ebook: tudo o que você precisa saber sobre aspersão térmica
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Tudo o que você precisa saber sobre
Aspersão Térmica
RIJEZA METALURGIA
2
SUMÁRIO SUMÁRIO……………………………………………………………………………………………………………………….…2
Introdução………………………………………………………………………………………………………………………..5
Processos de Desgaste………………………………………………………………………………………5
Figura 1: Processo de Desgaste………………………………………………………………….………6
Definição de Aspersão Térmica ……………………………………………………………………………..…….…..7
Figura 2: Processo de Aspersão Térmica………………………………………………………..….9
Aspersão Térmica e a Estrutura dos Revestimentos…………………………………………………………10
Figura 3: Estrutura do Revestimento……………………………………………………………….10
Classificação dos Processos……………………………………………………………………………..12
Figura 4: Tipos de AspersãoTérmica………………….……………………………………….……13
FS…………………………………………………………………………………………………….14
Figura 5: Processo por Flame Spray usando Pó…………..……15
Figura 6: Processo por Flame Spray usando Arame..…..……15
HVOF…………………………….…………………………………………………………………16
Figura 7: Processo HVOF………………………………………………….17
D-GUN……………………………………………………………………………………………..18
Figura 8: Processo D-GUN………………………………………….…….18
PS…………………………………………………………………………………………………….20
Figura 9: Processo PS………………………………………….……………20
ASP………………………………………………………………………………………….…….…22
Figura 10: Processo ASP………………………………………….………..22
COLD SPRAY……………………………………………………………………………………..23
Figura 11: Processo Cold Spray…………………………………………25
HVAF………………………………………………………………………………………………..26
Figura 12: Processo HVAF…………………………………………………26
Quadro 1: Características de alguns processos de aspersão térmica……………….27
Gráfico 1: Correlação de temperatura com a velocidade das partículas atingidas
para diferentes processos de aspersão térmica……………………………....................................28
3
Propriedades dos revestimentos aspergidos termicamente………………..…………………….……29
Preparação Superficial…………………………………………………………………………………………………..30
Aplicação dos Revestimentos por AspersãoTérmica………………………………………….…………...32
Materiais Aplicáveis por AspersãoTérmica………………………………………….…………….…………....34
Tabela 1: Materiais Aplicáveis por AspersãoTérmica………………………...…………....35
Pós…………………………………………………………………………………………………………………..36
Tabela 2: Pós utilizados no Processo de Aspersão Térmica………………………………39
Figura 11: Utilização do Pó em Processo HVOF do Início ao Fim……………………..41
Morfologia dos pós para aspersão térmica………………......………………………………..42
Quadro 2: Características de fabricação dos Pós para Aspersão
Térmica…………………………………………………………………………………………………………………………..42
Quadro 3: Morfologia dos Pós para Aspersão Térmica………………......43
Arames……………………………………………………………………………………………………………44
Varetas……………………………………………………………………………………………………………45
Algumas Aplicações realizadaqs pelo processo HVOF………………………………………………....46
4
INTRODUÇÃO
PROCESSOS DE DESGASTE
Em praticamente todos os ramos de
engenharia encontram-se problemas
relacionados ao desgaste. As perdas econômicas
e consequentes de desgastes são generalizadas e
críticas. Estas não envolvem somente os custos
de reposição, mas também os custos de
depreciação de equipamentos, perdas de
produção, de competitividade e de
oportunidades de negócios.
O desgaste é definido como a perda de
material de uma ou de ambas as superfícies em
contato quando submetidas ao movimento
relativo.
5
A figura abaixo relaciona os diferentes tipos de desgastes que ocorrem entre duas superfícies
em contato:
Figura 1: Processo de Desgaste
6
Aspersão térmica
“Grupo de processos nos quais se divide finamente
materiais metálicos e não metálicos que são depositados
em uma condição fundida ou semi-fundida, sobre um
substrato preparado para formar um depósito aspergido”.
