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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
EDUARDO SINEDINO MACHADO
INFLUÊNCIA DOS TEMPOS DE MOAGEM NAS PROPRIEDADES DA
LIGA 90,5%AÇO;9%NIÓBIO;0,5%GRAFITE
NATAL-RN
2019
EDUARDO SINEDINO MACHADO
INFLUÊNCIA DOS TEMPOS DE MOAGEM NAS PROPRIEDADES DA
LIGA 90,5%AÇO;9%NIÓBIO;0,5%GRAFITE
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Engenharia de
Materiais, do Centro de Tecnologia da
Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, como parte dos requisitos para
obtenção do título de bacharel em
Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof°. Dr°. Meysam Mashhadikarimi Coorientador: Prof° Dr° Nicolau Apoena
NATAL-RN
2019
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Machado, Eduardo Sinedino.
Influência dos tempos de moagem nas propriedades da liga
90,5%aço; 9%nióbio; 0,5%grafite / Eduardo Sinedino Machado. - 2019.
51 f.: il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais, Natal, RN, 2019.
Orientador: Prof. Dr. Meysam Mashhadikarimi.
Coorientador: Prof. Dr. Nicolau Apoena.
1. Metalurgia do pó - Dissertação. 2. Metal duro -
Dissertação. 3. Ligante - Dissertação. I. Mashhadikarimi, Meysam.
II. Apoena, Nicolau. III. Título.
RN/UF/BCZM CDU 669-138(038)
Elaborado por Ana Cristina Cavalcanti Tinôco - CRB-15/262
FOLHA DE AVALIAÇÃO OU APROVAÇÃO
Assinaturas dos membros da comissão examinadora que avaliou e aprovou a
Monografia do (a) candidato (a) Eduardo Sinedino Machado , realizada em
25/06/2019.
BANCA EXAMINADORA:
Prof°. Dr°. Meysam Mashhadikarimi – Orientador
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN)
Prof° . Dr° Nicolau Apoena - Coorientador
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN)
Me. Igor Zumba Damasceno
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (UFRN)
Bel. Matheus de Medeiros Tavares
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO (UFERSA)
AGRADECIMENTOS
À Deus, que sempre me ajudou trazendo paciência e força perante as
dificuldades.
Aos meus pais, Giovanna e Eduardo, por todo o amor deles.
Principalmente por me motivar sempre que eu precisava e me ajudarem com
tudo que eles podiam.
Ao meu professor, que me orientou sempre que necessário e tirou todas
as minhas dúvidas, além de todo suporte dado.
Aos meus amigos de curso: Guilherme Guedes, Theresa Nunes,
Vanucci Medeiros e Celmo Reis, que sempre estiveram juntos, tornando a
rotina mais tranquila e divertida.
Aos meus amigos: Matheus Marinho, Pedro Henrique, Giovanni
Micussi, André Aaron, Marcel Catão e Lucas Simonetti, por todos os
momentos, conversas e risadas, fazendo-se presentes desde o ensino
fundamental.
À Universidade, ao Laboratório de Física do Departamento de Física,
ao Laboratório de Caracterização de Materiais(LCM) e à coordenação de
Engenharia de Materiais.
RESUMO
Este projeto foi feito na área de metalurgia do pó, utilizando-se como base uma
liga (90,5% Aço,9% Nióbio,0,5% Grafite), que é uma grande candidata para
futuramente substituir o cobalto como ligante de metais duros. Para fazer esse
estudo, foram misturados 10 gramas dos pós referentes a liga sob moagem Spex
úmida com diferentes tempos (30 minutos, 1 hora, 2 horas), para serem feitas
posteriormente as compactações das amostras com 596,83Mpa. Após essa
compactação, foram feitas análises de dilatometria e com esses dados, foi
produzido a amostra final com uso da sinterização, que será levada para
caracterização de sua superfície. Foi mostrado a melhor homogeneidade na
submetida por moagem de 2 horas, e também serão testados suas densidades
e dureza, onde se obteve maiores durezas e melhor densidade relativa na
moagem de maior tempo.
