Domine a Metalurgia do Pó: Guia Completo para Engenheiros

A metalurgia do pó é um dos cursos importantes que engenheiros mecânicos devem conhecer. Produtos feitos deste material são comuns ao nosso redor, especialmente peças automotivas. A metalurgia do pó compreende uma família de tecnologias de produção, usadas para fabricar componentes de vários tipos. Além disso, a metalurgia do pó, abreviada como MP, é um termo que cobre uma ampla gama de maneiras pelas quais materiais ou componentes são feitos a partir de pós metálicos.

Hoje você conhecerá a definição, importância, tipos, processo, aplicação, bem como vantagens e desvantagens da metalurgia do pó em nossa vida moderna.

O Que é Metalurgia do Pó?

A metalurgia do pó é um processo de manufatura usado para produzir objetos acabados ou semi-acabados. Isso é feito comprimindo o pó metálico em matrizes adequadas. Este processo metalúrgico é um dos mais baratos que oferece alta qualidade e resistência. Também é usado para obter formas complexas com alto grau de precisão. Por causa disso, o processo é adequado para produção em massa. A metalurgia do pó envolve principalmente quatro etapas básicas que incluem preparação do pó, mistura e blendagem, compactação e sinterização. Todas estas serão explicadas mais adiante neste artigo.

A metalurgia do pó é um processo que existe há mais de 100 anos, nos últimos 25 anos. Tem sido um método superior de produzir peças de alta qualidade para diferentes aplicações importantes. O processo foi bem-sucedido porque oferece maiores benefícios sobre outros processos de conformação de metal como forjamento e fundição de metal, etc. Estes benefícios incluem ainda utilização de material, complexidade de forma, controle dimensional near-net-shape, entre outros. Por causa disso, a metalurgia do pó foi reconhecida como tecnologia verde.

Além disso, a metalurgia do pó é usada para fazer componentes únicos que são impossíveis de obter por fusão ou conformação. Um produto similar muito importante é carboneto de tungstênio (WC). É usado para cortar e formar outros metais e é feito de partículas de WC ligadas com cobalto. Este processo é usado principalmente na indústria para ferramentas de vários tipos e globalmente ~50.000 toneladas/ano é feito por MP.

Aplicações da Metalurgia do Pó

Abaixo estão as aplicações de componentes de metalurgia do pó em vários campos.

Aplicações Automotivas

Cerca de 80% das peças de metalurgia do pó são para aplicações automotivas. Cerca de 75% destes componentes são para transmissões, tanto automáticas quanto manuais, e peças de motor. Estas aplicações de transmissão incluem peças do sistema sincronizador, cubos de embreagem, componentes de mudança de marcha, porta-engrenagens planetários, cubos de turbina, embreagem e placas de bolso. As peças de motor feitas com metalurgia do pó incluem polias, engrenagens e cubos, particularmente os associados ao sistema de correia dentada do motor, guias de válvula, assentos de válvula, lóbulos MP para árvores de cames montadas, engrenagens de balanceiro, tampas de mancais de árvore de cames, e anéis de sensor de gerenciamento do motor.

Alguns outros sistemas automotivos usam metalurgia do pó em algumas de suas peças que incluem:

• Bombas de óleo, especialmente engrenagens.
• Amortecedores como guias de haste de pistão, válvulas de pistão, válvulas de extremidade.
• Sistemas de freio ABS, seus anéis de sensor.
• Flanges, bosses de sensor de oxigênio de sistemas de escape.
• Sistemas de temporização variável de válvulas.
• Turboalimentadores
• Sistemas de recirculação de gases de escape (EGR)
• Componentes de chassi
• Transmissões continuamente variáveis.

Outras aplicações da metalurgia do pó incluem:

• Aplicações aeroespaciais
• Indústria de petróleo e gás.
• Setor de saúde, etc.

Em uma visão rápida, aplicações da metalurgia do pó são:

• Ferramentas de corte como ferramentas de metal duro, ferramentas cerâmicas, etc. são produtos de metalurgia do pó.
• Buchas elétricas feitas pela mistura de Cu e Ag com grafite são produto MP.
• Bicos para foguetes e mísseis.
• Pequenas peças em aplicações automotivas e de eletrodomésticos onde a capacidade de produzir forma quase final requerendo usinagem mínima, fornece forte vantagem econômica.
• Mancais, Buchas, etc.
• Metais magnéticos moles como Fe, Fe-3Si, etc. são facilmente formados em forma final por MP.

