Metaluriga Do Pó By Flavio Gois

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7 UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL ÁREA DE TECNOLOGIA E COMPUTAÇÃO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ESTUDAR O COMPORTAMENTO DE SINTERIZAÇÃO DA LIGA FERROSA COM ADIÇÃO DE Fe3P NAS PROPRIEDADES DO MATERIAL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO FLÁVIO CORRÊA DE GÓIS CANOAS 2011 FLÁVIO CORRÊA DE GÓIS Nº. MATRICULA 062007954-1 ESTUDAR O COMPORTAMENTO DE SINTERIZAÇÃO DA LIGA FERROSA COM ADIÇÃO DE FE3P NAS PROPRIEDADES DO MATERIAL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO APRESENTADO AO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: ÁREA DE TECNOLOGIA ORIENTADOR: PROF. DR. JOSÉ C. K. DE VERNEY CANOAS 2011 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 7 2. OBJETIVOS 8 2.1 OBJETIVO GERAL 8 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 8 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 9 3.1 METALURGIA DO PÓ 9 3.1.1 Introdução 9 3.2 DEFINIÇÕES 9 3.3 ETAPAS DO PROCESSO 10 3.4 VANTAGENS E LIMITAÇÕES DO PROCESSO 10 3.5 PROCESSO DA METALURGIA DO PÓ 11 3.6 PÓS METÁLICOS 12 3.6.1 Métodos de produção dos pós metálicos 12 3.6.2 Pureza e composição química 13 3.6.3 Porosidade 13 3.6.4 Mistura, Homogeneização e Lubrificação 13 3.7 COMPACTAÇÃO 14 3.7.1 Princípio da compactação 15 3.7.2 Razão de compactação 16 3.8 SINTERIZAÇÃO 18 3.8.1 Estágios de Sinterização 18 3.8.2 Tempo 19 3.8.3 Fornos de Sinterização 20 3.8.4 Atmosferas de Sinterização 21 3.8.5 Fase Líquida de Sinterização 22 3.8.5.1 Princípios da Fase Líquida de Sinterização 23 3.8.5.3 Parâmetros que Influenciam o Processo de Fase Líquida de Sinterização 27 3.8.5.4 Formas de ocorrência da Fase Líquida de Sinterização 27 3.9 SINTERIZAÇÃO DA LIGA Fe-Fe3P 30 4. MATERIAIS E MÉTODOS 31 4.1 MATERIAIS 31 4.1.1 Pó de ferro 32 4.1.2 Pó de fosfeto de ferro 32 4.2 MÉTODOS 33 4.2.1 Mistura / Homogeneização 33 4.2.2 Compactação 34 4.2.3 Sinterização 34 4.2.4 Medição da massa específica 35 4.2.5 Avaliação de propriedades mecânicas 35 4.2.6 Análise de microestrutura 35 5. CRONOGRAMA 36 6. REFERÊNCIAS 37 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Representação das várias etapas do processo de metalurgia do pó 12 Figura 2 - Esquema de compactação por compressão dos pós, numa prensa uniaxial 15 Figura 3 - Etapas presentes na compactação (fonte: CHIAVERINI, 2001) 16 Figura 4 - Curva típica da variação da densidade do compacto com a pressão de compactação 17 Figura 5 - Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização 19 Figura 6 - Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de sinterização (fonte: GRUPO SETORIAL, 2009) 19 Figura 7 - Perfil típico de temperatura num forno de sinterização contínuo 21 Figura 8 - Estágios da fase líquida da sinterização envolvendo a misturas de pós 24 Figura 9 - Diagrama de fases ideal para o sistema fase líquida de sinteriazação 26 Figura 10 - Sinterização solidus, (a) configuração inicial das partículas, (b) formação preferencial 28 Figura 11 - Diagrama de fase do Fe-P (ferro – fósforo) ( fonte: http://www.territorioscuola.com/wikipedia/el.wikipedia.php?title=%CE%91%CF%81%CF%87%CE%B5%CE%AF%CE%BF:Fe-P-phase-diagram-greek.svg) 31 Figura 12 – Dimensões da peça que servirá como amostra 34 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Composição química do pó da liga de Fe 32 Tabela 2 - Granulometria do pó de liga de Fe 32 Tabela 3 - Composição química do pó de Fe3P 32 Tabela 4 - Granulometria do pó de Fe3P 32 Tabela 5 - Distribuição do pó Fe3P e percentual de P na mistura 33 INTRODUÇÃO Embora pesquisas arqueológicas mostrem que o homem já produzia armas, lanças e ferramentas a partir de aglomerados de ferro, há cerca de 6.000 anos a.C., somente no século XIX foram dados os primeiros passos para o desenvolvimento da moderna metalurgia do pó. O ano de 1829 representa um marco na história deste processo, pois data desse período a produção de peças de platina compacta a partir de pó esponjoso desse metal, material que até então não podia ser processado por fundição normal, em razão do seu alto ponto de fusão (1.770°C). Mas a produção só se expandiu mesmo após a Segunda Guerra Mundial, para atender à demanda da florescente indústria automobilística. 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 ou com material base de alto ponto de fusão, sempre haverá espaço para a metalurgia do pó. Este é um processo moderno, mas os avanços científicos e tecnológicos não param. 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, ciclo esse iniciado com a compactação. Normalmente a temperatura especificada de sinterização é da ordem 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga considerada. Na sinterização ocorrem os processos de fase sólida e a fase líquida, a fase sólida é o processo comum na sinterização e a fase líquida consiste na técnica de obtenção de sinterizados com baixa temperatura de sinterização, com o acréscimo de pó metálico de ponto de fusão abaixo da liga constituinte. A presença de fase líquida na sinterização favorece a ligação das partículas metálicas entre si e diminui a porosidade do material. Este trabalho visa analisar o comportamento da liga metálica ferrosa no processo de sinterização com a adição de fosfeto de ferro (Fe3P) como provedor de fase líquida e analisar as propriedades mecânico metalúrgicas do material. OBJETIVOS Os objetivos deste trabalho serão divididos em Gerais e Específicos, conforme segue. OBJETIVO GERAL O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o estudo comportamental da liga ferrosa na metalurgia do pó com adição de fosfeto de ferro nas propriedades mecânicas e metalúrgicas do material. