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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU
EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SINTERIZAÇÃO DA LIGA 50%Fe-50%Ni
Autor: Flávia Cristina Franco de Lima
Orientador: Prof. Dr. João Batista Fogagnolo
Co-Orientadora: Profa. Dra. Mírian de Lourdes Noronha Motta Melo
Itatiba – SP
2009
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU
EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SINTERIZAÇÃO DA LIGA 50%Fe-50%Ni
Autor: Flávia Cristina Franco de Lima
Orientador: Prof. Dr. João Batista Fogagnolo
Co-Orientadora: Profa. Dra. Mírian de Lourdes Noronha Motta Melo
Dissertação de mestrado apresentada à Banca
Examinadora, do Programa de Pós-Graduação Stricto
Sensu em Engenharia e Ciência dos Materiais, da
Universidade São Francisco, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia e Ciência dos Materiais
.
Itatiba - SP
2009
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FICHA CATALOGRÁFICA
Ficha catalográfica elaborada pelas Bibliotecárias do Setor de
Processamento Técnico da Universidade São Francisco.
621.9 Lima, Flávia Cristina Franco de
L698s Sinterização da liga 50%Fe-50%Ni / Flávia Cristina Franco de
Lima. -- Itatiba, 2009.
75 p.
Dissertação (mestrado) – Programa de Pós-Graduação Stricto
Sensu em Engenharia e Ciência dos Materiais da Universidade São
Francisco.
Orientação de: João Batista Fogagnolo.
Co-orientação de: Míriam de Lourdes Noronha Motta Melo.
1. Metalurgia do pó. 2. Moldagem por injeção de pós.
3. Microscopia eletrônica de varredura. 4. Análise térmica
diferencial. I. Título. II. Fogagnolo, João Batista. III. Melo,
Míriam de Lourdes Noronha Motta.
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU
EM ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS
SINTERIZAÇÃO DA LIGA 50%Fe-50%Ni
Autor: Flávia Cristina Franco de Lima
_______________________________________________________
Prof. Dr. João Batista Fogagnolo
Orientador e Presidente da Banca Examinadora
_______________________________________________________
Profa. Dra. Silmara das Neves
_______________________________________________________
Prof. Dr. Luis César Aliaga
PUBLICAÇÕES GERADAS DURANTE O DESENVOLVIMENTO DESTA
DISSERTAÇÃO
Ao longo dos trabalhos desenvolvidos durante esta dissertação foram geradas as seguintes
publicações:
Trabalho(s) publicado(s)/submetido(s) em evento(s) científico(s):
1- Análise Teórico-Experimental da Formação de Soluções Sólidas por Via Fase Líquida
Transiente, durante o XIV ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA, VII ENCONRO
DE PÓS-GRADUAÇÃO e III ENCONTRO DE EXTENSÃO UNIVERSITÁRIA.
2- Sinterização da Liga Fe-Ni50%, durante o XV ENCONTRO DE INICIAÇÃO
CIENTÍFICA, VIII ENCONTRO DE PÓS-GRADUAÇÃO, IV ENCONTRO DE
EXTENSÃO UNIVERSITÁRIA e SEMINÁRIOS DE E.H.C. II CICLO.
Dedicatória
Dedico este trabalho aos familiares e amigos, em especial a minha mãe, que com muita
compreensão conseguiram dar o apoio necessário nos momentos mais difíceis até o término
deste.
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser realizado sem a colaboração de diversas pessoas às quais
presto meus agradecimentos:
Aos profs. João Batista Fogagnolo e Mírian de Lourdes Noronha Motta Melo por nunca me
deixarem desistir.
À professora Elíria Maria de Jesus Agnolon Pallone pelo direcionamento nos estudos finais
deste trabalho.
Ao Batista, técnico do laboratório, e aos alunos de Iniciação Científica que contribuíram
com a parte experimental do trabalho.
À Universidade São Francisco, à Capes pela Bolsa de Estudo concedida e à Epson Atmix
Corporation pelo fornecimento dos pós analisados neste trabalho.
Um homem de gênio não comete erros. Seus erros são propositais e são os portais da descoberta.
James Joyce
Resumo
Lima, Flávia Cristina Franco de, Sinterização da Liga 50%Fe-50%Ni, Itatiba, Programa de Pós-
Graduação Stricto Sensu em Engenharia e Ciência dos Materiais, Universidade São Francisco,
2009, 75 páginas, Dissertação de Mestrado.
A moldagem de pós por injeção é uma técnica avançada da metalurgia do pó convencional, que
consiste na combinação de injeção de polímeros com pós metálicos, para serem injetados em
matrizes com o formato da peça desejada. Este trabalho teve como objetivo estudar a
sinterabilidade do pó da liga 50%Fe-50%Ni, que é utilizado como matéria-prima para obtenção
de materiais magnéticos através de moldagem por injeção de pós. Foram utilizados pós com
distintos tamanhos de partículas, com diâmetros médios equivalentes a 5µm, 8 µm e 10 µm, como
as respectivas nomenclaturas, 5F, 15F e 20F. A temperatura (isoterma) e o tempo de patamar de
sinterização foram variados para verificar a influência destes parâmetros sobre o processo.
Utilizou-se análise térmica diferencial, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura
para a caracterização da matéria-prima e dos materiais sinterizados. Observou-se que o pó
apresenta alta sinterabilidade em temperaturas acima de 1000º C e que a temperatura de
sinterização, nesta faixa, apresenta maior influência sobre o processo que o tempo de
sinterização. O tamanho de partícula possui influência preponderante sobre a sinterização e
quanto menor o tamanho de partícula, menor é a temperatura de início de formação de pescoços.
Com relação aos parâmetros da sinterização, o processo de empescoçamento adianta-se com o
aumento do tempo de patamar e da temperatura de sinterização.
Palavras-chaves: Metalurgia do Pó, Moldagem por Injeção de Pós, Microscopia Eletrônica de
Varredura, Análise Térmica Diferencial.
Abstract
Lima, Flávia Cristina Franco de Lima, Sintering of the 50%Fe-50%Ni alloy, Itatiba, Post-
Graduate Program in Materials Engineering and Science, San Francisco University, 2009, 75
pages, Master's degree dissertation.
Powder injection molding is an advanced technique of powder metallurgy, which combines
polymer injection and metallic powders, to be injected into molds of near net shape products. The
purpose of this work was the study of 50%Fe-50%Ni powder sinterability, this powder is used as
raw material for magnetic materials obtaining through powder injection molding. Distinct powder
particle sizes were used, with average equivalent diameters equal to 5µm, 8 µm and 10 µm.
Sintering temperature and time were varied to check the influence of these parameters on
sintering. Differential thermal analysis, optical and scanning electron microscopy were used to
characterize the raw materials and sintered parts. It was observed that the 50%Fe-50%Ni powder
alloy has great sinterability over 1000
o
C and the sintering temperature, at this range, has stronger
influence on the process than sintering time. The powder particle size has preponderant influence
on sintering and the lower the particle size, the lower is the temperature of forming necks.
Related to the sintering parameters, the necking forming process is faster with increasing time
and temperature of sintering.
Key words: Powder Metallurgy, Powder Injection Molding, Scanning Electron Microscopy,
Differential Thermal Analysis.
i
Índice
Índice .............................................................................................................................................. ..i
Lista de Figuras .............................................................................................................................. iii
Lista de Tabelas .............................................................................................................................. vi
Nomenclatura ................................................................................................................................ vii
1. Introdução .................................................................................................................................... 1
1.1. Considerações gerais ................................................................................................................ 1
1.2. Objetivos .................................................................................................................................. 4
2. Revisão Bibliográfica .................................................................................................................. 5
2.1. Processos de fabricação ............................................................................................................ 6
2.2. Metalurgia do pó ...................................................................................................................... 6
2.3. Pós metálicos .......................................................................................................................... 19
2.4. Características dos pós metálicos ........................................................................................... 20
2.4.1. Taxa de fluxo ....................................................................................................................... 20
2.4.2. Pureza e Composição Química ........................................................................................... 21
2.4.3. Microestrutura da partícula ................................................................................................. 21
2.4.4. Tamanho e forma de partícula ............................................................................................. 22
2.4.5. Porosidade ........................................................................................................................... 24
2.4.6. Densidade aparente ............................................................................................................. 24
2.4.7. Densidade batida ................................................................................................................. 25
2.4.8. Velocidade de escoamento .................................................................................................. 25
2.4.9. Superfície específica ........................................................................................................... 26
2.4.10. Compressibilidade ............................................................................................................. 26
2.4.11. Resistência em verde ......................................................................................................... 27
2.4.12. Mudanças dimensionais das peças compactadas .............................................................. 27
2.4.13. Atmosfera de sinterização ................................................................................................. 28
2.5. Teoria da sinterização (Formação de pescoço) ...................................................................... 29
2.5.1. Sinterização com fase líquida .............................................................................................. 36
2.6. Processo PIM (Powder Injection Molding) ............................................................................ 36
2.7. Ferro ....................................................................................................................................... 44
ii
2.8. Liga Ferro-Níquel ................................................................................................................... 45
2.8.1. Diagrama de Fases Ferro-Níquel ......................................................................................... 46
2.9. Liga 50%Fe-50%Ni ................................................................................................................ 48
3. Materiais e Métodos. ................................................................................................................. 49
3.1. Dados do fabricante ................................................................................................................ 49
3.2. Caracterização dos pós ........................................................................................................... 51
3.3. Curvas de sinterização e caracterização dos materiais sinterizados ....................................... 51
4. Resultados e Discussões ............................................................................................................ 55
5. Conclusões ................................................................................................................................ 69
6. Sugestões para trabalhos futuros ............................................................................................... 71
7. Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 73
iii
Lista de Figuras
Figura 1.1 – As três principais razões para se utilizar a técnica de metalurgia do pó são mostradas
no diagrama de Venn. A intersecção dos três círculos representa a área ideal para a aplicação da
técnica de metalurgia do pó, por exemplo, na fabricação de capacitores
elétricos.............................................................................................................................................2
Figura 2.1 – Esquema dos principais processos de fabricação envolvendo materiais metálicos.....6
Figura 2.2 – Microestrutura após compactação de um pó metálico em formato irregular...............8
Figura 2.3 – Formação inicial de pescoços usando um modelo com três esferas ................... ........9
Figura 2.4 – Formação de contatos de continuidade de matéria na fase inicial da sinterização para
um pó metálico com formato irregular .......................................................................................... 10
Figura 2.5 – Estágio avançado da sinterização: coalescimento e arredondamento dos poros ...... 10
Figura 2.6 – Estágios do processo via metalurgia do pó. .............................................................. 11
Figura 2.7 – Influência da pressão de compactação na compressibilidade e na resistência verde de
alguns materiais ............................................................................................................................. 12
Figura 2.8 – Efeito ilustrativo da operação de sinterização sobre várias características do material
....................................................................................................................................................... 13
Figura 2.9 – Representação esquemática das operações adicionais aliadas à metalurgia do pó ... 14
Figura 2.10 – Tipos e formas de partículas metálicas, com representação bidimensional ........... 22
Figura 2.11 – Coleção das possíveis formas de partículas em representação tridimensional ....... 23
Figura 2.12 – Ilustração das dificuldades na medição do tamanho de partículas ......................... 24
Figura 2.13 – Formação de pescoço em conseqüência da ligação inicial entre as duas partículas
..................................................................................................................................................... ..31
Figura 2.14 – Tipos de transporte de material quando duas esferas de cristais simples com um
contorno de grão na interface são sinterizadas juntas. Percurso a: difusão volumétrica da
superfície plana ao pescoço; Percurso b: difusão superficial da superfície plana do pescoço;
Percurso c: difusão de contorno de grão, a partir do contorno do grão em direção ao pescoço;
Percurso d: difusão volumétrica a partir do contorno de grão em direção ao pescoço ................. 32
Figura 2.15 – Várias teorias do mecanismo de sinterização mostradas em relação a um fundo de
uma curva típica de densidade versus o progresso da sinterização ............................................... 34
iv
Figura 2.16 – Representação esquemática da sinterização usando modelo com três esferas: (a)
pontos originais de contato; (b) crescimento do pescoço; (c) e (d) arredondamento dos poros ... 34
Figura 2.17 – Peças complexas e diminutas. Abaixo peças moldadas com polímero e acima peças
após sinterização ........................................................................................................................... 39
Figura 2.18 – Adaptação do esquema do processo de Moldagem de Pós por Injeção .................. 39
Figura 2.19 – Peças fabricadas com pós cerâmicos obtidas pelo processo CIM .......................... 43
Figura 2.20 – Peças obtidas com pós metálicos através do processo MIM ................................... 43
Figura 2.21 – Diagrama de fases Fe-Ni ......................................................................................... 47
Figura 3.1 – Análises gráficas do tamanho de partículas: (a) 5F; (b) 15F e (c) 20F. .................... 50
Figura 3.2 – Curvas com diferentes temperaturas e tempos de sinterização empregadas para
estudo da sinterização do pó 15F. Os termos F1 a F5 se referem às distintas curvas empregadas.
........................................................................................................ Erro! Indicador não definido.
Figura 3.3 – Curvas de sinterização empregadas, medidas junto às amostras. ............................. 54
Figura 4.1 – Aspecto morfológico dos pós 5F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos. ....................................................................................................................................... 55
Figura 4.2 – Aspecto morfológico dos pós 15F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos. ....................................................................................................................................... 55
Figura 4.3 – Aspecto morfológico dos pós 20F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos. ....................................................................................................................................... 56
Figura 4.4 – Termogramas obtidos por análise térmica diferencial dos pós 5F, 15F e 20F. ........ 57
Figura 4.5 – Micrografias ópticas com aumento de 200x das amostras do pó da liga 50%Fe-
50%Ni com tamanho de partícula de 8µm (15F) após sinterização a 1000 (a), 1100 (b) e 1200ºC
(c) e (d), com tempo de patamar de sinterização de zero (a) e (b), 20 (c) e 60 minutos
(d)....................................................................................................................................................58
Figura 4.6 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 5F sinterizados: (a) e (b)
870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC. ........................................ 59
Figura 4.7 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 15F sinterizados: (a) e (b)
870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC.Erro! Indicador não
definido.
v
Figura 4.8 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 20F sinterizados: (a) e (b)
870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC.Erro! Indicador não
definido.
