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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP CETEC UEMG
Dissertao de Mestrado
Desenvolvimento de um Equipamento para produo
de P Metlico
Autor: Robson Nunes Dal Col
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
Agosto de 2009
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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP CETEC UEMG
Robson Nunes Dal Col
"Desenvolvimento de um Equipamento para Produo de PMetlico"
Dissertao de Mestrado apresentada ao Programade Ps-Graduao em Engenharia de Materiais da
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos
para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia
de Materiais.
rea de concentrao: Processos de Fabricao
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
Ouro Preto, Agosto de 2009
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ndice
Lista de Figuras.......................................................................................................iv
Lista de Tabelas.................................................................................................... xii
Lista de Notaes ................................................................................................ xiii
Resumo..................................................................................................................xiv
Abstract..................................................................................................................xv
Captulo 1: Introduo............................................................................................. 1
Captulo 2: Objetivos............................................................................................... 2
Captulo 3: Reviso Bibliogrfica............................................................................ 3
3.1 Obteno de Ps Metlicos........................................................................................................................33.1.1 Atomizao por Gs Inerte ...................................................... ........................................................ 43.1.2 Atomizao Centrfuga ............................................................ ........................................................ 6
3.1.2.1 Atomizao Centrfuga Processo por Eletrodo Rotativo (REP)............................................ 63.1.2.2 Atomizao Centrfuga Processo Rotativo por Feixe de Eltrons (EBRP).......... ............... 10
3.1.3 Produo de P de Superligas.............................. ........................................................... ............... 123.2 Produtos da Metalurgia do P ......................................................... ........................................................14
3.2.1 Metais Refratrios...................................... ........................................................... ......................... 143.2.1.1 Tungstnio.................................................... ........................................................... ............... 15
3.2.1.2 Molibdnio................................................... ........................................................... ............... 153.2.1.3 Tntalo ......................................................... ........................................................... ............... 163.2.1.4 Nibio .......................................................... ........................................................... ............... 17
3.2.2 Ligas Pesadas............... ............................................................ ...................................................... 173.3 Caractersticas de Ps Metlicos ..................................................... ........................................................18
3.3.1 Pureza e Composio Qumica .......................................................... ............................................ 183.3.2 Microestrutura da Partcula............. ............................................................. .................................. 183.3.3 Tamanho e Forma da Partcula .......................................................... ............................................ 193.3.4 Porosidade...................................................................... ........................................................... ..... 20
3.3.5 Densidade Aparente..... ............................................................ ...................................................... 213.3.6 Velocidade de Escoamento... ............................................................. ............................................ 213.3.7 Superfcie Especfica ..................................................... ........................................................... ..... 22
3.4 Dipolos Magnticos e Vetores de Campo Magntico..............................................................................223.5 Diamagnetismo........................................................................................................................................273.6 Paramagnetismo .......................................................... ........................................................... .................283.7 Ferromagnetismo.....................................................................................................................................293.8 Ferrimagnetismo......................................................................................................................................313.9 Materiais Magnticos ............................................................ ........................................................... .......31
3.9.1 Materiais Diamagnticos, m < 0 ................................................................................................. 313.9.2 Materiais Paramagnticos, m > 0 .................................................... ............................................ 32
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3.9.3 Materiais Ferromagnticos, m >> 0 ............................................................................................ 333.10 Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico .................................................... .......333.11 Domnios e Histereses ......................................................... ........................................................... .......353.12 Aquecimento de Metais por Induo Magntica ........................................................ ...........................363.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo........................................................................................................373.13 Chaveamentode Potncia com IGBTs...................................................................................................413.14 Estruturas Metaestveis Obtidas por Resfriamento Rpido - RSP ........................................................45
3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rpida Solidificao. .............. 463.14.2 Taxas de Resfriamento em processamento por Rpida Solidificao.......................... ................ 47
Captulo 4: Materiais e Mtodos ........................................................................... 504.1 Temperatura Curie do Ao do Cadinho...................................................................................................504.2 Tanque Ressonante LC 120kHz ...................................................... ........................................................514.3 Acionamento do Tanque Ressonante LC por IGBTs ................................................... ...........................54
4.4 Estgio Atual do Sistema de Aquecimento Indutivo.................................................... ...........................554.5 Refrigerao por gua do Tanque Ressonante................................................................................ .......564.6 Oscilador e gerador de Tempo Morto......................................................................................................574.7 Driver para o Gate dos IGBTs.................................................................................................................584.8 Fonte de Potncia CC 180/310V 75A .................................................... ..............................................594.9 Medio dos Pulsos de Corrente Atravs de Sensor de Efeito Hall ........................................................594.10 Centrifugao at 6130 RPM ........................................................ ........................................................614.11 Parmetros Considerados nos Testes Realizados ....................................................... ...........................634.12 Procedimento nos Testes Realizados.....................................................................................................64
Captulo 5: Resultados e Discusso ..................................................................... 665.1 Aspecto do Material Obtido Aps o Processo e Curvas Granulomtricas...............................................66
Captulo 6: Concluses ......................................................................................... 71
Captulo 7: Sugestes para Trabalhos Futuros .................................................... 72Balano Energtico........................................................................................................................................72Alturas e Raios de Queda Diferentes.............................................................................................................72Folha de Deflexo ................................................... ........................................................... ...........................72Testes para Fundio Direta de Vrios Materiais metlicos..........................................................................72Controle do Sistema de Aquecimento Automatizado Atravs de Microcontroladores .................................73
ANEXO 1 Dispositivos Eletrnicos Componentes do Sistema........................... 74
ANEXO 2 Imagens Obtidas com Lupa ptica, 63x............................................. 82
ANEXO 3 Imagens Obtidas com Microscpio ptico......................................... 86
Referncias Bibliogrficas.................................................................................... 89
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Lista de Figuras
Captulo 3: Reviso Bibliogrfica
Figura 3.1 Corte transversal esquemtico de uma unidade de atomizao por
gs inerte.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Figura 3.2 Efeito do dimetro de partcula de ligas a base de nquel sobre a
altura necessria do equipamento de atomizao. . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .. . .6
Figura 3.3 Desenho esquemtico do processo de atomizao centrfuga
por eletrodo rotativo[ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Figura 3.4 Principio geral da fabricap de p metlico por atomizao
centrfuga [ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Figura 3.5 Distribuio de tamanho de partcula, processo REP, p
produzido a partir de uma barra de 63.5mm de dimetro girando a
16000RPM [ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Figura 3.6 (a) Desenho esquemtico do EBRP para fabricao de p metlico.
(b) Mquina EBRP... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Figura 3.7 Desenho esquemtico da tcnica desenvolvida por Pratt & Whitney
para produo de ps metlicos com rpida solidificao. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .13
Figura 3.8 Representao esquemtica de formas de partculas
metlicas.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Figura 3.9 Linhas de fora e v etores de um campo magntico gerados por uma
bobina percorrida por corrente eltrica. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..22
Figura 3.10 A configurao do dipolo atmico para um material diamagnticocom e sem a presena de um campo magntico. Na ausncia de um campo
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Figura 3.19 Aspecto de 3 tipos diferentes de IGBTs. O Menor, a esquerda,
tem capacidade de chavear 70A, os outros dois, maiores, podem chavear 300A
sendo que o maior consiste em dois IGBTs montados na configurao de
meia-ponte em um s encapsulamento. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .42
Figura 3.20 Estrutura fsica do IGBT.. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . .43
Figura 3.21 Desenho esquemtico do funcionamento de um IGBT de canal N.
Com a aplicao da tenso V th ao gate do dispositivo, ocorre circulao de
corrente entre os pinos de dreno (D) e source (S), rotulados na imagem como
anodo e catodo respectivamente. . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . .44
Figura 3.22 Limites de operao de componentes semicondutores de potncia
(dados de 1994).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Figura 3.23 Estrutura dendrtica com indicao dos espaamentos
interdendrticos primrios (1) e secundrios (2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Captulo 4: Parte Experimental
Figura 4.1 Vista em corte do cadinho
metlico... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Figura 4.2 (A) Imagem do tanque ressonante LC . A bobina de trabalho pode ser vista a
direita. (B) Representao do circuito LC............... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 51
Figura 4.3 Dimenses da bobina d e trabalho do tanque ressonante LC.. . . . . . ..53
Figura 4.4 Desenho esquemtico do acionamento do tanque ressonante por
IGBTs... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
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Figura 4.5 Aspecto da montagem dos IGBTs que chaveiam a corrente para o
tanque ressonante instalados em dissipador de calor de
alumnio... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Figura 4.6 Representao esquemtica da alternncia de sentido do campo
magntico gerado na bobina de trabalho em funo do sentido da corrente
eltrica aplicada... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Figura 4.7 Cadinho de ao 1050 a 892C aps 5 minutos de insero no tanque
ressonante.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
Figura 4.8 (A) Recipiente para armazenamento da gua de refrigerao e
bomba instalada em seu interior. (B) Detalhes da distribuio da gua de
refrigerao no tanque LC ressonante. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . .56
Figura 4.9 (A) Layout da placa de circuito do oscilador e gerador de tempo
morto. (B) Aspecto final da placa montada. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .57
Figura 4.10 Esquema do processo de acionamento dos IGBTs.. . . . . . .. . . . . . . .. . . . .58
Figura 4.11 Layout da placa do primeirodriver para os IGBTs e seu aspecto
aps montada... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Figura 4.12 Layout da placa da fonte de potncia e seu aspecto montada.