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Os objetivos específicos deste trabalho são: Compactar peças metálicas com e sem Fe3P; Avaliar compactação de peças com variação de 1%, 2% e 3% de Fe3P; Medir densidade verde e após sinterização; Avaliar as diferenças nas microestruturas das peças; Avaliar as propriedades mecânicas (dureza principalmente); REVISÃO BIBLIOGRÁFICA METALURGIA DO PÓ Introdução A Tecnologia da Metalurgia do Pó (P/M – "Powder Metallurgy") pode ser definida como um conjunto de técnicas e processos para produção de pós dos materiais metálicos, e do seu processamento em produtos metalúrgicos consolidados numa massa de pós coerente (metálicos e não metálicos), através da aplicação de elevadas pressões e, simultânea ou subsequentemente, de calor, em geral abaixo dos pontos de fusão dos materiais metálicos de base principais, constituinte dos pós (FERREIRA, 2002). A operação de consolidação dos pós é normalmente realizada por prensagem, seguida por um aquecimento para consolidação executado num forno de atmosfera controlada, sendo esta última operação referida como sinterização. A temperatura de sinterização deve ser mantida abaixo da temperatura de fusão dos materiais em pó, ou inferior à temperatura de fusão dos constituintes em maior proporção, se for utilizada uma mistura de pós metálicos (FERREIRA, 2002). DEFINIÇÕES A metalurgia do pó se distingue dos demais processos metalúrgicos convencionais pelas seguintes características: utilização de pós metálicos e não metálicas como matérias-primas; ausência de fase líquida ou presença apenas parcial da fase líquida durante o processo de fabricação; produção de peças com formas definidas ou praticamente definitivas, dentro de tolerâncias muito estreitas, geralmente sem necessidade de operação de usinagem posteriores ou de qualquer outro tipo de acabamento; produção de componentes com característicos estruturais e físicos impossíveis de se obter por outro qualquer outro processo metalúrgico; obtenção de peças em grandes séries, tornando o processo altamente competitivo em relação aos processos convencionais (CHIAVERINI, 2001). ETAPAS DO PROCESSO Na fabricação corrente de componentes pela tecnologia da metalurgia do pó, a sequência normal de operações inicia-se pela dosagem de pós metálicos, seguido de uma operação de mistura para homogeneização e uniformidade da distribuição dos pós (metálicos e/ou não metálicos). No seguimento os pós misturados são submetidos a operações de prensagem, em geral executada por prensas axiais, para a sua compactação e conformação. O produto desta operação de prensagem, em pós compactados, toma a designação de compacto verde, devido à sua fraca resistência mecânica antes da operação de sinterização. A operação seguinte, para gerar a união das partículas de pó, é efetuada em fornos a temperaturas geralmente inferiores às do ponto de fusão dos materiais em pó em maior porcentagem, e é denominada por sinterização, da qual resulta um compacto sinterizado, com uma estrutura coerente de pós e com uma elevada resistência mecânica. Quando a forma geométrica do compacto necessita de ser melhorada, ou modificada, pode recorrer-se a uma operação de forjamento dos compactos sinterizados, para se obterem componentes acabados e calibrados (FERREIRA, 2002). VANTAGENS E LIMITAÇÕES DO PROCESSO Comparando os processos de metalurgia do pó com os processos de produção convencionais, os processos tecnológicos P/M recentes têm as seguintes vantagens: Muitos dos pós metálicos são obtidos por reciclagem de sucatas metálicas ( ex.: pós de ferro, de aço, de ligas de cobre ou de alumínio), outros são obtidos de minério ( ex.: pós de tungstênio); A obtenção de produtos P/M, em grandes séries, com forma geométrica final definitiva, sem desperdícios de materiais (ex.: sem gitos de fundição, sem aparas provenientes de processos de corte, sem resíduos provenientes dos processos de fabricação); Um baixo custo por componente P/M, sobretudo no caso de geometrias complexas, ou de requisitos de uma elevada precisão de forma, e/ou uma grande quantidade de partes iguais a serem produzidas; A tecnologia da P/M apresenta um consumo energético relativamente baixo, comparativamente a outros processos tecnológicos de processamento de metais; A tecnologia da P/M permite processos de produção relativamente limpos para preservação do meio ambiente (FERREIRA, 2002). PROCESSO DA METALURGIA DO PÓ Os pós sob pressão não se comportam como líquidos, pois que, a pressão necessária à compactação/conformação dos pós não é transmitida uniformemente na massa dos pós, e só existe um pequeníssimo escoamento lateral dos pós, dentro do molde. Assim, a obtenção de densidades satisfatórias nos componentes P/M depende em larga escala da escolha do processo de conformação dos pós e do projeto da ferramenta P/M de compressão. Atualmente são utilizadas, na indústria, uma grande diversidade de técnicas da metalurgia do pó, para a conformação e consolidação dos pós metálicos. As sequências de operações mais correntemente utilizadas em metalurgia do pó, para os processos de conformação e consolidação dos pós metálicos, estão representados na figura 1 (FERREIRA,2002). Figura 1 - Representação das várias etapas do processo de metalurgia do pó (fonte: http://picsdigger.com/image/e2f7a134/) PÓS METÁLICOS A primeira etapa do processo tecnológico da metalurgia do pó corresponde à produção de pós metálicos, e/ou não metálicos, e à sua mistura uniforme em diversas porcentagens com outros pós metálicos e não metálicos de modo a formarem-se composições homogêneas. Nestas misturas de pós são, por vezes, adicionados lubrificantes, ou outros aditivos, para facilitar os processos de conformação e melhorar as propriedades finais dos produtos obtidos com a tecnologia da metalurgia do pó. A seleção dos processos para a produção depós metálicos é, geralmente, condicionada