Palavras-chave: Metalurgia do pó. Metal Duro. Ligante. Moagem Spex.
ABSTRACT
This project was made in the area of powder metallurgy, using as base an alloy
(90.5% Steel, 9% Niobium, 0.5% Graphite), which is a great candidate to replace
cobalt in the future as a metal binder hard To do this study, 10 grams of the alloy
powders were blended under wet Spex milling at different times (30 minutes, 1
hour, 2 hours), to make the compacts of the samples at 596.83Mpa. After this
compaction, dilatometry analyzes were performed and with this data, the final
sample was produced using sintering, which will be taken to characterize its
surface. It was shown the best homogeneity in the submitted by milling of 2 hours,
and will also be tested its densities and hardness, where it obtained greater
hardness and better relative density in the grinding of greater time.
Keywords: Powder metallurgy. Hard metal. Binder. Spex milling.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Fases presentes no metal duro..........................................................4
Figura 2 – Diagrama de fase do ligante W-C......................................................5
Figura 3 – Os diferentes tipos do mineral de grafita natural onde o (A) se
encontra a grafita em flocos, o (B) a grafita em meio cristalino e (C) a grafita
amorfa................................................................................................................10
Figura 4 – Escala de Mohs................................................................................19
Figura 5 – DRX do Grafite.................................................................................29
Figura 6 – DRX do Aço......................................................................................29
Figura 7 – DRX do Nióbio .................................................................................30
Figura 8 – Imagens do MEV do Nióbio..............................................................31
Figura 9 – Imagens do MEV do Aço..................................................................31
Figura 10 – Imagens do MEV do Grafite...........................................................32
Figura 11 – Análise via DRX do material moído por 30 minutos.......................33
Figura 12 – Análise via DRX do material moído por 1 hora...............................34
Figura 13 – Análise via DRX do material moído por 2 horas.............................34
Figura 14 – Imagens do MEV do pó moído por 30 minutos..............................36
Figura 15 – Imagens do MEV do pó moído por 1 hora......................................36
Figura 16 – Imagens do MEV do pó moído por 2 horas....................................37
Figura 17 – Gráfico de dilatometria no pó moído por 30 minutos, 1 hora e 2
horas..................................................................................................................38
Figura 18 – DRX da amostra moída por 30 minutos e após
sinterização........................................................................................................39
Figura 19 – DRX da amostra moída por 1 hora após sinterização....................40
Figura 20 – DRX da amostra moída por 2 horas após sinterização..................40
Figura 21 – Superfície do material moído por 30 minutos e após
sinterização........................................................................................................43
Figura 22 – Superfície do material moído por 1 hora e após sinterização........44
Figura 23 – Superfície do material moído por 2 horas e após sinterização......44
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Elementos utilizados na preparação das amostras de metalurgia do
pó.......................................................................................................................21
Tabela 2 – Composição do Aço segundo FRX..................................................28
Tabela 3 – Composição do material após 30 minutos de moagem e sua
sinterização........................................................................................................41
Tabela 4 – Composição do material após 1 hora de moagem e sua
sinterização........................................................................................................42
Tabela 5 – Composição do material após 2 horas de moagem e sua
sinterização........................................................................................................42
Tabela 6 – Densidade das amostras antes da sinterização..............................46
Tabela 7 – Densidade das amostras após a sinterização.................................46
Tabela 8 – Diferença na densificação................................................................46
Tabela 9 – Durezas do material sob moagem de 30 minutos...........................47
Tabela 10 – Durezas do material sob moagem de 1 hora.................................48
Tabela 11 – Durezas do material sob moagem de 2 horas...............................48
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Å - Ângstrom
DRX – Difração de raios-x
cm^2 – Centímetro quadrado
FRX – Fluorescência de raios-x
g – Grama
h - Hora
keV – Quilo elétrons-volt
kg - Kilograma
µm - Micrômetro
MEV – Microscópio eletrônico de Varredura
mm - Milímetro
Mpa – Mega Pascal
Min – Minuto
Nm - Nanômetro
Temp – Temperatura
SUMÁRIO
1.Introdução.......................................................................................................1
2.Objetivos para o projeto.................................................................................2
2.1. Objetivos Específicos....................................................................................2
3.Revisão Bibliográfica.....................................................................................3
