Os produtos à base de cobre na metalurgia do pó estão em terceiro lugar depois daqueles à base de ferro e aço, e as ligas de alumínio, em termos de volume (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
Quando adicionado chumbo à composição do cobre (CuSn10Pb10), a liga apresenta redução no desgaste por conta da formação de uma camada de chumbo oxidado de cerca de 15 nm de espessura, a qual cobre a faixa de desgaste. Quando não há formação do filme, a perda de material no chumbo-bronze é mais severa em relação ao bronze sem chumbo. A formação da camada de chumbo e o comportamento de desgaste do bronze dependem do efeito combinado da microestrutura e da rugosidade da superfície (EQUEY; HOURIET; MISCHLER, 2011).
METALURGIA DO PÓ
O processamento do metal em pó encontra aplicação crescente à medida que oferece muitas vantagens em comparação com outros processos de fabricação, como a maior possibilidade de ligas e a capacidade de fabricação de peças autolubrificantes. Ainda, permite a fabricação econômica de complexos elementos de máquinas, tais quais engrenagens, mancais e bielas (DHANASEKARAN; GNANAMOORTHY, 2007).
3.1 PÓS METÁLICOS
Os pós metálicos são a matéria-prima para se trabalhar com a metalurgia do pó. É muito importante conhecer as características deles para a sua correta utilização e para o aperfeiçoamento técnico de componentes, já que tais características influenciam a fabricação e o uso do componente. Faz-se fundamental para também permitir a reprodução desses pontos. Algumas dessas especificidades são: pureza e composição química, microestrutura da partícula, tamanho do grão e composição granulométrica, porosidade da partícula, densidade aparente, velocidade de escoamento, superfície específica, compressibilidade e resistência a verde (CHIAVERINI, 1992).
Entre as características mais importantes estão o tamanho e a forma da partícula, as quais se ligam intimamente à maneira de obtenção do pó. Em geral, a forma irregular e escamosa, por exemplo, é obtida por moagem ou pulverização; e a forma irregular, por desintegração mecânica (CHIAVERINI, 1992).
Além da possibilidade de utilizar pós elementares com pureza de 99% ou mais, ainda ocorre o emprego de pós ligados em várias composições, incluindo latão, prata-níquel, bronze-estanho, bronze-alumínio e bronze-berílio. Pós de liga são produzidos por duas vias: 1) pré-mistura de pós de cobre com outros pós elementares, tais como estanho, zinco ou níquel; 2) pré-ligado que consiste na fusão dos constituintes para formar uma liga homogênea e de atomização semelhante a outros pós (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
A escolha pelo uso de um pó pré-ligado em relação a um pré-misturado influencia as propriedades físicas do componente. O bronze pré-ligado possui melhores propriedades do que o pré-misturado, tais quais dureza, resistência mecânica e ductilidade. Uma vez que a adição das partículas da liga reduz o tamanho do grão do bronze, a microestrutura refinada proporciona maior ductilidade do material com o alongamento aumentado (TAVAKOLI; LIU; WU, 2008).
A liga de bronze mais comum em mancais autolubrificantes é feita com pós previamente combinados, tendo combinação da composição típica de 90Cu-10Sn, muitas vezes até contendo grafite de 1,5% (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
3.2 POROSIDADE
A porosidade pode estar presente no pó ou fazer parte da estrutura da peça sinterizada. Na peça acabada existem dois tipos de porosidade. Em um deles, os poros estão conectados. No outro, existem poros, porém eles não estão interligados entre si. Esse último tipo também é chamado de porosidade esponjosa (CHIAVERINI, 1992).
No entanto a presença de poros em produtos limita a aplicação dos componentes para leve e médio esforço. Os poros atuam como concentradores de tensão e afetam as propriedades mecânicas, como o limite de resistência à fadiga de contato (DHANASEKARAN; GNANAMOORTHY, 2007). A densidade interfere nas características de desgaste similar às outras características mecânicas. É relatado em ensaios de desgaste abrasivo em aços sinterizados que a taxa de desgaste diminui com o aumento da densidade (KHORSAND, 2002 apud DHANASEKARAN; GNANAMOORTHY, 2007).