por razões de pureza e das propriedades físicas requeridas, tendo sempre em atenção os aspectos econômicos de produção (FERREIRA, 2002). Métodos de produção dos pós metálicos Em princípio, os vários métodos podem ser agrupados nas seguintes classes: Reações químicas e decomposição; Atomização de metais fundidos; Deposição eletrolítica; Processamento mecânico de materiais sólidos; Um mesmo pó pode ser obtido por mais de um método. Os métodos incluídos nas duas primeiras classes acima são os que apresentam a maior importância prática, pois são os que produzem pós de custo mais baixo, com características que atendem às exigências da maioria dos produtos sinterizados (CHIAVERINI, 2001). Pureza e composição química Partindo-se do pressuposto que o pó metálico apresente uma pureza acima de 99,0 ou 99,5%, o principal objetivo de conhecer-se sua composição química ou pureza consiste em determinar-se quais as impurezas – metálicas ou não-metálicas – presentes, visto que essas impurezas podem afetar as condições de compactação e as condições de sinterização (CHIAVERINI, 2001). Porosidade Quando presentes, os poros afetam não somente outros característicos dos pós, como a densidade aparente e a compressibilidade, como igualmente a porosidade da peça acabada. Devem-se distinguir dois tipos de porosidade: porosidade tipo esponjosa, caracterizada pela presença de poros que não estão interligados entre si e porosidade em que os poros estão interligados entre si. Neste caso e quando, além disso, os poros estiverem ligados com a superfície, verifica-se um aumento da superfície especifica das partículas, além de ficar facilitada a absorção de gases durante o seu processamento (CHIAVERINI, 2001). Mistura, Homogeneização e Lubrificação - Mistura: é a operação em que dois ou mais pós de composição diferentes são intimamente misturados (CHIAVERINI, 2001). - Homogeneização: é a operação de misturar intimamente pós de idêntica composição nominal (CHIAVERINI, 2001). - Mistura e Homogeneização: Essas operações aumentam o contato entre as partículas. O resultado depende do tamanho e da forma das partículas. Considera-se que quanto maior a uniformidade do tamanho de partícula do material a ser misturado ou homogeneizado, tanto maior a possibilidade de obter-se resultados uniformes e consistentes. Por outro lado, partículas maiores apresentam forte tendência de segregar. Se possível, a eliminação dessas partículas maiores deveria ser realizada (CHIAVERINI, 2001). - Lubrificação: a função do lubrificante é de minimizar o desgaste, por redução do atrito entre a massa do pó em contato com as superfícies das ferramentas (matrizes, punções e machos metálicos), e por redução do atrito entre as partículas de pós. O lubrificante é adicionado a mistura dos pós em pequenas percentagens, usualmente da ordem dos 0,5 % a 1,0 % do peso total da mistura dos pós metálicos. Os lubrificantes mais utilizados têm por base: os estearatos de zinco; os estearatos de lítio; os estearatos de cálcio; o ácido esteárico; a parafina; a cera; e o sulfureto de molibdênio (FERREIRA, 2002). COMPACTAÇÃO Está é a primeira das operações de consolidação da metalurgia do pó. Seus objetivos são os seguintes: Conformar o pó na forma projetada; Conferir as dimensões finais, ou aproximadamente finais, especificadas, levando em conta as possíveis alterações dimensionais que possam ocorrer durante a sinterização; Conferir a adequada densidade verde ao compactado; Conferir a resistência mecânica necessária para o manuseio posterior; Proporcionar o necessário contato entre as partículas de pó, para que a operação de sinterização seja efetuada de modo mais eficiente. Os processos mais importantes de compactação são os seguintes: Compressão em matrizes rígidas; Compressão isostática; - compressão isostática a frio, em receptáculo flexível; - compressão isostática a quente. Compactação por laminação de pós, para a conformação de chapas e tiras; Extrusão de pós metálicos. Além desses, há outros processos como forjamento de pós, compactação por explosão, e processos mistos como "forjamento-sinterização", a serem sumariamente descritos mais adiantes(CHIAVERINI, 2001). Figura 2 - Esquema de compactação por compressão dos pós, numa prensa uniaxial (fonte: FERREIRA, 2002) Princípio da compactação Considerando os dois processos mais comuns de compactação – compactação em matriz rígida e compactação isostática em invólucros ou receptáculos flexíveis – pode-se dividir o comportamento dos pós, quando submetidos à compressão, em três estágios: No primeiro estágio, as partículas de pó são re-amontoadas e ou re-arranjadas, de modo a eliminar parcialmente a formação de vazios, formação essa sempre acontece quando se empilha a esmo partícula de pó; O segundo estágio envolve deformação plástica das partículas. A profundidade da deformação plástica do pó e a sua compressibilidade. A deformação é mais profunda em pós de metais dúcteis. Contudo, mesmo com esses pós dúcteis, a compressibilidade ou a densidade verde (obtida no compactado verde) pode variar muito. Outro fator a considerar é a porosidade: pós com porosidade (pós obtidos por redução de óxidos), ao contrário de pós que não se mostram porosos (atomizados e eletrolíticos), possuem característicos de baixa compressibilidade; No terceiro estágio, as partículas de pó que ficaram frágeis devido ao encruamento dos estágios anteriores, quebram e formam fragmentos menores. Os três estágios geralmente se sobrepõem (CHIAVERINI, 2001). Abaixo segue ilustração mostrando as etapas da compactação: Figura 3 - Etapas presentes na compactação (fonte: CHIAVERINI, 2001) Razão de compactação A razão de compactação pode ser definida como a razão entre a densidade do compacto (densidade final dos pós conformados após compactação) dividida pela