INTRODUÇÃO À TECNOLOGIA DE MATERIAIS PARTICULADOS

Metalurgia do Pó

INTRODUÇÃO À CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

Ciência de Materiais

- Investiga as correlações que existem entre as estruturas e propriedades dos materiais.

Engenharia de Materiais

- Com base nas correlações estrutura-propriedade, projeta a estrutura de um material para produzir um determinado conjunto de propriedades.

Desempenho

SínteseProcessamento

Propriedades

Composição Estrutura

TETRAEDRO PPPP

Princípios

Processamento

Produtos Propriedades

1. Introdução à Metalurgia do Pó Metalurgia do pó é o nome dado ao processo pelo

qual finas partículas de materiais são misturadas, compactadas numa forma desejada e então aquecidas para união das superfícies;

Tipicamente utilizada quando grandes quantidades de pequenas peças intrincadas com elevadas precisões (tolerâncias dimensionais estreitas) são requeridas;

Disperdício de pouco material e misturas não usuais podem ser utilizadas;

2. Introdução Utilizada inicialmente no início dos anos 1900’s para

a produção de filamentos de tungstênio para lâmpadas elétricas;

Compete com processos tais como fundição, forjamento e usinagem para a fabricação de componentes;

Usada na fabricação de peças para a indústria automobilística, aproximadamente 70% da fabricação de componentes MP é de peças de automóveis;

INTRODUÇÃO (Continuação) Usada quando:

- O ponto de fusão é muito alto (W, Mo);

- Ocorrem reações na fusão (Zr);

- Materiais muito duro para utilizar operações de usinagem;

- Proporciona bom controle dimensional;

- Porosidade e microestrutura controlada;

- “Near net shape” (Formas próximas da final) ou “Net shape” - (Forma final).

PORQUÊ MP ?

Vantagens de custo

Porquê é a única opção

Melhores propriedades (Confere)

Vantagens

Componentes com elevadas resistências com metais de baixa

ductilidade e metais com elevadas temperaturas de fusão;

Peças com tolerâncias dimensionais estreitas e mínimo processamento;

Possibilidade de obtenção de ligas difíceis de processar por outro

método (Ex: Aços rápidos com elevados teores de carbono e elementos

de liga), geralmente ligas cujas composições excedem os limites de

solubilidade que invibializam o processamento convencional;

Vantagens

Possibilita a criação de peças com formas

complexas;

Reduz o disperdício de material;

Possibilita bom controle da microestrutura

e da porosidade.

Desvantagens O custo dos componentes pode ser relativamente

alto quando comparado com os processos ditos convencionais.

Resistência e rigidez pode ser inferior a de ligas de composição química similares processadas convencionalmente.

Porosidade e baixa ductilidade pode comprometer a durabilidade.

Tenacidade à fratura pode ser baixa.

Sequência de produção (Passos básicos na Metalurgia do Pó) Produção de pós

Mistura dos pós

Compactação

Sinterização

Acabamento

Processos de Matalurgia do Pó

• Upper trip lever for a commercial irrigation sprinkler, made by P/M. this part is made of unleaded brass alloy; it replaces a die-cast part, with a 60% savings.

• Examples of typical parts made by powder-metallurgy processes.

Fabricando peças via Metalurgia do Pó (MP)

18.3 Manufatura dos pós

Propriedades dos produtos MP são fortemente dependentes das características dos pós de partida. Algumas importantes propriedades e características: Química e pureza Tamanho de partícula Distribuição de tamanho de partícula Forma da partícula Textura superficial

Na produção de pós das ligas Cada partícula de pó tem que apresentar a desejada

composição da liga.

Manufatura de pós

A maioria dos pós comerciais é produzida por alguma forma de atomização;

Atomização é um processo onde um líquido é fragmentado em pequenas gotas que resfriam e solidificam na forma de partículas.

Métodos de produção de pós metálicos por atomização

(a) Atomização do líquido (b) Atomização com um eletrodo consumível rotativo.

