Fundamentos da Metalurgia do Pó: Processos e Características

Aspectos da Metalurgia do Pó

1. Introdução

Metalurgia do pó, ou pó metalúrgico, é um processo de obtenção de objetos metálicos por prensagem de metais na forma de pó fino em moldes adequados e seu posterior aquecimento abaixo da temperatura de fusão.

Peças fabricadas com este método são caracterizadas por:

• Alta precisão na forma (muitas vezes obtidas sem qualquer tratamento, mesmo para formas complexas).
• Grande variedade de ligas específicas.
• Diferentes graus de densidade, variando de liga muito porosa a muito densa.

Este processo de formação tem sido reforçado nas últimas décadas como um método alternativo de fabricação de componentes metálicos de pequenas dimensões. Com ele é possível produzir formas complexas e pequenas de materiais como metais, cerâmicos, compósitos e componentes metálicos. Eles encontraram inúmeras aplicações em indústrias como automotiva, química, aeroespacial, equipamentos de informática, biomédicos e armamento militar. Exemplos incluem rolamentos sinterizados autolubrificantes, filtros sinterizados, materiais de rolamento, peças injetadas de grande complexidade, metais duros sinterizados para ferramentas de corte e desgaste com camadas adicionais de materiais duros, ferramentas de diamante de extrema dureza, etc.

Uma área de força é o progresso no fabrico de componentes de alumínio de alto desempenho. Também continua a crescer na fabricação de ímãs, o que permitiu melhorias significativas nos domínios das telecomunicações, controle e regulação, construção, medição, diagnósticos médicos e veículos.

A indústria da metalurgia do pó está, nos últimos tempos, sob forte pressão devido ao aumento dos preços das matérias-primas e energia.

2. Principais Operações em Metalurgia do Pó

O processo geralmente envolve:

1. Produção de pós metálicos.
2. Mistura dos metais obtidos.
3. Compactação das peças com prensas.
4. Sinterização das peças.
5. Tratamento térmico.

Além destas operações, outras podem ser adicionadas, dependendo da aplicação, como pré-sinterização, seleção de tamanho, usinagem e tratamento.

2.1 Produção de Pós Metálicos

Existem diferentes maneiras de produzir pó metálico, dependendo das características físicas e químicas dos metais utilizados. Há uma ligação clara entre um método específico de produção de pó e as propriedades que entram no processo final. Vários métodos são utilizados em mecânica e química para a produção de pó para aplicações específicas, mas os métodos mais importantes são a pulverização, a redução de óxidos e a deposição eletrolítica.

Pulverização (Atomização)

O processo de pulverização consiste na atomização do metal e resfriamento com ar ou água. É o método mais utilizado para metais com baixo ponto de fusão, como estanho, chumbo, zinco, cádmio e alumínio. À medida que o metal fundido é forçado através de um pequeno orifício, um fluxo de ar comprimido faz com que o metal colapse e solidifique-se em partículas finamente divididas. Os produtos em pó geralmente têm a forma de partículas esféricas. Uma grande variedade de distribuições de tamanho de partícula pode ser obtida variando a temperatura do metal, pressão e temperatura de atomização, a velocidade de fluxo de metal através do orifício, e o projeto do orifício e bocal. A principal vantagem do método de pulverização é a sua flexibilidade; pode-se produzir pós de granulometria diferente mantendo a uniformidade da distribuição de tamanho de partícula.

Redução de Óxidos

A redução de óxidos fornece um método adequado, acessível e flexível de produção de pó. O maior volume de pó metálico é feito por este método. Óxidos produzidos em fábricas de aço são reduzidos com monóxido de carbono ou hidrogênio, e a poeira de moagem é reduzida posteriormente. A natureza, a dimensão da partícula, a distribuição da matéria e as condições de redução influenciam bastante a forma das partículas depositadas. Se o pó de óxido é classificado antes da redução, pode-se alcançar um alto grau de uniformidade no tamanho do pó reduzido. Partículas produzidas por este método são esponjosas e sua estrutura é ideal para moldagem. A forma é geralmente irregular e as partículas são porosas. Este é o único método prático disponível para a produção de pós de metais refratários, como o tungstênio e molibdênio. A redução de óxido também é um método econômico para a produção de pó de ferro, níquel, cobalto e cobre.