A densidade aparente para componentes porosos é de 25 a 85% e tem aplicações em filtros, controle de fluxo de fluido, mancais autolubrificantes, aeradores e eletrodos de bateria. Componentes estruturais têm densidade entre 85 e 99% (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
3.3 DENSIDADE APARENTE
A densidade aparente determina o verdadeiro volume ocupado por uma massa solta de pó e depende da densidade do material sólido e da forma, do tamanho, da área superficial e da composição granulométrica da partícula. Também decresce à medida que diminui o tamanho da partícula. Esse comportamento ocorre pela maior área superficial, gerando maior atrito, que reduz a capacidade de as partículas arrumarem-se na compressão. A forma da partícula também influencia a densidade aparente. A forma esférica é a que apresenta maior densidade, em virtude da área superficial de atrito e do fator de empacotamento (CHIAVERINI, 1992).
56 3.4 COMPRESSIBILIDADE
Utilizada para quantificar a variação de volume do pó após a compressão, a compressibilidade liga-se intimamente à pressão de compactação e aumenta com esta. Ela é afetada por diversos fatores, entre eles a dureza da liga metálica sob compactação, a forma da partícula e a presença de lubrificantes sólidos (CHIAVERINI, 1992).
Na compactação, o pó solto flui por gravidade para a cavidade do molde, onde é compactado para a forma desejada. A pressão de compactação para as composições de mancais típicas varia de 138 a 413 megapascal (MPa). Dependendo da precisão dimensional final, o compacto verde molda-se de 1 a 5% maior do que o tamanho final para permitir o movimento do material durante o posicionamento (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
3.5 SINTERIZAÇÃO
Sinterização é a fase final do ciclo de consolidação dos pós metálicos, iniciado pela compactação. Essa fase consiste no aquecimento do compactado na ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga, ocasionando tipicamente a difusão no estado sólido. Dependendo da temperatura de utilização do forno faz-se necessário o uso de atmosfera protetora, cuja função é minimizar qualquer reação química entre o compactado verde, sendo a mais importante destas a oxidação (CHIAVERINI, 1992).
Entre as variáveis desse processo está o emprego de um único metal ou de um liga. Para o segundo caso, como os componentes da liga apresentam temperaturas distintas de fusão pode ocorrer fase líquida, uma nova variável no processo. Quando se recorre a pós pré- ligados, há pouca diferença em relação ao primeiro caso, não havendo fase líquida (CHIAVERINI, 1992).
O tamanho da partícula está associado ao tempo de sinterização. Nesta os átomos eliminam a energia superficial associada ao pó. A energia é inversamente proporcional ao diâmetro da partícula, e, em virtude disso, partículas menores sinterizam mais rápido (GERMAN, 1994).
No pó compactado acontece o aumento do contato entre as partículas com a elevação da pressão de compactação. Esse contato se acentua na primeira fase da sinterização, quando o compactado verde é aquecido, resultando em alteração dimensional e crescimento da densidade. Outra alteração consiste no arredondamento e na esferoidização da estrutura. Além disso, o fluxo de difusão é responsável pelo fenômeno de formação de pescoço entre as
partículas que caracterizam o contato e o aumento da coesão (CHIAVERINI, 1992).
A ligação inicial compõe o pescoço, indicado pelo raio P na Figura 32. O pescoço é formado no contorno do grão das partículas, conforme Figura 33 e Figura 34. Pela diferença de concentração de defeitos cristalinos, dois tipos de fluxos difusionais aparecem. O indicado pela seta B é caracterizado pela difusão superficial, e o indicado pela seta A, pela difusão volumétrica. Ambos os tipos de difusão explicam o arredondamento e a esferoidização de poros irregulares, porém não explicam a contração nem a aproximação dos centros entre duas partículas esféricas (CHIAVERINI, 1992).
Figura 32 – Difusão, indicada por setas
Fonte: ASM METALS HANDBOOKS, 1992.