Panela intermediária ?? Um grande container que atua como um

reservatório para o metal fundente A panela comporta

metal suficiente para prover um fluxo contínuo para o molde, mesmo durante as trocas de caçambas que são supridas periodicamente pelo processo de fabricação do aço. A panela também pode servir para fazer flutuar inclusões detrimentais na camada de escória.

Métodos adicionais de produção de pós Métodos

Redução química de compostos particulados Deposição eletroquímica Pulverização e esmerilhamento Decomposição térmica de partículas de hidretos Precipitação a partir de soluções Condensação de vapores de metais

A maioria dos metais e suas ligas podem ser convertidos em pós.

Pulverização Mecânica

(a) Britagem, (b) Moagem, and (c) moagem com martelos.

18.5 Testes dos Pós e Avaliação Pós devem ser avaliados para ver se são

adequados para processamentos futuros; Taxa de fluidez mede a facilidade com que o pó

pode alimentar e ser distribuido numa matriz; Densidade aparente é a medida da capacidade do

pó de preencher o espaço disponível sem pressão externa;

Compressibilidade é o que efetivamente se comprime com a aplicação de pressão;

Resistência a verde é usado para descrever a resistência do compactado após a compactação.

Fabricando peças via Metalurgia do Pó (MP)

18.6 Mistura de pós A maioria dos pós são misturados com

outros pós, ligantes e lubrificantes para alcançar as características desejadas no produto final;

Suficiente difusão deve ocorrer durante sinterização para assegurar a uniformidade química e estrutural;

Compósitos únicos podem ser produzidos; Operações de mistura podem ser feitas a

seco ou molhado.

Mistura de pós metálicos

Misturar para obter uniformidade;

Misturar para obter propriedades físicas e mecânicas desejadas;

Mistura com lubrificantes para melhorar

características de fluidez;

Mistura ao ar, gás inerte (para evitar oxidação) ou em líquidos.

Fabricando peças via Metalurgia do Pó (MP)

Processamento de pós

Compactação a frio e sinterização Compactação uniaxial a frio Laminação Extrusão Moldagem por injeção Compactação isostática a frio (CIP)

Compactação isostática a quente (HIP)

Compactação de pós

Dual action press

Punch

Punch

Die Part

(Punção)

(Matriz)

(Punção)

(Peça)

(Compactação de dupla ação)

18.7 Compactação

O pó é compactado e densificado numa forma denominada de compactado verde (green compact);

A maioria das compactações é feita mecanicamente com ferramentas rígidas; Compactações hidráulicas e pneumáticas

também são utilizadas.

Pressões de compactação típicas para várias aplicações

Figura 18-3 (Esquerda) Prensa típica para a compactação de pós metálicos. Uma matriz intercambiável (direita) permite que a prensa produza uma peça utilizando uma matriz enquanto a outra está sendo ajustada para produzir uma segunda peça. (Courtesy of Alfa Laval, Inc., Warminster, PA.)

Compactação

(a) Compactação de pós metálicos para produzir uma bucha. A peça compactada é denomidada de verde.

(b) Ferramenta típica

e matriz para a compactação de uma engrenagem cilíndrica.

Considerações Adicionais Durante a Compactação

Quando a pressão é aplicada apenas pelo movimento de um punção, a densidade é máxima exatamente abaixo da superfície do punção e decrescente a partir do punção;

Para formas complexas punções múltiplos devem ser utilizados.

Figura 18-5 Compactação com um punção

simles, mostrando a densidade nãonuniforme resultante(sombreado).

Figura 18-6 Distribuição da densidade obtida com a compactação de dupla ação através do movimento de dois punções. Note a uniformidade incrementada comparada a da Figura 18-5. Peças mais espessas podem ser efetivamente compactadas.

Variação de densidade

Variação da densidade em pós de metais compactados em diferentes matrizes: (a) e (c) compactação de ação simples (b) e (d) compactação de dupla ação Note em (d) a maior uniformidade com dois punções com movimentos separados quando comparado com (c). Geralmente, uniformidade de densidade é preferível, embora existam situações em que variação de densidade, e variação de propriedades sejam desejadas.