Processo de Metalurgia do Pó

Como dito anteriormente, a metalurgia do pó tem quatro processos básicos que incluem:

Preparação do Pó:

Antes que um objeto possa ser produzido, o material deve ser convertido em pó. Os vários processos de produção de tal pó incluem atomização, moagem, reação química, processo de eletrólise, etc.

Mistura e Blendagem:

Este processo metalúrgico envolve misturar dois ou mais pós de material para produzir material de liga de alta resistência. Bem, dependendo da exigência do produto. Esta etapa assegura distribuição uniforme do pó com aditivos, ligantes, etc. Para melhorar a característica de fluxo do pó, lubrificantes são às vezes adicionados no processo de blendagem.

Compactação:

Este processo comprime a mistura de pó preparada em matrizes pré-definidas. A compactação assegura que vazios são reduzidos e aumenta a densidade do produto. O pó é compactado em um molde usando pressão para formar um produto chamado compacto verde. Isso significa que o produto é formado por compactação. A pressão usada varia de 80 a 1600 MPa. Embora a pressão dependa das propriedades do pó metálico e ligantes. Ou seja, para pó mole a pressão de compactação é cerca de 100 – 350 MPa, e para aço, ferro, etc. A pressão é entre 400 – 700 MPa.

Sinterização:

Como o compacto verde produzido pela compressão não é tão forte e não pode ser usado como produto final, a sinterização é realizada. Sinterização significa aquecer o compacto verde a uma temperatura elevada para que uma ligação forte permanente possa ser obtida. O processo de metalurgia do pó fornece resistência ao compacto verde e o converte em produto final. Geralmente, a temperatura de sinterização é cerca de 70 a 90 por cento da temperatura de fusão do pó metálico.

Operação Secundária:

Como o objeto sinterizado é mais poroso comparado a material totalmente denso. A densidade do produto depende da capacidade da prensa, temperatura de sinterização, pressão de compressão, etc. Às vezes, produtos não precisam de alta densidade, tornando os produtos sinterizados a serem usados diretamente como produtos finais. Embora, um produto altamente denso seja às vezes requerido (ex: produção de mancais). A operação secundária é requerida para tornar o produto alta densidade e alta precisão dimensional. Operações secundárias comumente realizadas incluem calibração, cunhagem, infiltração, forjamento a quente, impregnação, etc.

Assista ao vídeo abaixo para aprender sobre o processo de metalurgia do pó:

Tipos de Processo de Metalurgia do Pó

Processos de metalurgia do pó podem ser realizados de várias maneiras, dependendo dos produtos a serem produzidos. Abaixo estão os vários tipos de processos de metalurgia do pó encontrados na indústria de pós metálicos.

Processo Convencional de Metalurgia do Pó:

Com o diagrama abaixo, os tipos convencionais de processos de metalurgia do pó são explicados. Envolve misturar pós elementares ou de liga, compactar a mistura em uma matriz, e então sinterizar ou aquecer. Como explicado acima, as formas resultantes em uma atmosfera de forno controlada metalurgicamente ligam as partículas.

Como mencionado anteriormente, a maioria das peças de metalurgia do pó pesa menos de 5 lb (2,27 kg), embora algumas peças que pesam 35 lb (15,89 kg) possam ser fabricadas em equipamentos MP convencionais. Peças como buchas e mancais têm formas simples. Bem, existe um processo MP sofisticado hoje que pode produzir componentes com contornos complexos e múltiplos níveis. Estas máquinas são bastante econômicas.

Injeção de Metal (MIM)

A injeção de metal tem a capacidade de manufatura de produzir formas complexas em grandes quantidades. Pós metálicos finos tipicamente menores que 20 mícrons são usados neste processo. Estes pós metálicos são custom-formulados com um ligante (diferentes termoplásticos, ceras e outros materiais) em uma matéria-prima (feedstock). O feedstock é alimentado em uma cavidade (múltiplas cavidades) de uma máquina de injeção convencional. Quando o componente "verde" é removido, quase todo o ligante é extraído por processamento térmico ou por solvente. O resto do ligante é removido durante o processo de sinterização, que é realizado em forno de atmosfera controlada.