.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
Figura 4.13 (A) Projeto da placa e (B) prottipo do sensor de corrente
montado em funcionamento... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Figura 4.14 (A) Sinal visto no osciloscpio do CSNF161 ao ligar o aparato,
com cadinho inserido na bobina de trabalho, picos de 18A. (B) Sinal
fornecido pelo CSNF161 aps 5 minutos do aparato ligado, com cadinho
inserido, picos de 14A... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
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Figura 4.15 (A) Tanque ressonante posicionado sobre a centrfuga. (B) prato
rotativo de cobre adaptado centrfuga. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. .61
Figura 4.16 Controle de velocidade do prato rotativo de cobre. . . . . . . . .. . . . . . . .. . .61
Figura 4.17 Grfico obtido na calibrao do transdutor de rotao da
centrfuga... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
Figura 4.18 Dimenses da centfuga, em particular, a altura de queda util izada
nos ensaios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Figura 4.19 Trs posies diferentes para o filete de chumbo lquido atingir o
prato rotativo, (A) r=0cm, (B) r=6cm e (C) r=11cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Figura 4.20 100g de chumbo, util izados como material a ser fundido no
cadinho... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Figura 4.21 Seqncia do procedimento executado para vazar o filete de
chumbo lquido sobre o prato rotativo de cobre. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .65
Captulo 5: Resultados e Discusso
Figura 5.1 6130RPM, vazamento no centro. (A) Aspecto do material obtido
aps o ensaio, (B) aspecto do prato de co bre aps o ensaio. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .66
Figura 5.2 6130RPM, vazamento com r=6cm. (A) Aspecto do material obtido
aps o ensaio, (B) aspecto do prato de co bre aps o ensaio. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .67
Figura 5.3 6130RPM, vazamento com r=11cm. (A) Aspecto do material obtido
aps o ensaio, (B) aspecto do prato de co bre aps o ensaio. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .67
Figura 5.4 Aspecto do p obtido nos ensaios e depositado sobre papel
milimetrado para permitir visualizao da distribuio em tamanho das
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partculas: (A) 4000rpm, r =0cm; (B) 4000rpm, r=6cm; (C) 4000rpm, r=11cm;
(D) 6000rpm, r=0cm; (E) 6000rpm, r=6cm; (F) 6000rpm,
r=11cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
Figura 5.5 Aspecto da frao mais fina (< 74m) do p de chumbo obtido nosdiversos experimentos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Figura 5.6 Imagem obtida atravs de lupa ptica com aumento de 63x do
material atirado para fora da centrfuga. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..69
Figura 5.7 Curva granulomtrica do material obtido no teste 3, em 4000rpm e
r=6cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Figura 5.8 Curva granulomtrica do material obtido no teste 6, em 6000rpm e
r=6cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Anexo 1
Figura 1.1 Diagrama de blocos do circuito eletrnico do forno de
induo... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Figura 1.2 Diagrama da fonte de potncia para alimentao do tanque
ressonante.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Figura 1.3 Layout da placa de circuito da fonte d e potncia. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .75
Figura 1.4 Placa de circuito dos capacitores auxiliares de fil tragem da fonte
de potncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
Figura 1.5 Diagrama e layout da placa do oscilador que comanda o sistema
ressonante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
Figura 1.6 Diagrama e placa do divisor de freqncia e gerador de tempo
morto.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
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Figura 1.7 Diagrama e placa do driver de alta velocidade para mosfets. . . . . .. .78
Figura 1.8 Diagrama e placa do acoplador ptico de disparo para os Gates dos
IGBTs... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Figura 1.9 Placa de s uporte para os IGBTs.. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . .79
Figura 1.10 S ensor de corrente de efeito Hall, CS NF161.. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..80
Figura 1.11 Dispositivo de controle de velocidade do motor da
centrfuga... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
Anexo 2
Figura 2.1 40 00rpm, r=0cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .82
Figura 2.2 40 00rpm, r=6cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .83
Figura 2.3 40 00rpm, r=11cm. Lupa ptica, aumento d e 63x. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .83
Figura 2.4 60 0rpm, r=0m. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. .84
Figura 2.5 60 0rpm, r=6cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . ..84
Figura 2.6 60 0rpm, r=11cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .85
Anexo 3
Figura 3.1 4000rpm, r=0cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)
Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . ..86
Figura 3.2 4000rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)
Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . ..86
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xi
Figura 3.3 4000rpm, r=11cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)
Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . ..87
Figura 3.4 6130rpm, r=0m. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)
Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . .87
Figura 3.5 6130rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)
Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . .87
Figura 3.6 Ataque cido acetico+nitrico (A) Regio 3, aumento 200x; (B)
Regio 3, aumento 400x; (C) Regio 9, aumento 800x.. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .88
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xii
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 Alguns metais refratrios, seu smbolo e temperatura de
fuso [ 3 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Tabela 3.2 Metais de elevada densidade. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..17
Tabela 3.3 Peneiras util izadas na metalurgia do p. . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..20
Tabela 3.4 Unidades Magnticas e Fatores de Converso para os Sistemas SI e
cgs-uem[ 1 ]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de induo. . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . .40
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xiii
Lista de Notaes
O smbolo, sua descrio e unidade.
F = Freqncia [Hz]
F r = Freqncia de Ressonncia [Hz]
t = Perodo [s]
T = Temperatura [C]
rpm = Rotaes Por Minuto [rpm]
= Velodidade Angular [rads/s]
r = Raio [m]
h = Altura de Queda [m]
I = Corrente Eltrica [A]
V = Tenso [V]
C = Capacitncia [F]
L = Indutncia [H]
Q = Fator de Qualidade da Bobina [Adimensional]
S = Condutividade Eltrica, o recproco 1/(Wm) da Resistividade
eltrica [siemens/m]
R = Resistncia Eltrica [W]
= Resistividade Eltrica [Wm]
m = Metro [m]
cm = centmetro [cm]
W = Resistncia Eltrica [W]
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico
[A/m]
B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou
Wb/m2 ]
= permeabilidade magntica do meio atravs do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
A = Ampere [A]
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xv
Abstract
Heating by electromagnetic induction contributes to several industries,
since the preparation of pure sil icon chips for microelectronic components
until the processing of metallic components. This type of heating allows a
more precise control of material heating. Such a system was designed and
built with the purpose to be used in casting of metallic materials for their
subsequent processing into powder. Within the induction coil of the resonant
tank, a steel crucible was placed, and into this, 100g of lead. Using IGBTs,
peak electrical currents of (750.375)A (and 120kHz were applied to the
induction coil , raising the crucible temperature to (8921)C , casting thelead inside it . The liquid lead was cast through a hole of (30.1)mm diameter
located at the bottom of this crucible, reaching a copper rotating plate
adapted into a centrifuge. The liquid lead is throwing against i ts side wall,
and pulverized into smaller particles. The result was particles with various
shapes and diameters.
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1
Captulo 1: Introduo
A metalurgia do p a tcnica metalrgica que consiste em
transformar ps de metais, l igas metlicas e de substncias no-metlicas em
peas resistentes, sem recorrer-se fuso, mas apenas pelo emprego de
presso e calor.
Os ps metlicos tm sido usados como materiais de engenharia na
fabricao de componentes e i tens de consumo j h bem mais de cinqenta
anos. Atualmente, o material empregado em um grande nmero de
segmentos industriais, sendo algumas caractersticas importantes na
caracterizao dos ps metlicos o tamanho e a distribuio de tamanho daspartculas, e a forma da partcula e sua variao com o tamanho.