Compactação de formas complexas Se uma forma extremamente complexa é desejada.

O pó pode ser encapsulado num molde flexível que é então imerso em um líquido ou gás pressurizado;

Esse processo é denominado de compactação isostática.

Em compactação morna, o pó é aquecido antes da compactação;

A quantidade de lubrificante pode ser aumentada no pó para reduzir a fricção;

Devido as partículas serem abrasivas, o desgaste da ferramenta tem que ser considerado na compactação de pós.

Compactação Isostática a Frio (CIP)

Ilustração esquemática da compactação isostática a frio (CIP) para a fabricação de um tubo. O pó é confinado em um envólucro flexível em torno de um núcleo cilíndrico sólido. Pressão é aplicada isostaticamente dentro de uma câmara de alta pressão.

18.9 Compactação Isostática a Quente (HIP) Compactação isostática a quente (HIP) combina compactação de pós e sinterização numa única operação. Injeção de gás a altas temperaturas

Pós aquecidos podem demandar proteção contra ambientes agressivos.

Os Produtos que emergem são totalmente densificados, uniformes e com propriedades isotrópicas.

Formas próximas das finais (Near-net shapes) são possíveis.

Compactação Isostática a Quente (HIP)

Outras operações de compactação e obtenção de forma Laminação (Rolling)

Extrusão (Extrusion)

Deposição por spray (Spray Deposition)

Conformação por Spray (Spray Forming)

Laminação de Pós (Powder Rolling)

Extrusão de Pós (Powder Extrusion)

Conformação por Spray

Conformação por spray (processo Osprey) no qual o metal fundente é depositado sobre um mandril rotativo para produzir tubos sem costura.

Fabricando peças via Metalurgia do Pó (MP)

18.8 Sinterização Operações de sinterização, os componentes verdes

de pós compactados são aquecidos numa atmosfera controlada um pouco abaixo do ponto de fusão;

Três estagios da sinterização: Purga - queima qualquer ar e remove lubrificantes ou

ligantes que podem interferir numa boa densificação; Alta-temperatura - desejada difusão no estado sólido e a

união ocorre; Periodo de resfriamento – Reduz a temperatura dos

produtos numa atmosfera controlada;

Todos os três estágios devem ser conduzidos em condições de oxigênio livre.

Sinterização das Partículas

Sinterização(Peças antes da sinterização)

(e depois...)

(Densificação das partículas por aquecimento)

Compactação dos pós e sinterização

(Pó de partida) (Produto compactado)

(Produto sinterizado)

Fabricando peças via Metalurgia do Pó (MP)

18.12 Operações Secundárias A maioria dos produtos de MP estão prontos

para usar após o processo de sinterização; Alguns produtos podem usar operações

secundárias para promover precisão melhorada, propriedades incrementadas ou características especiais;

Distorção pode ocorrer durante resfriamento não-uniforme de tal forma que o produto pode ser reprocessado ou redimensionado para melhorar a precisão dimensional.

Operações Secundárias Se massiva deformação do metal ocorre na

segunda compactação, a operação é conhecida como forjamento MP; Aumenta a densidade e adiciona precisão.

Infiltração e impregnação - óleo ou outro líquido é forçado a penetrar na rede de poros para oferecer lubrificação e um tempo de vida extendido;

Infiltração de metais preenche poros com outros elementos que podem melhorar as propriedades

MP produtos podem ser submetidos a operações de acabamento convencionais: Tratamento térmico, usinagem e tratamentos superficias.

Figure 18-14 (Right) Comparison of conventional forging and the forging of a powder metallurgy preform to produce a gear blank (or gear). Moving left to right, the top sequence shows the sheared stock, upset section, forged blank, and exterior and interior scrap associated with conventional forging. The finished gear is generally machined from the blank with additional generation of scrap. The bottom pieces are the powder metallurgy preform and forged gear produced entirely without scrap by P/M forging. (Courtesy of GKN Sinter Metals, Auburn Hills, MI.)