Figura 4.9 – Superfície de fratura das amostras da liga 50%Fe-50%Ni sinterizadas a 870ºC: (a)
5F; (b) 15F e (c) 20F. .................................................................................................................... 62
Figura 4.10 – Superfície de fratura das amostras da liga 50%Fe-50%Ni sinterizadas a 920ºC: (a)
5F; (b) 15F e (c) 20F. .................................................................................................................... 63
Figura 4.11 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a 920ºC: (a) 0 minuto e (b)
90 minutos. .................................................................................................................................... 64
Figura 4.12 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a 920ºC: (a) 0 minuto e
(b) 90 minutos. .............................................................................................................................. 64
Figura 4.13 – Superfície de fratura das amostras do pó 20F sinterizadas a 920ºC: (a) 0 minuto e
(b) 90 minutos. .............................................................................................................................. 64
Figura 4.14 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b) 970ºC.
...................................................................................................................................................... .65
Figura 4.15 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b) 970ºC.
....................................................................................................................................................... 65
Figura 4.16 – Superfície de fratura das amostras do pó 20F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b) 970ºC.
....................................................................................................................................................... 66
Figura 4.17 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a: (a) 920ºC, (b) 970ºC e
(c) 920ºC por 90 minutos. ............................................................................................................. 67
Figura 4.18 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a: (a) 920ºC, (b) 970ºC e
(c) 920ºC por 90 minutos. ............................................................................................................. 67
vi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Principais aplicações e propriedades específicas dos produtos obtidos pela
metalurgia do pó ............................................................................................................................ 18
Tabela 2.2 – Densidade aparente e batida de vários pós metálicos ............................................... 25
Tabela 2.3 – Temperaturas e tempos de sinterização .................................................................... 30
Tabela 2.4 – Características dos pós metálicos e suas influências relacionadas ao pó ................. 37
Tabela 3.1 – Distribuição do tamanho de partículas. .................................................................... 50
Tabela 3.2 – Temperatura, taxas de aquecimento e tempo de permanência das amostras. ........... 53
vii
Nomenclatura
Siglas
ABM – Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais
CFC – Cúbica de Face Centrada
CIM – Ceramic Injection Molding
DTA – Análise Térmica Diferencial
MEV- Microscopia Eletrônica de Varredura
MIM – Metal Injection Molding
MPI – Moldagem de Pós por Injeção
PIM – Powder Injection Molding
Símbolos
cm³ – centímetro cúbico
cm²/g – centímetro quadrado por grama
Fe – elemento químico Ferro
g/cm³ – grama por centímetro cúbico
H/m – henry por metro
mm – milímetro
N/mm² – Newton por milímetro quadrado
Ni – elemento químico Níquel
tons/cm² – toneladas por centímetro quadrado
µm – micrometro
1
1. Introdução
1.1. Considerações gerais
Sob o ponto de vista industrial, a metalurgia do pó é considerada uma técnica
relativamente recente, mas de fato pode-se encontrar na antiguidade vestígios de seu
emprego ao examinarem-se certas peças de ferro ou de metais preciosos, como: espadas,
lanças, objetos de adorno, entre outras, que são obtidas mediante a união de partículas
metálicas incandescentes por martelamento [1].
A utilização do pó de ferro na fabricação de componentes mecânicos somente se
expandiu na década de 1930 e principalmente após a Segunda Guerra Mundial. Antes desse
período, a metalurgia do pó não estava suficientemente desenvolvida sob o ponto de vista
técnico para competir economicamente com os processos mais convencionais, além do fato
de que os especialistas na época estavam mais interessados em aplicar a técnica naqueles
setores em que a metalurgia do pó era praticamente a única solução. As indústrias mecânica
e automobilística, principalmente esta última, foram as grandes responsáveis pela utilização
crescente de peças sinterizadas de ferro e suas ligas, a ponto de, em diversos casos, a
mesma ter-se tornado insubstituível, principalmente sob o ponto de vista de custos, que, na
indústria moderna, constitui fator de fundamental importância na escolha de determinado
método de fabricação [1].
Alguns desenvolvimentos históricos que fizeram parte da metalurgia do pó são: ferro-
esponja para ferramentas, grãos de platina cementados, sinterização a alta temperatura de
compactados de pó de platina, mancais auto-lubrificantes e filtros metálicos, escovas
coletoras cobre-grafita, contatos elétricos, materiais de fricção, metal duro (carboneto de
tungstênio sinterizado), tecnologia do pó de ferro, etc.
De acordo com German [2], um pó é uma coleção de partículas. Os pós
freqüentemente constituem-se de misturas de diferentes partículas, incluindo fases
poliméricas. Muitas atribuições contribuem para o sucesso da Metalurgia do Pó. Três
atributos chaves são: custo, propriedades e unicidade. A econômica está envolvida à relação
do custo e produtividade. Os materiais cativos são os materiais dificilmente processados
2
através de outras técnicas (refratários), enquanto que a unicidade está relacionada às
propriedades e microestruturas únicas que justificam o uso desses produtos. A Figura 1.1
mostra um Diagrama de Venn de como as aplicações da metalurgia do pó podem ser
categorizadas [2].
Figura 1.1 – As três principais razões para se utilizar a técnica de metalurgia do pó são
mostradas no diagrama de Venn. A intersecção dos três círculos representa a área ideal para
a aplicação da técnica de metalurgia do pó, por exemplo, na fabricação de capacitores
elétricos. Adaptado da referência [2].
Muitas aplicações requerem a produção econômica de peças complexas.
Componentes para a indústria automotiva representam bons exemplos nesta área – válvulas,
sensores de emissão, conversores catalíticos, absorventes de choque, vela de ignição, rodas
dentadas, componentes de cronometragem, entre outros [2].
3
Atualmente o estudo da utilização de pós metálicos para fabricação de peças
metálicas é enorme. Uma das técnicas mais inovadoras consiste na combinação de injeção
de polímeros com pós metálicos misturados, para serem injetados em matrizes esculpidas
com o formato da peça desejada. A moldagem de pós por injeção (MPI) é conhecida
internacionalmente por Powder Injetion Molding (PIM) e divide-se em Metal Injection
Molding (MIM) e Ceramic Injetion Molding (CIM) [3].
Basicamente o processo produtivo consiste em misturar um aglutinador (ligante) com
pós metálicos e com isso, obter uma mistura que é conhecida por carga injetável. Logo após
o processo de mistura, injeta-se a carga em uma matriz, que possui o formato da peça
desejada, obtendo-se uma peça, muito similar à injeção de plásticos, por exemplo. Para que
não ocorram problemas nas etapas seguintes, o aglutinante anteriormente misturado ao pó,
é retirado da peça por imersão em solventes ou por aquecimento até a sua total eliminação.
Logo em seguida, a peça injetada, agora só de metal, é sinterizada para a obtenção das
características mecânicas desejadas. Nesta etapa do processo a peça recebe calor e reduz de
tamanho, densificando-se e adquirindo propriedades mecânicas. Deste momento em diante,
tratamentos térmicos, usinagem ou qualquer tipo de proteção superficial já pode ser
aplicada na peça. Existem muitas tensões envolvidas neste processo e elas são
determinantes para a obtenção de peças metálicas de excelente qualidade [3].
A tecnologia PIM permite a produção de peças de alta precisão, complexas, de alta
densidade e ótimo acabamento superficial. Foi desenvolvida na década de 70, pela
Parmatech, para atender a indústria de computadores, em especial ferramentas de precisão
utilizadas na montagem de circuitos integrados, contribuindo na redução do tamanho das
máquinas e equipamentos. É utilizada por cerca de 300 empresas. Entre as licenciadas pela
Parmatech, estão a IBM, Du Pont, Mitsubishi, Rockwell e Remignton Arms.
Existem inúmeras aplicações dos processos PIM (MIM e CIM). As principais são: a
utilização em peças sinterizadas, ferramentas diamantadas, rebolos, componentes de
fricção, tintas, polímeros e diversos tipos de pastas para soldagem [3].
A tecnologia PIM apresenta vantagens econômicas e tecnológicas em relação ao
processo mais convencional de sinterização de peças pré-compactadas, à microfusão e a
outros processos convencionais, na produção de peças complexas e muito precisas
dimensionalmente. Neste processo, a peça é injetada em sua forma final, dispensando
4
operações complementares obrigatórias nos processos convencionais. A precisão
dimensional é de +/– 0,3%. O PIM injeta peças de 0,1 grama até 350 gramas, usadas em
aparelhos ortodônticos. Possibilita total liberdade de criação, aliando o baixo custo da
moldagem em plástico com as propriedades dos aços e cerâmicos [3].
1.2. Objetivos
Este trabalho teve como objetivo caracterizar a sinterabilidade da liga 50%Fe-50%Ni,
que é utilizada para obtenção, através do processo de moldagem por injeção de pós (Metal
Injection Molding), de componentes magnéticos para a indústria eletrônica. A
sinterabilidade foi avaliada em função do tamanho de partícula (5µm, 8µm e 10µm), da
temperatura e do tempo de sinterização.
5
2. Revisão Bibliográfica
A adequação de um material para uma aplicação é determinada pela viabilidade de se
obter a forma desejada e pelo custo envolvido na sua obtenção. As técnicas de fabricação
dos metais consistem em métodos nos quais os metais e ligas metálicas são conformados ou
manufaturados para a obtenção de diversos produtos. Essas técnicas passam por processos
de refinamento e geralmente por tratamentos térmicos para a obtenção das características
desejadas. Peças metálicas podem ser obtidas através de diferentes rotas de processamento:
fundição, laminação, forjamento, extrusão, metalurgia do pó, entre outros.
O processo de metalurgia do pó está se expandindo rapidamente para aplicações cada
vez mais sofisticadas, por isso é muito importante conhecer e determinar as características
dos pós metálicos de modo a utilizar essa matéria-prima de forma correta.
A inspeção e o controle de qualidade das peças sinterizadas são tão importantes
quanto nos produtos metalúrgicos obtidos pelos processos mais convencionais.
Considerando as características de precisão dimensional das peças sinterizadas, assim como
sua porosidade e a determinação de certas propriedades como densidade e dureza, exigem
cuidados e técnicas que permitam uma avaliação confiável dessas características.
Modelos matemáticos foram desenvolvidos para tentar explicar os fenômenos de
sinterização, tanto na fase inicial como nas fases intermediárias e mais avançadas, como
por exemplo, o modelo desenvolvido por Hyo-Hoon Park, Oh-Jong kwon e Duk N. Yoon,
que descreve o preenchimento do poro pela formação de fase líquida durante a sinterização
[4]. Alguns desses modelos foram validados com dados experimentais e outros não. Os
modelos geralmente são muito complexos e requerem auxílio de um programa
computacional, além de muitos deles serem verificados através de observações
experimentais. Estes modelos servem para predizer parâmetros como estrutura,
composição, entre outros [5].
6
2.1. Processos de fabricação
Os processos de fabricação são, na maioria dos casos, uma combinação dos processos
(rotas de fabricação) que podem ser visualizados na Figura 2.1. Essa combinação é devida à
melhoria procurada nas propriedades dos materiais. Após essa combinação de processos, os
materiais geralmente passam por um tratamento térmico para que se possa melhorar ainda
mais as suas propriedades [6,7].
Figura 2.1 – Esquema dos principais processos de fabricação envolvendo materiais
metálicos.
2.2. Metalurgia do pó
Desde o início da década de 70, a metalurgia do pó é utilizada na produção de
ferramentas de usinagem de aços rápidos e também de punções e matrizes. Os aços rápidos
7
sinterizados encontram lugar de destaque, principalmente pelas vantagens econômicas, uma
vez que as ferramentas obtidas a partir desses materiais têm maior vida útil do que as
obtidas a partir de aços rápidos convencionais, o que resulta na redução dos tempos
improdutivos em uma indústria, decorrentes de trocas de ferramenta [8].
A metalurgia do pó é o processo metalúrgico de fabricação de peças metálicas que
utilizam como matéria-prima pós metálicos e não-metálicos, transformando-os em peças
resistentes sem recorrer à fusão, mas apenas pelo emprego de pressão e calor. Além disso,
distingue-se dos outros processos metalúrgicos pela [1,9,10]:
- ausência ou presença parcial de fase líquida;
- produção de peças com formatos definitivos e com tolerâncias estreitas;
- componentes com características estruturais e físicas impossíveis de se obter com
outro processo e;
- obtenção de peças em grandes lotes de fabricação, geralmente acima de 10.000
unidades.
Em relação aos processos convencionais de produção de aços, tais como lingotamento
e conformação mecânica, o processo de metalurgia do pó apresenta vantagens como
aumento da tenacidade, resposta mais rápida ao endurecimento, maior uniformidade
microestrutural durante o tratamento a quente, ausência de segregações, entre outras [8].
As etapas fundamentais do processo de metalurgia do pó envolvem a
obtenção/fabricação de pós metálicos, a compactação e a sinterização, que serão
apresentadas a seguir:
- Obtenção / Fabricação de pós metálicos: o tamanho, a forma e a distribuição de
grãos são características importantes na produção de peças sinterizadas e variam conforme
o método de obtenção do pó. Esses métodos podem ser mecânicos, químicos, físicos e
físico-químicos. Dependendo das características desejadas, mais de um método pode ser
empregado [11,12].
8
- Compactação (Moldagem): é realizada a aplicação de pressão nos pós no interior
das matrizes à temperatura ambiente. Essas matrizes normalmente possuem as cavidades de
acordo com a forma e dimensões da peça final [1,11].
A pressão de compressão pode ser mecânica ou hidráulica. Assim, a compactação
ocorre por deslocamentos simultâneos dos punções superior e inferior. Nos primeiros
movimentos do punção, a compactação causa apenas o adensamento do pó, sem
deformação das partículas e sem produzir adesão entre elas. Se o processo for interrompido,
o pó não manterá uma forma com contornos definidos. Após a etapa de compactação, a
peça é chamada de “compacto verde”. A densidade e a resistência passam a ser duas
características de grande importância nesta etapa, pois podem influenciar nas propriedades
mecânicas da peça final [11]. A Figura 2.2 representa a microestrutura de um pó metálico
irregular após a etapa de compactação.