O equipamento descrito neste trabalho consta de um sistema de
aquecimento de metais por induo eletromagntica, responsvel por fundir o
material metlico que se deseja transformar em p; e de uma centrfuga
adaptada para centrifugao do metal fundido a partir de um disco circular de
cobre, sobre o qual o metal fundido vazado.
O sistema de aquecimento por induo projetado e construdo util izacontrole de corrente por meio de IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor,
ou transistor bipolar de gate isolado, por esta regio ter caractersticas
semelhantes s de um capacitor de baixo valor), que so chaves eletrnicas
capazes de chavear correntes da ordem de 300A a freqncias maiores que
200kHz, para alimentar um tanque resonante LC a 120kHz.
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2
Captulo 2: Objetivos
Estabelecer a possibilidade de se fabricar p metlico atravs do
processo de centrifugao com meios desenvolvidos nos laboratrios da
Escola de Minas de Ouro Preto.
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3
Captulo 3: Reviso Bibliogrfica
3.1 Obteno de Ps Metlicos
Os vrios processos de produo de ps, podem ser agrupados nas
seguintes classes [ 2 ] :
1. reaes qumicas e decomposio
2. atomizao de metais fundidos
3. deposio eletrolt ica
4. processamento mecnico de materiais slidos
O tamanho, a forma e a distribuio dos gros so caractersticas
importantes na produo de peas sinterizadas e variam conforme o mtodo de
obteno do p. Os mtodos de obteno podem ser mecnico, qumico, fsico
e fsico-qumico. Dependendo das caractersticas desejadas do gro, mais de
um mtodo pode ser empregado sucessivamente.
Um dos mtodos fsicos mais usados a atomizao, pois pode ser
aplicado para praticamente qualquer metal ou li ga que possa ser fundido, alm
do fato de poder-se produzir ps de metais com qualquer teor de pureza. O
nico problema, contudo facilmente supervel, relaciona-se com a reatividade
qumica do metal, o que pode exigir atmosferas ou meios de desintegrao
especiais [ 3 ] .
Na atomizao, o metal fundido vazado por um orifcio, formando
um filete l quido que bombardeado por jatos de ar, de gs ou de gua.
Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de gro
desejado e produzem a pulverizao do filete d e metal fundido e seu imediato
resfriamento. A espessura do filete, a presso do fluido util izado, as formas
do conjunto de atomizao, a configurao do bocal de atomizao e o tipo de
atomizao determinam o tamanho e forma das partculas do material
pulverizado. O tempo de resfriamento, imediatamente antes da solidificao
do jato de metal, representa um fator crt ico na determinao da forma da partcula. Longos tempos de resfriamento, assim como altas temperaturas do
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metal l quido e emprego de gases para pulverizar o jato lquido do origem a
partculas de forma esfrica. Segundo Chiaverini[ 3 ] , jatos de gua que
aceleram o resfriamento produzem partculas de forma irregular.
A seguir, so apresentadas algumas formas de se obter p metlico.
3.1.1 Atomizao por Gs Inerte
Essa a tcnica mais amplamente util izada para produo de p
metlico, segundo Gessinger[ 18 ] . Unidades de atomizao por argnio com
capacidades para produo de vrias centenas de toneladas por ano esto em
operao em todo o mundo. Apenas nos Estados Unidos, a capacidade total
instalada para a produo de de p estimada em 5000 toneladas por ano de
p classificado.
O processo consiste em vazar o material fundido atravs de um
orifcio de um material refratrio, quando ento atingido e atomizado por
correntes de gs de alta presso. Fundio por induo eletromagntica a
vcuo o mtodo mais comumente util izado para fundir o material metlico.Gases inertes (principalmente o argnio, mas tambm o hlio) so us ados para
atomizar l igas a base de nquel.
As gotas lquidas formadas a partir do jato de gs aplicado sobre o
material fundido vazado so solidificadas em atmosferas protetoras de gs
inerte; como alternativa, elas podem ser resfriadas em gua ou leo, seguido
por um tratamento qumico de limpeza de superfcie.
A Figura 3.1 mostra um corte transversal esquemtico de uma unidadede atomizao por gs inerte. A unidade inteira pode ser evacuada a uma
presso de 210-4Torr durante o procedimento de fundio. Consiste de uma
longa torre de resfriamento com um orifcio na parte superior, atravs do
qual uma corrente de metal fundido atomizada pelo argnio em alta presso.
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Figura 3.1 Corte transversal esquemtico de uma unidade de
atomizao por gs inerte [ 18 ] .
As partculas de metal solidificadas so tambm resfriadas por uma
placa no fundo da unidade e so transportadas para dentro de uma srie de
caixas, onde acontecem o peneiramento e a classificao de tamanho.A altura da torre de resfriamento determinada pelas cinticas de
resfriamento e solidificao de uma partcula individual de p. A Figura 3.2
mostra o efeito da altura da torre de resfriamento sobre o dimetro de
partcula atomizada.
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6
Figura 3.2 Efeito da altura necessria do equipamento de atomizao
sobre o dimetro de partcula de ligas a base de nquel[ 18 ]
.
Percebe-se que condies de transferncia de calor relativamente
desfavorveis em partculas maiores conduzem a instalaes muito grandes.
Para menores dimetros de partcula entretanto, tamanhos muito menores de
equipamentos so possveis.
3.1.2 Atomizao Centrfuga
Utiliza rotao para acelerar e pulverizar o material metlico fundido.
H um grande nmero de variveis neste princpio. A mais importante a
util izao de vcuo ou de uma atmosfera inerte para esse sistema. O caminho
da trajetria exigida para a solidificao completa , como j tem sido
discutido, muito mais longo no vcuo do que em uma atmosfera inerte. Vamos
nos concentrar em dois dos mtodos mais util izados.
3.1.2.1 Atomizao Centrfuga Processo por Eletrodo Rotativo (REP)
O princpio bsico do REP mostrado na Figura 3.3.
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Figura 3.3 Desenho esquemtico do processo de atomizao
centrfuga por eletrodo rotativo [ 18 ] .
Uma barra com composio de liga exigida com dimetros tpicos de
15mm a 75mm rotacionada velocidades muito altas (na faixa de 10000 a
20000rpm). A face do eletrodo de rotao consumvel fundido por arco
eltrico de corrente contnua mantida entre o eletrodo negativo de tungstnio,
que essencialmente estacionrio, e a barra d e liga positiva. Como o eletrodo
rotaciona, a fora centrfuga faz com que o metal fundido voe para fora na
forma de gotas esfricas, que solidificam na trajetria e caem no cho do
tanque. Em contraste com a atomizao a gs, a escria ou a contaminao
refratria eliminada. O interior do tanque esvaziado e preenchido com
hlio ou argnio antes que o processo tenha incio. O maior obstculo desse
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mtodo que o mesmo descontnuo, pois a barra deve ser trocada ao ser
quase completamente consumida.
O caso mais geral de atomizao centrfuga mostrado na Figura 3.4.
Figura 3.4 Principio geral da fabrica de p metlico por atomizao
centrfuga [ 18 ] .
Atravs de um aquecimento adequado, um filme de metal obtido, o
qual flui para o exterior sob o efeito da fora centrfuga. Sob a suposio de
que partculas lquidas ocorrem primeiramente na borda da haste consumvel,
idealmente uma partcula de dimetro definido resulta, cujo valor pode ser
determinado na base de uma fora de equilbrio entre a fora centrfuga
atuando na gota e a fora de tenso superficial manifestada pelo material
metlico fundido na gota. Equao (3.1) [ 1 8 ].
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9
2/14.0
=
Rn(3.1)
Onde: = dimetro da partcula em mm
n = rotaes por minuto
g = tenso superficial da partcula
R = raio da partcula em mm
r = densidade da partcula
Para ligas a base de nquel:
2/1
3109.8
nR
= (3.2)
A faixa de distribuio de t amanho das partculas muito estreita.
Uma distribuio tpica mostrada na Figura 3.5.
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10
Figura 3.5 Distribuio de tamanho de partcula, processo REP, p
produzido a partir de uma barra de 63.5mm de dimetro girando a
16000rpm [ 18 ] .
O tamanho da instalao mais uma vez depende muito da escolha do
vcuo ou gs inerte como forma de resfriamento. Para resfriamento em vcuo
o caminho da trajetria de vo da partcula independente do dimetro da
partcula, e para ligas a base de nquel esse valor de 12m para um dimetro
de barra consumvel de 40mm. A trajetria de voo da partcula pode ser
consideravelmente reduzido (0.5m a 1.5m) pelo uso de uma atmosfera
protetora.
