ESTUDO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO COMPÓSITO … das propriedades físicas do... · tendo tamanho...

5th International Powder Metallurgy Conference – Brazil/RS

5ª Conferência Internacional de Metalurgia do Pó e 10º Encontro de Metalurgia do Pó

Data/Date: 08, 09 e 10 de outubro de 2014

Porto Alegre– RS – Brasil

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ISSN 2179-619X

ESTUDO DAS PROPRIEDADES FÍSICAS DO COMPÓSITO

“COBRE-CINZA LEVE” OBTIDO POR METALURGIA DO PÓ

Diego Pacheco Wermuth1

Magnos Marinho da Silva2

Vinícius Martins3

Sandro Luís Arenhardt4

André Carvalho Tavares5

Lirio Schaeffer6

1Diego Pacheco Wermuth, Tecng° Pesquisador e Mestrando do Departamento de Metalurgia do Laboratório de

Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul UFRGS. Av. Bento

Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. [email protected]

2Magnos Marinho da Silva, Mestrando em Engenharia de Minas, Materiais e Siderurgia do Departamento de

Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL.

[email protected]

3Vinícius Martins, Prof. Msc. Ensino Superior de Engenharia Mecânica. Instituto Federal de Educação, Ciência

e Tecnologia Sul-riograndense – Campus Sapucaia do Sul. Avenida Copacabana, nº100, Bairro Piratini,

Sapucaia do Sul, RS-BRASIL. [email protected]

4Sandro Luís Arenhardt, Mestrando em Engenharia de Minas, Materiais e Siderurgia do Departamento de

Metalurgia do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM) da Universidade Federal do Rio Grande do

Sul, UFRGS. Av. Bento Gonçalves, 9500, Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL.

[email protected]

5André Carvalho Tavares, Prof. Msc. Ensino Superior de Engenharia Mecânica. Instituto Federal de Educação,

Ciência e Tecnologia Sul-riograndense – Campus Sapucaia do Sul. Avenida Copacabana, nº100, Bairro

Piratini, Sapucaia do Sul, RS-BRASIL. [email protected]

6Lirio Schaeffer, Prof. Titular na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS - Departamento de

Metalurgia e Coordenador do Laboratório de Transformação Mecânica (LdTM). Av. Bento Gonçalves, 9500,

Bairro Agronomia, Porto Alegre, RS-BRASIL. [email protected]

Resumo

O cenário industrial brasileiro demonstra que a Metalurgia do Pó é um processo de

conformação mecânica que está com um grande crescimento, por possuir um vasto campo de

aplicação que inclui, por exemplo, a fabricação de componentes automotivos,

eletrodomésticos, ferramentas de corte e ferramentas elétricas. A sinterização é a fase mais

importante do processo, no qual o pó já compactado é submetido a uma temperatura abaixo

do seu ponto de fusão, obtendo como resultado um material com excelente acabamento,

precisão dimensional e propriedades mecânicas. O trabalho proposto analisa o comportamento

do cobre com a adição de cinza mineral leve através do processo de metalurgia do pó, com o

objetivo de verificar as propriedades fisico-mecânicas do compósito, através dos ensaios de

contração volumétrica, densidade, microdureza HV e análise metalográfica. O intuito do

trabalho é verificar a possibilidade da utilização de residuos termoelétricos para a fabricação





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de peças de cobre, reduzindo custos com matéria prima e melhorando as propriedades

mecânicas de peças fabricadas, anteriormente, por cobre puro.

Palavras chave: Metalurgia do Pó, cinza mineral, cobre, sinterização.

Abstract

The Brazilian industry scenario demonstrates that the Powder Metallurgy is a metal forming

process that is with a growth, by having a broad scope that includes, for example, the

manufacture of automotive components, appliances, cutting tools and electric tools. Sintering

is the most important step of the process in which the previously compacted powder is

subjected to a temperature below its melting point, obtaining a material with an excellent

finish, dimensional accuracy and mechanical properties. The proposed work analyzes the

behavior of copper with the addition of mineral fly-ash through the powder metallurgy

process, with the aim of verifying the physical-mechanical properties of the composite by the

volumetric shrinkage tests, density, microhardness HV and metallographic analysis . The aim

is to verify the possibility of using the thermoelectric waste for manufacturing copper pieces,

reducing raw material costs and improving the mechanical properties of parts manufactured

previously for pure copper.