Figura 2.2 – Microestrutura após compactação de um pó metálico em formato irregular [8].
- Sinterização: é o transporte de matéria, ativada termicamente, em uma massa de pós
ou um compactado poroso, resultando na diminuição da superfície específica livre pelo
crescimento de contato entre as partículas, redução do volume e alteração da geometria dos
poros. Ou seja, é realizado um aquecimento a uma temperatura abaixo da temperatura de
9
fusão do metal ou liga, sob condições controladas de temperatura, tempo e atmosfera. É
essa etapa que consolida a resistência mecânica e as outras propriedades [1,11].
Considerando-se aspectos mais práticos, a sinterização é um tratamento térmico de
uma massa de pós (compactada ou não) visando alterar suas propriedades e eliminar os
poros. Neste tratamento é possível controlar parâmetros como velocidade de
aquecimento/resfriamento, tempo de permanência e temperatura/atmosfera do forno [8].
Embora a sinterização seja um processo contínuo, para efeitos didáticos, é possível
dividi-la em três estágios, os quais são:
1- Formação de “necks” (pescoço): Os contatos entre partículas formam “pontes”, isto é, a
matéria torna-se contínua na região dos contatos. Neste estágio não ocorre grande
movimentação (nem retração) de partículas. A Figura 2.3 mostra a formação inicial de
pescoços com três partículas.
Figura 2.3 – Formação inicial de pescoços usando um modelo com três esferas [1].
2- Estágio intermediário: Com o crescimento da relação r/a (r = raio do pescoço e a = raio
da partícula) as partículas perdem gradativamente sua identidade. Neste estágio o
sinterizado apresenta duas “fases” contínuas: a do material (fase sólida) e a “vazia” (rede
interligada de poros). O tamanho de grão cresce, resultando em uma nova microestrutura. A
maior parte da retração ocorre neste estágio. Assim, esse processo de formação e
10
crescimento de pescoço leva á redução da energia superficial. A Figura 2.4, representa o
estágio intermediário de sinterização.
.
Figura 2.4 – Formação de contatos de continuidade de matéria na fase inicial da
sinterização para um pó metálico com formato irregular [8].
3- Estágio final: ocorre o isolamento e o arredondamento dos poros (densidade da ordem de
90 a 95% da teórica). Se os poros contêm gases não solúveis no metal base, não se
conseguirá a densificação total. Se os poros são vazios ou contém gases solúveis na matriz,
pode haver densificação total. A Figura 2.5 demonstra o estágio avançado da sinterização
de um pó metálico com formato irregular.
Figura 2.5 – Estágio avançado da sinterização: coalescimento e arredondamento dos poros
[8].
11
Atualmente, a metalurgia do pó tem fornecido novos processos e novas ligas
metálicas que podem reduzir significativamente seu peso e ao mesmo tempo aprimorar suas
propriedades mecânicas.
É fato que as propriedades mecânicas dos produtos obtidos através de metalurgia do
pó são inferiores às de peças trabalhadas a quente ou a frio, embora algo superiores às dos
produtos obtidos por fundição. A densidade é um dos fatores mais importantes na
determinação das propriedades. Existem expressões empíricas que correlacionam a
porosidade com várias propriedades funcionais, dentre elas as mecânicas. Essas expressões
são utilizadas em procedimentos de seleção de processo, quando as propriedades
características são comparadas [9].
Dentre as principais etapas do processo de metalurgia do pó, encontram-se a obtenção
da matéria-prima (um ou mais elementos), a mistura dos pós com ou sem lubrificantes,
compactação, sinterização e tratamentos posteriores. Os principais estágios do processo via
metalurgia do pó convencional são demonstradas a seguir na Figura 2.6:
MATÉRIA-PRIMA
MISTURA
PRODUTO FINAL
COMPACTAÇÃO
SINTERIZAÇÃO
CALIBRAGEM
IMPREGNAÇÃO
TRATAMENTOS
TÉRMICOS
PROCESSO DE FABRICAÇÃO VIA METALURGIA
DO PÓ
Figura 2.6 – Estágios do processo via metalurgia do pó.
12
A Figura 2.7 mostra a influência da pressão de compactação na compressibilidade,
assim como na resistência em verde de alguns materiais. Enquanto que a Figura 2.8
apresenta várias características do material sob o efeito da sinterização.
É possível verificar na Figura 2.7 que, quanto maior a pressão de compactação
(N/mm²) maior é a compressibilidade (g/cm³) e a resistência em verde (N/mm²) do material.
Enquanto que, na Figura 2.8, com a influência da temperatura é possível aumentar tamanho
de grão, densidade e resistência, bem como diminuir porosidade e resistividade elétrica, ou
seja, com a diminuição da porosidade, ocorre o aumento da resistência do material,
observando-se que conforme o aumento de temperatura aumenta-se muito o tamanho de
grão.
Figura 2.7 – Influência da pressão de compactação na compressibilidade e na resistência
verde de alguns materiais. Adaptado da referência [13].
13
Figura 2.8 – Efeito ilustrativo da operação de sinterização sobre várias características do
material [1].
Mesmo que a compactação e a sinterização sejam as operações básicas do processo
de metalurgia do pó, estas podem sofrer alterações na prática, principalmente na etapa de
compactação, dependendo das propriedades desejadas num determinado produto.
Outras operações comuns relacionadas à metalurgia do pó, que podem melhorar as
propriedades desejadas são: a mistura de pós, quando se trata de vários componentes e
calibração (calibragem) após a sinterização, como ilustrado na Figura 2.6 [1,14]. Após a
sinterização para a obtenção de melhores propriedades ou ajuste de dimensões, os
sinterizados podem ser prensados, forjados, tratados termicamente ou mesmo usinados.
Como operações complementares, a peça sinterizada pode passar por processos de
recompressão, tratamentos térmicos e usinagem [9,12]. O esquema representado na Figura
2.9 a seguir, mostra as operações envolvidas na metalurgia do pó.
14
Figura 2.9 – Representação esquemática das operações adicionais aliadas à metalurgia do
pó [15].
15
A recompressão é necessária para garantir tolerâncias mais apertadas, rugosidade
prevista, etc. Deve ser feita quando, durante a sinterização, a deformação da peça ultrapassa
os limites estabelecidos. Peças sinterizadas podem ser tratadas termicamente, do mesmo
modo que as peças metálicas convencionais, para obtenção de uma maior dureza. A
cementação e a nitretação, são tratamentos térmicos que conferem a dureza apenas à
camada superficial da peça. Já a usinagem deve ser feita, sempre que for impossível obter a
configuração geométrica ideal da peça diretamente nas matrizes. É o caso de furos
transversais, roscas, reentrâncias transversais internas ou externas, entre outros [9].
Deve-se admitir que o rápido crescimento que a técnica vem experimentando nos
últimos anos é atribuído ao fato de que o processo é econômico, rápido e permite produção
em grande escala de peças exatamente iguais ou muito próximas das dimensões e forma
definitivas, dentro de tolerâncias muito estreitas, sem praticamente necessidade de qualquer
operação final de usinagem ou acabamento [10].
Hoje são inúmeras as aplicações industriais de peças produzidas por sinterização. Esta
tecnologia, comparada à metalurgia convencional, tornou-se competitiva tanto por razões
tecnológicas quanto por razões econômicas. Onde for preciso produzir grandes quantidades
de peças, de formas complexas, sempre haverá espaço para a metalurgia do pó. As peças
obtidas através da metalurgia do pó são empregadas em produtos esportivos, eletrônicos e
componentes de equipamentos de escritório, tais como dentes de engrenagens, alavancas,
junções, rolamentos, eixos magnéticos de impulsão, bem como, em filtros sinterizados
(utilizados na filtragem de gases, líquidos, óleos combustíveis e minerais, além de
abafadores de ruído e válvula corta-chamas), carboneto metálico ou metal duro
(ferramentas de corte, peças de desgaste e brocas para perfuração de rochas) e mancais
auto-lubrificantes (onde a porosidade existente no mancal pode ser preenchida com óleo,
para garantir uma lubrificação permanente entre o eixo e o mancal), entre outros [11,14].
Entre os produtos que praticamente são exclusivos da metalurgia do pó incluem-se:
pastilhas de usinagem fabricadas com carbonetos de metais, mancais porosos
autolubrificantes (bronze ou ferro), filtros metálicos fabricados em bronze, discos de
fricção metálicos, contatos elétricos, escovas coletoras de corrente de diversas
composições. Já entre os produtos que são mais eficiente e economicamente fabricados por
16
metalurgia do pó encontram-se: peças de forma relativamente complexa e grande precisão
dimensional, de ferro e aço, cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas e outros metais e ligas,
utilizadas em grande escala nos mais variados setores de máquinas, veículos e
equipamentos, bem como certos tipos de ímãs permanentes [10].
Uma das limitações que existiam era a dificuldade de obterem-se densidades
uniformes e próximas dos materiais idênticos fundidos ou conformados mecanicamente. A
evolução tecnológica do processo, entretanto, suprimiu essa limitação, graças ao emprego
de pós metálicos de qualidade melhor, à utilização de técnicas de impregnação, dupla
compressão, dupla sinterização etc., o que tem permitido atingirem-se densidades muito
próximas das normais, com conseqüente reflexo nas propriedades mecânicas do material
[10].
As principais vantagens da metalurgia do pó são [15]:
- As temperaturas de sinterização utilizadas são baixas em relação a outros processos, com
utilização de fornos de concepção simples com menor consumo de energia;
- O produto final possui estreita tolerância dimensional, e excelente acabamento superficial
não precisando na maioria dos casos de operações finais;
- É possível produzir componentes com formas complexas, muitas vezes inacessíveis por
outros processos de fabricação;
- Perfeito controle da composição química do material, podendo ser produzidos
componentes de alta pureza;
- Possibilidade de obtenção de materiais com propriedades físicas e/ou químicas para os
quais a metalurgia do pó é a única técnica viável da fabricação. Ex: materiais porosos,
metal duro e materiais refratários;
- O processo é de alta produtividade proporcionando a fabricação de grande quantidade de
bens de consumo em menor tempo, além de facilitar a automação, minimizando o custo de
inspeções para controle de qualidade;
17
Algumas das desvantagens são [15]:
- A forma geométrica da peça é limitada, devendo possibilitar que seja extraída de uma
matriz de compactação;
- No processo de sinterização de peças pré-compactadas, podem ser obtidas peças de
tamanho pequeno, uma vez que as potências requeridas para compactação são
proporcionais a sua área transversal. (Algumas técnicas avançadas da Metalurgia do Pó em
desenvolvimento já superam esse problema);
Os produtos obtidos através da metalurgia do pó podem ser divididos em dois grandes
grupos. O primeiro deles é o daqueles que por suas características próprias ou pelas
propriedades finais desejadas, só pode ser obtido a partir de pós, como: metais refratários,
metais duros, materiais porosos, de fricção, contato elétrico e ligas pesadas. E o segundo é
composto pelos produtos que, embora possam ser fabricados pelos processos metalúrgicos
convencionais, têm na metalurgia do pó uma produção com mais eficiência (facilidade de
automação) e economia (extrusão de tubos sem costura), como os materiais estruturais no
qual o processo só se torna vantajoso, economicamente, no caso da produção seriada em
grande número de peças, devido ao alto custo da matriz de compactação [15].
A tabela 2.1 a seguir oferece uma visão geral das principais aplicações desses
produtos, bem como os materiais utilizados e suas propriedades específicas. Com exceção
das peças estruturais todos os produtos listados só podem ser obtidos através dessa técnica.
O setor da metalurgia do pó vem experimentando desenvolvimento tecnológico
significativo no sentido de otimizar as propriedades dos materiais e a sua performance em
serviço, a fim de atender indústrias altamente sofisticadas como aeroespacial, eletrônica e
nuclear. Os principais avanços incluem desde os novos processos de consolidação, as
recentes técnicas para produção de pós, e superligas com propriedades superiores àquelas
fabricadas pelos processos metalúrgicos tradicionais [15].
Entre os avanços da metalurgia do pó, encontram-se as técnicas de compactação
isostática a quente, processos de conformação a quente (forjamento e extrusão), produção
de pós pela “técnica de solidificação rápida” e produção de pós pré-ligados com dispersão
de óxidos [15].
18
Tabela 2.1 – Principais aplicações e propriedades específicas dos produtos obtidos pela
metalurgia do pó [15].
Produtos Aplicações Material Propriedades
Peças
Estruturais
-Veículos motorizados
-Veículos ferroviários
-Eletrodomésticos
-Máquinas agrícolas
-Mecânica fina: máquina de
escrever e de calcular, foto-
copiadoras e computadores
-Ligas de Fe
Puro
-Fe-Cu-Ni
-Fe-Cu-Ni-Mo e
Fe-Cu-P
-Boa resistência
mecânica
Peças
Porosas
-Filtros metálicos
-Mancais e buchas
autolubrificantes
-Condensadores
-Próteses para uso medicinal
-Eletrodomésticos
-Ligas de Cu e
Ni
-Ligas ferrosas
inoxidáveis
-Alta tensão de
capilaridade
Materiais
Refratários
-Indústrias bélicas e nuclear
-Filamento de lâmpadas
-Resistência de fornos
-Proteções contra radiação
-Ferramentas autovibratórias
-Lâminas para turbinas à vapor
-Ligas de W-
Mo, Nb e Ta
-Ligas de W
com adições de
Cu, Ni e Fe
-Alta resistência
mecânica em
temperaturas
elevadas e à corrosão
-Alto ponto de fusão
-Capacidade de
absorver radiações
Materiais
de Fricção
-Freios e embalagens para
veículos automotivos e aviões
-Peças para barcos, guindastes,
locomotivas, máquinas
industriais e motores elétricos
-Ligas de Cu e
Fe-Cu com
adições de SiC,
SiO
2
e Al
2
O
3
-Alto coeficiente de
fricção
-Boa resistência
mecânica e ao
desgaste
-Boa condutividade
térmica
Contatos
Elétricos
-Reguladores de voltagem
-Interruptores de ignição
-Relés, disjuntores e
contactadores elétricos
-Peças automobilísticas
-Ligas de Ag e
W puros
-Ligas Ag-W e
Ag-WC
-Ag-Ni, Cu-W e
Cu-WC
-Boa resistência
mecânica
-Boa condutividade
elétrica e térmica
Metal Duro
-Ferramentas para mineração e
perfuração
-Ferramentas para laminação,
trefilação e extrusão
-Matrizes e punções para forja,
estampagem, corte e
compactação de pós
-Insertos para fresa
-Ligas WC-Co
-Elevada dureza e
resistência ao
desgaste
-Boa resistência
mecânica
-Alto ponto de fusão
19
2.3. Pós metálicos
A matéria-prima da metalurgia do pó constitui um fator básico, principalmente no que
se refere à sua uniformidade. A produção de pós exige rigoroso controle devido à
uniformidade dos pós, o que significa que todas as suas características devem ser
conhecidas, determinadas e controladas com a maior profundidade. A qualidade do pó
metálico é função do processo de fabricação. Um dos processos mais importante e mais
antigo para a produção de pó de ferro, é através da redução de óxido de ferro [1].