A contração é ocasionada pelas setas C e D (ver Figura 32), que representam a difusão do contorno do grão e a difusão volumétrica no interior dele em direção ao pescoço. Os átomos fluem do contorno em relação ao pescoço, e as lacunas seguem em direção contrária e assim são eliminadas no contorno do grão, resultando na contração e aproximação das partículas. Em um modelo mais complexo com partículas vizinhas, o crescimento do pescoço e a contração são reprimidos (CHIAVERINI, 1992).
A sinterização pode ser dividida em seis estágios: 1) ligação inicial entre as partículas e formação de pescoço; 2) crescimento do pescoço; 3) fechamento dos canais que interligam os poros; 4) arredondamento dos poros; 5) contração dos poros ou densificação; 6) crescimento eventual dos poros (CHIAVERINI, 1992).
58 dos responsáveis pela diminuição do tamanho dos poros e pelo isolamento, fato que interfere nas características de autolubrificação para mancais. Se a porosidade de um material é superior a 10%, pode-se afirmar que a maioria dos poros está interconectada (CHIAVERINI, 1992).
Figura 33 – Vista, no nível atômico, da ligação por meio da sinterização
Fonte: GERMAN, 1994.
O quarto estágio consiste numa consequência da difusão de partículas para as regiões do pescoço, fazendo com que os poros fiquem mais arredondados. Esse efeito é promovido pelas altas temperaturas de sinterização. Com isso, os poros ficam perfeitamente esféricos, influenciando as propriedades mecânicas. Considera-se a fase seguinte uma das mais importantes, em virtude da densificação da massa. Para ocorrer faz-se necessário que a peça permaneça tempo suficiente na temperatura de patamar. O processo de contração dos poros provoca o decréscimo em volume de massa sinterizada. Por sua vez, a última etapa é responsável pela eliminação de pequenos poros e pelo crescimento de poros maiores (CHIAVERINI, 1992).
Figura 34 – Microscopia eletrônica de varredura da formação de pescoço por sinterização (esferas de níquel)
Fonte: GERMAN, 1994.
O tempo de sinterização inadequado pode levar a grandes variações dimensionais na peça e na densidade final, causando porosidade e variações de permeabilidade. Sinterização excessiva desnecessariamente reduz a permeabilidade, em função da diminuição de tamanho de poro e de fecho dos poros, sem melhorar de modo significativo as propriedades mecânicas (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
3.5.1 Bronze sinterizado
O bronze (90Cu – 10Sn) é feito por meio dos pós elementares, e podem ser adicionados a ele elementos de liga como ferro e carbono. Alguns componentes estruturais, contudo, que exigem densidade superior a 7,0 g/cm3, são fabricados com pós pré-ligados. De acordo com a especificação ASTM B-255-83 (1995), os componentes estruturais sinterizados de bronze mais utilizados são produzidos por intermédio da composição mostrada na Tabela 3. As propriedades das peças estruturais sinterizadas compostas pelos componentes citados na Tabela 3 são descritas na Tabela 4.
60 Tabela 3 – Componentes estruturais de bronze sinterizado
Fonte: ASTM B-255-83 (1995).
Tabela 4 – Propriedades dos componentes estruturais sinterizados de bronze
Fonte: CHIAVERINI, 1992.
O mancal verde, ou seja, o mancal compactado antes de ser sinterizado, tem uma mistura elementar de cobre e estanho. Ele é transformado em liga de bronze, mostrado na Figura 35, a uma temperatura que está abaixo do ponto de fusão do cobre, mas acima do ponto de fusão do estanho. Sob essas condições ocorre fase líquida na sinterização sem alteração significativa no tamanho do mancal. A temperatura de sinterização para o bronze pode variar de 830 a 900ºC, dependendo do tempo, que normalmente varia entre 3 e 8 minutos (ASM METALS HANDBOOKS, 1992).
Figura 35 – Microestrutura de bronze em 90% de Cu-10% Sn: a) 150x; b) 300x