Keywords: Powder metallurgy, mineral ash, cupper, sintering.

1 INTRODUÇÃO

A metalurgia do pó é potencialmente utilizada, ou uma alternativa muito atraente, na

necessidade de produzir grandes lotes de peças e com complexidade de forma. Este é um

processo moderno, mas os avanços científicos e tecnológicos não param [1].

Alguns exemplos de produtos que são mais eficientes e economicamente fabricados

pela metalurgia do pó são peças de grande precisão dimensional e de forma relativamente

complexa, de ferro e aço, cobre e suas ligas, alumínio e suas ligas e outros metais e ligas. São

muito utilizadas, em grande escala, nos mais variados setores de máquinas, veículos e

equipamento [2].

O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o estudo comportamental do Compósito

de cobre (Cu) na metalurgia do pó com adição de cinza mineral leve (Cz) nas propriedades

mecânicas e metalúrgicas do material.

Trabalhos realizados anteriormente pelo Laboratório de Transformação Mecânica da

UFRGS nos mostram que compósitos metal-cerâmico (Cermets) conferem uma adição

as propriedades mecânicas da cerâmica pura [3,4,5]. Da mesma forma quando compara-se

materiais cerâmicos monofásicos com cermets constata-se que estes compósitos

proporcionam características físicas elevadas, principalmente resistência a fratura e

tenacidade [6]. As cinzas provenientes da combustão do carvão mineral apresentam as

características anteriormente citadas, tornando um dos motivos que este material vem sendo

estudado e pesquisado por ser possível gerar materiais de alto desempenho aplicáveis a

engenharia e provenientes de matéria prima de baixo custo. O uso destes óxidos representa

ainda um benefício ao meio ambiente pela redução de resíduos que serão liberados no meio

ambiente.





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As cinzas em seu estado natural tem forma morfológica predominantemente esférica,

tendo tamanho granulométrico entre 10 e 150 µm com uma densidade aparente baixa (de 0,5 a

2 g/cm3)[7]. A composição química apresenta basicamente SiO2 e Al2O3, apresentando

também certa quantidade de carbono[4,7,8]. Com base nessas propriedades, pode-se estudar a

possibilidade de utilização dessas cinzas para a preparação de produtos sinterizados.

A partir da produção de amostras sinterizadas e compostas por diferentes percentuais

de Cinza leve (Cz) no compósito com Cobre (Cu), produzidas através do processo da

tecnologia do pó, será avaliado as propriedades mecânicas, metalúrgicas e principalmente a

dureza e as diferentes microestruturas apresentadas. Neste trabalho também serão analisadas

as densidades, massa específica e o comportamento dimensional dos corpos de prova.

2 MATERIAL E MÉTODOS

Vários estudos são realizados visando melhorar as propriedades mecânicas, elétricas e

térmicas do cobre. Mesmo tendo resistência mecânica relativamente baixa, se comparado a

outros metais, suas ligas são amplamente utilizadas em aplicações tecnológicas que vão desde

componentes elétricos em reles convencionais, em absorvedores de elétrons e fótons, em

aceleradores síncrotrons e em aplicações estruturais.

Neste artigo será formulado um compósito de Cobre-cinzas por Metalurgia do Pó

convencional, este processo metalúrgico consiste em conformar os pós constituintes da liga

em peças resistentes, comprimindo estes pós no interior de uma ferramenta com formato

desejado obtendo um "compactado à verde" por pressão mecânica que, posteriormente, será

sinterizado. Peças fabricadas por metalurgia do pó possuem certa porosidade, que pode ser

controlada através de fatores como pressão de compactação, temperatura e tempo de

sinterização, tamanho e forma das partículas do pó, etc. A peça pronta apresenta bom

acabamento superficial e adequada tolerâncias dimensionais [9]. A metalurgia do pó tem a

finalidade de transformar sem fusão efetiva, pós metálicos ou não metálicos usando pressão

para compactação e calor, através de um tratamento térmico de sinterização, que se realiza a

temperatura inferior ao ponto de fusão do material base do componente ou peça, permitindo

obtê-los na sua forma final ou próximo dela (‘near-net or net-shape’) [10].