Método Eletrolítico

O método de eletrólise é mais adequado para a produção de pó muito puro, principalmente ferro e cobre. Neste processo, o pó metálico é depositado. Consiste na imersão do metal a ser pulverizado, como ânodos, em banhos com um eletrólito, onde os tanques agem como cátodos. O ferro ou metal pulverizado move-se dos ânodos para os cátodos, depositando-se como um pó fino que pode ser utilizado com facilidade. Ao ajustar a corrente elétrica, a temperatura e a circulação, e a seleção adequada do eletrólito, o pó é obtido corretamente. O depósito obtido pode ser uma substância mole e macia, fosca, posteriormente transformada em pó, ou pode ser um carbureto frágil. Os pós obtidos a partir de depósitos duros e quebradiços geralmente não são adequados para fins de moldagem. A maior parte do pó produzido pela deposição eletrolítica para aplicações comerciais é esponjosa. O pó eletrolítico é geralmente dendrítico. Embora o pó resultante tenha baixa densidade, a estrutura dendrítica tende a dar boas propriedades de moldagem devido à interligação das partículas durante a compactação.

Outros Métodos de Obtenção de Pós Metálicos

• Moagem (Grinding): Este é um processo mecânico. É realizado apenas com metais frágeis, como manganês ou cromo, pois para metais dúcteis ocorre aglomeração. Usam-se moinhos de bolas ou martelo, e ainda melhores, moinhos especiais, como o composto de duas hélices que fazem oposição ao choque de duas correntes de gás que levam as partículas para moer. Enfim, a moagem é um processo de baixo rendimento e só é empregada como um método complementar a outros procedimentos.
• Pulverização Mecânica (Spray): É um processo mecânico. É realizada dirigindo-se um fluxo de metal fundido em um disco que gira em alta velocidade, instalado na superfície de lâminas de metal, que fragmentam o fluxo de metal.
• Decomposição Térmica: É um processo físico-químico. A decomposição térmica de carbonilos obtidos pela passagem de monóxido de carbono em um metal poroso, à temperatura e pressão adequadas, produz pó muito puro, esférico e com grande fineza. Mas o alto preço deste procedimento só o aplica à fabricação de ímãs especiais, como os de ferro e níquel.
• Corrosão Intercristalina: Utiliza-se corrosão intercristalina com aço austenítico tipo 18-8, carregado voluntariamente de carbono, de modo que na temperatura de tratamento térmico de 500-750 ºC haja uma significativa precipitação de carbonetos nos contornos de grão. Então, ataca-se o aço com uma solução de sulfato de cobre e ácido sulfúrico, que dissolve os carbonetos formados. E, finalmente, remove-se o cobre depositado nos grãos com uma lavagem de ácido nítrico. Este procedimento é utilizado para produção de peças sinterizadas de aço inoxidável.

2.2 Mistura dos Pós Obtidos

Isto é essencial para a uniformidade do produto. A distribuição do tamanho de partícula desejado é obtida antecipadamente pela combinação de diferentes tipos de pó utilizados. Pó de liga, óleos e agentes de volatilização para dar uma quantidade desejada de porosidade são adicionados ao pó combinado durante a mistura. O tempo de mistura pode variar de alguns minutos a vários dias, dependendo da experiência e resultados desejados. O sobre-mistura deve ser evitada em muitos casos, porque poderia reduzir o tamanho da partícula e endurecer as partículas.

2.3 Compactação

Esta é a maior operação em metalurgia do pó. A densidade obtida determina a viabilidade do produto final. A maioria da compactação é a frio, embora existam algumas aplicações para as quais as peças são prensadas a quente (hot-pressed).

O objetivo de consolidar o pó é compactá-lo no formato desejado e o mais próximo possível da dimensão final, levando em conta todas as alterações dimensionais resultantes da sinterização. A compactação também é projetada para fornecer o nível e o tipo de porosidade desejada para oferecer resistência adequada ao manuseio.