Os pós de ferro e aço, bem como os outros pós metálicos, usados na produção de
peças sinterizadas podem ser caracterizadas por três categorias de propriedades [13]:
1- Propriedades Metalúrgicas: composição química e impurezas, microestrutura e
microdureza;
2- Propriedades Geométricas: tamanho e distribuição de partícula, forma externa da
partícula e estrutura interna da partícula (porosidade);
3- Propriedades Mecânicas: taxa de fluxo, aumento de densidade, compressibilidade e
resistência em verde.
Todas essas propriedades dos pós são adquiridas e especificadas de acordo com o
processo ao qual o pó foi processado. Algumas delas estão relacionadas com outras, como
por exemplo:
- microestrutura e microdureza são dependentes da composição química;
- compressibilidade diminui com o aumento da dureza do pó e com a diminuição do
tamanho da partícula, obtendo-se compactados mais porosos;
- pós mais grossos e com formato de partícula regular possuem melhor fluxo do que pós
finos e com formato de partícula irregular;
20
- pós com formato de partícula irregular têm melhor resistência em verde depois de
compactado do que pós com formato de partícula regular, devido ao fato de haver uma
interação dos contornos das várias partículas entre si.
As propriedades metalúrgicas podem ser determinadas através de análise química e
processos metalográficos. Impurezas não metálicas geralmente possuem efeitos adversos na
compressibilidade e na vida útil de ferramentas compactadas. Já as propriedades
geométricas, que envolvem tamanho de distribuição de partículas, forma e porosidade da
partícula, determinam à superfície específica do pó que é a força motriz do processo de
sinterização [13].
A determinação das características dos pós metálicos é necessária para compreender o
comportamento do pó em serviço, determinar a tolerância nas especificações relacionadas
com as propriedades e, fator mais importante, assegurar a reprodução do comportamento do
pó durante o seu processamento. Para esse controle, se faz necessário o conhecimento
quanto a: amostragem, pureza e composição química, microestrutura da partícula, tamanho
e forma de partícula, porosidade, densidade aparente, densidade batida, velocidade de
escoamento, superfície específica, compressibilidade, resistência em verde, mudanças
dimensionais da peças compactadas, entre outros, que serão explicados a seguir [1]:
2.4. Características dos pós metálicos
É importante conhecer e determinar as características dos pós metálicos de modo a
poder utilizar-se essa matéria-prima de modo correto. Esse conhecimento é tanto mais
necessário, quando se considera que o processo de metalurgia do pó está se expandindo
rapidamente para aplicações cada vez mais sofisticadas [1].
2.4.1. Taxa de fluxo
A taxa de fluxo é dada pelo tempo em segundos que uma quantia de 50g de pó seco
necessita para passar pela abertura de um funil normalizado. Ela é influenciada pelo tipo e
21
quantidade de lubrificante misturado ao pó. Essa taxa informa sobre a rapidez na qual uma
ferramenta compactada pode ser preenchida com o pó, e assim torna-se um fator limitante
no ciclo de compactação da pressão de pó [13].
2.4.2. Pureza e Composição Química
Considerando-se que o pó metálico apresente pureza acima de 99% ou 99,5%, o
principal objetivo de conhecer sua composição química ou pureza consiste em determinar
quais as impurezas – metálicas ou não metálicas – que estão presentes, visto que estas
podem afetar as condições de compactação e sinterização. As impurezas podem se
apresentar na forma elementar ou combinada [1].
O pó de ferro, principalmente quando obtido pelos processos de redução, tem a
tendência de apresentar certa quantidade de óxido de ferro. Neste caso, é comum
determinar-se o teor de oxigênio do pó pelo ensaio de “perda pelo hidrogênio”. Assim, uma
das razões de se fazer o recozimento em diversos tipos de pós metálicos, após a sua
obtenção, é diminuir ao mínimo o teor de óxidos presentes [1].
2.4.3. Microestrutura da partícula
A microestrutura dos pós pode exercer grande influência no seu comportamento
durante a compactação e sinterização, assim como nas propriedades do produto final.
Basicamente podem-se distinguir duas classes [1]:
- Monocristalina: o tamanho de partícula e do grão coincidem;
- Policristalina: cada partícula contêm muitos grãos.
A principal tendência é produzir partículas policristalinas com tamanho de grão muito
pequeno, pois se de um lado as partículas policristalinas significam certa dificuldade na
compactação devido à maior resistência à deformação, de outro lado esse efeito é
22
compensado pela maior ductilidade que a maioria das partículas apresenta devido ao maior
número de planos de escorregamento que elas possuem [1].
Deve-se lembrar que na sinterização pode ocorrer crescimento do grão, de modo que
quanto menor o tamanho de grão inicial, menor o tamanho de grão final. Admite-se ainda
que as alterações dimensionais que podem ocorrer no aquecimento durante a sinterização
são mais uniformes, quando o pó é de natureza policristalina, o que contribui para
propriedades mecânicas finais superiores [1].
2.4.4. Tamanho e forma de partícula
Essas duas características estão intimamente relacionadas e são, na realidade, as mais
importantes e que influenciam nos pós metálicos [1]. A Figura 2.10 demonstra os principais
tipos de formas de partículas (em duas dimensões) que são adquiridas de acordo com o
processo de obtenção de pós. Enquanto que a Figura 2.11 demonstra os formatos das
partículas em três dimensões.
Figura 2.10 – Tipos e formas de partículas metálicas, com representação bi-dimensional
[1].
23
A respeito do tamanho de partícula, é importante levar em conta a distribuição das
dimensões de partícula, porque tanto sob os pontos de vista de compactação, como de
sinterização, uma distribuição adequada de tamanho de partícula oferece as melhores
condições de operação na metalurgia do pó [1].
Como é possível observar nas Figuras 2.10 e 2.11, a maioria dos pós apresenta forma
irregular. Pode-se notar ainda que, enquanto algumas partículas são mais ou menos
equidimensionais, outras apresentam formas em que uma dimensão predomina em relação à
outra. As partículas esféricas são as mais simples e ideais para se representar uma partícula
equi-dimensional [1].
O tamanho das partículas equiaxiais geralmente é representado pelo valor de seu
diâmetro. A determinação das dimensões da partícula depende das técnicas de medição, dos
parâmetros esféricos e do formato de partícula. Várias técnicas podem ser empregadas para
se analisar o tamanho de partícula conforme mostra a Figura 2.12 a seguir [2].
Figura 2.11 – Coleção das possíveis formas de partículas em representação tri-dimensional
[2].
24
Figura 2.12 – Ilustração das dificuldades na medição do tamanho de partículas [2].
2.4.5. Porosidade
Existem partículas metálicas porosas e esses poros contidos nas partículas afetam as
características dos pós como densidade aparente e compressibilidade. Existe ainda a
porosidade tipo esponjosa, caracterizada por poros que não estão interligados entre si e, a
porosidade em que os poros estão interligados entre si [1].
2.4.6. Densidade aparente
A densidade aparente é determinada pelo preenchimento de pó passando por um funil
normalizado dentro de um pequeno copo, nivelando o excesso de pó em cima do copo, e
dividindo o peso do pó contido no copo pelo volume deste (cm³). Assim sendo, a densidade
aparente de um pó metálico é definida como o peso de uma unidade de volume do pó solto
ou a relação do peso para o volume, em g/cm³. Esta determina o verdadeiro volume
ocupado por uma massa solta de pó e em conseqüência, determina a profundidade da
cavidade da matriz de compactação e o comprimento do curso da prensa necessários para
compactar e densificar o pó solto. A densidade aparente depende da densidade do material
sólido, da forma e do tamanho de partícula, da área superficial da partícula e da composição
25
granulométrica, dependendo ainda do modo de se juntar as partículas. Geralmente, essa
densidade situa-se em torno de 20 a 50% da densidade teórica do material [1,13].
A densidade aparente também é influenciada pelo tipo e quantidade de lubrificante
misturado ao pó, bem como informa a quantia de pó exigida para preencher a profundidade
de uma ferramenta compactada [13].
2.4.7. Densidade batida
Muito frequentemente uma massa de pó solto é vibrada ou socada durante o processo
de preenchimento do molde. Assim, naturalmente a densidade aumenta. Essa densidade é
chamada de “densidade batida”. Sabe-se que quanto maiores as condições de atrito do pó
original (por exemplo, partículas menores, formas irregulares e superfícies rugosas), maior
o aumento da densidade aparente, devido ao socamento ou vibração, o que pode ser
verificado na Tabela 2.2 a seguir [1]:
Tabela 2.2 – Densidade aparente e batida de vários pós metálicos.
Tipo de pó
Densidade
aparente (g/cm³)
Densidade batida
(g/cm³)
Aumento (%)
Cobre*
Esférico
Irregular
Lamelar
4,5
2,3
0,4
5,3
3,14
0,7
10
35
75
Ferro (-100+200mesh)
Eletrolítico
Atomizado
Esponja
3,31
2,66
2,29
3,75
3,26
2,76
13
23
19
Alumínio (-200 mesh)
Atomizado
0,98
1,46
49
* Todos os pós de cobre possuem a mesma composição granulométrica.
2.4.8. Velocidade de escoamento
É definido como o tempo necessário para uma amostra de pó com peso determinado
(geralmente 50g) escoar, nas condições atmosféricas, através de um funil normalizado, no
26
interior da cavidade de um recipiente. Esta característica é importante na produção em
grandes quantidades, a qual depende essencialmente da rapidez, uniformidade e
consistência de enchimento da cavidade da matriz. O tipo de material afeta a velocidade de
escoamento, em função da sua densidade teórica e de outras características, tais como
propriedades superficiais adesivas e coesivas e interações magnéticas ou eletrostáticas [1].
No geral, velocidades de escoamento menores são encontradas em pós que
apresentam baixa densidade específica, baixa densidade aparente, alto coeficiente de atrito
de partículas finas, elevada área superficial específica, mistura complexa de diferentes tipos
de pós e elevado teor de umidade [1].
2.4.9. Superfície específica
A área superficial da partícula (cm²/g) é denominada como superfície específica. A
importância de determinar essa característica consiste no fato de que qualquer reação entre
as partículas ou entre elas e o meio circunvizinho se inicia nas superfícies, de modo que a
operação de sinterização será afetada pela relação entre a área superficial e o volume de
partícula. À medida que a forma da partícula se afasta da esfericidade a rugosidade da
superfície aumenta. Portanto, a área específica de uma partícula pode ser muito elevada
quando sua forma for muito irregular e sua superfície se apresentar muito rugosa [1].
A área superficial do pó solto caracteriza-se por um "excesso de energia" superficial,
correspondente às ligações atômicas não satisfeitas. Desse modo, do ponto de vista
macroscópico, a redução de área, conseqüente da compactação, é proporcional ao potencial
termodinâmico do processo.
2.4.10. Compressibilidade
É uma expressão utilizada para significar a extensão segundo a qual uma massa de pó
pode ser densificada pela aplicação de pressão. Pode ser definida ainda como a relação
entre a densidade verde para a densidade aparente do pó. Algumas vezes também é
apresentada como “relação de compactação”. Ou seja, é o nome dado a curva obtida pelo
27
esboço das densidades de uma série de pequenos cilindros de pós compactados (com
diâmetro de 25mm), sob a aplicação de pressão [1,13].
A densidade do compacto é o peso do pó compactado dividido por seu volume. Esta é
influenciada pelo tipo e quantidade de lubrificante misturado ao pó. A densidade em verde
é a densidade do compacto de um pequeno cilindro de pó compactado (∅ 25mm)
pressionado com uma pressão normalizada (em torno de 4,2 tons/cm² ou 600 N/mm²). A
compressibilidade do pó informa qual a pressão de compactação é necessária para se
encontrar a densidade do compacto desejada [13].
2.4.11. Resistência em verde
É a resistência de uma barra de teste retangular em verde (ou seja, compactada, mas
não sinterizada). A Resistência em verde aumenta com o aumento da densidade do
compacto e é influenciado pelo tipo e quantia de lubrificante presente no pó. A resistência
em verde suficiente é desejada para prevenir que o compacto “trinque” ou que seja
danificado durante o controle e transporte entre pressão e forno de sinterização. Quanto
mais complexa e delicada a forma do compacto, maior deve ser a resistência em verde. Se a
resistência em verde do compacto é alta o bastante, as peças podem passar por outros
processos antes mesmo de serem sinterizadas (por exemplo, cortes, aberturas transversais e
buracos) [13].
Assim, a resistência em verde, não é uma característica do pó solto, mas do pó
compactado antes de ser submetido á sinterização. Logo, com o valor da resistência em
verde é possível verificar a capacidade que um compactado verde tem de manter a forma e
as dimensões antes da sinterização [1].
2.4.12. Mudanças dimensionais das peças compactadas
Essas mudanças podem ocorrer durante o processo de fabricação, desde a mistura dos
pós, a compactação, sinterização, cunhagem (re-compressão), até fatores associados com
28
tratamentos térmicos e métodos de inspeção dimensional. No caso dos fatores relacionados
com a compactação, a origem das mudanças dimensionais se situa na mistura dos pós [1].