3.1. Metal Duro....................................................................................................3
3.1.1. Carbeto de Tungstênio..............................................................................4
3.1.2. Cobalto......................................................................................................5
3.1.3. Ligantes Alternativos.................................................................................6
3.2. Nióbio...........................................................................................................7
3.3. Grafite...........................................................................................................9
3.4. Moagem .....................................................................................................10
3.4.1. Moagem Spex..........................................................................................11
3.5. Metalurgia do pó.........................................................................................12
3.6.1. Compactação...........................................................................................13
3.6.1.1. Prensas de ação simles........................................................................14
3.6.1.2. Prensas de ação dupla.........................................................................15
3.6.1.3. Prensagem isostática............................................................................15
3.6.2. Sinterização.............................................................................................15
3.7. Caracterização............................................................................................17
3.7.1. Microscópio eletrônico de varredura........................................................17
3.7.2. Difração de raios-x...................................................................................18
3.7.3. Fluorescência de raios-x.........................................................................18
3.8. Dureza........................................................................................................19
3.8.1. Dureza Vickers.........................................................................................20
4. Materiais e métodos....................................................................................21
4.1. Materiais.....................................................................................................21
4.2. Métodos......................................................................................................21
4.2.1. Moagem Spex..........................................................................................22
4.2.2. Compactação...........................................................................................23
4.2.3. Dilatometria..............................................................................................24
4.2.4. Sinterização.............................................................................................24
4.2.5. Caracterização.........................................................................................25
4.2.5.1. Fluorescência de raios-x.......................................................................25
4.2.5.2. Difração de raios-x................................................................................26
4.2.5.3. Microscopia eletrônica de varredura.....................................................26
4.2.6. Ensaio de dureza.....................................................................................27
5. Resultados e discussões............................................................................28
5.1. Caracterização............................................................................................28
5.1.1. Pós Iniciais...............................................................................................28
5.1.2. Pós moídos..............................................................................................33
5.1.2.1. Dilatometria...........................................................................................38
5.1.3. Amostras Sinterizadas.............................................................................39
5.2. Densificação...............................................................................................45
5.3. Dureza........................................................................................................47
6. Conclusões...................................................................................................49
7. Referências...................................................................................................50
1
1.INTRODUÇÃO
Em 1923, foram feitos os primeiros protótipos de metal duro. Esse
protótipo foi formado pela metalurgia do pó, utilizando partículas de carbeto de
Tungstênio com um ligante metálico. Esse material teve excelentes resultados
práticos pois apresentou uma excelente combinação entre dureza e tenacidade.
Apesar do ligante só constituir entre 5 a 20% do peso do material final, ele
influencia bastante nas propriedades mecânicas finais. Os primeiros ligantes
utilizados na geração de metal duro foram o Ferro, Níquel e o Cobalto, entretanto
na época as melhores propriedades sempre ficavam com o ligante Co. Por isso
a produção comercial ficou totalmente dominada pelos metais com cobalto como
ligante.
Os metais duros possuem muitas aplicações diferentes, incluindo corte de
metal, perfuração de rochas e em peças de desgaste. No corte de metal ele
conseguiu substituir os metais de alta velocidade com grande sucesso.
Com o cobalto como ligante, os metais tiveram grande crescimento nas
pesquisas por muitas décadas, para os mais diferentes ramos da indústria,
dependendo do desempenho do metal duro.