3.1.2.2 Atomizao Centrfuga Processo Rotativo por Feixe de Eltrons (EBRP)
Esse processo uma variante das tcnicas de atomizao centrfuga
descritas anteriormente. A Figura 3.6 (a) mostra o desenho esquemtico do
processo, enquanto (b) mostra os detalhes de uma mquina real.
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(a) (b)
Figura 3.6 (a) Desenho esquemtico do EBRP para fabricao de p
metlico. (b) Mquina EBRP [ 18 ] .
Nesse processo, um eletrodo de dimetro na faixa de 6 0mm a 150mm
rotacionado lentamente em torno de seu eixo. A borda do eletrodo aquecida
por um canho de feixe de eltrons (K3) tangencialmente a uma temperatura
exigida para provocar a fundio e gotejamento do material. O eletrodo
construdo na forma de um lpis, de forma que todo o material possa gotejar
dentro de um pequeno cadinho at mesmo se o dimetro do eletrodo for maior
do que o dimetro do cadinho. Um segundo canho de feixe de eltrons (K2)
serve para partir a gota do eletrodo na parte inferior do cadinho e ajuda aformar um filme fino de metal l quido nas paredes internas do cadinho de
rotao. O filme de metal l quido cresce em espessura de uma forma
controlada assim que atinge a margem do cadinho. Um terceiro canho (K1)
ajuda a controlar a temperatura do fundido durante a atomizao na margem
do cadinho. A localizao, o tamanho e a densidade da potncia da marca do
feixe na extremidade do cadinho so controlados de tal forma que a
atomizao ocorre principalmente em uma direo nica. As gotas deixam aextremidade do cadinho em um setor angular de 60-80 e aproximadamente 5
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em altura. Para reduzir as dimenses do equipamento, o metal atomizado
desviado por uma folha de desvio d entro de um receptculo para coleta do p.
As gotas comeam a esfriar no percursso da margem do cadinho para a folha
de desvio resfriada com gua. Uma desintegrao segundria na folha de
desvio pode acontecer se partculas grandes comearem a se solidificar na
superfcie, mas estiverem ainda lquidas no ncleo.
Sob certas condies, essas partculas se quebram durante a coliso na
folha de desvio. Isso geralmente causa a formao de partculas planas e
vrias partculas esfricas a partir do fun dido remanescente. Isso no s causa
uma distenso considervel do espectro de tamanho da partcula, mas tambm
um aumento na proporo de p artculas planas.
O EBRP pode ser desenvolvido ainda pela substituio do eletrodo por
um fluxo de fundio contnuo. Alega-se que esse processo oferece a
possibilidade de refinar super-ligas de nquel atravs do nado de impurezas
cermicas na superfcie da piscina do material fundido, que poderiam ser
escumadas do fundido antes da atomizao.
A principal vantagem do EBRP que este tem o potencial para refinar
a pureza da liga durante a atomizao, desde que a atomizao completa
ocorra em alto vcuo. Por outro lado, h dificuldades no controle do tamanho
da partcula e na distribuio da forma. Em geral, partculas esfricas e
relativamente finas so desejadas para o processamento, e essas propriedades
so melhor alcanadas pela atomizao a gs inerte.
3.1.3 Produo de P de Superligas
Existem trs tcnicas para a produo de p de superligas por rpida
solidificao:
1. atomizao centrfuga com resfriamento convectivo forado.
2. rotao do fundido, ou extrao em f ilamento contnuo para
triturao mecnica.
3. atomizao ultrassnica.
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13
Nos concentraremos aqui na primeira citada.
Esta tcnica foi desenvolvida por Pratt & Whitney, Flrida. O
aparelho de atomizao mostrado esquematicamente na Figura 3.7.
Figura 3.7 Desenho esquemtico da tcnica desenvolvida por Pratt &
Whitney para produo de ps metlicos com rpida solidificao [ 18 ] .
Ela combina princpios da atomizao centrfuga e resfriamento por
conveco forada. O material a ser convertido em p fundido por induo
eletromagntica em vcuo na seo superior da cmara. Aps a fundio, acmara preenchida com hlio e a carga despejada dentro do cadinho central
pr-aquecido. Atravs de um orifcio na parte inferior do cadinho central,
forma-se um filete de metal l quido com taxa de fluxo pr-determinada at o
centro do prato atomizador. O rotor acelera o fundido at a margem do prato,
quando ento lanado tangencialmente como partculas. Essas partculas so
resfriadas na trajetria pelo hlio vindo de trs bocais posicionados em lados
opostos do prato. Para uma taxa de fluxo de metal de 0.18kg/s, 0.9kg/s dehlio velocidades superiores a 0.5match so necessrios. Uma turbina de
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impulso radial usada para girar o prato atomizador a cerca de 24000RPM. O
rendimento do p na faixa de 10-100m da ordem de 70% do peso
despejado.
3.2 Produtos da Metalurgia do P
Os produtos obtidos pela metalurgia do p podem ser divididos em
dois grandes grupos [ 3 ] . No primeiro, incluem-se aqueles que, por suas
prprias caractersticas ou pelas propriedades finais desejadas, s podem ser
obtidos pela tcnica da compactao e sinterizao a partir de ps metlicos. No segundo grupo, esto includos os produtos que, embora possam ser
fabricados pelos processos metalrgicos convencionais so mais
economicamente e eficientemente obtidos pela metalurgia do p.
3.2.1 Metais Refratrios
Os metais assim chamados so os de alto ponto de fuso e que, por
essa razo, so difceis de serem transformados em materiais de forma ou
perfil especificados, a partir do estado lquido. Entre eles, os mais
importantes so o tungstnio, o molibdnio, o t ntalo e o nibio.
Tabela 3.1 Alguns metais refratrios, seu smbolo e temperatura defuso [ 3 ] .
Metal - Smbolo Ponto de Fuso
Tungstnio - W 3410C
Molibdnio - Mo 2610C
Tntalo - Ta 2996C 50C
Nibio - Nb 2468C 10C
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3.2.1.1 Tungstnio
Normalmente so produzidos fios ou barras a partir de seu p. Pode
ser fundido a arco em vcuo ou por feixe de eltrons ou laser. O p de
tungstnio obtido pelo tratamento de seus prprios minrios, que so a
volframita e a xelita.
O p de tungstnio compactado na forma de barras, a presses da
ordem de 380 a 580 kPa. As barras so pr-sinterizadas em atmosfera de
hidrognio, entre 1000C e 1100C, de modo a adquirirem certa consistncia
que possibili te seu manuseio posterior.
Alm de ser processado na forma de fios ou barras, o tungstnio pode
tambm ser produzido por laminao na forma de chapas com espessuras da
ordem de 0.02mm.
Algumas aplicaes do tungstnio so as seguintes:
filamentos para lmpadas incandescentes, onde a temperatura de
servio atinge at 2500C;
contatos eltricos;
eletrodos de raios X;
eletrodos de soldagem e eletrodos de velas de ignio.
elementos de aquecimento de fornos eltricos e, na forma
compactada de peas, em dispositivos de alto vcuo, alm de
outras aplicaes.
3.2.1.2 Molibdnio
Sua obteno semelhante do tungstnio. Dos minrios de
molibdnio, obtm-se por tratamento qumico, molibdato de amnia que
transformado em MoO3 e a seguir reduzido sob hidrognio puro.
O p de molibdnio compactado na forma de barras e sinterizado
pela passagem direta de corrente eltrica atravs das barras.
Entre as aplicaes do molibdnio podem ser mencionadas as
seguintes:
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elementos de aquecimento para fornos eltricos at temperaturas
da ordem de 1600C ou pouco mais;
eletrodos de raio X;
contatos eltricos;
ganchos de suporte de filamentos em l mpadas incandescentes.
3.2.1.3 Tntalo
O p de tntalo obtido a partir de minrios em que normalmente est
tambm presente o nibio. O p de tntalo , depois de compactado,sinterizado em alto vcuo a temperaturas entre 2600C e 2700C pela
passagem de corrente eltrica atravs dos compactados.
Uma de suas mais importantes aplicaes verifica-se em cirurgia, para
recompor ou unir ossos quebrados e cartilagem destruda. Fios de tntalo de
dimetro equivalente ao de um cabelo humano so util izados para unir nervos
e tendes cortados, os nervos reparados tem sido protegidos por folhas de
tntalo.Devido a sua alta resistncia corroso, o tntalo igualmente
aplicado em recipientes, tubos, agitadores e peas idnticas para indstria
qumica. Outras aplicaes incluem lminas para turbinas a vapor, bocais,
vlvulas, diafragmas, etc. H algum tempo, j vem sendo util izados na
fabricao de capacitores, pois permite que maiores valores de capacitncia
possam ser alcanados em volumes cada vez menores.