Ao definir as dimensões e tolerâncias finas de vários membros das peças, não
somente as dimensões e tolerâncias finais da parte estrutural, como especificado pelo
cliente, devem ser consideradas também as mudanças dimensionais que o pó sofre durante
a compactação e subseqüente sinterização [15].
2.4.13. Atmosfera de sinterização
A atmosfera protetora tem que cumprir várias funções durante a sinterização. Seu
propósito principal é proteger o pó compacto de oxidação durante a etapa de sinterização e
reduzir óxidos residuais da superfície para melhorar o contato metálico entre partículas de
pó adjacentes. E ainda, evitar ou minimizar qualquer reação química entre o compactado
verde, que em geral se caracteriza pela presença de porosidade, com o meio ambiente, bem
como, remover impurezas presentes e fornecer, eventualmente, um ou mais elementos
químicos para se ligarem com o metal do compactado. Além de impedir a entrada de ar no
forno e facilitar a eliminação de lubrificante ou cera nos compactados [1].
Um grande problema é a escolha da melhor atmosfera de sinterização para cada tipo
de partícula. As atmosferas protetoras empregadas na sinterização, além de sua completa
ausência (sinterização sob vácuo), compreendem [10]:
- hidrogênio, puro e seco, para metal duro, aço inoxidável, ímãs permanentes, etc.;
- amônia dissociada, contendo 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio, para peças de ferro
e aço;
- gás endotérmico, contendo de 35 a 40% de hidrogênio, em torno de 20% de CO, de 40 a
45% de nitrogênio e cerca de 1% de CH
4
, para peças de Fe-C e Fe-C-Cu;
- gás exotérmico, contendo de 1 a 12% de hidrogênio, 70 a 86% de nitrogênio, 1 a 10% de
CO e 5 a 10% de CO
2
, para peças de Fe e Fe-Cu;
- gás de gasogênio, contendo de 60 a 65% de nitrogênio e 30 a 35% de CO, para peças de
ferro e bronze (pouco usados).
29
As atmosferas protetoras podem manter ainda uma condição de equilíbrio, de modo a
evitar que se perca algum elemento de liga presente no compactado.
2.5. Teoria da sinterização (Formação de pescoço)
A sinterização é a operação fundamental da técnica de metalurgia do pó, porque ela
constitui a fase final do ciclo de consolidação dos pós metálicos, que se iniciou com a
compactação. Ela consiste no aquecimento dos pós compactados, com uma temperatura
abaixo da temperatura de fusão do metal ou do principal constituinte da liga metálica, sob
condições controladas de tempo, temperatura e atmosfera. Como resultado, as partículas
que constituem o compactado ligam-se entre si e o material adquire as características
desejadas de densidade, dureza e resistência mecânica [1].
Em alguns casos, a sinterização é a única operação de consolidação, onde as peças
são sinterizadas sem terem sido submetidas a uma prévia compactação. Nesse caso, são
exceções referentes a determinados tipos de produtos, como filtros metálicos, em que a
compactação é feita sem aplicação de pressão, mas apenas com o pó solto em molde,
levados posteriormente à sinterização, ou apenas colocados no interior de matrizes que são
submetidas à vibração [1].
Normalmente, a temperatura específica de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da
temperatura de fusão da liga. Para sistemas de vários constituintes, a sinterização é
realizada a uma temperatura superior à do metal de menor ponto de fusão ou da formação
de fases eutéticas, formando uma fase líquida que favorece as condições de sinterização. As
temperaturas de sinterização usuais de alguns materiais são indicadas na Tabela 2.3 a seguir
com os tempos no interior da câmara de alta temperatura (temperatura final) dos fornos
[1,16]:
A operação de sinterização deve ser feita em ambiente adequado para evitar que
aconteçam fenômenos indesejáveis durante o processo. Para isso, empregam-se as
chamadas atmosferas protetoras. Estas podem manter uma condição de equilíbrio, de modo
a evitar que se perca algum elemento da liga presente no compactado [1].
Os fenômenos que ocorrem durante a sinterização vêm sendo estudados há muitos
anos, onde muitas teorias foram estabelecidas, algumas das quais até mesmo conflitantes. A
30
prática de sinterização é um processo relativamente simples, desde que se disponha de
equipamentos adequados (fornos, atmosferas protetoras e instrumentos de medição e
controle). Contudo, depende de uma série de fatores que afetam os resultados finais e,
portanto, tornam a operação de sinterização uma operação delicada que exige um rigoroso
conhecimento e controle de todas as variáveis que podem influenciá-las. Essas variáveis
são: natureza do pó, natureza da mistura dos pós, características dos compactados verdes na
primeira fase de consolidação, tais como porosidade, densidade e resistência verde, entre
outras [1].
Tabela 2.3 – Temperaturas e tempos de sinterização [1].
Material Temperatura (ºC) Tempo (min.)
Bronze 760-860 10-20
Cobre 845-900 12-45
Latão 845-900 10-45
Ferro, ferro-grafita, etc. 1010-1150 8-45
Níquel 1010-1150 30-45
Aço inoxidável 1095-1290 30-60
Imas AlNiCo 1205-1300 120-150
Ferrites 1205-1480 10-600
90W-6Ni-4Cu 1345-1595 10-120
Carbeto de tungstênio 1425-1480 20-30
Molibdênio 2055 120 aprox.
Tungstênio 2345 480 aprox.
Tântalo 2400 aprox. 480 aprox.
Deve-se, pois, prever diferenças de comportamento das misturas durante a
sinterização. O caso mais simples e no qual estão baseados as teorias de sinterização é de
um metal puro. Os fenômenos iniciais de ligação entre as partículas (formação de pescoços)
são seguidos por engrossamento de pescoços, fechamento de poros e crescimento de grão.
31
Quando o pó é pré-ligado, pouca diferença há em relação ao pó de um metal puro,
pois admite-se que o comportamento durante o processo de aquecimento seja o mesmo [1].
Com o início do aquecimento do compacto verde, aumenta-se o “contato” entre as
partículas, resultando em prováveis mudanças dimensionais e alterações de geometria
interna do compactado. Um dos efeitos iniciais é a contração com conseqüente aumento de
densidade. A contração pode também ser afetada pelo tamanho de partícula. Outras
mudanças que podem ocorrer, consistem no arredondamento e esferoidização da estrutura
porosa e na modificação da microestrutura do material [1].
No estágio inicial do processo de sinterização, ocorre transporte de material, sendo
que o mecanismo mais importante do transporte de material é a difusão, influenciado pela
existência de defeitos cristalinos no reticulado do metal. Como resultado dessa difusão,
aumenta-se o contato entre as partículas e verifica-se uma ligação inicial entre elas. O
compactado começa a apresentar boa coesão entre as partículas, embora não se verifique
qualquer alteração dimensional do compactado. É evidente que quanto maior a densidade
em verde do compactado mais eficiente essa ligação, devido à maior área de contato
presente [1].
Como conseqüência dessa ligação, forma-se um pescoço (neck) esquematicamente
mostrado na Figura 2.13, que ilustra a seção transversal de um modelo de duas esferas. O
raio r forma-se na extremidade do pescoço entre as duas partículas. Nesse pescoço forma-
se um contorno de grão entre as duas partículas. Quando ampliada a seção correspondente
ao raio do pescoço é possível observar a Figura 2.14, que mostra a geometria nas
proximidades desse raio.
Figura 2.13 – Formação de pescoço em conseqüência da ligação inicial entre as duas
partículas [1].
32
Figura 2.14 – Tipos de transporte de material quando duas esferas de cristais simples com
um contorno de grão na interface são sinterizadas juntas. Percurso a: difusão volumétrica da
superfície plana ao pescoço; Percurso b: difusão superficial da superfície plana do pescoço;
Percurso c: difusão de contorno de grão, a partir do contorno do grão em direção ao
pescoço; Percurso d: difusão volumétrica a partir do contorno de grão em direção ao
pescoço [1].
Como é possível verificar na Figura 2.14, há uma diferença de curvatura entre a
secção correspondente ao raio r e a seção plana adjacente. Essa diferença de curvatura
ocasiona um gradiente de concentração de lacunas (defeitos cristalinos) entre a superfície
do pescoço de alta curvatura, que apresenta uma elevada concentração de lacunas, e a
superfície plana adjacente, que possui baixa concentração desses defeitos cristalinos. Em
função dessas diferenças de concentração de lacunas entre superfícies de alta curvatura e
superfícies planas, podem ocorrer dois tipos de fluxo difusional. Um dos tipos é a difusão
de volume e o outro é a difusão superficial. Para que haja contração, deve ocorrer um fluxo
de átomos do contorno de grão ao pescoço, o que está esquematizado na Figura 2.14 pelo
traçado c que representa a difusão do contorno de grão e pelo traçado d que representa a
difusão volumétrica do interior do contorno de grão em direção ao pescoço. Quando os
átomos fluem do contorno de grão em direção ao pescoço, as lacunas fluem na direção
contrária e são assim eliminadas no contorno do grão. Esse fato causa a aproximação dos
centros das duas partículas, resultando em contração [1].
33
Os mecanismos de transporte e difusão não são tão simples, mesmo quando se
considera um modelo simples de apenas duas esferas e não podem ser aplicados a modelos
mais complexos que apresentam grande número de partículas. De fato, a presença de
partículas vizinhas reprime o crescimento do pescoço e a contração [1].
Desde 1930, os metalúrgicos especializados em metalurgia do pó, vêm se
empreendendo para achar uma descrição matemática para o processo de densificação do pó.
Um elevado número de fórmulas com esse objetivo tem sido sugerido nas últimas três
décadas. Contudo, não há uma fórmula, muitos deles têm extraído para simples exercício de
ajuste de curva, provando ser suficiente e substanciado por princípios físicos gerais,
aceitável como teoria da densificação de pós [16].
Modelos matemáticos foram desenvolvidos para explicar os fenômenos de
sinterização tanto na fase inicial como nas fases intermediárias e mais avançadas. Esses
modelos são muito complexos e muitos deles verificados em observações experimentais
não foram aceitos. De acordo com Kingston, não há um tratamento teórico inteiramente
aceitável para explicar o mecanismo que permite transformar pós metálicos em corpos
sinterizados homogêneos. Portanto, traçou o diagrama representado na Figura 2.15 em que
várias teorias, inclusive a dele, são lançadas num fundo de curvas típicas de densidade em
relação ao progresso da sinterização [1].
Após o trabalho de Kingston, muitos progressos tem sido realizados no estudo dos
fenômenos que ocorrem durante a sinterização de pós metálicos, o que significa que é
possível chegar-se a uma teoria de sinterização mais consistente e aceitável. Todas as
teorias poderiam ser resumidas pela consideração de que, na sinterização, ocorrem os
seguintes estágios (Figura 2.16):
- ligação inicial entre as partículas e formação de um pescoço;
- crescimento do pescoço;
- fechamento dos canais que interligam os poros;
- arredondamento dos poros;
- contração dos poros ou densificação;
- crescimento eventual dos poros.
34
Figura 2.15 – Várias teorias do mecanismo de sinterização mostradas em relação a um
fundo de uma curva típica de densidade versus o progresso da sinterização [1].
Figura 2.16 – Representação esquemática da sinterização usando modelo com três esferas:
(a) pontos originais de contato; (b) crescimento do pescoço; (c) e (d) arredondamento dos
poros [1].
35
Como observado na Figura 2.16 (a), a ligação inicial entre as partículas tem lugar na
primeira fase do processo, quando o material é aquecido, em conseqüência da difusão de
átomos levando ao desenvolvimento de contornos de grão. Isso ocorre nas posições em que
há um contato íntimo entre partículas adjacentes. Essa ligação inicial não causa qualquer
alteração dimensional do compactado. Assim, quando maior a densidade em verde do
compactado, mais eficiente é essa ligação devido à maior área de contato presente [1].
Já o crescimento (Figura 2.16 (b)), significa uma maior grau de ligação no interior da
massa sob sinterização. Embora esse crescimento exija o transporte de material no interior
da massa sob sinterização, não ocorre qualquer decréscimo na quantidade de poros, ou seja,
não se verifica qualquer contração do material. O fechamento dos canais que interligam os
poros (Figura 2.16 (c)), significa uma mudança apreciável na natureza da porosidade, ou
seja, formam-se poros isolados. Uma das causas desse fechamento de canais é o
crescimento do pescoço. O fechamento dos canais pode prosseguir ocasionando o
arredondamento dos poros (Figura 2.16 (d)), que pode ser considerado como conseqüência
natural do crescimento do pescoço. Ao ser o material transportado das regiões do pescoço a
partir das superfícies dos poros, estes tendem a ficar mais arredondados. Não é necessário
que ocorra contração dos poros para esse arredondamento. Com tempo suficiente à
temperatura de sinterização, os poros podem tornar-se perfeitamente esféricos. Esse estágio
é muito importante no que diz respeito à influência da porosidade nas propriedades
mecânicas dos materiais sinterizados [1].
Quanto à contração dos poros ou densificação, é considerado o estágio mais
importante da sinterização. Ele provoca um decréscimo em volume da massa sinterizada,
que vai se tornando menos importante à medida que se aumenta a densidade do compacto
em verde. Por fim, o crescimento dos poros que, quando ocorre, acontece após os outros
estágios de sinterização. Consiste na contração e eliminação dos poros pequenos e isolados
e no crescimento dos poros maiores, não podendo associar qualquer densificação do
material com esse estágio [1].
Alguns fatores influenciam diretamente no processo de sinterização afetando as
propriedades dos materiais, tais como: tamanho, forma e topografia, estrutura, composição,
densidade em verde, temperatura e tempo [1].
36
2.5.1. Sinterização com fase líquida
Em alguns processos de sinterização é comum a presença de uma fase líquida durante
a operação de sinterização. Isso ocorre quando um dos componentes da composição da
mistura se funde, quando os elementos presentes na fase líquida apresentam uma
solubilidade limitada na fase sólida ou quando se pratica a operação de infiltração [1].
Na maioria dos casos a sinterização com fase líquida é realizada com o intuito de
obter-se a máxima densidade, com pequena porosidade residual, podendo levar à obtenção
de estruturas com excelentes propriedades mecânicas.