densidade aparente dos pós soltos antes da operação de compactação para conformação: Razão de compactação = densidade do compactodensidade aparente Esta grandeza determina a profundidade de deslocamento do punção na matriz de compactação, por forma a obter-se a densidade final do pó comprimido requerida, pelo que também pode ser expressa em termos da razão da altura do enchimento da matriz, em pós soltos. Dividido pela altura do compacto verde após conformação por compactação: Razão de compactação = altura de enchimento da matrizaltura do compacto verde Quando a pressão de compactação aumenta, o aumento de densidade do compacto vai sendo retardado pelo encruamento das partículas e pelo atrito. Na figura 9 está representada graficamente uma curva típica do aumento da densidade do compacto com o aumento da pressão de compactação. A densidade do compacto com a pressão de compactação segue uma relação hiperbólica (FERREIRA, 2002). Figura 4 - Curva típica da variação da densidade do compacto com a pressão de compactação (fonte: http://www.ebah.com.br/sinterizacao-ppt-a13217.html) A operação de compactação é crítica no conjunto do processo de metalurgia do pó, pois a geometria final do componente e as suas propriedades mecânicas são determinadas, essencialmente, pela uniformidade da densidade no interior do compacto verde (FERREIRA, 2002). SINTERIZAÇÃO Nas aplicações da tecnologia da metalurgia do pó, a sinterização pode ser definida como um processo de tratamento térmico para a ligação coerente de partículas numa estrutura predominantemente sólida por transporte de massa e difusão, acontecimento que ocorrem freqüentemente a uma escala atômica. O princípio fundamental da metalurgia do pó postula que a sinterização envolve um processo de difusão no estado sólido, o qual permite que as partículas de pós compactadas se aglutinem, sem se atingir o estado de fusão completo. As partículas dos pós desenvolvem ligações metalúrgicas, e a estrutura dos pós densifica-se sob a ação do calor, o que conduz a uma melhor resistência mecânica e a uma baixa energia do sistema (FERREIRA, 2002). Normalmente, a temperatura especificada de sinterização é da ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga considerada. Por exemplo, no caso do ferro, a temperatura de sinterização varia de 1000°C a 1200°C, sendo, para os casos mais comuns, de 1100°C (CHIAVERINI, 2001). Estágios de Sinterização Apesar do processo de sinterização ter sido objeto de extensos trabalhos teóricos e experimentais, não existe uma teoria universalmente aceita que lhe seja aplicável. Contudo, é correntemente aceita que a sinterização consiste genericamente em estágios distintos, não necessariamente seqüenciais: Estágio de ligação inicial das partículas por adesão; Estágio inicial de crescimento do colo e diminuição da área superficial; Estágio intermédio de densificação e de encerramento dos poros e dos canais; Estágio final de densificação e segregação seguida de coalescência dos poros. Os estágios de sinterização correntes, acima descritos, estão esquematizados na figura 10 (FERREIRA, 2002). Figura 5 - Estágios de ligação entre partículas durante o processo de sinterização (fonte: GRUPO SETORIAL, 2009) À medida que a forma dos poros fica arredondada, as partículas discretas ficam menos evidentes, e um estágio intermediário de sinterização ocorre, como mostrado na figura 11 (FERREIRA, 2002). Figura 6 - Modificação das formas das partículas e redução dos poros nos estágios de sinterização (fonte: GRUPO SETORIAL, 2009) Tempo O grau de sinterização aumenta com o aumento do tempo à temperatura. Contudo, o efeito não é tão apreciável, pois, na prática, as principais modificações ocorrem no estágio inicial do processo. A figura 14 ilustra o efeito do tempo sobre a resistência mecânica final, a qual é afetada pelas condições de sinterização. Uma das razões porque o tempo à temperatura não teria uma ação tão efetiva é atribuída à perda de força motora para remover toda a porosidade, com o aumento do tempo a qualquer temperatura (CHIAVERINI, 2001). Fornos de Sinterização São inúmeros os tipos de fornos empregados na metalurgia do pó. Neles, as fontes de aquecimento são de dois tipos: gás e eletricidade. O gás permite temperaturas até a ordem de 1200°C. Contudo, acima de 1080°C, o calor perdido nas chaminés é muito grande, por isso esses fornos não são normalmente usados acima dessa temperatura. Os fornos elétricos são mais versáteis. São aquecidos pelo emprego de elemento de resistência (CHIAVERINI, 2001). Quanto aos fornos, os diversos tipos e modelos podem ser agrupados da seguinte maneira: fornos contínuos, tipos esteira, empurrador, soleira de roletes e de vigas movediças; fornos intermitentes, tipos caixa, sino, tubo e mufla e de alta freqüência (CHIAVERINI, 2001). A figura 12 mostra o ciclo de sinterização típico de um forno contínuo. Figura 7 - Perfil típico de temperatura num forno de sinterização contínuo (fonte: CHIAVERINI, 2001) Atmosferas de Sinterização As atmosferas empregadas na operação de sinterização têm diversos objetivos: Impedir a entrada de ar no forno Facilitar a eliminação de lubrificante ou cera nos compactados Sinterizar Reduzir os óxidos superficiais Controlar o teor de carbono na superfície e no núcleo das peças (carbanetando ou descarbonetando) Transmitir de modo uniforme e eficiente o calor As atmosferas convencionais empregadas na operação de sinterização são as seguintes: gás endotérmico, gás exotérmico, amônia dissociada, hidrogênio e vácuo (ou falta de atmosfera) (CHIAVERINI, 2001). Fase Líquida de Sinterização É comum a presença de uma fase líquida durante a operação de sinterização. Isso acontece: quando a composição da mistura é tal que, durante o aquecimento, um dos componentes funde: é o caso típico da mistura