Sinterização - Metalurgia do Pó

Sinterização - Metalurgia do Pó

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TRABALHO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO I

SINTERIZAÇÃO – METALURGIA DO PÓ

SUMÁRIO:

1. INTRODUÇÃO _________________________________________________________________ p. 2

2. VANTAGENS E DESANTAGENS DO USO DA SINTERIZAÇÃO

2.1 VANTAGENS

2.2 DESVANTAGENS

3. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA METALURGIA DO PÓ

4. ASPECTO DE MERCADO NA PRODUÇÃO DE SINTERIZADOS

5. MÉTODO DE OBTENÇÃO DOS PÓS METÁLICOS

5.1 MÉTODOS FÍSICO-QUÍMICOS:

5.1.1 CONDENSAÇÃO

5.1.2 DECOMPOSIÇÃO

5.1.3 PRECIPITAÇÃO QUÍMICA

5.1.4 REDUÇÃO

5.2 PROCESSOS ELETROLÍTICOS (ELETRÓLISE):

5.3 PROCESSAMENTO MECÂNICO:

5.3.1 COMINUIÇÃO

5.3.2 MECANICHAL ALLOYING

5.4 ATOMIZAÇÃO DE METAIS LÍUIDOS:

5.5 CARACTERÍSTICAS DOS PÓS METÁLICOS

5.5.1 FORMA E TAMANHO DO GRÃO

5.5.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA, PERDA DO NITROGÊNIO E INSOLÚVEIS

5.5.3 DENSIDADE E ESCOAMENTO

6. CONFORMAÇÃO DE PÓS METÁLICOS

6.1 MISTURA

6.2 COMPACTAÇÃO

6.3 SINTERIZAÇÃO

6.3.1 FORNOS DE SINTERIZAÇÃO

6.4 OPERAÇÕES SECUNDÁRIAS

6.4.1 RECOMPRESSÃO

6.4.2 INFILTRAÇÃO

6.4.3 IMPREGNAÇÃO

6.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS E TERMOQUÍMICOS

6.5.1 TÊMPERA

6.5.2 CEMENTAÇÃO

6.5.3 CARBONITRETAÇÃO

6.5.4 NITRETAÇÃO

6.6 OPERAÇÕES DE USINAGEM

6.6.1 TORNEAMENTO

6.6.2 FRESAGEM

6.6.3 FURAÇÃO E ROSQUEAMENTO

6.6.4 RETÍFICA

6.6.5 REBARBAÇÃO

7. APLICAÇÕES DOS PRODUTOS SINTERIZADOS____________________________________ p. 15

8. DETALHES DE PROJETO_______________________________________________________ p. 16

9. CONCLUSÃO_________________________________________________________________ p. 17

10. BIBLIOGRAFIA______________________________________________________________ p. 17

1. INTRODUÇÃO

A Metalurgia do pó, comumente denominada sinterização, vem a ser um processo altamente desenvolvido de manufatura de peças metálicas ferrosas e não ferrosas.

Basicamente, os pós metálicos são prensados em ferramental apropriado com posterior aquecimento sob condições controladas a temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base para promover ligação metalúrgica entre as partículas.

Esse aquecimento, chamado sinterização, normalmente confere à massa de pó aglomerada as propriedades físicas e mecânicas desejadas. É comum, entretanto, a ocorrência de outras fases de processo que permitem alcançar valores mais rigorosos de resistência mecânica, tolerância dimensional, acabamento, etc.

Fundamentalmente, a sinterização é um processo onde a economia de material é levada ao extremo: não há geração de cavacos (os quais numa usinagem convencional podem representar até 50% do peso original da peça bruta, nem carepas e tendo ainda vantagem de controlando-se a densidade, eliminar pesos mortos indesejáveis no produto final. Mesmo levando em consideração à necessidade de operações posteriores de usinagem, uma peça sinterizada normal, usa mais de 97% de sua matéria original.

A consideração dos aspectos econômicos torna ainda mais significativos quando se fabricam peças de formas complexas, tolerância dimensionais rigorosas e grandes lotes de produção.

2. VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DA SINTERIZAÇÃO

2.1 VANTAGENS:

- Reduz ao mínimo as perdas de matéria prima;

- Facilita o controle exato da composição química desejada;

- Elimina ou reduz operações de usinagem;

- Possibilita bom acabamento superficial;

- Processo produtivo de fácil automação;

- Produtos obtidos de alta pureza;

- Permite a utilização de características de resistência exatamente como requeridos pelo projeto.

2.2 DESVANTAGENS:

- Limita a forma geométrica da peça ( tem que ser extraída de uma matriz );

- Obriga a execução de grandes lotes de produção, devido ao custo elevado do ferramental;

- Limita o tamanho da peça, já que a potência requerida na compactação é proporcional a área da seção transversal. Peças grandes exigem máquinas de elevada potência para sua compactação.

3. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA METALURGIA DO PÓ

O homem conheceu o ferro metálico há aproximadamente 8.000 anos , quando começou a desenvolver produtos essenciais à sua sobrevivência , especialmente armas e utensílios. Os povos mais cultos daquela época não conseguiam produzir calor suficiente para fundir o metal, mas se utilizavam de técnicas de aquecimento e forjamento, algo semelhante a um processo de sinterização. Pós de ferro provavelmente foram fabricados sob processos técnicos por volta de 1000 a.C. , quando árabes e alguns povos germânicos produziram espadas de alta qualidade para época. O pó era produzido a partir de ferro já oxidados quando então eram juntados , aquecidos e forjados , sendo o processo repetido até que as impurezas estivessem eliminadas e o carbono baixo o suficiente para que o ferro estivesse transformado em aço .

O próximo passo em termos de metalurgia do pó foi dado por volta do século XIX , quando eram produzidos pós de ferro reduzidos por hidrogênio para fins farmacêuticos . Pós de ferro reduzidos e pós feitos a partir da eletrólise foram as matérias primas utilizadas no inicio da moderna metalurgia do pó . A partir de então as técnicas de fabricação de peças sinterizadas avançou , acompanhando o nível geral de desenvolvimento tecnológico da humanidade.

300 D.C. – Índia

Coluna de 6,5 ton. de pó de ferro reduzido

4. ASPECTOS DE MERCADO NA PRODUÇÃO DE SINTERIZADOS:

A contínua expansão tecnológica da Metalurgia do Pó nas últimas décadas coloca esta técnica de conformação como grande potencial comercial deste século. Recentes levantamentos de âmbito internacional mostram que no início dos anos 90 o mercado global em número de peças chegou à 6 bilhões de unidades, representando mais de 300 mil toneladas.

O metal predominante na Metalurgia do Pó é o Ferro e suas ligas, seguido pelo Cobre e Alumínio.

Distribuição dos materiais no mercado mundial de sinterizados

Estudos recentes do mercado mundial mostram total liderança da Indústria Automotiva no consumo de componentes sinterizados. Observa-se também um aumento de aplicações significativo no ramo de eletrodomésticos e Indústria Mecânica.

Distribuição no consumo mundial de produtos sinterizados

5. MÉTODOS DE OBTENÇÃO DOS PÓS METÁLICOS

A matéria prima na Metalurgia do Pó constitui, mais que na maioria dos processos convencionais, um fator de fundamental importância especialmente no que diz respeito à sua uniformidade. Desta forma torna-se indispensável o seu controle rigoroso, o que significa que todas as suas características devem ser conhecidas e determinadas com a maior profundidade possível. Como as propriedades dos materiais são basicamente função do processo de fabricação do pó, serão abordadas alguns métodos de obtenção do pó metálico.

Os processos são agrupados nas seguintes classses:

5.1 MÉTODOS FÍSICO-QUÍMICOS:

5.1.1 CONDENSAÇÃO

5.1.2 DECOMPOSIÇÃO

5.1.3 PRECIPITAÇÃO QUÍMICA

5.1.4 REDUÇÃO

5.2 PROCESSOS ELETROLÍTICOS (ELETRÓLISE):

5.3 PROCESSAMENTO MECÂNICO:

5.3.1 COMINUIÇÃO

5.3.2 MECANICHAL ALLOYING

5.4 ATOMIZAÇÃO DE METAIS LÍUIDOS:

Os dois mais importantes processos conhecidos são a atomização e a eletrólise.

5.2 PROCESSOS ELETROLÍTICOS (ELETRÓLISE):

A fabricação de pós metálicos a partir da eletrolise é outro processo comumente utilizado para a produção de pós de cobre. Os pós produzidos apresentam elevada pureza, baixa densidade aparente e tem grãos de estrutura nitidamente dendrítica. Após recolhida dos tanques de eletrólise, a massa de pó, sob a forma de uma lama, é neutralizada, secada, reduzida e classificada por peneiramento.

Seção transversal de partículas de Ferro esponja. Ataque: Nital. Aumento 180 X

5.4 ATOMIZAÇÃO DE METAIS LÍQUIDOS:

Na atomização, o metal fundido é vazado através de um orifício apropriado a essa operação, formando um filete liquido que é "agredido" por jatos de ar, gás ou água. Esses jatos provocam a pulverização do filete e seu resfriamento. O pó recolhido é reduzido e peneirado, estando pronto para ser usado.

O tamanho e a forma das partículas variam em função de vários parâmetros, entre os quais se destacam; a espessura do filete, a pressão da água ou gás, a geometria do conjunto de pulverização e, evidentemente, o tipo de atomização. A atomização a água normalmente conduz a partículas irregulares e angulosas, enquanto que a atomização a ar produz partículas mais esferoidais.