As etapas fundamentais que compõem o processo de metalurgia do pó estão descritas

abaixo:

Obtenção dos pós: Há vários processos de fabricação de pó como, por exemplo,

atomização à água e gás, moagem, ‘mechanical alloying’, eletrólise e métodos químicos,

incluindo a redução de óxidos, entre outros [10,11].

Misturas dos pós: As misturas de variados pós para produzir a liga desejada e

promover a homogeneização da matéria prima são realizadas em misturadores próprios para a

metalurgia do pó ou ainda em moinho de esferas, também é adicionado um agente lubrificante

que tem a função de diminuir o atrito das partículas de pó entre si e o atrito destas com o

ferramental de compactação, facilitando a desmoldagem das peças [12].

Compactação: É a conformação dos pós pela aplicação de uma pressão uniaxial ou

biaxial em ferramentas apropriadas e com a geometria aproximada do produto final,

geralmente, em temperatura ambiente. Em muitas aplicações onde as propriedades mecânicas

são um diferencial, necessita-se um aumento da densidade destas peças através de uma maior

pressão de compactação [12].





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Sinterização: É um tratamento térmico que visa conferir o formato final desejado

atingindo propriedades químicas e mecânicas através da ligação atômica entre as partículas

vizinhas. Este processo ocorre a uma temperatura abaixo da temperatura de fusão do metal

base ou da liga metálica considerada, sob condições controladas de temperatura, tempo e

atmosfera [13].

Operações complementares: Pode ser agregada uma série de outras operações

adicionais de fabricação e/ou acabamento que melhoram as propriedades e precisão

dimensional do produto sinterizado ou ainda impõem características particulares para

aplicações específicas. A recompressão, resinterização, forjamento, calibragem, infiltração

metálica, tratamento térmico, usinagem, tamboreamento e a impregnação em óleo em mancais

autolubrificantes são outras etapas que podem ser agregadas no processo produtivo [14].

O processo de Metalurgia do Pó pode ser visto de maneira esquemática e simples

através da Figura 1, demonstrada a seguir.

Figura 1. Etapas simplificadas do processo de metalurgia do pó [15].

Seguindo as etapas da metalurgia do pó, iniciou-se o trabalho com a mistura dos pós

de cobre com cinzas leves em diferentes percentuais, onde se utilizou um homogeneizador de

pós, ilustrado pela figura 2.

Figura 2. Homogeneizador de pós-metálicos





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Com a misturada pronta, coletou-se a medida de densidade aparente. Este

procedimento consiste em medir a densidade do material sem que haja alguma pressão

aplicada, para isto o material é escoado dentro de um recipiente com volume conhecido, após

o preenchimento completo do recipiente é feito a medição da massa do material que foi nele

depositado. A densidade aparente é obtida, então, pela razão de massa (em gramas) por

volume (em cm³).

O valor obtido da densidade aparente é o primeiro ponto da curva de

compressibilidade deste material. A curva de compressibilidade é descrita em forma de

gráfico, sendo que cada ponto utilizado para sua construção é a medida da densidade de

corpos de prova, obtidos de uma matriz de compactação por diferentes pressões. As pressões

utilizadas na obtenção destes corpos de prova iniciam em 100MPa na primeira amostra e

acrescido mais 100MPa para cada amostra seguinte até a pressão de 1000MPa, totalizando 10

amostras.

Para a compactação das amostras foi utilizado uma matriz cilíndrica de aço temperado,

com diâmetro interno (Ø) de 13 mm e 63 mm de altura (h) da cavidade, com o punção inferior

de 15 mm de altura e o punção superior de 65 mm de altura.

Ao final da compactação das amostras verde foram encaminhadas para a sinterização

em forno de atmosfera controlada.

Os corpos de prova sinterizados foram submetidos a ensaios mecânicos que

consistiram 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

cinza mineral. Os ensaios foram realizados no Laboratório de LdTM (Laboratório de

Transformação Mecânica), localizado dentro do campus do Vale da UFRGS (Universidade

Federal do Rio Grande do Sul). Os procedimentos dos ensaios de metalografia foram

realizados conforme a norma ABNT NBR 15454.O pó de cinza foi inserido em cinco

diferentes teores no cobre com o objetivo de alcançarmos resultados que satisfaça a utilização

do compósito (Cu-Cz) em escala industrial. Para efeito do teste foram inseridos teores de 5%,

10%, 15% e 20% de pó de cinza no cobre.

