Metalurgia do pó - Powder metallurgy

Pó de ferro é comumente usado para sinterização

Metalurgia do pó ( PM ) é um termo que cobre uma ampla gama de maneiras pelas quais os materiais ou componentes são feitos de pós metálicos . Os processos de PM podem evitar ou reduzir muito a necessidade de usar processos de remoção de metal , reduzindo drasticamente as perdas de rendimento na fabricação e, muitas vezes, resultando em custos mais baixos.

A metalurgia do pó também é usada para fazer materiais exclusivos impossíveis de se obter por fusão ou conformação de outras maneiras. Um produto muito importante deste tipo é o carboneto de tungstênio (WC). O WC é usado para cortar e formar outros metais e é feito de partículas de WC unidas com cobalto. É amplamente utilizado na indústria para ferramentas de vários tipos e globalmente ~ 50.000 toneladas / ano (t / ano) é feito pela PM. Outros produtos incluem filtros sinterizados , rolamentos impregnados de óleo poroso, contatos elétricos e ferramentas de diamante.

Desde o advento da manufatura aditiva à base de pó metálico em escala de produção industrial (AM) na década de 2010, a sinterização seletiva a laser e outros processos AM de metal são uma nova categoria de aplicações de metalurgia de pó comercialmente importantes.

Visão geral

A prensa de metalurgia do pó e o processo de sinterização geralmente consistem em três etapas básicas: mistura do pó (pulverização), compactação da matriz e sinterização. A compactação é geralmente realizada à temperatura ambiente, e o processo de sinterização a temperatura elevada é normalmente conduzido à pressão atmosférica e sob uma composição de atmosfera cuidadosamente controlada. O processamento secundário opcional, como cunhagem ou tratamento térmico, geralmente ocorre para obter propriedades especiais ou precisão aprimorada.

Um dos métodos mais antigos, e ainda usado para fazer cerca de 1 Mt / ano de componentes estruturais de ligas à base de ferro, é o processo de misturar pós de metal fino (<180 mícrons) (normalmente ferro) com aditivos, como um lubrificante cera, carbono , cobre e / ou níquel , pressionando-os em uma matriz do formato desejado e, em seguida, aquecendo o material comprimido ("parte verde") em uma atmosfera controlada para unir o material por sinterização. Isso produz peças precisas, normalmente muito próximas às dimensões da matriz, mas com porosidade de 5 a 15% e, portanto, propriedades de aço subfabricado. Existem vários outros processos de PM que foram desenvolvidos nos últimos cinquenta anos. Esses incluem:

  • Forjamento em pó: uma "pré-forma" feita pelo método convencional de "prensagem e sinterização" é aquecida e então forjada a quente até a densidade total, resultando em propriedades praticamente como forjado.
  • Prensagem isostática a quente (HIP): Aqui o pó (normalmente atomizado a gás, tipo esférico) é colocado em um molde, normalmente consistindo de uma "lata" metálica de formato adequado. A lata é vibrada, então evacuada e selada. Em seguida, é colocado em uma prensa isostática quente, onde é aquecido a uma temperatura homóloga de cerca de 0,7, e submetido a uma pressão externa de gás de ~ 100 MPa (1000 bar, 15.000 psi) por várias horas. Isso resulta em uma parte moldada de densidade total com propriedades como trabalhadas ou melhores. O HIP foi inventado na década de 1950-60 e entrou na produção por tonelagem na década de 1970-80. Em 2015, ela foi usada para produzir ~ 25.000 t / ano de aços inoxidáveis ​​e ferramentas, bem como peças importantes de superligas para motores a jato.
  • Moldagem por injeção de metal (MIM): aqui o pó, normalmente muito fino (<25 mícrons) e esférico, é misturado com plástico ou aglutinante de cera até perto da carga máxima de sólidos, normalmente em torno de 65vol%, e moldado por injeção para formar um "verde" parte da geometria complexa. Esta parte é então aquecida ou tratada de outra forma para remover o aglutinante (debinding) para dar uma parte "marrom". Esta peça é então sinterizada e encolhe em ~ 18% para dar uma peça acabada complexa e 95-99% densa (rugosidade da superfície ~ 3 mícrons). Inventada na década de 1970, a produção aumentou desde 2000, com um volume global estimado em 2014 de 12.000 t no valor de € 1265 milhões.
  • As tecnologias de sinterização assistida por corrente elétrica (ECAS) dependem de correntes elétricas para densificar os pós, com a vantagem de reduzir drasticamente o tempo de produção (de 15 minutos do ECAS mais lento para alguns microssegundos do mais rápido), não exigindo um longo aquecimento do forno e permitindo perto densidades teóricas, mas com a desvantagem de formas simples. Os pós empregados no ECAS podem evitar aglutinantes graças à possibilidade de sinterização direta, sem a necessidade de pré-prensagem e de compacto verde. Os moldes são projetados para a forma da peça final, uma vez que os pós se densificam enquanto preenchem a cavidade sob uma pressão aplicada, evitando assim o problema de variações de forma causadas por sinterização não isotrópica e distorções causadas pela gravidade em altas temperaturas. A mais comum dessas tecnologias é a prensagem a quente , que tem sido usada para a produção de ferramentas diamantadas empregadas na indústria de construção. A sinterização de plasma de faísca e o forjamento eletrossinterizado são duas tecnologias ECAS comerciais modernas e industriais.
  • A manufatura aditiva (AM) é uma família relativamente nova de técnicas que usam pós de metal (entre outros materiais, como plásticos) para fazer peças por sinterização ou fusão a laser. Este é um processo em rápido desenvolvimento a partir de 2015, e se classificá-lo como um processo de PM talvez seja incerto neste estágio. Os processos incluem impressão 3D , sinterização seletiva a laser (SLS), fusão seletiva a laser (SLM) e fusão por feixe de elétrons (EBM).