cobre-estanho para formação da liga bronze; quando a fase sólida apresenta uma solubilidade limitada na fase líquida; é o caso típico da composição WC+Co de metal duro em que, a uma certa temperatura, pequena quantidade de WC fica dissolvida no cobalto, o qual funde a essa temperatura; ou quando se pratica a operação de infiltração, a ser estudada mais adiante, em que, por exemplo, se sinteriza uma mistura de ferro-cobre a uma temperatura acima da de fusão do cobre, forçando a penetração deste metal na compactado poroso ferro-cobre (CHIAVERINI, 2001). A sinterização por fase líquida é utilizada para melhorar as propriedades mecânicas do material sinterizado pela redução da sua microporosidade, podendo-se quase atingir a condição livre de poros. A diferença básica entre a sinterização sólida e a sinterização por fase líquida é que nesta última ocorre a formação de uma fase líquida transiente ou permanente, durante o processo de sinterização. Sendo assim, o aglomerado de pós a ser sinterizado é composto de dois ou mais componentes, onde um dos componentes, chamado de aditivo tem menor ponto de fusão que o componente principal da mistura (GRUPO SETORIAL, 2009). Alguns dos metais, ou ligas metálicas, de baixo ponto de fusão, constituintes dos pós, fundem, originando metal fundido durante a sinterização dos pós. Tal fase ajuda marcadamente a operação de sinterização por infiltração metálica, e pode ser observada como um caso especial de sinterização ativada. Os pós de estanho com os de cobre, e os de cobre com os de ferro, são exemplos típicos utilizados neste processo de sinterização (FERREIRA, 2002). Princípios da Fase Líquida de Sinterização Quando o compacto é aquecido à temperatura de sinterização e ocorre a liquefação de um dos componentes, a tendência do líquido é cobrir as partículas do componente sólido, eliminando desta forma a interface sólido-vapor. A eliminação desta interface vai depender da molhabilidade do líquido sobre a superfície sólida. Do ponto de vista microestrutural o processo pode ser classificado na seguinte sequência: Processo de Rearranjo – é o primeiro estágio do processo, subseqüente à formação da fase líquida. Nesta fase, ocorre o rearranjo das partículas sólidas pelo efeito de capilaridade exercida sobre o líquido. Neste estágio, o compactado comporta-se como um sólido viscoso onde a fração de densificação é fortemente influenciada pela quantidade de líquido, tamanho da partícula (partículas menores tem melhor rearranjo) e solubilidade do sólido no líquido. Estima-se que para obter porosidade nula são necessários aproximadamente 35% do volume de fase líquida formada durante o rearranjo. Da mesma forma, o processo de rearranjo pode ser inibido por partículas com forma irregular ou alta densidade a verde. Processo de solução / precipitação – a característica geral deste estágio é o "engrossamento" microestrutural, também chamado de "Ostwald ripening". A solubilidade no líquido de um grão é inversamente proporcional ao seu tamanho. Esta proporcionalidade em solubilidade estabelece um gradiente de concentração no líquido, resultando no transporte de matéria por difusão de grãos pequenos para grãos grandes, conhecido como engrossamento dos grãos. Este processo contribui para a densificação do material. A forma final do grão é determinada não só pelas energias interfaciais sólido-líquido e sólido-sólido, como também pela quantidade do líquido e de qualquer anisotropia na energia superficial do sólido. Processo final – este estágio é controlado pela sinterização sólida. Nesta etapa, ocorre à ligação das partículas sólidas, crescimento do pescoço e formação do contorno do grão, e a fase líquida já foi toda consumida. A densificação é lenta devido à existência do corpo sólido. A rigidez do corpo inibe rearranjos adicionais, no entanto o engrossamento microestrutural continua através do processo de difusão entre os elementos constituintes do material. Se no final deste processo existir poros residuais com gases aprisionados, ocorrerá a dilatação do sinterizado (GRUPO SETORIAL, 2009). Figura 8 - Estágios da fase líquida da sinterização envolvendo a misturas de pós (fonte: www.ebah.com.br\MINI-CURSO DE TP EENG07.pdf) Principais Fatores para Ocorrer a Fase Líquida de Sinterização - Energia de superfície: quando se forma o líquido durante a sinterização, a microestrutura consiste de sólidos, líquido e fases de vapor. Fase líquida da sinterização bem sucedida exige uma redução na energia de superfície como o líquido se espalha por toda superfície das partículas sólidas. Deste modo, a energia de superfície sólido-líquido deve ser menor do que a energia de superfície de sólido vapor. Neste caso, o líquido "molha" o sólido e fornece uma força de ligação entre as partículas para ajudar na densificação. Molhabilidade é auxiliada pela solubilidade do sólido no líquido, a formação de compostos intermediários, e interdifusão. Energias interfaciais podem ser altamente dependentes do grau de pureza de superfície, o comportamento da molhabilidade pode ser drasticamente alterado por contaminantes ou etapas de processamento que limpam a superfície do pó. Limpar as superfícies são especialmente importantes para os sistemas metal-metal (RAJIV et al., 1998). - Solubilidade: solubilidade do sólido no líquido é geralmente exigida para a bem sucedida fase líquida da sinterização, especialmente para sistemas com mais de 65 % de volume sólido. Esta solubilidade permite a solução re-precipitação e permite uma embalagem mais eficiente dos grãos, levando a maior densidade do sinterizado. Por outro lado, a solubilidade do líquido no sólido é geralmente indesejável, pois pode resultar em inchaço, como o líquido difunde nos grãos sólidos (deixando para trás grandes poros que são geralmente difíceis de se eliminar