Metalurgia do Pó
METALURGIA PÓ

A obtenção de produtos a partir de pós cerâmicos ou metálicos foi uma das primeiras tecnologias dominadas pelo homem. Segundo a Metal Powder Industries Federation, a história da metalurgia do pó vem de longa data. Por volta de 3000 anos AC essa técnica já era empregada pelos egípcios na fabricação de ferramentas de aço. Conta-se, também, que os hindus faziam jóias e artefatos com pó de metais preciosos. Peças metálicas, como pinos, produzidos a partir de pós metálicos reduzidos e depois forjados, que eram usadas para unir os blocos de mármore no Parthenon de Atenas, e em 3000 a.C. para construir o pilar de Déli na Índia, onde se tem uma peça de 6,5 toneladas de ferro esponja.

Porém essa seqüência de desenvolvimentos foi interrompida parcialmente pelo desenvolvimento dos fornos que forneciam calor suficiente para fundir o metal, dominando a tecnologia de obtenção de peças metálicas.

Por volta de 1900 surgiu como primeiro produto da era moderna, feito por metalurgia do pó, o filamento de tungstênio para bulbos de lâmpadas elétricas. Logo depois no final dos anos 20 outro importante desenvolvimento surgiu, o mancal auto-lubrificante de bronze, um bloco rígido com porosidade e dimensões finais controladas. Uma tecnologia nova onde os poros abertos eram impregnados com óleo, lubrificando a superfície de contato no instante do movimento pelo efeito de capilaridade.

Na década de 30 foram feitas ferramentas de corte de carboneto de tungstênio usado para confecção de matrizes, corte e furação de metais e rochas. Na década de 60 essa técnica avançou na indústria automobilística, na de 70 na indústria aeronáutica principalmente em engrenagens de turbinas; na década de 80 foi desenvolvido o forjamento dos pós e na década de 90 a compactação a morno e a moldagem por injeção.

A partir da descoberta da aplicação dos pós, muitos estudos foram feitos para conhecer melhor seu fundamento e então, dominar essa técnica; mas só recentemente alcançou-se o desenvolvimento com embasamento científico, seguindo paralelamente os grandes avanços obtidos nas áreas mais correlatas, como a Física do Estado Sólido, a Química, a Mecânica e a própria Metalurgia.

O inicio da utilização da metalurgia do pó baseou-se em alguns poucos produtos, o que restringia muito sua aplicação. Com o avanço dos estudos na área percebeu-se que era possível conceber diversas classes de produtos com essa técnica, tão bons ou melhores, que os obtidos pelo método convencional. Dessa forma foi natural que as vantagens e desvantagens do processo fossem estudadas. O quadro a seguir mostra essas diferenças.

Tabela 1: Vantagens e Desvantagens da Metalurgia do Pó

Vantagens Desvantagens
Alta produtividade na fabricação de grandes quantidades de peças idênticas. Custo inicial de ferramental é alto. A produção de poucas peças é geralmente anti-econômica.
Eliminia numeroas operações de usinagem Formas que exigem a confecção de perfis muito finos e/ou fracos.
Manutenção de tolerâncias estreitas. Cantos vivos e rasgos.
Simplifica ou elimina operações de acabamento O comprimento na direção de compactação é limitado a 3 vezes a área transversal.
Não gera sucata Furos perpendiculares à direção de compactação devem ser usinados.
Resistência ao desgaste. Resistência a impactos é limitada.
Auto-Lubrificação. Soldagem de peças sinterizadas é complexa.
Coeficiente de atrito controlável Peças grandes = investimento em grandes equipamentos.
Obtenção de propriedades inviáveis em outros processos (densidade, porosidade, ligas metalo-cerâmicas). Proteção à corrosão exige preucações especiais.
97% da matéria prima inicial encontra-se na peça acabada, gerando elevada economia.  


Os desenvolvimentos não cessaram, com a evolução industrial cada vez maior e mais diversificada, pelo contrário, muitas outras aplicações foram criadas fazendo com que essa técnica fosse estudada em partes: obtenção do pó, conformação, sinterização e operações secundárias. Até hoje não param de surgir novas formas de melhorar o processo, como a fabricação de pós com características muito mais controladas no que diz respeito à distribuição de tamanho e forma (nanopartículas, whiskers, fibras), na conformação (moldagem por injeção, spray forming, forjamento, HIP) e a sinterização (sinterização a laser para prototipagem rápida, com fase líquida). Estes desenvolvimentos expandem as possibilidades da metalurgia do pó e colocam essa técnica em posição de destaque como forma de produzir peças de alto desempenho, com alto valor agregado.

Processo

O processo da técnica de Metalurgia do Pó consiste em 3 etapas básicas: obtenção do pó, conformação em matrizes que determinam sua forma e na seqüência o aquecimento dessa pré-forma por um determinado tempo em uma temperatura suficiente para que ocorram reações com a finalidade de adquirir resistência mecânica.

O processo de obtenção do pó pode ser feito de diversas formas. Cada processo imprimirá no produto, “o pó”, determinadas características, direcionando-o desde o início a uma determinada aplicação.

Os processos de obtenção podem ser:

  • Decomposição química e térmica,
  • Precipitação,
  • Eletrólise,
  • Hidrólise,
  • Corrosão,
  • Redução,
  • Atomização
  • Moagem

Dentre todos esses métodos a atomização se sobressai, pois permite grande escala de produção com bom controle de processo, ficando por conta desses parâmetros o controle da morfologia, tamanho e distribuição de partícula, parâmetros esses fundamentais para os processos subseqüentes.

O processo de compactação pode ser feito de diversas formas: compactação uniaxial simples e dupla, isostática a frio e a quente, laminação direta, forjamento, moldagem por injeção e por vibração. O emprego de cada uma dessas formas é sempre imposto pelas características do produto que se deseja obter.

O processo de sinterização consiste na consolidação de partículas, pelo mecanismo de difusão no estado sólido ativado termicamente.

Abaixo a Figura 1 ilustra as operações primárias e a Figura 2 as operações secundárias possíveis, descrevendo um processo completo de metalurgia do pó.


Figura 1: Operações primárias de Metalurgia do Pó



Figura 2: Operaçõe secundárias de Metalurgia do Pó

A técnica de metalurgia do pó é complexa, onde qualquer melhoria em propriedades e em qualidade de matéria prima, qualquer novo desenvolvimento em equipamento e em processo melhoram substancialmente o produtos final e proporcionam novos desenvolvimentos e aplicações. A metalurgia do pó torna-se um mundo de possibilidades.



Texto adaptado da dissertação de mestrado "Influência da Matéria Prima e Condições de Compactação na Obtenção de Filtros Sinterizados", apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo pelo eng. Nelson Karsokas Filho em 2005.