A expanso que vem se verificando na indstria do tntalo devida ao
emprego de processos de fuso por feixe de eltrons para a produo de
lingotes at dimetros de 20cm e comprimentos at 300cm, pesando acima de
1600kg, os quais podem ser laminados at espessuras variando de 0.76 a
1.02mm com 122cm de largura, graas a aperfeioamentos na tcnica de
laminao, segundo Jenstrom et alli [ 4 ] .
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3.2.1.4 Nibio
Esse metal apresenta muita semelhana com o tntalo, no s no que
se refere sua obteno, pois esto geralmente associados em minrios, como
tambm em relao s caractersticas de conformao mecnica e resistncia
corroso pela ao de inmeros cidos.
O p de nibio compactado e sinterizado sob alto vcuo, em
processos idnticos aos d o tntalo.
Sua principal aplicao em tubos eletrnicos. Tambm util izado na
indstria de capacitores.
3.2.2 Ligas Pesadas
Existem inmeras aplicaes em setores industriais especializados e
de alto contedo tecnolgico nas quais em alguns dos dispositivos ou
equipamentos empregados se exige alta densidade do material. Exemplos
tpicos so representados por receptculos ou cpsulas para substncias
radioativas e blindagens ou anteparos para raios X.
Os metais de mais elevada densidade conhecidos so, pela ordem,
apresentados na Tabela 3.2:
Tabela 3.2 Metais de elevada densidade [ 3 ]
Metal - Smbolo Densidade
Platina - Pt 21.5g/cm3
Ouro - Au 19.3g/cm3
Tungstnio - W 19.3g/cm3
Urnio - U 18.7g/cm3
Chumbo - Pb 11.4g/cm3
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3.3 Caractersticas de Ps Metlicos
Alm da pureza e composio qumica, outras caratersticas
importantes dos ps metlicos, segundo Chiaverini [ 3 ] , so:
1. microestrutura da partcula
2. forma da partcula
3. tamanho da partcula
4. porosidade da partcula
5. densidade aparente
6. velocidade de escoamento
7. superfcie especfica
3.3.1 Pureza e Composio Qumica
Em alguns ps metlicos, como o de ferro, o nvel de elementos
impuros presentes pode alterar outras caractersticas do p e afetar a
qualidade do produto final. No caso citado do ferro, dependendo do processo
de fabricao e da matria prima adotados, as impurezas presentes so
normalmente sil cio, geralmente na forma de slica, alm de oxignio,
geralmente na forma de xido de ferro.
3.3.2 Microestrutura da Partcula
Essa caracterstica pode afetar bastante o comportamento dos ps
durante as operaes de compactao e sinterizao e, portanto, as
propriedades do produto final. Em princpio, pode-se distinguir duas classes
de microestrutura: policristalina, onde cada partcula contm muitos gros e
monocristalina, onde o tamanho de partcula e o tamanho de gro coincidem.
Admite-se que partculas policristalinas com tamanho de gro muito
pequeno produzem melhores propriedades mecnicas, tanto em grandeza
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quanto direcionalmente, no produto sinterizado, devido ao menor tamanho de
gro resultante. Do mesmo modo, as alteraes dimensionais que ocorrem
durante a sinterizao so mais uniformes, o que contribui igualmente para
propriedades mecnicas finais superiores.
3.3.3 Tamanho e Forma da Partcula
Essas duas caractersticas esto intimamente relacionadas e so, na
realidade, as mais importantes nos ps metlicos. A figura 3.8 representa os
principais t ipos de forma de partculas metlicas.
Figura 3.8 Representao esquemtica de formas de partculas
metlicas[ 3 ] .
Como se v, a maioria dos ps apresenta forma irregular, que,
aparentemente, seria menos favorvel compactao que a forma esfrica. Na
realidade, a forma irregular, pela interao dos contornos das vrias
partculas entre si , tenderia a produzir compactados com melhores
caractersticas de sinterizao embora se possa admitir inicialmente
caractersticas de compactao inferiores.
A forma da partcula deve ser considerada em conjunto com o tamanhoou composio granulomtrica. claro que uma composio granulomtrica
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adequada confere melhores caractersticas de compactao e sinterizao e
propriedades superiores no produto sinterizado. A determinao da
composio granulomtrica pois muito importante.
Na prtica, os tamanhos de partcula dos ps metlicos variam de
0.1m a 400 m, ou seja, 0.0001mm a 0.4mm. Um dos mtodos mais comuns
para determinar-se a composio granulomtrica o peneiramento, operao
que permite igualmente preparar quantidades de ps de tamanhos diferentes
para posterior mistura, em determinadas aplicaes. A tabela 3.3 mostra as
sries de peneiras util izadas na metalurgia do p.
Tabela 3.3 Peneiras util izadas na metalurgia do p.
Designao da Peneira U.S. Standard Tyler Standard
m Nmero de Malha Abertura da Peneira, mm Nmero de Malha
177 80 0.177 80
149 100 0.149 100
125 120 0.125 115
105 140 0.105 150
88 170 0.088 170
74 200 0.074 200
63 230 0.063 250
53 270 0.053 270
44 325 0.044 325
37 400 0.037 400
3.3.4 Porosidade
Existem partculas metlicas porosas. Quando presente, a porosidade
afeta outras caractersticas dos ps, como a densidade aparente e a
compressibilidade, podendo ainda afetar a densidade do produto final. No
caso dos poros serem interligados entre si e em comunicao com a
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superfcie, ocorrer um acrscimo da superfcie especfica das partculas,
alm de ficar facili tada a absoro de gases durante o seu processamento.
3.3.5 Densidade Aparente
Define-se densidade aparente como o peso de uma unidade de volume
do p solto ou a relao do peso para o volume, expressa em g/cm 3 . a
importncia dessa caracterstica reside no fato de que ela determina o
verdadeiro volume ocupado por uma massa de p e, em ltima anlise,
determina a profundidade da cavidade da matriz de compactao e ocomprimento do curso da prensa necessrios para compactar e densificar o p
solto.
obtida geralmente atravs da medida do peso contido em um
recipiente tarado preenchido com p p elo seu volume.
3.3.6 Velocidade de Escoamento
Essa outra caracterstica importante dos ps metlicos. Define-se
como o tempo necessrio para uma certa quantidade de p escoar de um
recipiente atravs de um orifcio, ambos de forma e acabamento
especificados. A velocidade de escoamento depende da forma e da
distribuio de tamanho da partcula. Alm disso, o coeficiente de atrito do
prprio p, eventualmente suas propriedades eletrostticas e magnticas, almde umidade presente, podem afetar a v elocidade de escoamento.
A sua importncia reside no fato de que ela determina o tempo
necessrio para enchimento da cavidade da matriz, influenciando dessa forma
a velocidade ou rendimento de produo.
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3.3.7 Superfcie Especfica
Define-se como a rea superficial expressa em cm2/g de uma
determinada partcula. A importncia dessa caracterstica consiste no fato de
que qualquer reao entre as partculas ou entre elas e o meio circunvizinho
se inicia nas suas superfcies, de modo que a operao de sinterizao ser
afetada pela relao entre a rea superficial e o volume da p artcula.
3.4 Dipolos Magnticos e Vetores de Campo Magntico
As foras magnticas so geradas pelo movimento de partculas
carregadas eletricamente. conveniente pensar nas foras magnticas em
termos de campos. Linhas de fora imaginrias podem ser desenhadas para
indicar a direo da fora em posies na vizinhana da fonte do campo, vide
Figura 3.9 abaixo. Nesta figura so tambm indicados os vetores de campo
magntico.
Figura 3.9 Linhas de fora e vetores de um campo magntico gerados
por uma bobina percorrida por corrente eltrica.
Os dipolos magnticos so encontrados nos materiais magnticos, os
quais, em alguns aspectos, so anlogos aos dipolos eltricos. Os dipolos
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magnticos podem ser tomados como pequenos ims de barra compostos por
plo norte e sul, em vez de uma carga eltrica positiva e negativa. Os
momentos dipolo magnticos so representados por meio de setas, como
mostrado na Figura 3.9. Os dipolos magnticos so influenciados por campos
magnticos de um modo semelhante quele segundo os dipolos eltricos so
afetados pelos campos eltricos. No interior de um campo magntico, a fora
do prprio campo exerce um torque para orientar os dipolos em relao ao
campo. Um exemplo familiar a maneira pela qual a agulha de uma bssola
magntica se alinha com o campo magntico d a Terra.