Definição segundo a AWS – American Welding Society:
7
Os processos de aspersão térmica apresentam grande versatilidade na deposição
de revestimentos aplicados para a proteção de componentes contra desgaste abrasivo,
adesivo, erosivo, fadiga superficial e corrosão, além de funcionarem como barreira térmica.
A vantagem dessa técnica está relacionada com a versatilidade de revestimentos e
a baixa temperatura em que ocorre o processo. Podendo ser aplicado nos mais variados tipos
de substratos.
Aspersão térmica ou metalização se baseia nos princípios abaixo:
- Aquecimento do material a ser depositado
- Aspersão (aceleração, pulverização) das partículas no estado fundido ou semi-fundido,
contra um substrato devidamente preparado.
Aspersão térmica 8
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
Figura 2: Processo de Aspersão Térmica
9
Revestimento
Material Base
De maneira geral, a aspersão
térmica pode ser definida como
um grupo de processos por meio
dos quais se deposita camadas
de materiais metálicos ou não
metálicos, finamente divididos,
sobre uma superfície
previamente preparada, a fim de
se obter um depósito aspergido
sobre este substrato.
Aspersão térmica e a Estrutura dos Revestimentos
As partículas aspergidas aderem ao substrato por mecanismos de natureza mecânica,
químico-metalúrgica e física, dependendo da temperatura da fonte de calor e da velocidade
imposta às partículas que pelas sucessivas deposições formam camadas lamelares com
óxidos e poros.
Figura 3: Estrutura do Revestimento
10
Estrutura dos Revestimentos
A estrutura dos revestimentos aplicados por aspersão térmica é formada por
lamelas sobrepostas, que são oriundas do espelhamento das partículas do pó fundidas, ou
semi-fundidas, quando do impacto com o substrato.
O revestimento é formado pela ocorrência do mesmo mecanismo nas camadas
subsequentes, pois o tempo de solidificação é muito menor que o tempo de projeção das
partículas, que é de 10-²s. Outra particularidade dessa alta taxa de resfriamento é a
possibilidade de revestir materiais com menores temperaturas de fusão em relação ao
material do revestimento.
11
Aspersão térmica
Classificação dos processos:
A divisão mais comum é baseada na forma de aquecimento, com dois tipos básicos:
Aquecimento por
Eletricidade
e
Aquecimento por
Combustão
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Aspersão Térmica
Aquecimento por Eletricidade
Arco Elétrico
Plasma
Arco Transferido
Arco não Transferido
Aquecimento por Combustão
Flame Spray
Arame
Pó
Varame
HVOF D-Gun
HVAF
Cold Spray
Tipos de Aspersão Térmica
Figura 4: Tipos de Aspersão Térmica
13
FS – Flame Spraying (aspersão a chama oxi-gás com material de adição na forma de pó
ou arame);
Nesse processo o material de arame ou pó funde-se uma chama gasosa de oxigênio e
combustível.
O gás combustível pode ser acetileno, propano ou hidrogênio.
No caso do arame o mesmo é alimentado concentricamente para a chama, onde é
derretida e atomizada por a adição de ar comprimido que também dirige o material
fundido em direção à superfície do substrato. O uso de matéria prima em forma de pó
permite uma maior seleção de materiais de pulverização, uma vez que nem todos os
materiais de pulverização pode ser fabricado na forma de arame.
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
14
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
Figura 5: Processo por Flame Spray usando Pó
Figura 6: Processo por Flame Spray usando Arame 15
HVOF – High Velocity Oxy-Fuel (aspersão a chama oxi-combustível de alta velocidade
com material de adição na forma de pó);
A aspersão oxi-combustível de alta velocidade (HVOF) é um processo relativamente
recente em relação à família de processos de aspersão térmica. Como faz uso de um
jato supersônico, a velocidade de impacto das partículas sobre o substrato é muito
mais elevada, o que resulta em características de revestimento melhoradas. O
mecanismo difere do Flame Spray por uma expansão do jato na saída da pistola. Gases
combustíveis de propano, propileno, acetileno, hidrogênio e gás natural podem ser
utilizados, assim como combustíveis líquidos tais como o querosene.