História e capacidades

A história da metalurgia do pó e a arte da sinterização de metal e cerâmica estão intimamente relacionadas. A sinterização envolve a produção de um metal sólido sólido ou peça de cerâmica a partir de um pó inicial. Os antigos incas faziam joias e outros artefatos a partir de pós de metais preciosos, embora a fabricação em massa de produtos PM não tenha começado até meados ou final do século XIX. Nessas primeiras operações de fabricação, o ferro era extraído manualmente da esponja de metal após a redução e, em seguida, era reintroduzido como pó para fusão final ou sinterização.

Uma gama muito mais ampla de produtos pode ser obtida a partir de processos de pó do que da liga direta de materiais fundidos. Em operações de fusão, a " regra de fase " se aplica a todos os elementos puros e combinados e dita estritamente a distribuição de fases líquidas e sólidas que podem existir para composições específicas. Além disso, a fusão de todo o corpo dos materiais iniciais é necessária para a formação de ligas, impondo assim restrições químicas, térmicas e de contenção indesejáveis ​​na fabricação. Infelizmente, o manuseio de pós de alumínio / ferro apresenta grandes problemas. Outras substâncias que são especialmente reativas com o oxigênio atmosférico, como o titânio , são sinteráveis ​​em atmosferas especiais ou com revestimentos temporários.

Na metalurgia do pó ou cerâmica, é possível fabricar componentes que, de outra forma, se decomporiam ou se desintegrariam. Todas as considerações de mudanças de fase sólido-líquido podem ser ignoradas, portanto, os processos de pó são mais flexíveis do que as técnicas de fundição , extrusão ou forjamento . Características controláveis ​​de produtos preparados usando várias tecnologias de pó incluem propriedades mecânicas, magnéticas e outras propriedades não convencionais de materiais como sólidos porosos, agregados e compostos intermetálicos. As características competitivas do processamento de manufatura (por exemplo, desgaste da ferramenta, complexidade ou opções do fornecedor) também podem ser controladas de perto.

Técnicas de produção de pó

Qualquer material fusível pode ser atomizado. Várias técnicas foram desenvolvidas que permitem grandes taxas de produção de partículas em pó, muitas vezes com controle considerável sobre as faixas de tamanho da população final de grãos. Os pós podem ser preparados por esmagamento, moagem, reações químicas ou deposição eletrolítica. Os pós mais comumente usados ​​são materiais à base de cobre e à base de ferro.

Pós dos elementos titânio, vanádio, tório, nióbio, tântalo, cálcio e urânio foram produzidos pela redução em alta temperatura dos nitretos e carbonetos correspondentes . Pós submicrométricos de ferro, níquel, urânio e berílio são obtidos pela redução de oxalatos e formatos metálicos . Partículas extremamente finas também foram preparadas direcionando uma corrente de metal fundido através de um jato de plasma de alta temperatura ou chama , atomizando o material. Vários processos químicos e de pulverização associados à chama são adotados em parte para prevenir a degradação séria das superfícies das partículas pelo oxigênio atmosférico.

Em termos de tonelagem, a produção de pós de ferro para a produção de peças estruturais de PM supera a produção de todos os pós de metais não ferrosos combinados. Praticamente todos os pós de ferro são produzidos por um de dois processos: o processo de esponja de ferro ou atomização de água.