O campo magntico aplicado externamente, algumas vezes chamado de
fora do campo magntico, designado por H. Se o campo magntico for
gerado atravs de uma bobina cilndrica (ou solenide) que consiste em N
voltas com pequeno espaamento, de comprimento l , percorrida por uma
corrente I, ento
l
INH
= (3.3)
Onde :
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico
[A.espira/m]
N = Nmero de espiras da bobina
I = Corrente eltrica [A]
l = comprimento da bobina [m]
A induo magntica, ou densidade do fluxo magntico, indicado por
B, representa a magnitude da fora do campo interno no interior de uma
substncia que submetida a um campo H. as unidades para B so teslas (ou
webers por metro quadrado, Wb/m 2). Tanto B como H so vetores de campo,
sendo caraterizados no somente pela sua magnitude, mas tambm pela sua
direo no espao.
A fora do campo magntico e a densidade do fluxo esto relacionadasde acordo com
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HB = (3.4)
Onde :B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou
Wb/m2]
= permeabilidade magntica do meio atravs do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico
[A.espira/m]
No vcu o,
HB = 00 (3.5)
Onde:
B0 = densidade do fluxo no vcuo [T ou Wb/m2]
0 = permeabilidade do vcuo, constante universal, [410-7
(1.25710 -6) H/m]
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico
[A.espira/m]
Vrios parmetros podem ser util izados para descrever as p ropriedades
magnticas dos slidos. Um desses parmetros a razo entre a
permeabilidade em um material e a permeabilidade no v cuo, ou seja
0 =r (3.6)
Onde:
r = permeabilidade relativa [adimensional]
= permeabilidade magntica do meio atravs do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
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0 = permeabilidade do vcuo, constante universal, [410-7
(1.25710 -6) H/m]
A permeabilidade relativa de um material uma medida do grausegundo o qual o material pode ser magnetizado, ou da facilidade com que um
campo B pode ser induzido na presena de um campo H externo.
Uma outra grandeza de campo, M, chamada de magnetizao do
slido, definida pela Eq. 3.7. Na presena de um campo H, os momentos
magnticos no interior de um material tendem a ficar alinhados com o campo
e a reforar o mesmo em virtude dos seus campos magnticos; o termo 0 .M
na Eq. 3.5 uma medida d essa contribuio.
MHB += 00 (3.7)
Onde:
B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou
Wb/m2]
0 = permeabilidade do vcuo, constante universal, [410-7
(1.25710 -6) H/m]
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico
[A.espira/m]
M = Magnetizao do slido
A magnitude de M proporcional ao campo aplicado da seguinte
maneira:
HM m = (3.8)
M = Magnetizao do slido
m = Susceptibilidade magntica [adimensional]
H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico[A.espira/m]
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A susceptibilidade magntica e a permeabilidade relativa e sto
relacionadas da seguinte forma:
1= rm (3.9)
As unidades magnticas podem ser uma fonte de confuso, pois
existem na realidade dois sistemas comumente util izados. As unidades
utilizadas at o momento so do SI (sistema MKS metro-quilograma-
segundo); as outras unidades so originrias do sistema cgs-uem (centmetro-
grama-segundo-unidade eletromagntica). As unidades para ambos os
sistemas, assim como os fatores de converso apropriados, esto includos na
Tabela 3.4.
Tabela 3.4 Unidades Magnticas e Fatores de Converso para os
Sistemas SI e cgs-uem [ 1 ] .
Smbolo Unidades SIGrandeza
SI Cgs-uem Derivada Primria
Unidade
cgs-uem
Converso
Induomagntica(densidade dofluxo)
B - tesla(Wb/m2)
Kg/(s.C) Gauss 1Wb/m2=104gauss
Fora do campomagntico
H - A/m C/(m.s) Oersted 1A/m=410-3 oersted
Magnetizao M I A/m C/(m.s) Maxwell/cm2 1A/m=10-3mawell/cm2
Permeabilidade
do vcuo
0 - H/m kg.m/C2 Adim. (uem0 410-7H/m=1uem
Permeabilidaderelativa
r Adim. Adim. Adim. r=
Susceptibilidade m m Adim. Adim. Adim. m=4 m
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3.5 Diamagnetismo
O diamagnetismo uma forma muito fraca de magnetismo que no
permanente e que persiste somente enquanto um campo externo est sendo
aplicado. Ele induzido atravs de uma alterao no movimento orbital dos
eltrons devido aplicao de um campo magntico. A magnitude do
momento magntico induzido extremamente pequena, e em uma direo
oposta quela do campo que foi aplicado, conforme mostra a Figura 3.10.
Figura 3.10 A configurao do dipolo atmico para um material
diamagntico com e sem a presena de um campo magntico. Na ausncia de
um campo externo, no existem dipolos; na presena de um campo, so
induzidos dipolos que esto alinhados em direo oposta direo do campo.
Dessa forma, a permeabilidade relativa, r, menor que a unidade
(entretanto, apenas um pouco menor), e a susceptibilidade magntica
negativa; isto , a magnitude do campo B no interior de um slido
diamagntico menor do que no vcuo. A Figura 3.11 mostra a representao
esquemtica desse fenmeno.
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Figura 3.11 Representao esquemtica da densidade do fluxo, B, em
funo da fora do campo magntico, H, para materiais diamagnticos,
paramagnticos e ferromagnticos.
3.6 Paramagnetismo
Para alguns materiais slidos, cada tomo possui um momento dipolo
permanente em virtude de um cancelamento incompleto dos momentosmagnticos do spin do eltron e/ou orbital. Na ausncia de um campo
magntico externo, as orientaes desses momentos magnticos atmicos so
aleatrias, de tal modo que uma pea do material no possui qualquer
magnetizao macroscpica lquida ou global. Esses dipolos atmicos esto
livres para girar, e o paramagnetismo resulta quando eles se alinham
preferencialmente, atravs de rotao, com um campo externo, como est
mostrado na Figura 3.12 abaixo.
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Figura 3.12 A configurao do dipolo atmico com e sem um campo
magntico externo para um material paramagntico.
Esses dipolos magnticos so atuados individualmente, sem qualquer
interao mtua entre dipolos adjacentes. Uma vez que os dipolos se alinham
fracamente com o campo externo, eles o aumentam, dando origem a uma
permeabilidade relativa, r, que maior do que a unidade, alm de uma
susceptibilidade magntica que, apesar de relativamente pequena, positiva.Tanto os materiais diamagnticos como os materiais paramagnticos
so considerados no-magnticos, pois eles exibem magnetizao somente
quando se encontram na presena de um campo externo. Ainda, para ambos os
materiais, a densidade do fluxo B no seu interior quase a mesma que seria
no vcuo.
3.7 Ferromagnetismo
Certos materiais metlicos possuem um momento magntico
permanente na ausncia de um campo externo e manifestam magnetizaes
muito grandes e permanentes. Essas so as caratersticas do ferromagnetismo,
e so exibidas pelos metais de transio ferro (como ferrita aBCC), cobalto,
nquel e alguns dos metais terras-raras, como o gadolnio (Gd).Susceptibilidades magnticas muito elevadas so possveis para os materiais
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ferromagnticos. Consequentemente, H
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regies volumtricas relativamente grandes do cristal, conhecidas como
domnios.
A mxima magnetizao possvel, ou magnetizao de saturao, Ms ,
de um material ferromagntico representa a magnetizao que resulta quando
todos os dipolos magnticos em uma pea slida esto mutuamente alinhados
com o campo externo; existe tambm uma densidade de fluxode saturao, B s ,
correspondente.
3.8 Ferrimagnetismo
Algumas cermicas tambm exibem uma magnetizao permanente,
conhecida por ferrimagnetismo. As caractersticas magnticas macroscpicas
dos ferromagnetos e dos ferrimagnetos so semelhantes; a distino reside na
fonte dos momentos magnticos lquidos.
3.9 Materiais Magnticos
Os materiais magnticos so agrupados, geralmente, em trs
categorias:
os diamagnticos (m < 0 ) ,
os paramagnticos (m > 0 )
e os ferromagnticos (m >> 0 ).
3.9.1 Materiais Diamagnticos, m < 0
Quando um material, tal como o bismuto, colocado na presena de
um campo magntico externo, a resultante da densidade do fluxo magntico
dentro do material reduzida drasticamente. Os momentos magnticos no
interior do material so alinhados contra o campo externo.
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Neste sentido os materiais diamagnticos so caracterizados, tambm,
pelo fato de que os tomos no produzem um momento magntico permanente.