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Após a mistura dos pós de cobre com diferentes percentuais de cinzas, o primeiro

resultado obtido foi o da densidade aparente, que é a densidade medida do material que

preenche um recipiente de volume conhecido, através de sua escoabilidade. A densidade é

descrita pela fórmula relatada a seguir:

Densidade (ρ) = massa (g)

Volume (cm³)

Onde:

ρ = densidade

g = gramas

cm³ = centímetros cúbicos





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A densidade aparente obtida para cada material ensaiado está descrita no Quadro 1 a

seguir:

Liga Cobre e Cinza leve Densidade Aparente (g/cm³)

Cu-5%Cinza 1,71

Cu-10%Cinza 1,55

Cu-15%Cinza 1,39

Cu-20%Cinza 1,28

Quadro 1. Densidade aparente dos materiais ensaiados.

3.1 - Compósito de Cobre com 5% de Cinza leve

A Figura 03 demonstra que pressões entre 400MPa e 500MPa aplicadas para a

compactação de amostras conferem um melhor resultado na densificação destas amostras após

a sinterização, sendo assim, as melhores pressões para compactação. Utilizando-se pressões

de 100MPa à 400MPa percebe-se aumento de densidade dos corpos de prova. Acima de

400MPa a densidade começa a se estabilizar, devido ao aumento da pressão de

compressibilidade, até 500MPa. A partir de uma pressão de 500MPa não tem-se melhores

resultados de densidade, ou seja, esforço desnecessário utilizado pela máquina, já que não há

mudança específica no resultado da compressibilidade. A Figura 01 ainda nos mostra que para

o compósito de cobre com 5% de cinza leve a uma pressão de 500MP a densidade do

sinterizado apresentou o melhor resultado de densificação.

Figura 03. Gráfico com os resultados do Cobre com 5% cinza leve


A Figura 04 demonstra que pressões acima de 400MPa apresentam melhores resultados

para compactação. Utilizando-se pressões de 100MPa à 300MPa percebe-se aumento

significativo de densidade dos corpos de prova. A melhor densificação apresentou-se na

amostra compactada a pressão de 100MPa, porém as densidades dos sinterizados aumentam

até a pressão de compressibilidade de 600MPa, mas com densificações bem menores

relacionadas às peças verdes.





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A Figura 05 demonstra que pressões superiores a 600Mpa obtem-se os melhores

resultados de densidade para compactação. A partir de uma pressão de 600MPa não se tem

melhores resultados de densidade, ou seja, esforço desnecessário utilizado pela máquina, já

que não há mudança específica no resultado da compressibilidade. Observa-se também que

após a sinterização, o melhor resultado de densificação apresentou-se na amostra compactada

a pressão de 100MPa, porém as densidades dos sinterizados aumentam até a pressão de

compressibilidade de 1000MPa, mas, a partir da pressão de 600MPa com densificações bem

menores relacionadas às peças verdes.



A Figura 06 demonstra que pressões entre 300MPa e 500MPa apresentam um melhor

resultado de densificação, sendo assim pode-se afirmar que acima de 300MPa a densidade

começa a se estabilizar. A partir de uma pressão de 600MPa os corpos de prova sofreram

danos devido a excesso de pressão na compactação, com isso as amostras compactadas com

600MPa e 700MPa apresentaram trincas, o que impossibilitou que estas fossem levadas até o

forno de sinterização, pois ao serem manuseadas acabaram sofrendo fratura.





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Observa-se que o corpo de prova sinterizado a uma pressão de 300MPa apresentou

melhor resultado de densidade e também boa densificação.


3.5 - Microestrutura

A análise metalográfica das amostras demonstram que não há interação entre o Cobre

e a Cinza leve. Observa-se também grande quantidade de porosidade nas amostras conforme

ilustra a Figura 07.

Figura 07. Análise metalográfica (sem ataque químico)

As amostras foram submetidas a ataque químico com HNO3 50% H2O, o que

confirmou a não inclusão da cinza ao cobre. Apesar da fragilidade gerada nas regiões com

cinzas, pelo ataque químico, observou-se que a estrutura micrográfica do cobre permaneceu

inalterada, ou seja, sem interação química com nenhum elemento, conforme ilustrado na

Figura 08.