Processo de ferro esponja

O mais antigo desses processos é o processo de ferro-esponja, o principal exemplo de uma família de processos que envolvem a redução do estado sólido de um óxido. No processo, o minério de magnetita selecionada (Fe 3 O 4 ) é misturado com coque e cal e colocado em uma retorta de carboneto de silício. A retorta preenchida é então aquecida em um forno, onde o processo de redução deixa uma “torta” de ferro e uma escória. Nas etapas subsequentes, a retorta é esvaziada, a esponja de ferro reduzida é separada da escória e é triturada e recozida.

O pó resultante é altamente irregular na forma de partícula, garantindo, portanto, uma boa "resistência verde" para que os compactos prensados ​​possam ser prontamente manuseados antes da sinterização e cada partícula contenha poros internos (daí o termo "esponja") para que o bom verde força está disponível em níveis de densidade compactados baixos.

O ferro esponja fornece a matéria-prima para todos os rolamentos autolubrificantes à base de ferro e ainda é responsável por cerca de 30% do uso de pó de ferro em peças estruturais de PM.

Atomização

A atomização é realizada forçando uma corrente de metal fundido através de um orifício a pressões moderadas. Um gás é introduzido na corrente de metal pouco antes de deixar o bico, servindo para criar turbulência à medida que o gás arrastado se expande (devido ao aquecimento) e sai em um grande volume de coleta exterior ao orifício. O volume de coleta é preenchido com gás para promover mais turbulência do jato de metal fundido. Os fluxos de ar e pó são segregados por gravidade ou separação ciclônica . A maioria dos pós atomizados é recozida, o que ajuda a reduzir o teor de óxido e carbono. As partículas atomizadas com água são menores, mais limpas, não porosas e possuem maior amplitude de tamanho, o que permite melhor compactação. As partículas produzidas por este método são normalmente de formato esférico ou de pêra. Normalmente, eles também carregam uma camada de óxido sobre eles.

Existem três tipos de atomização:

  • Atomização líquida
  • Atomização de gás
  • Atomização centrífuga

Técnicas de atomização simples estão disponíveis nas quais o metal líquido é forçado através de um orifício a uma velocidade suficientemente alta para garantir um fluxo turbulento. O índice de desempenho usual usado é o número de Reynolds R = fvd / n, onde f = densidade do fluido, v = velocidade do fluxo de saída, d = diâmetro da abertura en = viscosidade absoluta. Em R baixo, o jato de líquido oscila, mas em velocidades mais altas o fluxo torna-se turbulento e se quebra em gotas. A energia de bombeamento é aplicada à formação de gotículas com eficiência muito baixa (na ordem de 1%) e o controle sobre a distribuição do tamanho das partículas de metal produzidas é bastante pobre. Outras técnicas, como vibração do bico, assimetria do bico, múltiplas correntes de impacto ou injeção de metal fundido no gás ambiente, estão disponíveis para aumentar a eficiência da atomização, produzir grãos mais finos e estreitar a distribuição do tamanho das partículas. Infelizmente, é difícil ejetar metais através de orifícios menores do que alguns milímetros de diâmetro, o que na prática limita o tamanho mínimo dos grãos de pó a aproximadamente 10 μm. A atomização também produz um amplo espectro de tamanhos de partículas, necessitando de classificação downstream por triagem e refusão de uma fração significativa do limite do grão.

Desintegração centrífuga

A desintegração centrífuga de partículas fundidas oferece uma maneira de contornar esses problemas. Uma vasta experiência está disponível com ferro, aço e alumínio. O metal a ser pulverizado é formado em uma haste que é introduzida em uma câmara por meio de um fuso que gira rapidamente. Oposto à ponta do fuso está um eletrodo a partir do qual é estabelecido um arco que aquece a haste de metal. À medida que o material da ponta se funde, a rápida rotação da haste emite minúsculas gotículas derretidas que se solidificam antes de atingir as paredes da câmara. Um gás circulante varre as partículas da câmara. Técnicas semelhantes podem ser empregadas no espaço ou na lua. A parede da câmara pode ser girada para forçar novos pós em vasos de coleta remotos, e o eletrodo pode ser substituído por um espelho solar focado na extremidade da haste.

Uma abordagem alternativa capaz de produzir uma distribuição muito estreita de tamanhos de grãos, mas com baixo rendimento, consiste em uma tigela giratória rapidamente aquecida até bem acima do ponto de fusão do material a ser pulverizado. O metal líquido, introduzido na superfície da bacia perto do centro em taxas de fluxo ajustadas para permitir que uma fina película de metal deslize uniformemente pelas paredes e sobre a borda, quebra-se em gotículas, cada uma com aproximadamente a espessura da película.