durante a sinterização subseqüente). No entanto, em certos sistemas, como Cu-Sn e Cu-Zn, a fase líquida transiente pode ser controlado para produzir propriedades únicas. O parâmetro de solubilidade está definido como a relação da solubilidade sólida no líquido, e para solubilidade líquida no sólido, provê uma estimativa razoável de se inchando ou encolhendo que acontece durante a fase líquida de sinterização. O diagrama de fase é útil na identificação de parâmetros de solubilidade e outras características contundentes para fase líquida da sinterização. Um diagrama de fase ideal para fase líquida de sinterização é mostrado na figura 15. Em fases de alta-temperatura pode baixar as taxas de difusão, enquanto que as fases intermetálicas frágeis que se formam durante o esfriamento podem degradar as propriedades mecânicas. O diagrama de fases também indica a tendência de elementos de ligas e impurezas para segregar os limites do grão. Quanto maior a separação do sólidus e liquidus, maior será a segregação de soluto para interfaces. A inclinação para baixo liquidus e solidus também indicam uma tendência para segregação de soluto e energias superficial inferior. A temperatura de sinterização acima da temperatura eutético é ideal para uma composição na L + β região (RAJIV et al., 1998). Figura 9 - Diagrama de fases ideal para o sistema fase líquida de sinteriazação (fonte: RAJIV et al., 1998) - Difusividade: Um dos benefícios para a fase líquida da sinterização é a densificação rápida e homogeneização que ocorre devido a altas taxas de difusão de átomos de metais em um líquido. Aditivos que têm baixas temperaturas de fusão são preferidos devido a sua baixa energia de ativação e difusividades alta em temperaturas mais baixas. Para alguns sistemas, durante o aquecimento, significativamente a densificação pode ocorrer devido à sinterização de estado sólido, reforçado pela fase do aditivo. Nesses casos, a difusividade aumenta exponencialmente com a temperatura até que o aditivo derrete. Uma vez que se forma a fase líquida há um salto rápido tanto da solubilidade e difusividade, devido a ligação mais fraca associada a uma fase líquida. Um aumento exponencial da difusividade acompanha as elevações na temperatura. Assim, temperaturas mais elevadas são favoráveis para densificação, mas também aumenta a pressão de vapor do líquido. Evaporação preferencial do líquido pode alterar a composição global do componente sinterizado. Além disso, reposição de vapores nas paredes do forno pode resultar em danos para fornos (RAJIV et al., 1998). Parâmetros que Influenciam o Processo de Fase Líquida de Sinterização Segundo o livro do GRUPO SETORIAL, os parâmetros que influenciam o processo de sinterização por fase líquida são: Tamanho e forma da partícula, influencia na resistência mecânica do componente sinterizado. A taxa de aquecimento e resfriamento, na taxa de aquecimento deve ser controlada a redução de óxidos e remoção de ligantes e lubrificantes e rápidas taxas de resfriamento evitam segregação de impurezas e conseqüente fragilização do sinterizado. A temperatura, deve ser suficiente para formar fase líquida. A atmosfera, se a atmosfera residual for aprisionada durante a fase líquida, pode reduzir a formação de filmes superficiais e alterar a molhabilidade entre os componentes. Outros parâmetros podem ter influência, como: estequiometria do pó, homogeneidade, densidade a verde, etc. Formas de ocorrência da Fase Líquida de Sinterização Fase Líquida de Sinterização Solidus A fase líquida da sinterização solidus (FLSS) envolve o aquecimento de um pó pré-ligado entre as temperaturas solidus e liquidus para formar a fase líquida. A fundamental diferença com a fase líquida comum com fase líquida solidus é a sequências dos eventos que levam a densificação. Comparado com a fase líquida comum, o processo de densificação na FLSS é postulado pela a ocorrência e sequências conforme demonstrada na figura 16. No primeiro estágio, consiste na formação do líquido ao redor do grão. É geralmente observada a formação de líquidos no limites dos grãos, dentro da partícula, e no interior do grão. Estes locais dependem de vários fatores, tais como a microestrutura do pó, liga química, tamanho de partículas, e a taxa de aquecimento. À medida que aumenta o volume do líquido há uma temperatura crítica acima do valor limite da linha de solidus ocorre à existência de líquidos ao longo das fronteiras dos grãos. Acima desta linha, os grãos possuem mobilidade suficiente para reorganizar, conduzindo à fragmentação das partículas e por capilaridade e induzindo ao rearranjo. Assim, a densificação durante a FLSS é análogo ao fluxo viscoso na sinterização, porque o as partículas semisólidos ficam murchos e o fluxo do líquido se espalha ao longo das fronteiras dos grãos. Subsequentemente, continuando a densificação ocorre por solução reprecipitação, os grãos se acomodam, e removendo os poros, como na fase liquida comum (RAJIV et al., 1998). Figura 10 - Sinterização solidus, (a) configuração inicial das partículas, (b) formação preferencial de líquido nos contornos de grãos, (c) densificação das partículas semi-sólidas e (d) estágio final da densificação, (fonte: GERMAN, 1984). Fase Líquida de Sinterização Transiente A fase líquida da sinterização transiente (FLST) é observada em sistemas de pós misturados onde a o aditivo tem uma alta solubilidade no material base. Alguns exemplos de composições que ocorrem a FLST incluem o Cu-Sn, Cu-Al, Ni-Cu, Fe- Mo-C, Fe-P e ligas de Fe-Ti. Como consequência, ocorre o ponto baixo de fusão do aditivo que é substituído por poros após a ocorrência da homogeneização do líquido. A vantagem da FLST é a curta duração do líquido que eliminado resulta em variação dimensional uniforme. No entanto, o líquido depende de