Figure 18-15 P/M forged connecting rods have been produced by the millions. (Courtesy of Metal Powder Industries Federation, Princeton, NJ.)

18.13 Propriedades de Produtos MP As propriedades de produtos MP dependem de

múltiplas variáveis Tipo e tamanho dos pós Quantidade e tipo de lubrificantes Pressão de compactação Tempo e temperatura de sinterização Tratamentos de acabamento

Propriedades mecânicas são dependentes da densidade

Produtos devem ser projetados (e materiais selecionados) de tal forma que as propriedades finais serão atingidas com a porosidade final antecipada.

Materiais MP

18.14 Projeto de peças via MP Regras básicas para o projeto de peças MP

Formas das peças deve permitir a ejeção da matriz;

Pós não devem ter o pre-requesito de fluir dentro de cavidades pequenas;

A forma das peças deve permitir a construção de ferramentas resistentes;

A espessura da peça deve ser dentro da faixa de componentes MP que possam ser adequadamente compactadas;

A peça deve ser projetada com pequenas alterações na espessura tanto quanto possível.

Regras Basicas para Peças M/P

Peças podem ser projetadas para tirar partido do fato que certas formas e propriedades que podem ser produzidas por M/P são impossíveis, impraticáveis, ou não-econômicas por qualquer outro método;

O projeto deve ser consistente com os equipamentos disponíveis;

Considerações devem ser feitas para tolerâncias dos produtos;

O projeto deve considerar e compensar alterações dimensionais que podem ocorrer após a sinterização.

Figure 18-17 Examples of poor and good design features for powder metallurgy products. Recommendations are based on ease of pressing, design of tooling, uniformity of properties, and ultimate performance.

18.15 Produtos de Metalurgia do Pó M/P Produtos porosos e permeáveis tais como mancais autolubrificantes, filtros e reguladores de pressão e fluxo;

Produtos com formas complexas que podem requerer considerável usinagem quando fabricados por outros processos;

Produtos fabricados com materiais que são difíceis de usinar ou materiais com elevados pontos de fusão;

Produtos onde as propriedades combinadas de dois ou mais metais são desejadas;

Produtos onde o processo M/P produz propriedades claramente superiores;

Produtos onde processo M/P oferece vantagens econômicas.

18.16 Vantagens e Desvantagens da Metalurgia do Pó (MP) Vantagens

Eliminação ou redução de usinagem;

Elevadas taxas de produção

Formas complexas Extensa variedade de

composições Larga variação de

propriedades Sucata é eliminada ou

reduzida

Desvantagens Inferiores propriedades de

resistência Alto custo do ferramental Elevado custo do material Limitações de tamanho e

forma Alterações dimensionais

durante a sinterização Variações na densidade Riscos para a saúde e

segurança

18.11 Moldagem por Injeção de Metais(MIM) ou Moldagem por Injeção de Pós (PIM) Pós de metais esféricos ultra-finos, ceramicos,

ou pós de carbonetos são combinados com um termoplástico ou uma cera; Torna-se a carga (the feedstock) para o processo de

injeção O material é aquecido até uma consistência de

pasta e injetada num molde de cavidade; Após o resfriamento e ejeção, o material do

ligante é removido; A etapa mais cara dos processos MIM e PIM.

MIM

Figure 18-12 Flow chart of the metal injection molding process (MIM) used to produce small, intricate-shaped parts from metal powder.

Figure 18-13 Metal injection molding (MIM) is ideal for producing small, complex parts. (Courtesy of Megamet Solid Metals, Inc., St. Louis, MO.)

18.17 Sumário Metalurgia do Pó pode produzir produtos de

materiais que de outra forma seriam muito difíceis de manufaturar;

Produtos M/P podem ser projetados para prover as propriedades almejadas;

Variações no tamanho do produto, taxas de produção, quantidade, propriedades mecânicas e custos.

Videos sobre M/P