Outras técnicas

Outra técnica de produção de pó envolve um jato fino de metal líquido interceptado por correntes de água atomizada em alta velocidade que quebram o jato em gotas e resfriam o pó antes que ele atinja o fundo da lata. Nas operações subsequentes, o pó é seco. Isso é chamado de atomização de água. A vantagem da atomização da água é que o metal se solidifica mais rápido do que pela atomização do gás, uma vez que a capacidade térmica da água é algumas magnitudes mais altas do que a dos gases. Uma vez que a taxa de solidificação é inversamente proporcional ao tamanho da partícula, partículas menores podem ser feitas usando atomização de água. Quanto menores forem as partículas, mais homogênea será a microestrutura. Observe que as partículas terão uma forma mais irregular e a distribuição do tamanho das partículas será mais ampla. Além disso, pode ocorrer alguma contaminação da superfície por oxidação da formação de película. O pó pode ser reduzido por algum tipo de tratamento de pré-consolidação, como o recozimento usado na fabricação de ferramentas de cerâmica.

Compactação de pó

Ródio metálico: pó, pellet pressionado (3 × 10 5 psi) fundido novamente.

A compactação de pó é o processo de compactação de pó metálico em uma matriz por meio da aplicação de altas pressões. Normalmente, as ferramentas são mantidas na orientação vertical com a ferramenta de punção formando o fundo da cavidade. O pó é então compactado em uma forma e, em seguida, ejetado da cavidade da matriz. Em várias dessas aplicações, as peças podem exigir muito pouco trabalho adicional para o uso pretendido; tornando a fabricação muito eficiente em termos de custos.

A densidade do pó compactado aumenta com a quantidade de pressão aplicada. As pressões típicas variam de 80 psi a 1000 psi (0,5 MPa a 7 MPa), foram obtidas pressões de 1000 psi a 1.000.000 psi. Pressões de 10 t / in² a 50 t / in² (150 MPa a 700 MPa) são comumente usadas para compactação de pó metálico. Para obter a mesma taxa de compressão em um componente com mais de um nível ou altura, é necessário trabalhar com vários punções inferiores. Uma peça cilíndrica é feita por ferramentas de nível único. Uma forma mais complexa pode ser feita pelo ferramental comum de vários níveis.

Taxas de produção de 15 a 30 peças por minuto são comuns.

Existem quatro classes principais de estilos de ferramentas: compactação de ação única, usada para componentes finos e planos; ação dupla oposta com dois movimentos de punção, que acomoda componentes mais grossos; dupla ação com matriz flutuante; e morre de retirada de dupla ação. As classes de ação dupla fornecem uma distribuição de densidade muito melhor do que a ação única. O ferramental deve ser projetado de forma que resista a pressões extremas sem deformar ou dobrar. As ferramentas devem ser feitas de materiais polidos e resistentes ao desgaste.

Melhores materiais da peça de trabalho podem ser obtidos por meio da repressão e re-sinterização.

Prensagem

Prensa de compactação de pó

A tecnologia dominante para a formação de produtos a partir de materiais em pó, em termos de tonelagem e número de peças produzidas, é a prensagem. Existem no mercado prensas mecânicas, servoelétricas e hidráulicas, sendo que a maior produção de pó é processada em prensas hidráulicas. Esta tecnologia de formação envolve um ciclo de produção que compreende:

  1. Preenchendo uma cavidade de matriz com um volume conhecido da matéria-prima em pó, fornecida a partir de uma sapata de enchimento.
  2. Compactação do pó dentro da matriz com punções para formar o compacto. Geralmente, a pressão de compactação é aplicada através de punções de ambas as extremidades do conjunto de ferramentas para reduzir o nível de gradiente de densidade dentro do compacto.
  3. Ejeção do compacto da matriz, utilizando a (s) retirada (s) punção (s) inferior (es) da matriz.
  4. Remoção do compacto da face superior da matriz usando a sapata de enchimento no estágio de enchimento do próximo ciclo, ou um sistema de automação ou robô.

Este ciclo oferece um processo prontamente automatizado e com alta taxa de produção.

Considerações de design

Provavelmente, a consideração mais básica é ser capaz de remover a peça da matriz depois de pressionada, evitando cantos agudos no projeto. Recomenda-se manter a área de superfície máxima abaixo de 20 polegadas quadradas (0,013 m 2 ) e a relação altura / diâmetro abaixo de 7 para 1. Além de ter paredes mais espessas do que 0,08 polegadas (2,0 mm) e manter as relações de espessura da parede adjacente abaixo de 2,5 para 1.