Ou, mais exatamente, os efeitos das micro-correntes no interior de um dos
tomos se anulam, tal que o momento magntico resultante no tomo zero.
Nessas circunstncias, quando aplicamos um campo magntico, pequenas
correntes so produzidas no interior do tomo por induo magntica. De
acordo com a lei de Lenz, essas correntes so tais que se opem ao
crescimento do campo externo. Ento os momentos magnticos induzidos nos
tomos sero na direo oposta ao campo magntico aplicado. Assim, os
momentos magnticos induzidos nos tomos sero na direo oposta ao campo
externo.
Para um material estritamente diamagntico a permeabilidade r
tipicamente menor do que o na relao de 1 parte em 106 .
3.9.2 Materiais Paramagnticos, m > 0
Quando um material, tal como a platina, colocada na presena de
um campo magntico externo, os momentos magnticos do material so
alinhados com o campo externo, e o fluxo de campo dentro do material
aumentado. As linhas do campo magntico externo penetram no material
fazendo com que os dipolos magnticos do material se alinhem com a mesma
direo do campo. Em termos dos parmetros magnticos, os materiais
paramagnticos so caracterizados pela magnetizao M n a mesma direo de
B. Para este t ipo de material, a uma temperatura ambiente, a permeabilidade
r pode exceder a o fator de 1 a 100 partes em 106 .
Os materiais paramagnticos so caracterizados, tambm, por tomos
que tm um momento magntico permanente. Os movimentos orbitais dos
eltrons e os spins produzem correntes circulares que s o diferentes de zero.
O paramagnetismo completamente inexplicado em termos do
eletromagnetismo clssico. Se a magnetizao dos materiais fosse atribuda
somente aos eltrons orbitando nos tomos, a partir da lei de Lenz poderamos
esperar que todos os materiais se comportariam como os diamagnticos na
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presena de campo externo. A origem do paramagnetismo o momento
magntico constante associado com o spin eletrnico. Como no existe um
conceito clssico equivalente ao spin (quntico) podemos afirmar que este
fenmeno s pode ser explicado com a ajuda da teoria quntica.
3.9.3 Materiais Ferromagnticos, m >> 0
A propriedade peculiar dos materiais ferromagnticos tais como o
ferro, nquel e o cobalto que a suscetibilidade magntica, a magnetizao e
a permeabilidade no so constantes mas dependem, para um particularmaterial, de sua historia magntica e trmica passada. Todos os materiais
ferromagnticos so fortemente paramagnticos, contudo, no sentido de que
um campo externo aplicado pode aumentar sensivelmente a densidade de
fluxo magntico no interior do material. Por exemplo, a permeabilidade r
pode exceder a o por um fator superior a 103 .
Os materiais ferromagnticos tm tomos com momentos magnticos
permanentes. Esses momentos magnticos esto alinhados, mesmo em
ausncia de um campo magntico externo. Entretanto a agitao trmica em
temperaturas suficientemente elevadas transforma esse tipo de material em
paramagntico. Nos materiais ferromagnticos, devido ao alinhamento dos
momentos magnticos no interior do material, estes produzem um campo
magntico, mesmo em ausncia de campo externo.
3.10 Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico
A temperatura tambm pode influenciar as caracteristicas magnticas
dos materiais. Convm recordar que o aumento da temperatura de um slido
resulta em um aumento na magnitude das vibraes trmicas dos tomos. Os
momentos magnticos atmicos esto livres para girar; dessa forma, com o
aumento da temperatura, o maior movimento trmico dos tomos tende a
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tornar aleatrias as direes de quaisquer momentos que possam estar
alinhados.
Para os materiais ferromagnticos, antiferromagnticos e ferrimagnticos, os
movimentos trmicos atmicos vo ao contrrio das foras de pareamento
entre os momentos dipolo atmicos adjacentes, causando algum
desalinhamento do dipolo, independente do fato de um campo externo estar
presente. Isso resulta em uma diminuio na magnetizao de saturao tanto
para os materiais ferromagnticos como para os ferrimagnticos. A
magnetizao de saturao mxima temperatura de 0K, em cujascondies as vibraes trmicas so mnimas. Com o aumento da temperatura,
a magnetizao de saturao diminui gradualmente, e ento cai abruptamente
para zero, no que conhecido por temperatura Curie, Tc . A Tc normalmente
inferior ao ponto de fuso do material. Os comportamentos magnetizao-
temperatura para o ferro e oFe304 esto representados na Figura 3.14.
Figura 3.14 Grfico da magnetizao de saturao como uma funo
da temperatura para o ferro e o Fe3O4[ 1 ] .
Na Tc, as foras mtuas de pareamento de spin so completamente destrudas,
de tal modo que para temperaturas acima acima da Tc tanto os materiaisferromagnticos como os materiais ferrimagnticos so paramagnticos. A
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magnitude da temperatura Curie varia de material para material; por exemplo, para o ferro, cobalto, nquel e Fe304 , os respectivos valores para a
temperatura Curie so de 768, 1120, 335 e 585C. A Tc do metal terra-rara
gadolneo 16C.
3.11 Domnios e Histereses
Qualquer material ferromagntico ou ferrimagntico que se encontre a
uma temperatura abaixo de Tc composto por regies de pequeno volume
onde existe um alinhamento mtuo de todos os momentos dipolo magnticosna mesma direo, como est i lustrado na Figura 3.15.
Figura 3.15 Representao esquemtica de domnios em um material
ferromagntico; as setas representam os dipolos magnticos atmicos. No
interior de cada domnio, todos os dipolos esto alinhados, enquanto a di reo
do alinhamento varia de um domnio para o outro.
Tal regio chamada um domnio, e cada um deles est magnetizado
at a sua magnetizao de saturao. Os domnios adjacentes esto separados
por contornos de domnio ou paredes, atravs das quais a direo da
magnetizao varia gradualmente (Figura 3.16).
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Figura 3.16 Variao gradual na orientao do dipolo magntico
atravs da parede de um domnio.
Normalmente, os domnios possuem dimenses microscpicas, e para
uma amostra policristalina, cada gro pode consistir em mais do que um nico
domnio. Dessa forma, em uma pea de material com dimenses
macroscpicas, existira um grande nmero de domnios, e todos podero ter
diferentes orientaes de magnetizao. A magnitude do campo M para o
slido como um todo a soma vetorial das magnetizaes de todos osdomnios, onde a contribuio de cada domnio ponderada de acordo com
sua frao volumtrica. No caso de uma amostra no magnetizada, a soma
vetorial apropriadamente ponderada das magnetizaes de todos os domnios
igual a zero.
3.12 Aquecimento de Metais por Induo Magntica
Devido ao fato de todos os metais serem condutores eltricos o
aquecimento por induo aplicvel atualmente a uma variada gama de
processos tais como fundio, tratamentos trmicos, soldagem e aquecimento
para forjamento. Este processo tem como principais vantagens a eficincia de
transferncia de energia para a pea e altas velocidades de aquecimento
quando comparadas com os mtodos convencionais de aquecimento.
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Os princpios fsicos do processo de aquecimento indutivo, so
conhecidos h mais de cem anos e foram disponibilizados para o uso prtico
em meados do sculo XX. As tcnicas do aquecimento indutivo atualmente
contribuem com quase todas as indstrias de manufatura, desde a preparao
de pastilhas de sil cio puro para componentes microeletrnicos at o
processamento de chapas de ao pesando 25 toneladas ou mais. O uso destas
tcnicas indubitavelmente crescer com a demanda do uso mais eficiente da
energia eltrica e com outros recursos de produo associados com a
necessidade de um melhor ambiente de trabalho.
O processo de aquecimento indutivo atualmente est difundido e
implatado em diversas aplicaes, sobre uma ampla faixa de processos
industriais. A sua atuao varia de acordo com a aplicao qual se destina.
De maneira geral os benefcios que recomendam a sua util izao, partem das
seguintes condies construtivas:
Elevadas densidades de potncia e tambm o aquecimento rpido que
pode ser obtido.
O preciso controle da temperatura.
A possibilidade de aquecer regies selecionadas e determinadas de um
componente.
A facilidade para colocar a pea em uma cmara fechada e
independente, por exemplo, sistema de vcuo ou atmosfera inerte que
usada isolada da bobina de aquecimento indutivo.