vários parâmetros de processamento, A FLST é altamente sensível as condições de processamento, tais como o tamanho da partícula, quantidade de aditivo e temperatura máxima de aquecimento. Além disso, a relação de solubilidade necessária para o líquido ser transiente podem induzir ao inchaço durante a temperatura de aquecimento de sinterização para determinados sistemas. Para aplicações tais como rolamentos de bronze poroso este processo é benéfica, enquanto que para materiais estruturais a porosidade e o inchaço são prejudiciais. Algumas aplicações comerciais para a FLST incluir amálgamas dentárias com base em prata e mercúrio, auto-lubrificantes porosos, rolamentos de bronze e materiais magnéticos moles, tais como Fe-Si e Fe-P (RAJIV et al., 1998). Fase Líquida de Sinterização Ativa A fase líquida de sinterização ativa (FLSA) pode ser utilizada para melhorar o comportamento de sinterização de sistemas com pouca ou nenhuma solubilidade do sólido nos fluídos. Densificação é melhorada pela adição de elementos que segregam nos contornos de grão e diminui a energia de ativação para a difusão em estado sólido. Tais elementos podem ser identificados por características no diagrama de fases. Limitada a solubilidade do aditivo no líquido ajuda a garantir a segregação aos contornos dos grãos, enquanto a formação de fases de baixa temperatura de fusão intermetálicos com o metal de base proporciona a fase de alta difusividade necessários para o estado sólido reforçando a sinterização na presença do líquido. As frações de volume líquido de 35% ou mais, de alta densidade aglomerado pode ser alcançado em sistemas que falta solubilidade mútua, porque para forma de grãos não é necessário alojamento. Assim, ativadores são necessárias apenas para as composições com as frações de baixo volume de líquido. Neste caso, a difusão de volume por uma fase de alta difusividade fornece a forma de grãos necessário para atingir altas densidades sinterizado. SINTERIZAÇÃO DA LIGA Fe-Fe3P A sinterização da liga Fe-Fe3P ocorre pelo processo de fase líquida da sinterização transiente. A utilização do Fe3P na liga metálica tem sido usada freqüentemente no processo de obtenção de sinterização, pois beneficia o processo produtivo com baixa temperatura de sinterização ocasionando a economia de custos e baixa manutenção do forno. Diagrama da figura 17 mostra as fases que se forma com o percentual de fósforo adicionado ao ferro. O fósforo tem sido amplamente utilizado para promover a sinterização em ligas ferrosas, pode baixar da temperatura de sinterização, acelerar os ciclos de sinterização e é um endurecedor de solução potente de sólidos. O fósforo pode ser adicionado ao ferro e aço na forma de fósforo elementar, fosfeto de cobre e fosfeto de ferro. O fósforo aumenta a difusividade auto-ferro na ferrita e forma uma fase líquida a 970 °C, que promove a rápida sinterização. Geralmente, a ductilidade tende a diminuir quando o nível de fósforo é superior a 0,6 %, enquanto a força tende a aumentar até um nível de liga de 1,2 % P, (THORPE et al., 2004). O fósforo é conhecido como um aditivo de sinterização, quando a sinterização é de ferro e aço em pó. As formas de fósforo aparecem no eutético de fusão superior a 1051 °C, aumentando assim a atividade de sinterização. No entanto, a fase líquida está presente apenas no início da sinterização e desaparece e o fósforo torna-se distribuído de forma homogênea. Como se pode ver na Figura 17, o fósforo também estabiliza a fase ferrita, aumentando assim a atividade de sinterização devido à difusão mais rápida na fase de ferrita em comparação com a fase austenita (LARSEN, 2003). O fósforo pode ser misturado ao ferro sinterizado em formas elementares de fósforo vermelho ou branco, ferro fósforo, fosfato, fosfeto de ferro (Fe3P, Fe2P, FeP, FeP2). Dentre os compostos, o ferro com Fe3P (fosfeto de ferro) foi escolhido pois é relativamente suave e, portanto, alta densidade de compactos podem ser obtidas. Muito significativa é a influência dos parâmetros de processamento nas propriedades magnéticas dos materiais FeP, que deve ser considerado juntamente com a influência do teor de fósforo na FeP, sinterizando materiais menos dúcteis (KACZMAR et al. , 1989).  Figura 11 - Diagrama de fase do Fe-P (ferro – fósforo) ( fonte: http://www.territorioscuola.com/wikipedia/el.wikipedia.php?title=%CE%91%CF%81%CF%87%CE%B5%CE%AF%CE%BF:Fe-P-phase-diagram-greek.svg) MATERIAIS E MÉTODOS Neste item são abordados os materiais e métodos de investigação. MATERIAIS Os materiais empregados no trabalho consistirão de pó de ferro e pó de Fe3P. Pó de ferro Nas tabelas 1 e 2 são apresentadas a composição química e distribuição granulométrica do pó de ferro que é atomizado a água e será a liga base da mistura, o pó de ferro é fornecido pela Hoganas S.A, cujo seu código comercial é AHC100.29. Tabela 1 - Composição química do pó da liga de Fe ELEMENTO Fe C % EM PESO 99,9 0,1 Tabela 2 - Granulometria do pó de liga de Fe PENEIRA, MALHA +212 +150 +45 -45 % 0 7 69 24 Pó de fosfeto de ferro A composição química e a distribuição granulométrica do pó de Fe3P atomizado a água que é o aditivo ativador da fase líquida, é apresentada nas tabelas 3 e 4. O aditivo é fornecido também pela Hoganas S.A, cujo seu código comercial é 027402. Tabela 3 - Composição química do pó de Fe3P ELEMENTO P C Si Mn Ti Cr Fe % EM PESO 16,00 1,00 0,50 0,55 1,00 1,00 Balanço Tabela 4 - Granulometria do pó de Fe3P PENEIRA, MALHA +35 +60 +120 +230 -230 % 0 20 20-60 10-50 10-60 Nota-se que a composição Fe3P contém em sua mistura 1 % de carbono que ajudará a influenciar os estudos, principalmente a elevação da dureza. MÉTODOS Os procedimentos para obtenção das amostras consistem de mistura de pós, compactação e sinterização, sendo que estes processos serão realizados no