Uma das principais vantagens desse processo é sua capacidade de produzir geometrias complexas. As peças com cortes inferiores e roscas requerem uma operação de usinagem secundária. Os tamanhos de peças típicos variam de 0,1 polegadas quadradas (0,65 cm 2 ) a 20 polegadas quadradas (130 cm 2 ). de área e de 0,1 a 4 polegadas (0,25 a 10,16 cm) de comprimento. No entanto, é possível produzir peças com menos de 0,1 polegadas quadradas (0,65 cm 2 ) e maiores que 25 polegadas quadradas (160 cm 2 ). de área e de uma fração de polegada (2,54 cm) a aproximadamente 8 polegadas (20 cm) de comprimento.

Prensagem isostática

Em algumas operações de prensagem, como prensagem isostática a quente (HIP), a formação de compactos e sinterização ocorrem simultaneamente. Este procedimento, junto com as técnicas de compressão por explosão, é amplamente utilizado na produção de peças de alta temperatura e alta resistência, como discos de turbina para motores a jato. Na maioria das aplicações da metalurgia do pó, o compacto é prensado a quente, aquecido a uma temperatura acima da qual os materiais não podem permanecer endurecidos pelo trabalho. A prensagem a quente diminui as pressões necessárias para reduzir a porosidade e acelera os processos de soldagem e deformação de grãos. Também permite melhor controle dimensional do produto, diminui a sensibilidade às características físicas dos materiais de partida e permite que o pó seja comprimido a densidades mais altas do que com a prensagem a frio, resultando em maior resistência. Os aspectos negativos da prensagem a quente incluem vida útil mais curta da matriz, produção mais lenta devido ao aquecimento do pó e a necessidade frequente de atmosferas protetoras durante os estágios de formação e resfriamento.

Compactação de pó isostático

A compactação isostática de pó é um processo de modelagem que conserva a massa. Partículas finas de metal são colocadas em um molde flexível e, em seguida, alta pressão de fluido é aplicada ao molde, em contraste com a pressão direta aplicada pelas faces da matriz de um processo de prensagem. O artigo resultante é então sinterizado em um forno que aumenta a resistência da peça pela ligação das partículas de metal. Este processo de fabricação produz muito pouca sucata e pode ser usado para fazer muitos formatos diferentes. As tolerâncias que este processo pode atingir são muito precisas, variando de +/- 0,008 pol. (0,2 mm) para dimensões axiais e +/- 0,020 pol. (0,5 mm) para dimensões radiais. Este é o tipo mais eficiente de compactação de pó (as seguintes subcategorias também são desta referência). Esta operação é geralmente aplicável apenas em pequenas quantidades de produção, embora o custo de um molde muito mais baixo do que o das matrizes de prensagem ele geralmente não seja reutilizável e o tempo de produção seja muito mais longo.

As pressões de compactação variam de 15.000  psi (100.000  kPa ) a 40.000 psi (280.000 kPa) para a maioria dos metais e aproximadamente 2.000 psi (14.000 kPa) a 10.000 psi (69.000 kPa) para não metais. A densidade das peças compactadas isostáticas é 5% a 10% maior do que com outros processos de metalurgia do pó.

Equipamento

Existem muitos tipos de equipamentos usados ​​na compactação isostática de pó. Existe o molde que contém a peça, que é flexível, um molde de pressão externo flexível que contém e sela o molde, e a máquina que entrega a pressão. Também existem dispositivos para controlar a quantidade de pressão e por quanto tempo a pressão é mantida. As máquinas precisam aplicar pressões de 15.000 a 40.000 libras por polegada quadrada (100 a 280 MPa) para metais.

Possibilidades geométricas

Os tamanhos típicos da peça de trabalho variam de 0,25 pol (6,35 mm) a 0,75 pol (19,05 mm) de espessura e 0,5 pol (12,70 mm) a 10 pol (254 mm) de comprimento. É possível compactar peças de trabalho que têm entre 0,0625 pol. (1,59 mm) e 5 pol. (127 mm) de espessura e 0,0625 pol. (1,59 mm) a 40 pol. (1.016 mm) de comprimento.

Estilo de ferramenta

As ferramentas isostáticas estão disponíveis em três estilos, molde livre (saco úmido), molde grosso (saco úmido) e molde fixo (saco seco). O estilo de molde livre é o estilo tradicional de compactação isostática e geralmente não é usado para trabalhos de alta produção. No ferramental de molde livre, o molde é removido e preenchido fora do recipiente. Saco úmido é onde o molde está localizado no recipiente, mas preenchido do lado de fora. No ferramental de molde fixo, o molde é contido dentro do canister, o que facilita a automação do processo.