3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo
Quando uma pea de metal colocada no interior de uma bobina indutiva, que
est alimentada por corrente alternada, a pea e a bobina so interligadas por
um campo eletromagntico alternado, desta forma, o campo magntico que
absorvido pela pea transforma-se em campo eltrico, que por sua vez gera a
corrente induzida a qual ir aquecer a pea. Essa corrente chamada de
corrente de Foucault , ou ainda correntes parasitas (eddy currents). As bobinas
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de induo so geralmente confeccionadas em tubos de cobre no interior dos
quais circula gua de refrigerao, pois necessrio que ela permanea fria,
de forma a no alterar seu Fator de Qualidade (Q) e permitir a mxima
transferncia de energia entre ela e a pea. A forma de uma bobina depende
da forma da pea e da rea que se quer aquecer. Para que haja uma boa
transferncia de energia tambm necessrio que a bobina fique o mais
prximo possvel da pea. Quanto maior for a distncia menor ser a
eficincia do sistema.
Um circuito de aquecimento por induo ento fundamentalmente um
transformador, no qual o primrio est representado pelas espiras de uma
bobina, atravs da qual passa um corrente eltrica alternada, e de um
secundrio constitudo pela pea que vai ser aquecida.
Alm da produo de correntes de Foucault , tem-se ainda gerao de
efeitos de histerese magntica que criam correntes parasitas, correntes que
iro aquecer a pea. Sob a ao das correntes parasitas os domnios
magnticos tendem a se polarizar em um determinado sentido, criando-se em
cada um deles um polo norte e um polo sul. Ao se variar o sentido do campo
os domnios tendem a seguir estas variaes, v ariando o sentido de seus plos
e gerando-se uma frico atmica interna que faz com que seja dissipado
calor o qual ao dissipar-se eleva a temperatura da pea. No aquecimento dos
aos, o aquecimento por histerese tem pouca importncia porque quando se
ultrapassa a temperatura Curie (aproximadamente 768 C) o ao torna-se
paramagntico e o aquecimento por histerese torna-se, ento, praticamente
nulo.
As correntes de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada
superficial das peas. A distribuio destas correntes ao longo da seo das peas depende fundamentalmente da freqncia util izada, da condutividade
eltrica e das propriedades magnticas do material aquecido. Quando se
geram correntes de Foucault , o ao passa a atuar como uma resistncia
eltrica que se aquece pela passagem de uma corrente eltrica de acordo com
a lei de Joule. O calor gerado ser proporcional a RI 2 , sendo R a resistncia
do circuito e I a intensidade da corrente, veja Figura 3.17. Quanto mais alta
for a temperatura, menor ser o efeito de aquecimento por correntes deFoucault .
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Figura 3.17 Desenho esquemtico do processo de aquecimento
indutivo e da profundidade de aquecimento obtido atravs da induo decorrentes de Foucault na pea.
A densidade da corrente induzida na superfcie da pea elevada, e
diminui conforme aumentada a distncia em relao superfcie. Este
fenmeno conhecido como efeito pelicular (Skin Effect). A profundidade
do efeito pelicular, ou simplesmente, a profundidade de penetrao umconceito conveniente de matemtica. A profundidade de penetrao de
extrema importncia para a engenharia de aquecimento indutivo, pois
atravs da profundidade de penetrao que aproximadamente 90% da energia
total induzida na pea ou regio a ser aquecida.
O valor da profundidade de penetrao (d) depende da resistividade do
material [ (em Wm)] e da permeabilidade relativa (r) e da freqncia da
corrente de aquecimento [f (em Hertz Hz)]. Para a maioria das aplicaesprticas, a profundidade da penetrao po der ser calculada pela expresso:
500fr
=
(3.11)
Onde:
= Profundidade de penetrao [m]
= Resistividade hmica do material [Wm]r = Permeabilidade relativa do material [adimensional]
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f = Frequncia da corrente alternada aplicada bobina de induo [Hz]
A energia gerada por unidade de volume da pea a ser aquecida
diretamente proporcional freqncia de ressonncia do tanque,
permeabilidade magntica do material e ao quadrado d a intensidade do campo
magntico na superfcie da pea. A potncia tambm depende das dimenses
da pea em relao profundidade de penetrao da corrente induzida. Este
fator fornece a extenso da faixa das freqncias de funcionamento que sero
usadas para cada processo industrial que util ize aquecimento por induo.
A energia em corrente alternada, para aplicao em aquecimento
indutivo fornecida por vrias fontes, dependendo da freqncia e da
potncia que so necessrias. Estas fontes de potncia esto relacionadas na
Tabela 3.5 abaixo, em conjunto com a faixa de freqncia em que so
utilizadas.
Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de induo.
ITEM DENOMINAO FAIXA DE FREQUNCIA
A Frequncia da rede 60Hz
B Multiplicador Magntico de
Freqncia (transformadores com
ncleo saturado)
Entre 0.18kHz e 0.54kHz
C Motor Gerador (motor assncrono em
3600RPM, tendo um gerador de
corrente alternada montado em seu
eixo, com alto nmero de plos para
gerar a freqncia necessria)
Entre 0.96kHz e 9.6kHz
D Gerador Tiristorizado At 20kHz. Existe a
possibilidade de trabalhar com
freqncias mais altas, mas
com mais baixa potncia.
E Gerador Transistorizado So duas possibilidades
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atualmente:
IGBTs, com freqncia
de funcionamento at
mais de 200kHz.
MOSFETs, com
freqncias de trabalho
at 500kHz.
F Gerador com Vlvula Osciladora
Termoinica
Frequncia de funcionamento
entre 200kHz e 500kHz. Pode
funcionar em mais altas
freqncias, como por
exemplo em 1.7MHz.
3.13 Chaveamentode Potncia com IGBTs
IGBTs so chaves eletrnicas (vide Figura 3.16) semelhantes a
transistores bipolares, mas com gate para disparo por tecnologia CMOS. Essescomponentes podem ser acionados por nveis de tenso na faixa de 10 a
20V (threshold voltage, Vth) aplicados ao seu gate, podem trabalhar com
freqncias de acionamento maiores que 200kHz e chavear correntes da
ordem de 300A. Dispositivos de canal N so acionados por pulsos de tenso
positiva no gate, em relao ao pino source (S), enquanto dispositivos de
canal P so acionados por tenso negativa no gate. So construdos em geral
para suportar tenses nominais de 600V e 1200V, mas atualmente,
dispositivos que suportam tenses da ordem de 2kV j so encontrados com
relativa facilidade no mercado.
A Figura 3.18 mostra a analogia do acionamento de um IGBT de canal
N, atravs de pulsos de tenso de amplitude +15V, com um interruptor
eltrico de acionamento mecnico.
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A estrutura fsica esquemtica do IGBT pode ser vista na Figura 3.20.
Figura 3.20 Estrutura fsica do IGBT [ 12 ] .
Quando a tenso entre a porta (gate, G) e o emissor atinge um
determinado valor l imite que depende do dispositivo conhecida comotenso de limiar (threshold voltage), simbolizada por V th , a quantidade de
eltrons livres atrados pelo campo eltrico criado no gate tamanha que a
regio imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para
o tipo n, fenmeno conhecido como inverso sendo a camada que sofreu o
processo recebe o nome de camada de inverso, mais comumente conhecida
como canal. A operao fsica do IGBT descrita aqui refere-se IGBTs de
canal N, e i lustrada na Figura 3.21 apresentada abaixo:
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Figura 3.21 Desenho esquemtico do funcionamento de um IGBT de
canal N. Com a aplicao da tenso V th ao gate do dispositivo, ocorre
circulao de corrente entre os pinos de dreno (D) e source (S), rotulados na
imagem como anodo e catodo respectivamente [ 12 ] .
A Figura 3.22 mostra um comparativo com relao a tenso, corrente e
freqncia de trabalho de vrios dispositivos eletrnicos util izados em
chaveamento de potncia.
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Figura 3.22 Limites de operao de componentes semicondutores de
potncia [ 12 ] .
3.14 Estruturas Metaestveis Obtidas por Resfriamento Rpido - RSP
Estruturas metaestveis ou, mais precisamente, configuraes
congeladas de estruturas metaestveis no so novidade na metalurgia.
Realmente, muito da prtica tradicional em metalurgia tem sido centrada na
formao, caracterizao, compreenso e controle sobre estruturas que sejam
composicionalmente, topologicamente e/ou morfologicamente metaestveis.
Entretanto, cerca de duas a trs dcadas atrs, houve um grande
crescimento no interesse na produo e estudo de novas estruturas
metaestveis na metalurgia e em outras cincias de fases condensadas. Esse
crescimento no interesse sobre estas estruturas reflexo de desenvolvimentos
em tcnicas de resfriamento brusco de materiais fundidos, condensao e
irradiao de materiais, em