A alta energia cinética das partículas atingindo a superfície do substrato tira a
necessidade de as partículas estarem completamente fundidas para a obtenção de um
revestimento de qualidade. Esta é certamente uma vantagem para os revestimentos
de carbonetos e cermets, e é onde este processo realmente se destaca.
O aquecimento da peça é controlado entre 100 e 180ºC. Sendo assim, este processo
não altera as propriedades do substrato.
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
16
Aspersão térmica: Processo HVOF
Figura 7: Processo HVOF
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ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
D-gun – Detonation-Gun spraying (aspersão por detonação);
O Detonation Gun consiste basicamente de um tubo longo resfriado com água gelada
com injeção de gases combustíveis e pó no interior do tubo. Uma vela de ignição é
responsável por acender a mistura de gases e a detonação resultante aquece e acelera o
pó para uma velocidade hipersônica através do tubo. Um pulso de nitrogênio é usado
para interromper a combustão após cada detonação. Este processo repete-se várias
vezes por segundo. Desta forma, a aplicação do revestimento não é continuo, e sim na
forma de várias projeções por segundo.
A alta energia cinética deste processo forma uma camada muito densa e forte.
Figura 8: Processo D-GUN
18
ASPERSÃO TÉRMICA
O HVOF é o processo
com menor porosidade.
Apresenta porosidades inferior à
1% e alta adesão ao substrato.
19
PS – Plasma Spraying (aspersão a plasma);
É a mais versátil tecnologia de metalização. O termo "PLASMA" refere-se ao quarto
estado da matéria. O Plasma Spray é produzido e controlado em uma pistola especial
que através do arco elétrico e de um gás inerte cria uma chama ionizada de alta
temperatura. Esta transformação de energia elétrica em energia térmica produz
temperaturas entre 8.000 e 15.000 graus Celsius. O material a ser depositado em
forma de pó é injetado no meio da chama. Em seguida é acelerado até o substrato em
estado fundido ou pastoso. Desta forma, construímos a camada desejada partícula
sobre partícula, por aderência mecânica, microfusão e sinterização.
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
Figura 9: Processo PS 20
ASPERSÃO TÉRMICA
Em algumas aplicações o processo pode ser
realizado em um ambiente de baixa pressão
atmosférica, controlado para se obter um
revestimento com menores níves de óxidos,
aumentando-se assim a qualidade da camada.
21
ASP – Arc Spraying (aspersão a arco elétrico);
Utilizando uma fonte de calor produzida pelo arco elétrico, diversos materiais em
forma de arame são fundidos e atomizados, até o substrato proporcionar
revestimentos densos e com ótima força de aderência.
Dois arames, com um potencial elétrico, encontram-se em um ângulo de
aproximadamente 20°. Uma corrente passa através dos fios e eles fundem no seu
ponto de encontro. Um gás atomizado propele as partículas fundidas contra a peça à
baixa velocidade
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
Figura 10: Processo ASP 22
COLD SPRAY- Aspersão com gás frio .
É um processo de deposição de material em que revestimentos são realizados a partir
da aceleração das matérias-primas em pó de metais dúcteis à velocidades de 300-1200
m/s usando alta velocidade de gases como nitrogênio ou hélio.
A pulverização é dita “à frio” devido às temperaturas relativamente baixas (0 a 800 ° C,
ou 32-1470 ° F) do gás e do fluxo das partículas que emana do bocal.
São possíveis taxas de alimentação de pó de até 14 kg / h (30 lb / h). Para HVOF um
valor típico fica na faixa de 8 lb/h.
O gás sob pressão de até 40 bar é aquecido a uma temperatura pré-estabelecida,
geralmente usando uma bobina de um tubo aquecido por resistência elétrica. Nesse
caso ele é aquecido não para aquecer ou amolecer as partículas de pulverização, mas
para alcançar uma maior velocidade de fluxo sônico, o que resulta em maiores
velocidades de impacto da partícula.