Estes tipos de processos de metalurgia do pó são muito similares a injeção de plástico e fundição sob pressão de alta pressão. Eles também podem produzir muitas das mesmas formas e características de configuração. No entanto, são limitados a peças relativamente pequenas (tipicamente menos de 250 gramas), altamente complexas que de outra forma requereriam usinagem de acabamento extensiva. Os benefícios deste processo metalúrgico são devidos à sua capacidade de produzir propriedades mecânicas próximas a materiais forjados. É uma tecnologia de processo net-shape com bom controle de tolerância dimensional. Finalmente, peças de injeção de metal oferecem capacidade de forma e característica geométrica quase ilimitada. Também tem capacidade de altas taxas de produção através do uso de ferramentas multi-cavidade.

Prensagem Isostática

Prensagem isostática é um tipo popular de processo de conformação de metalurgia do pó. Aplica pressão igual em todas as direções em um compacto de pó. Por causa disso, alcança-se máxima uniformidade de densidade e microestrutura sem as limitações geométricas da prensagem uniaxial.

Prensagem isostática pode ser realizada a frio ou a quente. O diagrama abaixo descreve a prensagem isostática a frio. A prensagem isostática a frio (CIP) é usada para compactar peças verdes em temperaturas ambientes. No entanto, a prensagem isostática a quente (HIP) consolida totalmente peças em temperaturas elevadas através de difusão em estado sólido. Este processo de prensagem a quente também pode ser usado para remover porosidade residual de uma peça sinterizada MP.

Manufatura Aditiva de Metal

Manufatura aditiva de metal, abreviada como AM e também chamada de impressão 3D. Este processo tem o potencial de mudar profundamente a produção, time-to-market e simplicidade de componentes e montagens. O processo não funciona como processos de manufatura convencionais ou subtrativos (ex: usinagem de torno ou furação). Estes processos criam peças removendo material, o que não ocorre na manufatura aditiva. A manufatura aditiva constrói peças usando um processo camada-por-camada diretamente de um modelo digital.

Neste processo, moldes ou matrizes não são usados, por isso não há desperdício de muito material que levaria a despesa ao processo de manufatura. A manufatura aditiva tem sido usada como ferramenta de design e prototipagem por longo período. No entanto, seu foco agora está mudando para produção direta de componentes que incluem peças de motor de aeronave, implantes médicos e joias.

Este processo de manufatura não é um único tipo de tecnologia ou processo. No entanto, enquanto todos os sistemas de manufatura aditiva empregam uma abordagem comum camada-por-camada, ainda usam uma ampla variedade de materiais, tecnologias e processos.

Tecnologias de Manufatura Aditiva que usam pós metálicos incluem:

• Sinterização a laser (LM/SLS/SLFS)
• Ligação seletiva por jato de tinta (SIB)
• Fusão por feixe de elétrons (EBM)
• Formação a laser de pó (LPF)
• Processo de leito de pó
• Modelagem por deposição fundida (FDM)/Extrusão

Vantagens e Desvantagens do Processo de Metalurgia do Pó

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios do processo de metalurgia do pó:

• Custo-efetividade para produção em massa já que não há custo adicional de usinagem, mão de obra, etc.
• Operador altamente qualificado não é requerido.
• Algumas ligas só podem ser produzidas por tecnologia MP.
• Produtos bimetálicos e laminados são facilmente produzidos com este método.
• Alta taxa de produção. Até 500 a 1000 peças podem ser produzidas em uma hora.
• Formas complexas podem ser facilmente produzidas.

Desvantagens:

Apesar das grandes vantagens do processo de metalurgia do pó, algumas limitações ainda ocorrem. Abaixo estão as desvantagens do processo de metalurgia do pó:

• O custo do equipamento é alto.
• É caro para produção unitária.
• Designs intrincados podem ser difíceis de produzir devido à menor fluidez do pó metálico.
• Produtos uniformemente densos não podem ser produzidos.
• Tamanhos de produto são restritos devido à capacidade de prensagem.
• O pó metálico que pode produzir explosão não pode ser usado.
• É difícil fundir metais de baixo ponto de fusão pelo processo MP.
• Produtos finais podem experimentar baixa propriedade de impacto e fadiga.

Conclusão

A metalurgia do pó é um processo que tornou a produção de peças em massa mais fácil. Está disponível há um tempo mas ainda avança conforme a tecnologia aumenta. Hoje aprendemos a definição, tipos, processo, aplicações da metalurgia do pó. Também examinamos suas vantagens e desvantagens.

Espero que tenha obtido muito deste post, se sim, compartilhe com outros estudantes técnicos. Obrigado por ler! Até a próxima.