Entretanto, no ano de 2013 foi confirmado segundo o Instituto Nacional
dos Estados Unidos, que o pó de cobalto, caso inalado, seria considerado
cancerígeno. Isso levou os pesquisadores a procurarem alternativas a esse
cobalto, voltando ao Ferro, Níquel, ou uma liga dos dois.
No entanto, não se pode simplesmente mudar o ligante. Como a indústria
depende do desempenho atual das classes e produtos que contêm Cobalto, não
é possível remover metais rígidos contendo Cobalto em favor de metais pesados
com desempenho muito pior. Um novo material candidato precisará, portanto,
ser minuciosamente investigado: desde a possibilidade de simplesmente fabricar
o material, até aplicar as mesmas características a esses materiais, que se
mostraram incrivelmente benéficas para metais rígidos contendo cobalto, ao seu
desempenho em aplicações.
2
2. OBJETIVOS PARA O PROJETO
2.1. Objetivo Geral
Esse projeto teve como objetivo estudar uma possível liga se utilizando
de suas propriedades para fazer uma análise de sua capacidade como ligante
para metal duro.
2.1. Objetivos Específicos
- Observar o efeito do tempo de moagem na forma e distribuição dos pós
- Analisar o comportamento de sinterização da liga no ensaio de dilatometria
- Estudo da variação da densidade das amostras em relação ao seu respectivo
tempo de moagem
- Análise microestrutural da liga após sua sinterização
- Estudo da dureza da amostra por tempo de moagem
3
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Metal Duro
Os metais duros, também conhecidos como carbonetos cementados para
torneamento de aço, são tradicionalmente produzidos utilizando carbeto de
Tungstênio como fase dura e o cobalto como seu ligante. O carbeto de
Tungstênio fornece dureza e resistência ao desgaste ao produto final enquanto
o Cobalto fornece principalmente tenacidade, dando assim aplicações em cortes
de metais.
A produção de metais duros é feita via metalurgia do pó, possibilitando a
produção de peças em sua forma final. Esse processo metalúrgico começa com
a mistura dos pós de carbeto de tungstênio e cobalto metálico. Se o metal duro
conter fase Γ ou outras adições, devem ser incluídos inibidores de carbono e
crescimento de grãos no pó.
Esses pós são misturados com um polímero e um líquido de moagem
comumente sendo etanol ou água. Essa combinação é moída para garantir que
essa mistura ocorra de maneira adequada e com tamanho de grão dentro do
esperado.
Esse complexo ocorre normalmente por moagem de bolas, onde o líquido
utilizado é removido durante a etapa de secagem, resultando em um pó
granulado misturado que possui boas propriedades para as etapas futuras.
Esses grânulos são colocados em uma matriz e submetidos a uma
compactação de alta pressão. Essa parte resultante é o corpo a verde, que
possui características de alta porosidade e fragilidade. Essa peça só continua
mantida unida devido a presença do polímero.
Para obter o material em uma fase final, é necessário o uso da
sinterização em duas etapas, a qual a primeira remove o polímero em baixas
temperaturas e na presença de hidrogênio. Nessa fase todas as fases continuam
em estado sólido.
Segundo etapa da sinterização é em temperaturas acima da temperatura
liquidus do ligante, acima de 1400°C, fazendo que a fase do ligante fique líquida
e se dissolva em parte das outras fases. Nessa etapa a peça é densificada de
4
modo que os poros são eliminados. Essa etapa é feita sob vácuo ou atmosfera
controlada. Onde o produto final pode ser visto na figura 1, com o ligante disperso
na matriz dura.
Devido à alta dureza do material, o polimento feito nas peças sinterizadas
são feitos por diamantes. Essa forma final obtida pela metalurgia do pó é,
portanto, de grande vantagem em suas propriedades.