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
23
O gás a alta pressão é introduzido no secção de um bico do tipo
convergente/divergente e acelera à velocidade do som na região da garganta do injetor,
e, em seguida, transforma-se em fluxo supersônico.
O gás arrefece à medida que expande na pistola de pulverização e frequentemente sai
da pistola de pulverização a abaixo da temperatura ambiente (daí o nome de
pulverização "frio").
O pó é introduzido no lado de alta pressão do bico convergente/divergente e é
alimentado a uma taxa precisamente controlada.
Os materiais tipicamente aplicados através dessa técnica são:
Metais (Al, Cu, Ni, Ti, Ag, Zn, Ta, Nb)
Ligas (Aços, Ni alloys, MCrAlYs, Al-alloys)
Compósitos de matriz metálica (Cu-W, Al-SiC, Al-Al2O3)
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
24
ASP
ERSÃ
O T
ÉRM
ICA
Figura 11: Processo Cold Spray
Características destes revestimentos:
- Baixíssimo teor de óxidos
- Alta densidade
- Alta taxa de deposição
25
HVAF - High Velocity Air Fuel - Ar combustível de alta velocidade) A
SPER
SÃO
TÉR
MIC
A
Este sistema no qual o ar, ao invés de oxigênio, sustenta a combustão, juntamente
com outro combustível na forma líquida. O mesmo fluxo de ar é utilizado para
resfriar a tocha, ao invés de água, comum em outros processos.
A matéria prima, em forma de pó, é injetada ao longo da câmara de combustível
onde o gás a baixa pressão provém tempo suficiente para o impacto das partículas.
Figura 12: Processo HVAF 26
Cada processo possui suas particularidades e variações que promovem diferentes condições de aplicação e
processamento dos revestimentos, modificando suas propriedades.
Quadro 1: Características de alguns processos de aspersão térmica.
27
Correlação da temperatura com a velocidade das partículas
atingidas para diferentes processos de aspersão térmica
Gráfico 1: Correlação de temperatura com a velocidade das partículas atingidas para diferentes processos de aspersão térmica. 28
Correlação da temperatura com a velocidade das partículas atingidas para diferentes processos de aspersão térmica
Propriedades dos revestimentos aspergidos termicamente
O revestimento após aspergido é caracterizado principalmente pelas propriedades abaixo:
Espessura de camada
Microdureza e dureza superficial
Porosidade, % de óxidos
Rugosidade, adesão ao substrato
Resistência à abrasão e desgaste erosivo.
Além de características específicas que se deseja obter.
29
A adesão do revestimento está
diretamente ligada à preparação da
superfície à ser metalizada. Uma
superfície bem preparada, livre de
contaminantes, e com uma rugosidade
adequada, é meio passo para um
revestimento bem sucedido.
O primeiro passo na preparação de um
substrato para aspersão térmica é a
retirada de todos os contaminantes
superficiais, tais como poeira, óleo,
graxa e pintura. As peças devem ser
protegidas de partículas transportadas
pelo ar e marcas de dedos.
Preparação Superficial
30
Deve-se criar uma rugosidade, através
de método do método de jateamento.
No jateamento deve ser utilizado um
abrasivo não contaminante, como o
óxido de alumínio. Não deve ser
utilizado jato de areia, pois além de
possuir sílica, o jato de areia não nos
fornece uma rugosidade esperada.
A geração de uma superfície rugosa é
usada para aumentar a aderência e a
coesão entre as partículas do
revestimento por geração de tensões
superficiais de contração,
intertravamento de camadas, aumento
da área de interação e descontaminação
da superfície. 31
Aplicações dos Revestimentos por Aspersão Térmica
Os campos de aplicação industrial de revestimentos aspergidos são bastante abrangentes,
conforme indicados na relação a seguir:
- Proteção contra a corrosão de peças, estruturas e equipamentos fabricados em materiais
suscetíveis a diferentes formas de ataque corrosivo, dependendo do meio de exposição.