2.6. Processo PIM (Powder Injection Molding)
Com a chegada das novas alternativas na área de materiais, os produtos sinterizados
ganham uma grande fatia do mercado. Os fabricantes perseguem cada vez mais os avanços
tecnológicos que permitem maior qualidade a um menor custo, os quais têm recebido uma
grande atenção tanto do meio acadêmico quanto do industrial. Um desses processos mais
recentes é a Moldagem por Injeção de Pós, que podem ser metálicos (MIM - Metal
Injection Molding) ou cerâmicos (CIM - Ceramics Injection Molding) [17,18].
Esse processo combina a tecnologia de injeção de plásticos com a metalurgia do pó
convencional. Sua grande característica é a produção de peças com geometrias complexas e
diminutas em grande quantidade já na sua forma final, ou seja, permite a fabricação de
componentes de alta complexidade de forma e precisão dimensional com alto acabamento
superficial, superior ao de microfundidos, o que dispensa operações posteriores
complementares de usinagem [17,19].
O processo de Moldagem por Injeção de Pós Metálicos surgiu nos Estados Unidos
para a fabricação de peças em aço da mesma forma como feito na injeção de plásticos,
permitindo peças de alta precisão [20]. Embora o processo de moldagem de pós metálicos
por injeção seja muito utilizado em larga escala industrial em alguns países, ainda não é
muito dominada no Brasil [19].
37
Para a produção de pós metálicos uma larga variedade de técnicas de produção de pós
são aplicadas à moldagem de pós por injeção. A técnica utilizada influencia diretamente no
pó, como, tamanho, forma, microestrutura, composição química e custo do pó. Dentre as
técnicas mais utilizadas, encontra-se a atomização a gás, a atomização a água, a atomização
centrífuga, a atomização a plasma e moagem. Algumas características do pó devem ser
levadas em conta. Essas características podem ser descritas na Tabela 2.4, onde o tamanho
em micrometros (µm) indica o diâmetro médio das partículas.
Tabela 2.4 – Características dos pós metálicos e suas influências relacionadas ao pó
Adaptado da referência [19].
Vantagens Desvantagens
Tamanho de
partícula pequeno
(menor que 20 µ
µµ
µm)
-Rápida sinterização
-Menor defeitos de
moldagem
-Retenção de forma
-Extração lenta
-Maior contaminação
-Maior contração
-Alta viscosidade
-Maior aglomeração
Forma esférica
-Alta compactação
-Baixa viscosidade
-Melhor fluxo
-Baixa resistência
-Alto custo
-Desmoronamento na extração
Larga distribuição de
partículas
-Alta compactação
-Menor contração na
sinterização
-Menor qualidade
-Microestrutura heterogênea
-Extração lenta
O processo de Moldagem de Pós por Injeção é baseado em uma série de etapas:
mistura de pós finos (cerâmicos ou metálicos) com o binder (aglomerante
1
) até formarem
uma mistura homogênea, a qual apresenta como componente majoritário os pós finos, do
qual se deseja obter a peça, formando um “feedstock
2
” (mistura pó-binder), feito numa
centrífuga com tempo e temperatura controlados [21,22].
Cinco fatores são atribuídos ao feedstock, característica do pó, composição do ligante,
relação pó/ligante, método de mistura e peletização. As propriedades da cargas influenciam
muito na injeção, como principalmente a viscosidade, elasticidade e plasticidade.
Os aditivos podem ser colocados na carga para alterar alguma de suas propriedades,
como, por exemplo, melhorar lubrificação do molde, viscosidade, molhabilidade do pó, ou
1
Ligantes orgânicos ou resinas termoplásticas.
2
A mistura física do pó metálico e aglutinante resulta na carga injetável ou feedstock.
38
facilitar a remoção de aglutinantes. Um dos aditivos mais utilizados é o ácido esteárico,
pois reduz o ângulo de contato pelo abaixamento da energia superficial pó/aglutinante,
além de lubrificar as paredes do molde [19].
Após, esse material é injetado, de uma forma muito semelhante ao processo de
injeção de plásticos. Na realidade o que acontece é a injeção do metal em pó numa matriz,
misturado num ligante à base de polímeros, semelhante às utilizadas para injeção de
plásticos. Em seguida é feito o debinding (eliminação do ligante polimérico), ou seja, esse
ligante é extraído. Nesta etapa, as peças injetadas são colocadas num forno, onde o
aquecimento provoca a degradação do polímero que inicialmente unia as partículas do pó
metálico. Dentro deste forno é injetada uma mistura de gases, controlando a atmosfera para
impedir que a peça incendeie com o calor. Depois o forno é aquecido a uma temperatura
mais elevada para que aconteça a pré-sinterização – o surgimento de contatos entre as
partículas dos pós, chamados de pescoço como na Metalurgia do Pó Convencional. A
última etapa é a sinterização, onde a temperaturas ainda mais altas a peça densifica, diminui
o tamanho e adquire o formato final [22].
A extração do ligante é uma etapa chave do processamento de peças moldadas por
injeção, pois remover o aglutinante sem afetar a forma final da peça é um processo muito
delicado, sendo uma grande fonte de defeitos. Já que o aglutinante sustenta a união das
partículas de pó, determinando o sucesso ou insucesso da peça final. Existem diversas
técnicas para extração do aglutinante, dependendo de qual componente do ligante se deseja
extrair, consistindo em processos térmicos e químicos (por solvente), podendo coexistir no
processo de fabricação. A extração térmica consiste na remoção de ligante através da ação
da temperatura. Envolvem os mecanismos de extração controlada por difusão, por
permeação e extração térmica de aglomerantes no estado líquido. A extração por solvente
envolve imersão da peça moldada em um fluido que dissolve algum componente do sistema
aglutinante, deixando uma estrutura de poros abertos, facilitando a saída de outros
componentes na extração térmica, podendo ainda ser assistida termicamente. A extração
química das peças pode variar com sua geometria, e a cinética de remoção do ligante é
diretamente proporcional à temperatura [19].
Na etapa de sinterização, ocorre a união metalúrgica (criação de ligações químicas
metálicas) entre as das partículas do pó, o que reduz ou até mesmo elimina a porosidade.
39
Normalmente, ocorre também a contração no compactado, podendo chegar a uma redução
de 40% do seu volume inicial ou a uma redução linear de cerca de 16%. O produto final
sinterizado está então pronto para uso ou para operação secundária como calibração,
tratamento térmico ou alguma operação de retifica [11,20]. A Figura 2.17 representa a peça
moldada pré e pós-sinterização, assim como a Figura 2.18 mostra um esquema do processo
de Moldagem de Pós Metálicos por Injeção.
Figura 2.17 – Peças complexas e diminutas. Abaixo peças moldadas com polímero e acima
peças após sinterização [23].
Figura 2.18 – Adaptação do esquema do processo de Moldagem de Pós por Injeção [20].
40
O uso do processo MIM encontra vantagem econômica nos casos de projetos
desenvolvidos especificamente para esta tecnologia. Isso significa que, peças que estejam
sendo desenvolvidas por outros processos, já a custos baixos, não são necessariamente
peças candidatas ao MIM. No entanto, se há operações de usinagem que devem ser
aplicadas posteriormente, o processo MIM, então, torna-se uma alternativa economicamente
viável por agregar tais operações na própria moldagem por injeção. Segundo os fabricantes
as vantagens do processo são [22]:
1. Liberdade de criação e o baixo custo da moldagem em plástico aliada com às
propriedades dos metais e cerâmicas;
2. Fabricação de peças com formas complexas;
3. Roscas e furos na própria moldagem;
4. Estabilidade do processo mesmo em grandes lotes;
5. Resistência mecânica superior à sinterização convencional, com até 98% da
densidade teórica das ligas;
6. Maior precisão dimensional de ±0,3%.
As peças obtidas via tecnologia MIM são aplicadas com sucesso nas indústrias de
[21]:
- computadores e impressoras;
- máquinas copiadoras, registradoras e de escritório;
- automobilística;
- aeronáutica;
- eletroeletrônica e de comunicação;
- máquinas têxteis;
- armas leves;
- dispositivos médicos e ortodônticos;
- equipamentos ópticos;
- instrumentação.
Os principais defeitos desse processo e as possíveis causas são citados a seguir [21]:
41
* Separação pó-binder: ocorre com o feedstock com tempo de mistura pequeno. A
formação de zonas ricas e pobres em pó (não-homogeneidade do feedstock) acaba por
ocasionar problemas na peça final. Como por exemplo: acentuada concentração em peças
em zonas ricas em binder (ligante). A conseqüência disto é uma peça final defeituosa.
* Moldagem incompleta: pressão de injeção insuficiente devido à alta viscosidade do
material que podem ocasionar um preenchimento incompleto da matriz.
* Linhas de solda: é o problema de maior freqüência. Sua origem tem basicamente dois
fatores: matriz mal fechada propiciando uma área para saída do feedstock e temperatura da
matriz superior ao ponto de amolecimento de um dos componentes do ligante. O problema
da linha de solda, apesar de não reprovar a peça moldada, encarece o seu valor e diminui a
produtividade, pois deve ser feito um retrabalho para a retirada das “escamas”.
* Inchamento ou Empolamento: ocorre principalmente nas extremidades das peças. As
causas estão associadas a ciclos de debinding e/ou de sinterização muito rápidos. Com
ciclos muito rápidos, há um tempo menor para a retirada do polímero via capilar, havendo
uma maior formação de gases pelo polímero remanescente.
* Distorção ou Trincamento: a causa principal deve-se à alta taxa de aquecimento utilizada
no debinding e/ou sinterização. No caso do debinding a distorção pode ser associada a uma
existência de gradientes de binder na peça devido a saída não uniforme. Por exemplo, se o
binder é removido mais rapidamente de uma face que de outra, um lado vai contrair mais
do que outro, provocando uma distorção na peça. Na sinterização com um ciclo muito forte
o empenamento e o trincamento são relacionados com uma contração muito rápida, e há
diferenças de espessuras acentuadas.
42
* Rompimento: Esse tipo de defeito esta associado a espessuras delgadas com ciclos de
debinding. Os gases atingem pressões suficientes para romper a superfície da peça.
* Descarbonetação: Peças inicialmente moldadas com pós de elevados teores de carbono
podem apresentar-se ao final do processo totalmente descarbonetadas. Uma das explicações
é que a descarbonetação pode estar associada a etapa de debinding/pré-sinterização feita ao
ar (e não na sinterização com atmosfera protetora), mesmo com baixa temperatura de pré-
sinterização. Uma hipótese é que durante o debinding/pré-sinterização a peça apresenta
muitos espaços vazios internos, anteriormente ocupados pelo binder. Estes espaços podem
facilitar a circulação de ar por dentro da peça. De forma que, uma descarbonetação que
seria apenas superficial torna-se generalizada. Uma das maneiras de se evitar a
descarbonetação é o uso de atmosfera protetora já no debinding, como o nitrogênio puro.
* Baixa densificação: a conseqüência disto são peças com alta porosidade, o que ocasiona
uma diminuição das propriedades mecânicas da peça. A densificação pode ser melhorada
basicamente de duas formas:
1) Aumentando a quantidade de pó no feedstock - Quanto maior o teor do pó maior será sua
sinterabilidade, diminuindo a porosidade das peças. Deve-se, tomar cuidado para que não
seja adicionado excesso de pó, o que poderia criar vazios de binder entre as partículas do
pó. Com respeito ao aumento do teor do pó no feedstock, deve-se também verificar se a
viscosidade da mistura não aumenta demais;
2) Aumentar a temperatura de sinterização - Quanto maior a temperatura de sinterização,
em geral mais efetiva é a densificação da peça. Entretanto, deve-se verificar se a
temperatura não está tão alta que favoreça ao crescimento de grão na peça. O tempo de
sinterização longo demais pode também ter o mesmo efeito.
Peças cerâmicas e metálicas obtidas através do processo de moldagem por injeção de
pós, podem ser visualizadas nas Figuras 2.19 e 2.20 respectivamente:
43
Figura 2.19 – Peças fabricadas com pós cerâmicos obtidas pelo processo CIM [24].
Figura 2.20 – Peças obtidas com pós metálicos através do processo MIM [25].
44
2.7. Ferro
O ferro (Fe) é um metal de fácil processamento, abundante na crosta terrestre e
caracteriza-se por ligar-se com muitos outros elementos metálicos e não-metálicos, o
principal dos quais é o carbono. Sua característica polimórfica é um fator importante que
explica sua ampla utilização em todos os setores da engenharia e da indústria [16].
À temperatura ambiente encontra-se no estado sólido com densidade igual a 7,874
g/cm³ e ponto de fusão de 1538ºC. É extraído da natureza sob a forma de minério de ferro e
passa para o estágio de ferro-gusa, através de processos de transformação. Quando é
adicionado carbono, dá origem a várias formas de aço. Devido à sua importância, um
período da história recebeu o nome de Idade do Ferro [26,27].
Atualmente, é utilizado sob a forma de aços e ligas metálicas, para a produção de
ferramentas, máquinas, motores, válvulas, engrenagens, veículos de transporte (automóveis,
navios, etc.), como elemento estrutural de pontes, edifícios, entre outras inúmeras
aplicações. Apresenta uma coloração cinza prateado com propriedades magnéticas, além de
ser maleável e tenaz. Dependendo da temperatura pode ser encontrado com diferentes
estruturas [26,27].
É um dos metais mais utilizados devido ao seu baixo preço e dureza, o que o torna
indispensável. Uma de suas ligas mais conhecidas é o aço, que possui teor de carbono
menor que 2%, do contrário recebe a denominação de ferro fundido. Assim, as ligas férreas
apresentam uma grande variedade de propriedades mecânicas dependendo da sua
composição e do tratamento que se tem aplicado. Um dos inconvenientes da utilização do
ferro, é que ele oxida facilmente [27].
É possível obter o ferro a partir de óxidos com maior ou menor teor de impurezas. A
redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados “alto
forno”. Como pode conter muitas impurezas não desejáveis, é necessário submetê-lo a um
processo de refinação que pode ser realizado em fornos chamados “convertidores” [27].