Figura 1: Fases presentes no Metal duro
3.1.1. Carbeto de Tungstênio
O carbeto de tungstênio é um carbeto refratário com estrutura hexagonal
compacta. Não é o carbeto mais duro nem o mais estável disponível para usar
como fase dura, porém sua alta tenacidade é capaz de deformar plasticamente
formando planos de deslizamento ao invés de falhas frágeis, fazendo assim que
ele seja uma boa escolha para ferramentas de torneamento, pois é exigido uma
deformação contínua ao invés de fraturas frágeis em suas bordas.
Esse carbeto pode suportar altas temperaturas durante a rotação. Após a
sinterização, os grãos de carbeto fazem um formato contínuo quase como um
5
esqueleto sobre todo o material. Essa infiltração de ligante no material aumenta
o trabalho de separação de limite de grão e impede a adição de uma fase ligante.
3.1.2. Cobalto
O cobalto tem sido a principal escolha como ligante para metais duros por
muitas razões. Um dos principais motivos é a molhabilidade gerada entre o
cobalto e carbeto de tungstênio é quase perfeito, tornando assim fácil a produção
de estruturas mais densas.
Esse elemento tem a capacidade de endurecer, que é bastante útil em
aplicações com altas cargas externas. Sua estrutura é hexagonal compacta em
temperatura ambiente e cúbica de face centrada em altas temperaturas.
Entretanto, em metais duros, normalmente o ligante está com estrutura
CFC devido a temperatura de sinterização, que é estabilizado pelo tungstênio
dissolvido no ligante.
O cobalto também é bastante vantajoso devido ao alto teor de carbono
que dão a composição de fases ideal para o material final. Pois com baixos
teores, os carbetos formaram fases frágeis que tornarão o material muito duro,
porém quebradiço.
Figura 2: Diagrama de fase do Ligante-W-C
Porém, o cobalto possui alguns problemas. O primeiro problema relatado
é seu preço alto, um fator que causou as primeiras buscas por outros ligantes
para os metais duros.
Na década de 40, devido a suspeitas de doenças pulmonares que
assolavam funcionários de indústrias de metal duro, foram implementados novos
6
meios de ventilação, porém o problema se mantinha. Então com esses dados
foram confirmados a toxicidade do elemento.
Para confirmar se ele era tóxico, na década de 50 foram feitos testes com
animais que comprovaram a relação do cobalto com doenças pulmonares,
diferente dos outros elementos presentes no metal duro. Isso causava asma e
diminuição na capacidade pulmonar.
Com o decorrer dos estudos, após a injeção de cobalto em animais, foram
notados também que eles eram cancerígenos, contudo, esses dados não foram
o suficiente para confirmar. Só em 2013 que ele entrou na lista de categoria 1B
que o classifica como cancerígeno por inalação.
3.1.3. Ligantes alternativos
A partir das indicações de toxicidade do ligante cobalto, estão sendo
buscados ligantes alternativos visando propriedades semelhantes sem causar
riscos de saúde no trabalhador.
Ocorreu uma volta aos estudos em relação ao ferro e níquel, se eles
podem chegar a potenciais semelhantes ao cobalto, mas eles não possuíram
bons resultados, entretanto atualmente está sendo feito ligas de níquel e ferro
para alcançar essas propriedades.
7
3.2. Nióbio
Segundo Fernandes (2012), O nióbio (Nb) é o elemento de
número 41 na tabela periódica dos elementos químicos, classificado
como metal de transição. Sua densidade é de 8,57 g/cm³ e seu grau
de dureza na escala de Mohs é de seis, numa escala de um a dez
(classificação do diamante, já que este consegue cortar qualquer
mineral).
Esse metal é encontrado na forma sólida em condições normais de
temperatura e de pressão. Seu ponto de fusão é de 2468°C e seu ponto de
ebulição é de 4744°C. A principal área que ele é aplicado é na indústria
siderúrgica.