Laboratório de Metalurgia do Pó localizado dentro do campus da Ulbra em Canoas. Os procedimentos para os ensaios mecânicos consistem nas análises da dureza das amostras, análise da microestrutura, verificações das densidades e de medições das amostras para verificar os efeitos das variações de adição de Fe3P. Os ensaios serão realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos, localizado dentro do campus da Ulbra em Canoas. Procedimentos dos ensaios de metalografia serão realizados conforme a norma ABNT NBR 15454. Mistura / Homogeneização A forma de adicionar fósforo como promovedor de fase líquida foi mediante a adição de Fe3P. Ele será adicionado na liga base de ferro em três tipos de variações de porcentagem e sendo que uma mistura sem o Fe3P, conforme a tabela 5. A distribuição da porcentagem de fósforo na liga Fe3P está montada na tabela 5, onde está distribuída conforme a dosagem adicionada na mistura das amostras. Tabela 5 - Distribuição do pó Fe3P e percentual de P na mistura LOTE QTDE % Fe Fe3P P A 10 --- ---   B 10 94 6 1 C 10 87 13 2 D 10 81 19 3 Compactação A peça utilizada para realização dos testes é mostrada na figura 18, que especifica as dimensões da peça e a mesma possui massa de 19 ,5 g. O ferramental para fabricação da peça será cedido pelo laboratório de Metalurgia do Pó da ULBRA. A peça foi escolhida por apresentar uma geometria pouco complexa, o que proporcionará maior facilidade para analisar as propriedades mecânicas. Também é fundamental que a peça seja de um tamanho pequeno, pois será necessário que ela seja transportada pelo forno de sinterização, sobre uma placa de cerâmica, pois há o perigo da amostra fundir durante a sinterização. Figura 12 – Dimensões da peça que servirá como amostra Sinterização A temperatura de sinterização para alcançar a fase líquida para atender as expectativas do estudo conforme o diagrama de equilíbrio binário de fases Fe-P da figura 17 deve estar compreendido acima da temperatura de 1048 °C. A sinterização será realizada em uma câmara de aço inoxidável refratário com atmosfera protetora. A sinterização ocorrerá na temperatura de 1120 C por 30 min com taxa de aquecimento de 5 °C/min, ocorrendo à remoção do lubrificante nos 550 °C. Medição da massa específica Para encontrar os volumes das amostras verdes e sinterizadas será empregado o Método de Arquimedes que consiste em submergir um material em um recipiente com fluído sobre a balança, cuja intensidade é igual à massa do volume do fluído deslocado. Avaliação de propriedades mecânicas Depois de realizada a sinterização, as amostras serão submetidas aos ensaios mecânicos de dureza, para avaliar o comportamento das propriedades mecânicas das amostras. As medidas de dureza serão feitas pela escala Rockwell. Iniciaram no nível A e irão sendo trocadas até se chegar num valor preciso. Depois de medidas as durezas em escala Rockwell, as durezas serão colocadas numa mesma unidade, neste caso, será em Megapascal, para poder-se fazer uma comparação coesa das durezas. Análise de microestrutura Será realizado corte transversal nas amostras com serra manual. E após as amostras serão submetidas ao embutimento para dar o procedimento de lixamento onde serão utilizadas lixas de papel com abrasivo tipo SiC com granulometrias de número 180, 320, 400, 600 e 1200, sempre trabalhando as amostras em 90 ° de uma lixa para outra até desaparecerem os traços da lixa anterior. Após as amostras serão submetidas ao polimento com pano de feltro e com abrasivo de Óxido de Alumínio para deixar a superfície das amostras espelhadas e sem apresentarem nenhum arranhado e após realizar-se limpeza com água corrente e detergente comum e álcool. Para realização do ataque químico utilizar-se-á reagente Nital 3 % durante 10 segundos e proceder-se a análise das microestruturas com auxílio do microscópico óptico. CRONOGRAMA Período TCC I // TCC II 2010/2 2011/2 Ago Set Out Nov Dez Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Descrição do tema e pré-estudo do caso     Elaboração do projeto de pesquisa     Entrega do projeto à banca examinadora     Entrega da proposta à banca examinadora     Revisão Bibliográfica         Entrega do Relatório Final Parte I     Apresentação á banca examinadora Compactação e sinterização das amostras         Análise das propriedades mecânicas             Análise dos Resultados e Elaboração do TCC II                         REFERÊNCIAS ABNT NBR 15454; Metalografia das Ligas de Ferro – Carbono, 2007; CHIAVERINI, Vicente; Metalurgia do pó: técnica e produtos, 4°.ed. São Paulo: 2001; FERREIRA, José M.G. de Carvalho; Tecnologia da Pulverometalurgia, Lisboa: 2002. GERMAN, R.M. (1984); Powder Metallurgy Science, Princeton, New Jersey; http://www.ebah.com.br/metalugia-do-po-pdf-a3827.html http://www.ebah.com.br/metalurgia-do-po-doc-a17090.html http://www.ebah.com.br/metalurgia-do-po-ppt-a53539.html http://www.ebah.com.br/sinterizacao-ppt-a13217.html http://www.ebah.com.br/sinterizacao-metalurgia-do-po-doc-a26933.html http://www.territorioscuola.com/wikipedia/el.wikipedia.php?title=%CE%91%CF%81%CF%87%CE%B5%CE%AF%CE%BF:Fe-P-phase-diagram-greek.svg KACZMAR, J., WEGLINSKI, B., Optimization of Sintering Process Fe-P Magnetic Materials, Advances in Powder Metallurgy, Vol. 2, 1989; LARSEN, R.M.; On Phosphorus as Additive in Iron Based Soft PM Magnets, Powder Metallurgy, 2001; PÓ, Grupo Setorial de Metalurgia do; A Metalurgia do Pó: Alternativa econômica com menor impacto ambiental, Rio de Janeiro: 2009. RAJIV Tandon, PHILLIPS Powder Metal Molding; John Johnson, Howmet Corporation; liquid – Phase sintering, ASM HANDBOOK; Powder Metal Technologies and Applications, Vol.7, 1998; THORPE, A.P.; SERCOMBE, T.B.; SCHAFFER, G.B; Sintering of Maraging Steel with Phosphorous Additions, Powder Metallurgy, 2004.