Matriz de cobre

Cinza leve

Porosidade





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Figura 08. Análise metalográfica (com ataque químico)

3.6 - Microdureza Vickers

As medições de microdureza foram realizadas no Microdurômetro ISH-TDV1 000,

demonstrado na figura 09.

Figura 09. Microdurômetro ISH-TDV1 000

Foi utilizada a escala de medição Vickers (HV-25) e realizado 5 medições em cada

amostra dos conjuntos de compósitos (5%, 10%, 15%, 20% de Cinza leve). Efetuou-se uma

média aritmética de cada conjunto e os resultados das microdurezas estão descritos na Tabela

01.





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Tabela 01. Dados obtidos das medições de microdureza (HV-25) das amostras sinterizadas

Compósito Amostra

I II III IV V VI VII VIII IX X

Cu5%Cinzas 64,1 52,7 74,8 58,2 74,1 89,3 77,1 72,9 73,4 77,6

Cu10%Cinzas 70,0 66,8 71,2 75,3 69,6 84,9 81,1 - - -

Cu15%Cinzas 38,0 50,1 58,9 79,3 65,8 65,7 63,8 58,7 69,9 60,4

Cu20%Cinzas 62,6 49,0 66,6 46,8 32,1 39,8 37,2 - - -

Analisando metalurgicamente a Tabela 01, verificou-se que o melhor resultado das

propriedades mecânicas do sinterizado ocorreram na amostra VI da composição Cu-5% Cz

com uma pressão de 600MPa em sua compressibilidade, pois sua microdureza foi mais

elevada comparada com os outros corpos de prova.

4 CONCLUSÃO

Após a análise dos resultados apresentados por este estudo pode-se concluir que a

obtenção de compósitos de Cobre-Cinza (Cu-Cz) obtidos pela tecnologia do pó não atingiram

os resultados esperados.

Através dos métodos propostos a Cinza leve acrescida ao Cobre não melhora as

propriedades mecânicas (dureza) comparando ao Cobre puro (composição de 99,9% Cu), pois

os estudos mostraram que devido à falta de afinidade química dos materiais não ocorrem

difusões entre os mesmos.

Pressões de compactação a partir de 400MPa apresentam melhor resultado de

densificação após a sinterização, sendo assim pode-se afirmar que ocorre a estabilidade da

densidade a verde.

Com pressão superior de 600MPa na compactação, na composição de 20% de Cinza

leve com Cobre, os corpos de prova sofreram danos devido a excesso de pressão através do

fator de empacotamento das partículas do pó, com isso as amostras compactadas com

600MPa e 700MPa apresentaram microtrincas, e após a sinterização fraturaram.

A metalográfica analisada demonstrou que não há interação entre o Cobre e a Cinza.

Durante a sinterização ocorre à liberação de oxigênio da sílica contido na Cinza, o que

proporciona muita porosidade nos corpos de prova sinterizados.

Após ataque químico com HNO3 50% H2O nas amostras, pode-se confirmar que não

há inclusão da Cinza ao Cobre. Apesar da fragilidade gerada nas regiões com Cinzas, pelo

ataque químico, conclui-se que a estrutura micrográfica do cobre permanece inalterada, ou

seja, sem interação química com nenhum elemento, pois o ataque revelou dentritos na

microestrutura, o que é confirmado através de literatura especializada que o cobre continua

com suas características micrográficas.

O ensaio de Microdureza demonstra que os melhores resultados para esta propriedade

mecânica apresenta-se na composição de Cobre com 5% de Cinza compactado a 600MPa e

sinterizado a temperatura de 900°C, atingindo a dureza de 89,34 HV-25.





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Agradecimentos

À Universidade Federal do Rio Grande do Sul, principalmente ao Laboratório de

Transformação Mecânica (LdTM) pela disponibilização dos recursos materiais e tecnológicos

utilizados na elaboração deste trabalho. Aos órgãos CAPES e CNPq pelo apoio a projetos e

investimento na área da pesquisa.

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http://www.mechanicalengineeringblog.com/20-powder-metallurgy-introduction-process-

methods. Acesso em 10/08/2014.

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