Para a produção do pó de ferro, utiliza-se um dos processos mais importante e mais
antigo, que é através da redução de óxido de ferro e, em particular, de minério de ferro pelo
carbono. O método mais conhecido é o sueco Hoganaes que, desde o início do século, já
produzia ferro metálico na forma “esponjosa”, utilizado como matéria-prima para a
45
produção de aço. O pó de ferro obtido por esse processo se caracteriza por apresentar
porosidade e forma irregular de partícula. Através de algumas modificações técnicas, o
processo foi aplicado na produção de pó de ferro para emprego na metalurgia do pó [1].
Outros processos de redução para a fabricação do pó de ferro também são
conhecidos, um deles é o chamado Pyron. A matéria-prima empregada é a casca de óxido
que origina na laminação de chapas, barras e na produção de fios e tubos de aço comum.
Outro método é um processo misto de redução/atomização, partindo-se de sucata de aço e
ferro gusa, os quais são fundidos de modo a obter-se um material com teor de carbono entre
3,2 e 3,4% [1].
O pó de ferro também pode ser obtido pelo processo de decomposição, assim como o
níquel. Este processo consiste na decomposição química de um composto metálico a
temperaturas elevadas. Geralmente parte-se de compostos gasosos (carbonilas), resultando
partículas sólidas muito finas. Os pós de ferro obtidos por esse processo resultam em
partículas diminutas, com tamanho inferior a 10 microns e formato esférico [1].
2.8. Liga Ferro-Níquel
As ligas ferrosas são as mais utilizadas dentre todas as ligas metálicas. As ligas
compostas com níquel são em geral de 20 a 100 vezes mais caras que os aços inoxidáveis, o
que mostra que seu uso deve ser reservado a situações especiais, sendo que a maioria dos
problemas de corrosão relacionados com soluções cáusticas são resolvidos com o uso de
níquel. As ligas de níquel incluem os sistemas binários, ternários e mais complexos [16,28].
Geralmente os materiais sinterizados utilizados são os seguintes: ferro puro, ligas
ferro-fósforo, ligas ferro-silício ou ferro-fósforo-sílicio, ferro-níquel, ligas ferro-cobalto e
aços inoxidáveis ferríticos. A principal característica que distingue as ligas de ferro-
níquel das demais é a sua alta permeabilidade e sua resistividade elétrica tem um valor
intermediário comparado às outras ligas. São essas propriedades que tornam essas ligas
atraentes em aplicações mais sofisticadas, por exemplo, em circuitos atuadores de
termopares. É também indicada para aplicações em corrente alternada de alto desempenho.
Para a obtenção de alta densidade (7,5 g/cm³), o pó é compactado numa pressão de 690
MPa e sinterizado em vácuo acima de 1200ºC [29].
46
Uma vez que o sistema ferro-níquel não tem os benefícios de uma fase líquida
transiente durante a sinterização, a densidade final do produto é menor que das ligas ferro-
fósforo e ferro-silício. Assim, uma temperatura maior de sinterização, promove a difusão e
aumenta a densidade. Outra forma de se aumentar a densidade é simplesmente recompactar
as peças após a sinterização. Este procedimento deve ser seguido por um tratamento
térmico de recozimento para eliminação das tensões internas para se obter uma resposta
magnética satisfatória [29].
Uma das formas de se obter a liga do pó de ferro-níquel é partindo-se dos pós
elementares, como: pó de ferro puro (50%) e pó de níquel puro (50%). A constituição
química do lubrificante pode ser estearato de zinco, correspondendo a 1% da massa total da
liga [29].
Algumas ligas Fe-Ni, entre as quais a Permalloy (77Ni-14Fe-4Mo-5Cu) têm sido
ocasionalmente produzidas por metalurgia do pó, empregando-se a seguinte técnica: os pós
a serem misturados são ferro carbonila, níquel carbonila, molibdênio reduzido e cobre
atomizado. Não se adiciona qualquer lubrificante. A compactação é feita entre 3 a 5,1
tf/cm³, obtendo compactados pesando cerca de 7 kg. Estes são pré-sinterizados a 600°C
durante várias horas e finalmente sinterizados a 1200°C, igualmente durante várias horas.
Os compactados sinterizados são forjados e, a seguir, laminados na forma de tiras, barras
ou fios [1].
Mesmo que o processo de injeção das ligas Fe-Ni sejam bem estáveis, a
homogeneidade e as propriedades mecânicas dessas ligas foram estudadas por Zhang e
German, pois sabe-se que a presença de níquel causa efeitos na sinterização. Verificou-se
que uma distribuição não homogênea do níquel nessas ligas sinterizadas pode ser muito
prejudicial às propriedades mecânicas [30].
2.8.1. Diagrama de Fases Ferro-Níquel
Os materiais, mesmo quando substâncias puras, podem existir sob várias formas.
Suas propriedades dependem significativamente da natureza, número e quantidade das
possíveis formas diferentes em que se apresentam, por isso, é vital conhecer em que
condições esses materiais assumirão as suas várias formas. Referentes a um grande número
47
de materiais que exigiam e exigem informações deste tipo, em 1876, J. Willard Gibbs,
deduziu pela primeira vez a Regra das Fases. Essas informações são habitualmente reunidas
em mapas, como funções da temperatura, pressão e composição, em condições de
equilíbrio. A estes gráficos passou a chamar-se de Diagramas de Equilíbrio de Fases, ou
simplesmente Diagrama de Fases [31].
O diagrama de fases da Liga Fe-Ni pode ser visualizado na Figura 2.21 a seguir:
Figura 2.21 – Diagrama de fases Fe-Ni [32].
Assim, o diagrama de fases é um método eficiente de predizermos quais fases se
encontram em equilíbrio para uma dada composição de liga a uma determinada
temperatura. Também podemos determinar a composição química de cada fase e calcular a
quantidade de cada fase presente. O fenômeno de fusão e solidificação para um só
48
elemento, metal puro, é feito a uma temperatura constante chamada ponto de fusão. Para a
mistura de metais com outros elementos, metais ou metalóides, a liga começa a fundir a
uma certa temperatura e passa inteiramente ao estado líquido a uma temperatura mais
elevada ou, inversamente, do estado líquido ao estado sólido a uma temperatura mais baixa.
Entre estas duas temperaturas a liga forma uma massa pastosa, constituída de um metal
líquido e de cristais sólidos, cujas proporções variam em função da temperatura [33].
2.9. Liga 50%Fe-50%Ni
No geral, Ligas Fe-Ni com 40 a 55% Ni possuem permeabilidade magnética
moderada, mas praticamente constante para uma larga faixa de densidade de fluxo. Uma
das ligas de Níquel-Ferro (Ni-Fe) mais conhecidas é a chamada Permalloy. As ligas têm
uma estrutura CFC para conteúdos de Ni entre 35 e 100%. A liga com 50%Ni-50%Fe é a
de maior magnetização de saturação, é bastante dúctil e têm uma resistividade elétrica
bastante elevada [34].
As ligas 50%Fe-50%Ni são obtidas a partir de pós pré-ligados atomizados. Essas
ligas são empregadas onde se deseja alta permeabilidade. Com compactação a 700 MPa e
sinterização, no vácuo, acima de 1200°C, obtém-se uma densidade de 7,5 g/cm³, o que
propicia a máxima permeabilidade correspondente a 40.000 (H/m) e uma força coerciva de
0,20e (16A/m), valores esses comparáveis às ligas magnéticas a base de Ni trabalhadas [1].
Segundo Chuang e Lin, a adição de fósforo em ligas 50%Fe-50%Ni sinterizadas
causa efeitos nas propriedades magnéticas das mesmas. Essa adição facilitou o aumento da
densidade e tamanho de grão o que era benéfico ao desempenho magnético [35]. Conforme
German, ligas de 50%Fe-50%Ni são empregadas em material magneticamente moles e sua
resistividade varia por volta de 55 a 65 µΩ-cm.
49
3. Materiais e métodos
O pó estudado neste trabalho foi o pó da liga 50%Fe-50%Ni, fornecido pela Atmix
Epson Corporation, com as nomenclaturas 5F, 15F e 20F. Essa nomenclatura remete à
diferença no diâmetro médio equivalente das partículas de pó. Assim:
5F: partícula com diâmetro médio equivalente de 5 µm;
15F: partícula com diâmetro médio equivalente de 8 µm;
20F: partícula com diâmetro médio equivalente de 10 µm.
Além disso, esse pó é classificado como material magnético e é obtido através de
atomização a gás para ser utilizado no processo de moldagem por injeção.
3.1. Dados do fabricante
A distribuição de tamanhos de partícula, fornecido pelo fabricante, pode ser
visualizada na Figura 3.1 e na Tabela 3.1, com os dados dos diâmetros D
0,1
, D
0,5
e D
0,9
, ou
seja, os diâmetros em que 10, 50 e 90 % em volume das partículas, respectivamente, estão
abaixo destes valores. Observa-se que não só o tamanho médio das partículas aumenta de
5F para 15F e 20F, mas sobretudo a largura da distribuição de tamanhos de partícula.
Tal diferença no tamanho das partículas resulta em diferença na densidade aparente
batida, ou seja, é o volume que uma massa de pós ocupa após preencher um determinado
recipiente, com auxílio de vibração. O pó mais fino apresenta densidade aparente batida de
4,03 g/cm
3
, já o pó médio apresenta uma densidade de 4,41 g/cm
3
, enquanto que o pó mais
grosso possui uma densidade batida de 4,51 g/cm
3
. Observa-se que dentro do intervalo de
tamanhos dos pós estudados, o aumento do tamanho de partícula e, principalmente, o
aumento da largura da distribuição de tamanhos de partículas produzem um aumento na
densidade aparente batida, pois as partículas menores vão se alojar nos vazios entre as
partículas maiores.
50
Tabela 3.1 – Distribuição do tamanho de partículas.
Pó D
0,1
(µm) D
0,5
(µm) D
0,9
(µm)
5F
2,20 4,19 7,37
15F
3,36 8,05 16,77
20F
3,80 10,18 24,74
Figura 3.1 – Análises gráficas do tamanho de partículas: (a) 5F; (b) 15F e (c) 20F.
51
3.2. Caracterização dos pós
Os pós foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e
Análise Térmica Diferencial (DTA). Para a caracterização por MEV, realizada no
Laboratório de Caracterização Estrutural da Universidade Federal de São Carlos, amostras
dos pós foram aderidas sobre fita adesiva de carbono. As análises térmicas foram realizadas
no equipamento da marca NETZSCH – Termische Analyse (STA 409cell) nos laboratórios
da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp. Para tanto, utilizou-se atmosfera de
Argônio e taxa de aquecimento de 40
o
C/min.
3.3. Curvas de sinterização e caracterização dos materiais sinterizados
Os primeiros estudos da sinterabilidade dos pós foram realizados com a liga 15F no
mesmo equipamento para DTA. Tal estudo se deu sem a etapa de compactação dos pós,
que por se tratar de pós esféricos, possibilita melhor observação do processo de
empescoçamento (união das partículas). Para tanto, variou-se a temperatura de sinterização
entre 1000 e 1200
o
C, e o tempo de sinterização, entre zero a 60 minutos na temperatura de
patamar. A Figura 3.2 mostra as curvas empregadas.
Após, as amostras sinterizadas foram caracterizadas por microscopia óptica. Essas
amostras foram embutidas em resina rápida misturada com monômero e catalisador, todos
da Metalprisma Metalografia e Medição Ltda. Na seqüência, passaram pelo processo de
lixamento com lixas de 600 e 1200 mesh de granulometria e foram polidas com alumina
1
µ
m.
Posteriormente, as amostras foram levadas ao microscópio óptico, da marca ZEISS
Scope.A1, que conta com auxílio da câmera Axiocam ICc3 e software AxioVisionRel.
4.7.1. para a análise de imagens.
Na segunda parte dos experimentos de sinterização, após constatação de que as
temperaturas empregadas nos primeiros ensaios de sinterização promoveram um
adensamento bastante adiantado, impossibilitando a observação do início do
empescoçamento, amostras da liga 50%Fe-50%Ni das três distintas granulometrias (5F,
52
15F e 20F) foram sinterizadas, num forno da INTI – Equipamentos termoelétricos, que
conta com o auxílio de um equipamento – Flyever – que transmite para um computador a
temperatura real experimentada pela amostra, permitindo a obtenção de gráficos.
Figura 3.2 – Curvas com diferentes temperaturas e tempos de sinterização empregadas
para estudo da sinterização do pó 15F. Os termos F1 a F5 se referem às distintas curvas
empregadas.
Observa-se que as curvas apresentam inicialmente uma taxa de aquecimento bastante
elevada, e ao aproximar-se da temperatura de patamar ou final de sinterização, faz-se uma
mudança na taxa de aquecimento, alterando-a para valores mais baixos, o que resulta em
uma diminuição da temperatura até que se alcance o equilíbrio para a nova taxa de
aquecimento. As amostras foram colocadas num recipiente cerâmico (alumina), sem
aplicação de pressão e, sinterizadas em atmosfera de Nitrogênio (99,999%), em diferentes
tempos e temperaturas. A Tabela 3.2 mostra as temperaturas e tempos de sinterização
53
programados, enquanto que a Figura 3.3 mostra as curvas da temperatura em função do
tempo que foram empregadas, medidas junto às amostras.
Desta forma, a curva I alcançou um pico de 833ºC, a curva II alcançou um pico de
885ºC e a curva III alcançou um pico de 834ºC. A curva IV estabilizou-se na temperatura
de 910ºC.
Tabela 3.2 – Temperatura, taxas de aquecimento e tempo de permanência das amostras.
Curva
Temperatura
Final
Taxa de Aquecimento/
Resfriamento
Tempo*
I
870ºC
T
amb
-820ºC (20ºC/min.)
820-870ºC (10ºC/min.)
870-100ºC (-20ºC/min.)
0
II
920ºC
T
amb
-820ºC (20ºC/min.)
820-920ºC (10ºC/min.)
870-100ºC (-20ºC/min.)
0
III
970ºC
T
amb
-820ºC (20ºC/min.)
820-970ºC (10ºC/min.)
970-100ºC (-20ºC/min.)
0
IV
920ºC
T
amb
-820ºC (20ºC/min.)
820-920ºC (10ºC/min.)
920-100ºC (-20ºC/min.)
90 min.
* Tempo de permanência da amostra na maior temperatura.
