Metalurgia do Pó e Soldagem: Processos, Vantagens e Tipos

Metalurgia do Pó: Processos e Aplicações

Vantagens da Metalurgia do Pó

• Minimiza a perda de matérias-primas, utilizando apenas a quantidade de pó necessária para o produto final.
• Oferece controle preciso dos limites de composição.
• Permite eliminar ou minimizar operações de usinagem.
• Todas as operações são suscetíveis à automação.
• Bom acabamento superficial é alcançado, sem marcas de moldagem.
• É a única técnica que permite porosidade controlada e distribuição interna de oxidação, altamente apropriada para endurecimento.
• Evita a segregação.
• Permite a obtenção de um grande número de peças que não podem ser feitas por métodos convencionais.

Desvantagens da Metalurgia do Pó

• As peças devem ter uma forma que permita fácil extração da matriz, limitando as possibilidades de design.
• O tamanho da peça é limitado pela força da prensa, que muitas vezes ultrapassa 500 toneladas.
• As peças produzidas por metalurgia do pó podem não ter as mesmas propriedades mecânicas que as obtidas por métodos convencionais.
• O fator econômico é muito importante neste processo, devido ao alto custo do aço da matriz ou do carboneto de tungstênio.

Compactação na Metalurgia do Pó

Esta operação visa moldar o metal em pó no tamanho e forma desejados, conferindo-lhe a força e consistência necessárias para ser manuseado com cuidado antes da sinterização. A coesão do produto comprimido pode ser considerada como verdadeiros pontos de solda a frio dos pós em contato. É realizada pela introdução do pó em uma matriz que deve ser fácil de fabricar, com alta resistência ao desgaste, sendo geralmente feita de aço sólido e carboneto de tungstênio. O pó é submetido à pressão, que pode variar entre 800 e 20.000 kg/cm². A maioria das normas utiliza tipicamente 40.000 kg/cm².

Sinterização: Processo Essencial na Metalurgia do Pó

A sinterização é a operação principal na metalurgia do pó, projetada para conferir coesão e resistência ao produto compactado. O aquecimento da massa de pó ocorre a uma temperatura abaixo do ponto de fusão (temperatura de sinterização), geralmente entre 2/3 e 4/5 da temperatura de fusão. Este aquecimento é mantido por tempo suficiente para que as partículas se unam e o componente resultante, frequentemente poroso, adquira resistência mecânica suficiente. Todo o processo é realizado em atmosfera protetora.

Soldagem: Tipos e Aplicações

O processo de soldagem pode ser definido como uma união fixa ou permanente entre metais, na qual a adesão ocorre com a aplicação de calor a uma temperatura adequada, com ou sem a adição de metal fundido ou liga, e com ou sem aplicação de pressão.

Metalurgicamente, é um processo complexo que ocorre quando a distância entre os átomos nas superfícies de contato é tal que permite o desenvolvimento de forças interatômicas de adesão. Os tipos mais comuns são:

Soldas Heterogêneas

São aquelas que ocorrem entre metais de natureza diferente, com ou sem metal de enchimento. O metal de enchimento pode ser diferente dos metais base, ou os metais base podem ser diferentes, mas o enchimento igual. Os processos mais comuns são a soldagem branda (solda) e a brasagem (soldagem forte), que por sua vez pode ser amarela ou prateada.

Soldas Homogêneas

São aquelas em que os metais base e o metal de enchimento (se houver) são da mesma natureza. Os processos mais comuns são por forjamento, fusão a gás, aluminotérmica, fricção, ultrassom, e dentro do arco elétrico, com ou sem resistência.

Soldagem Branda (Solda)

É realizada unindo peças que podem ser do mesmo metal ou de metais e ligas diferentes, utilizando uma liga metálica de baixo ponto de fusão (sempre inferior a 500 °C). É um processo muito fácil de realizar, mas apresenta as seguintes desvantagens:

• Sua resistência é ligeiramente inferior à dos metais soldados.
• A presença de metais com potenciais galvânicos diferentes, em contato com a umidade, pode causar células de corrosão que produzem uma cor escura na zona de solda e, eventualmente, a sua destruição.
• A resistência mecânica é da ordem de 10-15 kg/mm².

É recomendado apenas para uso em peças de menor responsabilidade, que devem permanecer perfeitamente secas. Também é utilizada para garantir boa vedação em recipientes que devem conter líquidos não agressivos ou gases sob baixa pressão, e para estabelecer contatos elétricos regulares. É empregada principalmente para soldar peças de zinco, estanho, folha de flandres, cobre e suas ligas, e, ocasionalmente, alumínio. A liga mais amplamente utilizada é composta de estanho e chumbo.

