico ou químico, quando se obtém o compactado marrom. Finalmente a peça é sinterizada. 9 14/07/2016 MOLDAGEM POR INJEÇÃO BUCHA AUTOLUBRIFICANTE 10 14/07/2016 11