Técnicas de compactação podem ser classificadas em dois tipos:

1. Técnicas de pressão: prensagem, isostática, consistindo em alta velocidade, forjamento, extrusão, vibração e contínua.
2. Técnicas sem pressão: como gravidade e processo de suspensão contínua.

2.4 Sinterização

O processo de sinterização é normalmente realizado a uma temperatura inferior ao ponto de fusão do constituinte mais elevado. Em alguns casos, a temperatura é alta o suficiente para formar um componente líquido, como na fabricação de carboneto cimentado, em que a sinterização ocorre acima do ponto de fusão do metal de ligação. Em outros casos, a fusão não ocorre em nenhum dos constituintes.

Fornos de sinterização podem ser do tipo de resistência elétrica ou do tipo de ignição a gás. É necessário acompanhar de perto a temperatura para minimizar as variações nas dimensões finais. Uma temperatura de forno muito uniforme torna-o mais adequado para este tipo de trabalho.

Deve-se evitar a formação de filmes superficiais indesejáveis, como óxidos, que afetam grandemente a ligação entre as partículas. Isto pode ser alcançado através do uso de atmosfera protetora controlada. Outra função da atmosfera é reduzir esses filmes se estiverem presentes no pó antes da mistura e aglomeração. A atmosfera protetora não deve conter oxigênio livre e deve ser neutra ou redutora em relação ao metal a ser sinterizado. Atmosfera de hidrogênio seco é usada na sinterização de carbonetos refratários e contatos elétricos, mas a maioria das atmosferas comerciais de sinterização são produzidas por combustão parcial de vários hidrocarbonetos. O gás natural ou propano são usados frequentemente para esta finalidade.

O processo de sinterização é essencialmente um elo sólido por forças atômicas. As forças de sinterização tendem a diminuir com o aumento da temperatura de sinterização, mas todos os obstáculos (como contato superficial incompleto, a presença de filmes superficiais e a falta de plasticidade) diminuirão mais rapidamente com o aumento da temperatura. Assim, temperaturas mais altas tendem a favorecer o processo de sinterização. Quanto maior o tempo de aquecimento ou a temperatura, maior será a ligação entre as partículas e a resistência à tração resultante.

Apesar de muito trabalho experimental e teórico sobre os fundamentos da sinterização, o processo ainda não é totalmente compreendido. O processo de sinterização começa com a ligação entre as partículas à medida que o material aquece. A ligação inclui a difusão de átomos onde há contato íntimo entre as partículas adjacentes, levando ao desenvolvimento de contornos de grão. Esta etapa cria um aumento relativamente grande de resistência e dureza, mesmo após uma curta exposição a altas temperaturas. Durante a fase seguinte, as áreas focais recém-formadas, chamadas pescoços, crescem em tamanho, seguidas por um arredondamento dos poros. A última etapa é o encolhimento e eventual eliminação dos poros. Este estágio raramente é completo, pois as temperaturas e tempos necessários são impraticáveis.

2.5 Tratamento Térmico

Dependendo da aplicação, a peça sinterizada compactada pode ser tratada termicamente para obter propriedades desejáveis específicas. O tratamento térmico pode ser de têmpera ou recozimento para alívio de tensões. Composições de ligas não ferrosas apropriadas podem ser endurecidas por envelhecimento, enquanto o aço pode ser temperado ou ter a superfície carburada, cianetada ou nitretada.

Várias operações podem ser realizadas para completar a produção das peças feitas de pó metálico. Estas operações incluem usinagem, corte, fresagem, polimento, retificação, rebarbação, brunimento e limpeza por jateamento.

Revestimentos de superfície de proteção podem ser aplicados por eletrodeposição, metalização e outros métodos.

Dos vários métodos de ligação, apenas a brasagem tem sido usada amplamente para produtos de metalurgia do pó.

A impregnação é o meio mais comum para preencher os poros internos nos compactados sinterizados. Isso é feito principalmente para melhorar as propriedades antifricção, como em rolamentos autolubrificantes.