Brasagem (Soldagem Forte)

Utiliza ligas de metais de enchimento com ponto de fusão superior a 500 °C, mas ainda inferior ao dos metais a serem unidos. Em nenhum momento deve ocorrer a fusão dos metais base durante o processo de soldagem. De acordo com o metal de solda, destacam-se:

Brasagem Amarela

É realizada a temperaturas entre 650 e 950 °C, utilizando bronze como metal de enchimento na forma de fio. É empregada para soldar ferro e cobre e suas ligas, e, em geral, para metais e ligas com temperatura de fusão superior a 900 °C. Geralmente, atinge uma resistência à tração da ordem de 25 a 35 kg/mm².

Brasagem com Prata

Diferente da brasagem amarela, a técnica de operação é completamente distinta. Na brasagem amarela, pode haver folga entre as superfícies de união, mas na brasagem com prata, o ajuste deve ser o mais preciso possível, pois a força máxima é obtida quando a folga varia entre 0,03 e 0,05 milímetro, permitindo a penetração da liga de prata por ação capilar. Esta liga é baseada em prata, com zinco, cobre e cádmio. A aplicação mais generalizada é a soldagem de pastilhas de metal duro, como o vidia (produto sinterizado de alta resistência), para cabos de ferramentas.

Soldagem por Forjamento

É a abordagem tradicional utilizada pelos ferreiros. Envolve o aquecimento das peças a serem unidas em um forno a uma temperatura próxima da fusão, para alcançar plasticidade adequada, e então forjá-las juntas. É necessário que as superfícies de contato estejam completamente limpas e que o contato entre elas seja o mais perfeito possível. É geralmente aplicada ao aço de baixo teor de carbono, com temperatura de aquecimento de 1300 °C.

Soldagem Aluminotérmica (Termite)

Também conhecida como Termite. Utiliza como metal de enchimento e fonte de calor o ferro líquido superaquecido, obtido a partir da reação altamente exotérmica entre o alumínio e o óxido de ferro finamente dividido.

Como fonte de energia, utiliza-se a termita, uma mistura de alumínio e óxido de ferro na proporção de 1 para 3, à qual podem ser adicionadas ferroligas. A reação ocorre a uma temperatura de 3000 °C, suficiente para derreter o ferro que atua como metal de enchimento.

Suas principais aplicações incluem a soldagem de seções muito espessas sem remoção de material, como trilhos de ferrovias, grandes eixos, cremalheiras de locomotivas e blocos de motores grandes. Também é amplamente utilizada na soldagem de condutores elétricos para aterramento.

Sua principal vantagem sobre outros procedimentos é que a solda é obtida em toda a seção simultaneamente, em vez de em camadas sucessivas.

Soldagem por Ultrassom (Ponto)

É realizada pela aplicação de vibração ultrassônica em duas placas colocadas sob pressão de contato entre dois sonotrodos. Essa vibração transmite energia que causa atrito e aquecimento nas placas em contato, resultando em uma solda perfeita.

Soldagem a Gás (Fusão a Gás)

Neste processo, o calor necessário para fundir as bordas das peças a serem unidas e o metal de adição provém da combinação de um gás (acetileno, hidrogênio, metano, etano, propano, butano, etc.) com oxigênio no bico de um maçarico. O diâmetro do bico será maior quanto maior a espessura e a condutividade térmica do material a ser soldado. A combustão de acetileno com oxigênio produz uma chama que atinge a temperatura máxima para este procedimento, na ordem de 3500 °C. É o mais apropriado para a soldagem de peças finas, e suas aplicações são limitadas pela baixa temperatura da chama em comparação com a soldagem a arco. Para soldar peças de maior espessura, é necessário pré-aquecer as áreas a serem soldadas.

Oxicorte

É um processo de corte de metal por queima localizada, utilizando um fluxo de oxigênio. É uma aplicação do maçarico oxiacetilênico para derreter o metal e uma corrente de ar ou oxigênio sob pressão para remover o metal derretido. O procedimento de corte baseia-se no pré-aquecimento do metal até o rubro com a chama do maçarico e, em seguida, na sua queima com uma corrente de oxigênio sob pressão. O equipamento é composto pelos mesmos elementos da soldagem a gás, mas o maçarico difere por possuir um conduto ou lança para o oxigênio de corte. É amplamente utilizado em demolições e trabalhos subaquáticos; neste último caso, a pressão de saída dos gases deve ser maior quanto maior a profundidade de trabalho.