Indústrias químicas e petroquímicas de processamento fazem uso freqüente de revestimentos
para esse fim;
Exemplos de corrosões dadas pela ação marinha. 32
Aplicações dos revestimentos por aspersão térmica:
- Proteção contra o desgaste adesivo e por fretting bem como aumento da resistência contra a
abrasão, erosão e cavitação. Praticamente todas as indústrias se beneficiam desse tipo de
proteção;
- Isolamento térmico e elétrico de componentes. Indústrias usuárias comuns são a eletrônica,
automotiva e aeroespacial;
- Operações de restauração dimensional em componentes de máquinas (eixos, cilindros,
mancais, etc...). Muitas indústrias utilizam a aspersão térmica para recuperar partes desgastadas
e danificadas de peças de elevado custo, sem a necessidade de substituí-las;
33
Materiais aplicáveis por aspersão térmica
Os materiais aplicáveis por aspersão térmica são classificados em função da composição
química, classe morfologia e distribuição das partículas, processos de aspersão e tipo de
aplicação.
Em relação à composição química, os materiais aplicados por aspersão térmica podem ser
divididos em metais e suas ligas, cerâmicos, intermetálicos, compósitos, blends e polímeros.
Para aplicações que requeiram proteção contra o desgaste são encontrados materiais com
composição química específica para cada tipo de desgaste.
34
Mat
eri
ais
Ap
licáv
eis
po
r A
spe
rsão
Té
rmic
a
A tabela mostra os tipos
de materiais indicados
para determinado
desgaste juntamente com
o processo utilizado.
Dentre as técnicas de
revestimentos mais
utilizadas, a aspersão
térmica desponta como
aquela que apresenta a
maior gama de materiais
possíveis de serem
aplicados.
Tabela 1: Materiais aplicáveis por Aspersão
Térmica
35
Mat
eri
ais
aplic
áve
is p
or
asp
ers
ão t
érm
ica
Materiais diversos como: metais e ligas metálicas, polímeros e cerâmicas e/ou uma
combinação destes, podem ser transformados em materiais para aspersão.
Os materiais para aspersão podem ser oferecidos na forma de: pó, vareta ou arame
sendo estes puros ou ligados. Materiais mais frágeis como cerâmicos ou alguma
misturas destes vêm na forma de pós, com diferentes morfologias e granulometrias que
dependem do processo de fabricação.
Fonte da Imagem: kennametal.com 36
Os métodos industriais de fabricação dos pós dependem do tipo de material. Metais e ligas
são geralmente preparados por uma das seguintes formas:
- Atomização (“atomization”) ou sinterização (“sintering”).
- Óxidos e carbetos cerâmicos são produzidos por sinterização ou fusão (“fusing or
sintering”) seguida de trituração.
- Por sua vez, pós de materiais compostos (compósitos) podem ser obtidos por recobrimento
(“cladding”).
- Em termos de processamento desses pós, provavelmente o método mais versátil é o de
aglomeração (“spray-drying”), o qual permite que qualquer tipo de material finamente
particulado se mantenha unido formando um aglomerado esférico com um ligante
orgânico. Pós preparados desta maneira podem ser submetidos a processos adicionais de
densificação, tais como sinterização.
Materiais Aplicáveis por Aspersão Térmica
37
Algumas vezes para que se possa chegar a
uma composição específica, pós
produzidos por dois ou mais dos métodos
descritos acima podem ser combinados
em uma mistura homogênea.
38
Pós Utilizados
Os pós utilizados para aspersão podem ser um metal puro, uma liga metálica, um compósito,
um carboneto, um cerâmico, um cermet ou combinação destes. O pó para aspersão é
armazenado num recipiente que pode ser parte integrante da tocha ou ser acoplado a ela.
Uma pequena quantidade de gás é desviada para arrastar o pó até o jato da mistura
oxigênio/combustível em chama, quando ele é fundido e acelerado em direção ao substrato.