3. Características dos Pós Metálicos

As características básicas do pó metálico em uma condição extraordinária são seu comportamento durante o processamento e as propriedades do produto acabado. Estas características básicas são: composição química, pureza, tamanho de partícula e distribuição de tamanho, forma e microestrutura das partículas e densidade do pó solto.

Distribuição e Tamanho de Partículas

A distribuição do tamanho de partícula é importante para o empacotamento do pó e influencia seu comportamento durante a moldagem e sinterização. Na prática, a seleção de uma distribuição de tamanho para uma determinada aplicação é baseada na experiência. Em geral, prefere-se um pó fino a um pó mais grosso, pois metais finos têm tamanhos de poros maiores e menores áreas de contato, o que geralmente leva a melhores propriedades físicas após a sinterização.

A distribuição do tamanho de partícula é especificada em termos de análise de peneiramento, ou a quantidade de pó que passa através das malhas de números 100, 200, etc. É óbvio que os resultados da análise de seleção serão significativos, considerando o tamanho e a distribuição das partículas, somente quando se trata de forma esférica. Se as partículas são irregulares ou em forma de flocos, obtêm-se informações incorretas.

O tamanho dos pós metálicos pode ser subdividido em faixas de peneira e subtamanho. Aqueles que pertencem à classe de tamanho de peneira geralmente concordam com a malha fina pela qual todo o pó passa. Se todo o pó passou por uma malha número 200, é designado como pó menos 200 mesh, etc. Todos os pós subtamanho passam pela malha número 325 utilizados na prática. O tamanho desses pós pode ser especificado pela dimensão média determinada pelo exame microscópico.

Natureza da Superfície e Fluxo

Outra característica importante do pó é a natureza da superfície das partículas individuais. Pós produzidos por redução química de óxidos têm uma superfície muito áspera, enquanto as partículas atomizadas têm granulação de superfície mais fina. A natureza da superfície influencia as forças de atrito, o que é importante quando o pó se assenta ou flui durante a compactação.

Como qualquer reação entre partículas ou entre o pó e seu ambiente começa na superfície, a quantidade de área superficial por unidade de pó pode ser significativa. A área de superfície é muito grande para pós obtidos por técnicas de redução.

As características de empacotamento e fluxo do produto são importantes para a partícula. Partículas esféricas têm excelentes qualidades de sinterização e resultam em características físicas uniformes do produto final; no entanto, descobriu-se que partículas de forma irregular têm maior praticidade de moldagem.

Mecanismo de Empacotamento e Densidade Aparente

O mecanismo de empacotamento envolve três processos: o preenchimento dos espaços entre partículas maiores por partículas menores, a quebra de pontes em arco, e o deslizamento e rotação mútuos das partículas. Estes processos são relevantes quando as cavidades do molde são carregadas com pó metálico.

O peso da quantidade de pó solto necessária para preencher completamente uma cavidade do molde é dado pela densidade aparente. O aumento da gravidade específica ou densidade do material aumenta a densidade do pó solto. Como mencionado anteriormente, o empacotamento das partículas de pó é muito influenciado pelo tamanho e forma da partícula. A única maneira de preencher um espaço completamente é usar cubos alinhados exatamente. Qualquer outra forma de partícula, curva ou irregular, não pode preencher o espaço, o que leva à porosidade.

A importância do empacotamento é estudada na teoria das estruturas cristalinas, que demonstra que as estruturas cúbica de face centrada e hexagonal compacta têm altos fatores de empacotamento. Uma forma eficaz de aumentar a densidade é preencher os espaços entre as partículas com tamanhos menores, o que cria um empacotamento intersticial. Se, entretanto, mesmo partículas menores não puderem preencher completamente os poros, ainda é possível que a adição de partículas menores diminua a densidade do pó solto (efeito contrário à expectativa) pela formação de cavidades em arco.

A densidade do pó é uma propriedade de grande importância para as operações de moldagem e sinterização. Pós com baixa densidade exigem um ciclo de compreensão maior e cavidades profundas para produzir uma densidade aglomerada e tamanho especificados. A tendência de encolhimento da pastilha durante a sinterização parece diminuir com o aumento da densidade.