Prensagem isostática a quente

Artigo principal: Prensagem isostática a quente

A prensagem isostática a quente (HIP) comprime e sinteriza a peça simultaneamente, aplicando calor de 900 ° F (480 ° C) a 2250 ° F (1230 ° C). O gás argônio é o gás mais comum usado no HIP por ser um gás inerte, evitando reações químicas durante a operação.

Prensagem isostática a frio

A prensagem isostática a frio (CIP) usa fluido como meio de aplicar pressão ao molde em temperatura ambiente. Após a retirada, a peça ainda precisa ser sinterizada. É útil para distribuir a pressão uniformemente sobre o material de compactação contido em um saco de borracha.

Considerações de design

As vantagens em relação à compactação de pó padrão são a possibilidade de paredes mais finas e peças maiores. A relação altura / diâmetro não tem limitação. Não existem limitações específicas nas variações da espessura da parede, entalhes , relevos, roscas e orifícios transversais. Nenhum lubrificante é necessário para a compactação isostática do pó. A espessura mínima da parede é 0,05 pol. (1,27 mm) e o produto pode pesar entre 40 e 300 libras (18 e 136 kg). Ocorre um encolhimento de 25 a 45% do pó após a compactação.

Sinterização

Artigo principal: Sinterização

Após a compactação, os materiais em pó são aquecidos em atmosfera controlada em um processo conhecido como sinterização. Durante este processo, as superfícies das partículas são ligadas e as propriedades desejáveis ​​são alcançadas.

A sinterização de metais em pó é um processo no qual partículas sob pressão se ligam quimicamente a si mesmas para formar uma forma coerente quando expostas a altas temperaturas. A temperatura na qual as partículas são sinterizadas está mais comumente abaixo do ponto de fusão do componente principal do pó. Se a temperatura estiver acima do ponto de fusão de um componente da peça metálica em pó, o líquido das partículas fundidas preenche os poros. Este tipo de sinterização é conhecido como sinterização no estado líquido. Um grande desafio da sinterização em geral é saber o efeito do processo nas dimensões das partículas compactas. Isso é especialmente difícil para fins de ferramentas em que dimensões específicas podem ser necessárias. É mais comum que a peça sinterizada encolha e se torne mais densa, mas também pode se expandir ou não sofrer nenhuma alteração líquida.

A principal força motriz para a sinterização de estado sólido é um excesso de energia livre de superfície. O processo de sinterização no estado sólido é complexo e dependente das condições do material e do forno (temperatura e gás). Existem seis estágios principais em que os processos de sinterização podem ser agrupados, nos quais podem se sobrepor: 1 ligação inicial entre as partículas, 2) crescimento do pescoço, 3) fechamento do canal dos poros, 4) arredondamento dos poros, 5) densificação ou redução dos poros e 6 ) engrossamento dos poros. Os principais mecanismos presentes nesses estágios são evaporação , condensação , contornos de grão , difusão de volume e deformação plástica .

A maioria dos fornos de sinterização contém três zonas com três propriedades diferentes que ajudam a realizar as seis etapas acima. A primeira zona, comumente chamada de estágio de queima ou purga, é projetada para queimar o ar, queimar quaisquer contaminantes como lubrificantes ou aglutinantes e aumentar lentamente a temperatura dos materiais compactos. Se a temperatura das peças compactas aumentar muito rapidamente, o ar nos poros terá uma pressão interna muito alta, o que pode levar à expansão ou fratura da peça. A segunda zona, conhecida como estágio de alta temperatura, é usada para produzir difusão de estado sólido e ligação de partículas. O material está procurando diminuir sua energia superficial e o faz movendo-se em direção aos pontos de contato entre as partículas. Os pontos de contato tornam-se maiores e, eventualmente, uma massa sólida com pequenos poros é criada. A terceira zona, também chamada de período de resfriamento, é usada para resfriar as peças ainda em atmosfera controlada. Esta é uma zona importante, pois evita a oxidação por contato imediato com o ar ou um fenômeno conhecido como resfriamento rápido. Todas as três etapas devem ser realizadas em uma atmosfera controlada sem oxigênio. Hidrogênio, nitrogênio, amônia dissociada e hidrocarbonetos craqueados são gases comuns bombeados para as zonas do forno, proporcionando uma atmosfera redutora, evitando a formação de óxidos.

Durante este processo, várias características são aumentadas, incluindo a resistência , ductilidade , tenacidade e condutividade elétrica e térmica do material. Se diferentes pós elementares forem compactos e sinterizados, o material formará ligas e fases intermetálicas.