Após sinterização, as amostras foram caracterizadas por MEV. Para melhor
observação dos pontos de empescoçamento das amostras, foi caracterizada a superfície de
fratura destas. Para tanto, as amostras foram mergulhadas em nitrogênio líquido, para que
quando fraturadas não sofressem deformação. Na seqüência, as amostras fraturadas foram
depositadas em substratos condutores e levadas para caracterização em MEV.
54
40 60 80 100 120 140 160
700
750
800
850
900
950
Curva IV
Curva III
Curva II
Curva I
Temperatura (
o
C)
Tempo (minutos)
Figura 3.3 – Curvas de sinterização empregadas, medidas junto às amostras.
55
4. Resultados e Discussões
As Figuras 4.1, 4.2 e 4.3, apresentam respectivamente o aspecto morfológico dos pós
da liga 50%Fe-50%Ni, correspondentes ao diâmetro médio de partícula 5F, 15F e 20F,
sendo sempre apresentada uma microscopia com uma visão geral e outra com um detalhe
do pó para as três distintas granulometrias.
(a)
(b)
Figura 4.1 – Aspecto morfológico dos pós 5F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos.
(c)
(d)
Figura 4.2 – Aspecto morfológico dos pós 15F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos.
56
(e)
(f)
Figura 4.3 – Aspecto morfológico dos pós 20F da liga 50%Fe-50%Ni em dois diferentes
aumentos.
Através das microscopias eletrônicas visualizadas nas Figuras 4.1, 4.2 e 4.3, é
possível observar que as partículas são predominantemente equiaxiais, tendendo à forma
esférica e arredondada. O formato esférico é o formato de partícula desejado para que se
utilize esse pó na técnica de moldagem por injeção com desempenho máximo de sua
qualidade [1,19].
Pela Tabela 3.1 e Figura 3.1, comparadas com as mesmas micrografias das Figuras
4.1, 4.2 e 4.3, fica clara a distribuição mais larga dos tamanhos de partículas para os pós
15F e 20F. Sendo que o pó 5F apresenta uma distribuição mais “fechada”, ou seja, mais
homogênea em relação a estes dois últimos. E, essa variação da distribuição de tamanhos é
mais significativa para o 20F (Figura 4.3) do que para o pó 15F (Figura 4.2).
A Figura 4.4 mostra o termograma dos pós 5F, 15F e 20F. Observa-se que o ponto de
início fusão, medido pelo on-set do pico endotérmico associado à fusão, não é alterado pela
redução do tamanho de partículas. No entanto, observa-se que, com a diminuição do
tamanho de partícula, ocorre um aumento da intensidade do pico endotérmico da fusão, o
que indica a dependência da cinética da transformação com o tamanho de partícula. Com o
aumento do tamanho de partícula, ocorre também um aumento na largura do pico, também
resultado da cinética da transformação sólido-líquido, ou seja, quanto menor o tamanho de
partícula, maior é a cinética da transformação de fase. Também deve ser notado que a fusão
do pó 20F apresenta-se na forma de dois picos parcialmente sobrepostos, que
57
possivelmente seja um efeito da distribuição mais larga de tamanhos de partículas.
Possivelmente o pequeno intervalo de solidificação tenha possibilitado uma repartição de
soluto suficiente para produzir tal efeito. Os mesmos resultados mostraram a ausência de
transformações de fase da temperatura ambiente à temperatura de fusão, indicando que a
fase γ se mantém até a temperatura ambiente para esta composição.
Figura 4.4 – Termogramas obtidos por análise térmica diferencial dos pós 5F, 15F e 20F.
A Figura 4.5 mostra micrografias das amostras do pó 50%Fe-50%Ni com tamanho
médio de partícula de 8µm (15F) após sinterização a 1000 (a), 1100 (b) e 1200ºC (c) e (d),
com tempo de patamar de sinterização de zero (a) e (b), 20 (c) e 60 minutos (d). A escolha
do pó 15F para a realização dos experimentos iniciais se deu devido ao fato de ser o pó de
tamanho intermediário.
Através dessas micrografias, observa-se que as amostras apresentaram um estágio
avançado de sinterização, mesmo para a amostra sinterizada a 1000º C, embora uma
porosidade grosseira é observada, provavelmente decorrente das condições geométricas do
cadinho do equipamento de análise térmica diferencial. Segundo a literatura [1] a
temperatura de sinterização para esta liga está em torno de 1200º C, coerente com
temperatura liquidus da liga em torno de 1430º C, segundo o diagrama de fases (Figura
2.20 [32]) e os resultados de DTA (Figura 4.5). Desta forma, esperava-se que temperaturas
em torno de 1000º C produzissem um estágio bastante inicial de sinterização, sendo
possível visualizar o início da formação dos pescoços entre as partículas do pó. No entanto,
58
os resultados mostraram estágios avançados de sinterização, não sendo possível identificar
o início da formação dos pescoços.
Figura 4.5 – Micrografias ópticas com aumento de 200x das amostras do pó da liga
50%Fe-50%Ni com tamanho de partícula de 8µm (15F) após sinterização a 1000 (a), 1100
(b) e 1200ºC (c) e (d), com tempo de patamar de sinterização de zero (a) e (b), 20 (c) e 60
minutos (d).
Como o objetivo deste trabalho é verificar a sinterabilidade, torna-se essencial definir
os estágios iniciais do processo, quando se visualiza plenamente as partículas do pó
isoladas e o início da formação dos pescoços. Para tanto, realizou-se uma segunda etapa de
sinterização, em temperaturas abaixo de 1000º C. Desta forma, as amostras do pó 5F, 15F e
20F foram submetidas a temperaturas de 870, 920 e 970ºC, com tempo zero de patamar,
para o estudo da influência da temperatura de sinterização sobre o início do processo de
formação dos pescoços. Para o estudo do tempo de sinterização, as amostras foram
sinterizadas a 920ºC e mantidas no patamar por zero e 90 minutos, conforme descrito na
Tabela 3.2.
Serão agora apresentadas nas Figuras 4.6, 4.7 e 4.8, as superfícies de fratura destas
amostras sinterizadas em diferentes tempos e temperaturas, através de microscopia
eletrônica de varredura.
59
(a)
(b)
(c) (d)
(e) (f)
(g)
(h)
Figura 4.6 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 5F sinterizados: (a) e (b)
870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC.
60
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
Figura 4.7 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 15F sinterizados: (a) e
(b) 870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC.
61
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
Figura 4.8 – MEV das superfícies de fratura das amostras dos pós 20F sinterizados: (a) e
(b) 870ºC, (c) e (d) 920ºC, (e) e (f) 920ºC e 90 minutos e (g) e (h) 970ºC.
62
Com as micrografias apresentadas nas Figuras 4.6, 4.7 e 4.8 é possível observar,
através da análise da superfície de fratura, a distribuição do tamanho de partículas, as quais
ainda mantêm o formato equiaxial, tendendo ao formato esférico, mesmo após o início da
sinterização.
Para analisar a influência do tamanho médio de partículas sobre a temperatura de
início de sinterização, ou seja, mantendo a mesma temperatura e variando-se o tamanho
médio de partícula, podem ser visualizadas as microscopias eletrônicas da superfície de
fratura das amostras apresentadas nas Figuras 4.9, 4.10 e 4.11 a seguir.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.9 – Superfície de fratura das amostras da liga 50%Fe-50%Ni sinterizadas a
870ºC: (a) 5F; (b) 15F e (c) 20F.
Na Figura 4.9, das amostras sinterizadas a 870ºC, percebe-se a ausência total da
formação de pescoços para as três granulometrias distintas. Já na Figura 4.10, amostras
sinterizadas a 920ºC, observam-se o início da formação de pescoços, nas amostras 5F e
15F, enquanto que ainda não há a ocorrência da formação de pescoço para as amostras 20F.
63
(a)
(b)
(c)
Figura 4.10 – Superfície de fratura das amostras da liga 50%Fe-50%Ni sinterizadas a
920ºC: (a) 5F; (b) 15F e (c) 20F.
Nota-se ainda que, a formação de pescoço é mais significativa para o 5F do que para
o 15F, pois o pó 5F apresenta tamanho médio de partícula menor. Quanto menor o tamanho
médio das partículas, maior a área superficial do pó, o que fornece uma maior área de
contato entre as partículas e implica em uma mais efetiva difusão no estado sólido,
resultando em uma maior tendência a formação de pescoço. Evidencia-se, assim, a
influência do tamanho de partícula sobre a temperatura de início de formação de pescoços,
ou seja, o tamanho da partícula é um fator preponderante no processo de empescoçamento.
Portanto, quanto menor o tamanho de partícula, menor é a temperatura de início de
formação de pescoços.
Para verificar a influência do tempo no tamanho médio das partículas, variou-se o
tempo de 0 (zero) para 90 (noventa) minutos nas amostras com os distintos tamanhos
médios de partícula. Para a análise podem ser observadas as micrografias eletrônicas da
superfície de fratura apresentadas nas Figuras 4.11, 4.12 e 4.13.
64
(a)
(b)
Figura 4.11 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a 920ºC: (a) 0
minuto e (b) 90 minutos.
(a)
(b)
Figura 4.12 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a 920ºC: (a) 0
minuto e (b) 90 minutos.
(a) (b)
Figura 4.13 – Superfície de fratura das amostras do pó 20F sinterizadas a 920ºC: (a) 0
minuto e (b) 90 minutos.
65
Com as microscopias apresentadas nas Figuras 4.11, 4.12 e 4.13 é possível verificar
que o tempo é um fator de grande influência na sinterabilidade da liga 50%Fe-50%Ni, pois
é evidente que as amostras sinterizadas com tempo de permanência de 90 minutos
apresentam estágios mais avançados de sinterização do que aquelas que atingiram a
temperatura de 920ºC e foram imediatamente resfriadas. A formação de pescoços é mais
significativa nas amostras dos pós 5F e 15F. Fica assim evidenciada a influência do tempo
de sinterização na sinterabilidade da liga, ou seja, quanto maior o tempo de sinterização,
mais avançado será o estágio de empescoçamento.
Para verificar a influência da temperatura de sinterização, variou-se a temperatura
para um mesmo tamanho de partícula. Para análise dessa influência podem ser verificadas
as micrografias apresentadas nas Figuras 4.14, 4.15 e 4.16.
(a)
(b)
Figura 4.14 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b)
970ºC.
(a) (b)
Figura 4.15 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b)
970ºC.
66
(a)
(b)
Figura 4.16 – Superfície de fratura das amostras do pó 20F sinterizadas a: (a) 920ºC e (b)
970ºC.
Com as micrografias apresentadas, evidencia-se que a temperatura de sinterização
influencia fortemente o processo, pois se verifica uma maior concentração de pescoços nas
amostras sinterizadas a 970ºC do que nas amostras sinterizadas a 920ºC, comprovando
assim, a forte influência da temperatura no processo de sinterização: quanto maior a
temperatura de sinterização, mais rápida será a cinética do processo.
Pode-se ressaltar ainda que, as partículas que apresentam diâmetros menores (5F e
15F) sinterizam mais do que as partículas maiores do pó 20F, tanto quando submetidas a
temperaturas maiores ou a tempos de patamar maiores. Sendo que, essa sinterização é mais
significativa para o pó 5F. Além disso, é observado que quando há sinterização do pó 20F,
esta ocorre nas partículas menores que constituem esse pó.
Na seqüência, para verificar se é o tempo ou a temperatura de sinterização que
causam maior influência na sinterabilidade da liga 50%Fe-50%Ni, podem ser visualizadas
as micrografias mostradas nas Figuras 4.17 e 4.18.
Observa-se com as Figuras 4.17 e 4.18, que para essas temperaturas e tempos
estudados, o tempo de sinterização causa maior influência na sinterabilidade da liga
50%Fe-50%Ni do que a temperatura. Principalmente para as amostras com menores
diâmetros médios de partícula (5F).
Fazendo-se a correlação entre a sinterabilidade dos pós da liga 50%Fe-50%Ni e o
empescoçamento observado nas amostras sinterizadas em diferentes tempos e temperaturas,
e fraturadas para observação, pode-se afirmar que a sinterização é significativamente
afetada pela temperatura e pelo tempo de sinterização, e que o tamanho das partículas afeta
fortemente a sinterabilidade da liga.
67
(a)
(b)
(c)
Figura 4.17 – Superfície de fratura das amostras do pó 5F sinterizadas a: (a) 920ºC, (b)
970ºC e (c) 920ºC por 90 minutos.
(a)
(b)
(c)
Figura 4.18 – Superfície de fratura das amostras do pó 15F sinterizadas a: (a) 920ºC, (b)
970ºC e (c) 920ºC por 90 minutos.
68
69
5. Conclusões
Através de Análise Térmica Diferencial, foi possível constatar que o tamanho das
partículas não afeta o início da fusão da liga, embora uma distribuição mais larga de
tamanhos de partículas acarreta em um pico endotérmico mais largo. A mesma técnica
também mostrou que os pós analisados não apresentaram transformações de fase da
temperatura ambiente à temperatura de fusão.
Para o pó 15F da liga 50%Fe-50%Ni, quando sinterizados a temperaturas superiores a
1000ºC, estágios avançados deste processo foram observados. Na segunda parte dos
experimentos, o estágio inicial da formação de pescoços é estudado em temperaturas abaixo
de 1000ºC para os pós 5F, 15F e 20F. Assim, é observado que o tempo e a temperatura de
sinterização são fatores de grande influência na sinterabilidade da liga, ou seja, quanto
maior o tempo ou a temperatura de sinterização, mais adiantado será o processo de
empescoçamento. Bem como, é observado que as amostras dos pós com menores diâmetros
de partículas apresentam processos de empescoçamento mais adiantados, quando
submetidos à mesma temperatura. Verificou-se também que para as temperaturas e tempos
de sinterização estudados, o fator que causa maior influência na sinterabilidade da liga
estudada é o tempo.
70
71
6. Sugestões para trabalhos futuros
De acordo com os resultados encontrados no presente estudo, sugere-se que sejam
estudadas as propriedades mecânicas da liga 50%Fe-50%Ni e modelamento matemático.
Assim, a realização do modelo matemático facilitará a correlação entre teoria e prática.
72
73
7. Referências Bibliográficas
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