Representação esquemática de um sistema de atomização

Exemplos de fotos ampliadas de pastículas atomizadas à água (esq.) e gás (dir.).

5.5 CARACTERÍSTICAS DOS PÓS METÁLICOS

5.5.1 FORMA E TAMANHO DO GRÃO

Entre as características mais importantes dos pós metálicos estão à forma e o tamanho das partículas individuais. Para o projeto de uma peça sinterizada, a distribuição granulométrica das partículas é outra informação importante. Os vários métodos de obtenção de pó metálicos conduzem a diversas formas, tamanhos, distribuição e outras características dos pós, sendo imprescindível o domínio do processo de obtenção e caracterização dos pós para se chegar a uma peça final que atenda os quesitos de engenharia.

As partículas de pós metálicos podem ser esféricas, acirculares, dendríticas, etc.

A medição do tamanho das partículas exige equipamentos especiais: qualquer dos métodos mais comuns de medição tem sempre alguma aproximação, contém algum erro inerente. Partículas unidimensionais são, em geral, acirculares ou parecidas com bastões irregulares. Sua dimensão mais significativa é, portanto, o comprimento. Partículas em forma de escamas podem ser consideradas como bidimensionais, onde o comprimento é muito mais significativos que a espessura. Várias partículas são de natureza tridimensional, como as esféricas.

O método mais comum de medição do tamanho da partícula que podem variar de 0,400 a 0,0001mm é o das peneiras padronizadas como por exemplo a Série de Taylor.

5.5.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA, PERDA DO NITROGÊNIO E INSOLÚVEIS

A composição química desejada para o produto final é bastante controlável na metalurgia do pó. Basicamente, pós de diferentes metais podem ser misturados nas proporções especificadas, pode-se partir diretamente de pós pré-ligados ou pode-se, ainda, misturar pós pré-ligados a pós de metais, para se chegar à composição desejada. Essa grande versatilidade no manuseio e combinação de pós diferentes é uma das grandes vantagens da metalurgia do pó, visto que uma gama enorme de composições químicas pode ser obtida industrialmente através dessa técnica.

Relativamente à "pureza" do pó, utilizam-se dois parâmetros de fácil caracterização: perda do hidrogênio e insolúveis.

5.5.3 DENSIDADE E ESCOAMENTO

A massa volumétrica ou densidade aparente de um pó metálico no estado livre é uma característica muito importante no dimensionamento dos parâmetros dos ferramentais de compactação de sinterizados, e é expressa em g/cm3 .

A facilidade de uma massa de pó atravessar orifício tem também grande importância no enchimento das cavidades de moldes ou matizes. A forma, tamanho e distribuição granulométrica das partículas de pó têm grande influência nessa característica. Por normalização aceita internacionalmente, estabeleceu-se como padrão de referência para escoamento o tempo, em segundos, que uma massa de 50 gramas leva para se escoar através de um orifício previamente calibrado em recipiente de geometria definida.

Funil padrão tipo Hall

6. CONFORMAÇÃO DE PÓS METÁLICOS

6.1 MISTURA

Dispondo-se de pós metálicos devidamente caracterizados, a primeira operação para se obter componentes pelo processo de Metalurgia do Pó é a mistura. Sua principal função é garantir a homogeneidade de vários componentes da massa de pó com relação aos seguintes aspectos:

- Distribuição granulométrica;

- Densidade aparente;

- Escoabilidade;

- Composição química.

Na mistura, procura-se assegurar uniformidade e distribuição em tamanhos de partículas mais adequadas para a etapa seguinte (compactação). Na mistura, é introduzida uma substância lubrificante, normalmente estereatos ou ceras, cujo objetivo é proteger os pós contra oxidação e reduzir o atrito entre as partículas, e entre as partículas e o ferramental.

Os pós são misturados em misturadores tipo "Y" ou "duplo cone" e o tipo cilindro rotativo conforme figura abaixo.

Exemplos de misturadores

6.2 COMPACTAÇÃO

As formas viáveis dos componentes obtidos por Metalurgia do Pó são definidas na etapa de compactação. Eventualmente, pode-se lançar mão de operações de usinagem simples para complementação destes formatos.

Os principais objetivos da compactação de uma massa de pó são:

- Conformar o pó em um compactado a verde no formato desejado;

- Atingir um nível de porosidade desejado;

- Atingir um nível de resistência mecânica à verde suficiente para manuseio;

- Proporcionar contato necessário entre as partículas para que a sinterização seja adequada.

As principais técnicas existentes para compactação são:

Compactação sem a aplicação de pressão:

  1. por gravidade

  2. por vibração

  3. contínua

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