Conforme os tamanhos dos poros diminuem, a densidade do material aumentará. Como afirmado acima, essa contração é um grande problema na fabricação de peças ou ferramentas nas quais dimensões particulares são necessárias. A contração dos materiais de teste é monitorada e usada para manipular as condições do forno ou para sobredimensionar os materiais compactos a fim de atingir as dimensões desejadas. Porém, a sinterização não esgota a parte compacta da porosidade . Em geral, as peças de metal em pó contêm de cinco a vinte e cinco por cento de porosidade após a sinterização.

Para permitir o empilhamento eficiente do produto no forno durante a sinterização e evitar que as peças grudem umas nas outras, muitos fabricantes separam os produtos usando placas separadoras de pó cerâmico. Essas folhas estão disponíveis em vários materiais, como alumina, zircônia e magnésia. Eles também estão disponíveis em tamanhos de partícula fina, média e grossa. Ao combinar o material e o tamanho da partícula com os produtos que estão sendo sinterizados, os danos à superfície e a contaminação podem ser reduzidos, ao mesmo tempo que se maximiza o carregamento do forno por lote.

Uma técnica desenvolvida recentemente para sinterização de alta velocidade envolve a passagem de alta corrente elétrica através de um pó para aquecer preferencialmente as asperezas . A maior parte da energia serve para derreter aquela porção do compacto onde a migração é desejável para densificação; comparativamente, pouca energia é absorvida pelos materiais a granel e pelas máquinas de conformação. Naturalmente, esta técnica não é aplicável a pós eletricamente isolantes.

Processamento contínuo de pó

A frase "processo contínuo" deve ser usada apenas para descrever modos de fabricação que podem ser estendidos indefinidamente no tempo. Normalmente, no entanto, o termo se refere a processos cujos produtos são muito mais longos em uma dimensão física do que nas outras duas. Compressão, laminação e extrusão são os exemplos mais comuns.

Em um processo de compressão simples, o pó flui de uma caixa para um canal de duas paredes e é repetidamente comprimido verticalmente por um punção horizontalmente estacionário. Após a retirada da compressa do transportador, a massa compactada é introduzida em um forno de sinterização. Uma abordagem ainda mais fácil é pulverizar o pó em uma correia em movimento e sinterizá-la sem compressão. No entanto, bons métodos para retirar materiais prensados ​​a frio de correias móveis são difíceis de encontrar. Uma alternativa que evita a dificuldade de remoção da correia é a fabricação de chapas de metal usando aríetes hidráulicos opostos , embora linhas de fraqueza ao longo da folha possam surgir durante as operações de prensagem sucessivas.

Os pós também podem ser laminados para produzir folhas. O metal em pó é alimentado em um laminador de dois altos e é compactado em forma de tira a até 100 pés por minuto (0,5 m / s). A tira é então sinterizada e sujeita a outra laminação e sinterização adicional. A laminação é comumente usada para produzir chapas de metal para componentes elétricos e eletrônicos, bem como moedas . Um trabalho considerável também foi feito na laminação de várias camadas de diferentes materiais simultaneamente em folhas.

Os processos de extrusão são de dois tipos gerais. Em um tipo, o pó é misturado com um aglutinante ou plastificante à temperatura ambiente; no outro, o pó é extrudado em temperaturas elevadas sem fortificação. As extrusões com ligantes são amplamente utilizadas na preparação de compósitos de carboneto de tungstênio. Tubos, seções complexas e formatos de broca em espiral são fabricados em comprimentos estendidos e diâmetros variando na faixa de 0,5–300 mm (0,020–11,811 pol.). Fios de metal duro de 0,1 mm (0,0039 pol.) De diâmetro foram retirados do estoque em pó. No extremo oposto, grandes extrusões por tonelagem podem ser viáveis.

Para metais mais macios e mais fáceis de formar, como alumínio e ligas de cobre, a extrusão contínua também pode ser realizada usando processos como conformar ou extrusão rotativa contínua. Esses processos usam uma roda giratória com uma ranhura em torno de sua circunferência para conduzir o pó solto através de uma matriz de formação. Por meio de uma combinação de alta pressão e um caminho de deformação complexo, as partículas de pó se deformam, geram uma grande quantidade de calor de atrito e se unem para formar um sólido a granel. Teoricamente, a operação totalmente contínua é possível, desde que o pó possa ser alimentado no processo.

Parece não haver limitação para a variedade de metais e ligas que podem ser extrudados, desde que as temperaturas e pressões envolvidas estejam dentro das capacidades dos materiais de matriz. Os comprimentos de extrusão podem variar de 3 a 30 me diâmetros de 0,2 a 1 m. As impressoras modernas são amplamente automáticas e operam em altas velocidades (da ordem de m / s).