Soldagem por Arco Elétrico

É o procedimento mais difundido para unir peças de metal. Utiliza calor concentrado para soldagem por fusão, com ou sem metal de adição. As condições de operação do arco dependem da natureza dos eletrodos e do gás interposto no arco. A energia produzida é distribuída: 43% no ânodo, 36% no cátodo e o restante na coluna de gás. Portanto, cerca de 60% do calor é utilizado para aquecer e derreter o metal, e o restante é dissipado no ambiente. Para iniciar o arco, estabelece-se um contato entre o eletrodo e a peça. Isso provoca um curto-circuito que cria uma alta corrente, gerando um brilho vermelho por efeito Joule tanto na ponta do eletrodo quanto na zona de contato da peça. Nessas condições, o gás ionizado nas proximidades do contato, se o eletrodo for separado da peça por alguns milímetros, permite a passagem de corrente através do gás ionizado, formando o arco de solda ou chama luminosa. Quando o arco ocorre, a energia térmica emitida funde tanto a extremidade do eletrodo quanto a área de metal da peça localizada à frente, e ambos se misturam intimamente. A penetração do arco é medida pela espessura do metal a ser derretido sob o eletrodo. À medida que o eletrodo é consumido, ele deve ser aproximado da peça para manter o comprimento do arco constante, pois se ficar muito grande, o arco se desliga. A estabilidade de um arco será maior quanto mais essa distância puder ser variada sem que ele se apague. Normalmente, a corrente contínua de arco é mais estável do que a alternativa.

Soldagem por Arco em Atmosfera Inerte

Este processo baseia-se em isolar o arco e o metal fundido do ar por meio de um gás inerte. Para este fim, empregam-se gases nobres, hidrogênio e dióxido de carbono. Os procedimentos mais comuns são:

Soldagem TIG (Tungstênio Gás Inerte)

O arco é estabelecido em um ambiente neutro de hélio ou argônio, entre a peça e um eletrodo de tungstênio (não consumível). O metal de adição é fornecido por uma vareta de solda sem revestimento, com composição semelhante à das peças a serem unidas.

Soldagem por Arco de Hidrogênio Atômico

O aquecimento é conseguido através de um arco estabelecido entre dois eletrodos de tungstênio em uma atmosfera de hidrogênio.

Soldagem MIG (Metal Inerte Gás)

Este procedimento substitui o eletrodo de tungstênio por um fio de metal de adição nu, com composição similar às peças a serem unidas. O fio é alimentado automaticamente a uma velocidade igual à de seu consumo no arco, em atmosfera de hélio ou argônio.

Soldagem MAG (Metal Ativo Gás)

É uma variante do processo anterior (MIG), na qual o hélio ou argônio é substituído por CO2 seco, com pureza de 99%, por ser muito mais barato.

Soldagem por Resistência Elétrica

Baseia-se no efeito Joule e engloba os processos em que o aquecimento é produzido pela passagem de uma corrente elétrica através de peças de pequena espessura. Os mais típicos são:

Soldagem por Pontos

As peças a serem unidas são colocadas sobrepostas entre dois eletrodos que as comprimem, e uma corrente elétrica de alta intensidade e baixa tensão é passada através delas. O calor máximo é desenvolvido entre as duas partes, na região dos eletrodos, resultando em uma solda por pontos em forma de lentilha. A distância entre os pontos deve ser superior a um determinado valor, e deve ser maior quanto maior a condutividade dos metais a serem soldados, para evitar que a corrente de soldagem estabeleça um circuito através de pontos já feitos. É o tipo de solda por resistência mais comumente utilizado, principalmente nas indústrias automobilística, aeronáutica e de eletrodomésticos.

Soldagem por Costura

É uma variante da soldagem por pontos, onde os pontos se sobrepõem perfeitamente, resultando em uma costura contínua e selada. Os eletrodos são cilindros giratórios que transportam corrente para as peças e exercem pressão sobre elas. É utilizada para soldar tanques estanques de paredes finas para petróleo, gás, água, etc. Também é empregada na fabricação de tubos, baldes, para-lamas de carros, entre outros.

Metalurgia da Soldagem

A soldagem envolve complexos processos metalúrgicos que afetam as características das peças soldadas. O aquecimento necessário pode causar mudanças nas microestruturas, semelhantes às obtidas por tratamento térmico de metais. Além disso, o metal que se funde na solda está sujeito aos mesmos princípios de fusão e solidificação, podendo produzir defeitos como a absorção de gases (causando bolhas), reações com gases atmosféricos (formação de gases nocivos), segregação de componentes (incluindo escórias) e tensões internas que podem causar rachaduras e empenamentos.

Soldabilidade dos Metais

O conceito de soldabilidade é normalmente utilizado para indicar a maior ou menor capacidade de um metal ser soldado com uma liga específica sob certas condições. No entanto, o que realmente se busca é conhecer as precauções a serem tomadas para obter uma solda livre de defeitos e com as propriedades mecânicas requeridas.