Tabela 2: Pós utilizados no Processo de Aspersão Térmica
39
Nos sistemas HVOF utiliza-se principalmente
uma ampla variedade de carbetos na forma de
pós, estes variam pela composição,
granulometria e também quanto ao tipo de
fabricação: sinterizado, aglomerado, recoberto,
esferoidizado, atomizado, britado ou apenas
misturado. O modo de fabricação determina a
morfologia dos pós. Essa característica tem
grande influência na troca de calor entre as
partículas e os gases de combustão, pois
diferencia os pós pela área de troca de calor e
capacidade de absorver a energia térmica.
40
A morfologia dos pós é determinante também na maneira que as partículas ao se
chocarem com o substrato, se deformarão e adaptarão a ele, distribuindo
homogeneamente as fases duras, formando a estrutura da camada.
Figura 11: Utilização do Pó em Processo HVOF do Início ao Fim
41
Sinterizado • Forma do grão em bloco
• • • • • • Grão denso
• Formação de fases dependendo da temperatura de fabricação, geralmente detectável.
• Carboneto < 10μm
Aglomerado Sinterizado • Forma da partícula esférica
• Grão poroso
• Raramente ou poucas vezes ocorre a formação de ligação entre o carboneto e o metal matriz
• Carboneto < 5μm
Recoberto • Forma do grão em bloco
• Grão denso
• Sem formação de ligação entre o carboneto e o metal matriz, se não é submetido a tratamento térmico
posterior.
Esferoidizado • Forma esférica da partícula
• Grãos densos e porosos, esferas ocas, conchas – dependendo da matéria prima há formação de ligação.
• Tamanho dos carbonetos dependem do material
Mo
rfo
logi
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Pó
s p
ara
Asp
ers
ão T
érm
ica
Quadro 2: Características de fabricação dos Pós para Aspersão Térmica 42
Morfologia dos Pós para Aspersão Térmica
Quadro 3: Morfologia dos Pós para Aspersão Térmica
43
Os arames são produzidos a partir de metais ou ligas metálicas e
são fornecidos normalmente em bobinas e só podem ser
utilizados nos processos FS, AS.
A elaboração desses materiais exige um mínimo de ductilidade, visando a sua conformação
mecânica. Sendo assim a quantidade de aditivos de elevada dureza que pode ser
incorporado aos mesmos é bastante limitada, fazendo com que os revestimentos aspergidos
a partir de arames maciços apresentem menores propriedades mecânicas e uma resistência
ao desgaste relativamente baixa.
O desenvolvimento na produção de arames tubulares baseia-se em tubos metálicos
preenchidos com pó, antes de serem processados na forma de bobinas. Por exemplo, arames
deste tipo podem ser fabricados a partir de tubos de ligas ferrosas preenchidos com pós
contendo cromo (Cr), boro (B) e silício (Si).
Materiais Aplicáveis por Aspersão Térmica
44
As varetas sinterizadas a base de materiais cerâmicos
são empregadas em menor escala que os pós
cerâmicos.
Materiais Aplicáveis por Aspersão Térmica
Uma desvantagem do uso de varetas é a forma descontínua com a qual elas são alimentadas,
o que inevitavelmente provoca variações microestruturais nas regiões onde o processo foi
interrompido e depois reiniciado. Cada material de revestimento cerâmico tem
características específicas, vantagens e limitações que devem ser avaliadas para cada
aplicação específica.
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Alg
um
as A
plic
açõ
es
real
izad
as p
elo
p
roce
sso
HV
OF
Luvas Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/espaco-academico/apresentacoes/como-aumentar-vida-util-de-luvasgaxetas-e-retentores
Pistões Homogeneizadores Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/espaco-academico/apresentacoes/estudo-de-caso-aumento-de-vida-util-e-recuperacao-de-pistao
Misturadores de Tintas Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/espaco-academico/apresentacoes/estudo-de-caso-em-misturadores-de-tintas
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Alg
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plic
açõ
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HV
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Rotor de Turbina Francis Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/aplicacoes/rotor-de-turbina-francis
Parafusos Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/novidades/desgaste-por-abrasao-em-parafusos
Válvulas de Esfera Entenda melhor esta aplicação em: http://www.rijeza.com.br/aplicacoes/valvulas-de-esfera
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