Temperaturas de extrusão de metais comuns e ligas
Material Temperatura de extrusão
K ° C
Magnésio e suas ligas 573-673 300-400
Alumínio e suas ligas 673-773 400-500
Latão 923-1123 650-850
Latão de níquel 1023-1173 750-900
Cobre 1073-1153 800-880
Cupro-níquel 1173–1273 900-1000
Aços 1323-1523 1050-1250
Monel 1373-1403 1100-1130
Níquel 1383-1433 1110-1160
Inconel 1443-1473 1170-1200

Consolidação de choque (dinâmica)

A consolidação de choque, ou consolidação dinâmica, é uma técnica experimental de consolidação de pós usando ondas de choque de alta pressão. Estes são normalmente produzidos ao impactar a peça de trabalho com uma placa acelerada de forma explosiva. Apesar de ser pesquisada há muito tempo, a técnica ainda apresenta alguns problemas de controlabilidade e uniformidade. No entanto, oferece algumas vantagens potenciais valiosas. Por exemplo, a consolidação ocorre tão rapidamente que as microestruturas metaestáveis ​​podem ser retidas.

Sinterização assistida por corrente elétrica

Essas técnicas empregam correntes elétricas para impulsionar ou melhorar a sinterização. Através de uma combinação de correntes elétricas e pós de pressão mecânica, os pós sinterizam mais rapidamente, reduzindo assim o tempo de sinterização em comparação com as soluções térmicas convencionais. As técnicas podem ser divididas em duas categorias principais: sinterização por resistência, que incorpora a sinterização por plasma de centelha e prensagem a quente ; e sinterização por descarga elétrica, como sinterização por descarga por capacitor ou seu derivado, forjamento por eletrossinterização . As técnicas de sinterização por resistência são métodos de consolidação baseados em temperatura, onde o aquecimento do molde e dos pós é realizado por meio de correntes elétricas, geralmente com um tempo de processamento característico de 15 a 30 minutos. Por outro lado, os métodos de sinterização por descarga elétrica dependem de correntes de alta densidade (de 0,1 a 1 kA / mm ^ 2) para sinterizar diretamente pós eletricamente condutores, com um tempo característico entre dezenas de microssegundos a centenas de milissegundos.

Produtos especiais

Muitos produtos especiais são possíveis com a tecnologia de metalurgia do pó. Uma lista não exaustiva inclui whiskers de Al 2 O 3 revestidos com camadas de óxido muito finas para refração aprimorada; compactos de ferro com revestimentos de Al 2 O 3 para maior resistência à fluência em alta temperatura; filamentos de lâmpadas fabricados com tecnologia de pó; lonas para freios de fricção; vidros metálicos para filmes e fitas de alta resistência; escudos de calor para a reentrada de espaçonaves na atmosfera da Terra; contatos elétricos para lidar com grandes fluxos de corrente; ímãs ; ferrites de microondas ; filtros para gases; e rolamentos que podem ser infiltrados com lubrificantes .

Filmes extremamente finos e pequenas esferas exibem alta resistência. Uma aplicação dessa observação é revestir materiais frágeis na forma de bigode com um filme submicrométrico de metal muito mais macio (por exemplo, tungstênio revestido de cobalto ). A deformação superficial da camada fina coloca o metal mais duro sob compressão, de modo que quando todo o compósito é sinterizado, a resistência à ruptura aumenta acentuadamente. Com este método, resistências na ordem de 2,8 GPa versus 550 MPa foram observadas para, respectivamente, carbonetos de tungstênio revestidos (25% de cobalto) e não revestidos .

Perigos

Os materiais e processos especiais usados ​​na metalurgia do pó podem representar riscos à vida e à propriedade. A alta proporção de área de superfície para volume dos pós pode aumentar sua reatividade química em exposições biológicas (por exemplo, inalação ou ingestão) e aumenta o risco de explosões de poeira . Materiais considerados relativamente benignos a granel podem representar riscos toxicológicos especiais quando em uma forma finamente dividida.

Veja também

Referências

Fontes citadas

Leitura adicional

  • Uma versão anterior deste artigo foi copiada do Apêndice 4C do Advanced Automation for Space Missions , um relatório da NASA de domínio público.
  • RM German, "Powder Metallurgy and Particulate Materials Processing," Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, 2005.
  • F. Thummler e R.Oberacker "Uma Introdução à Metalurgia do Pó" The institute of Materials, Londres 1993
  • GS Upadhyaya, "Sintered Metallic and Ceramic Materials" John Wiley and Sons, West Sussex, Inglaterra, 2000

links externos