Seu principal produto é uma liga, denominado ferro-nióbio
contendo 65% de Nb, sendo empregada, como elemento microligante,
na produção de aços microligados ou ‘HSLA’ (High-strenght low-alloy
steels), que constituem um grupo de aços resultante da adição de
pequenas quantidades (até 0,1%) de Mo,Ti,V,Nb (SILVA, 1994).
O nióbio tem uma forte afinidade com o tântalo, com isso eles acabam
sendo associados e encontrados sempre juntos na maioria das rochas ou
minerais em que são encontrados. Existem cerca de 90 espécies minerais de
nióbio e tântalo conhecidas, podendo se destacar principalmente a columbita-
tantalita, o pirocloro, bariopirocloro e a pandaíta. Sendo o fator principal pra
diferenciar o teor dos óxidos de nióbio, que também podem ser encontrados em
diferentes formas.
Até a década de 50, a maior parte do nióbio era extraído do tratamento de
tantalitas e columbitas, que era um grande problema devido à pouca abundancia
no meio ambiente, que acaba causando um altíssimo custo na produção do
nióbio. Com o surgimento das grandes reservas de pirocloro no Brasil, a extração
acabou diminuindo bastante o custo, devido à grande presença dessas reservas
fazendo assim que a produção de nióbio entrasse mais no cotidiano da ciência,
ajudando bastante o Brasil, já que 90% de toda a produção mundial é decorrente
do Brasil.
O nióbio possui bastante aplicações, sendo as principais na siderurgia e
também na área não metalúrgica. A vantagem do uso do nióbio no lugar do
titânio ou até mesmo o vanádio, é sua capacidade de fornecer uma melhor
8
resistência e dependendo do conjunto dos elementos de liga, ele tem maior
capacidade de sinergia na liga, principalmente com nióbio.
Estas ligas utilizando o nióbio são bastante utilizadas em gasodutos e
oleodutos, mas também tem uso específico na exploração de petróleo em águas
profundas e na área espacial, consequentemente está crescendo bastante seu
uso, pois é uma área promissora, principalmente na área aeroespacial.
O nióbio também é um dos metais com maior resistência a corrosão em
meios ácidos e alcalinos. Essa característica capacita o material a fazer parte da
formação de lâmpadas de alta intensidade, normalmente utilizadas em meio
público, devido a essa excelente característica.
Além de tudo isso, o óxido de nióbio também tem uma excelente
importância, podendo ser utilizado também na área da cerâmica, servindo como
lentes óticas, capacitores cerâmicos e peças de motor devido a sua boa
resistência ao calor e a abrasão, característica presente tanto no nióbio puro
quanto em seu óxido.
Devido a todas essas características, o nióbio vem tendo seu interesse
crescendo ao redor de todo o mundo. Se formos analisar seu crescimento nos
últimos anos, pode se analisar que no último ano, seu crescimento foi de 10%,
porém se analisado desde a década de 90, o crescimento da balança econômica
foi de quase 2000%.
1.3. Grafite
“O carbono elementar existe em três formas alotrópicas na natureza –
carbono amorfo, grafita e diamante” (SAMPAIO; BRAGA; DUTRA, 2008). O
grafite, também conhecido como grafita, diferente do carbono amorfo, ele tem
boa resistência a oxidação mesmo em altas temperaturas.
Cada forma alotrópica possui diferentes densidades, onde o carbono
amorfo varia entre 1,3 e 1,9 enquanto a grafita varia entre 2,1 e 2,3 e o grafite
com 3,5. Outra grande diferença entre eles é na dureza Mohr, pois a grafita
chega no máximo a dureza 2,9 enquanto o diamante possui a maior dureza,
usada como a referência 10.
9
Uma característica muito conhecida da grafita natural é que ela
dificilmente é encontrada de maneira pura, prevalecendo grandes quantidades
de impureza, variando entre 10 a 20% em massa.
De acordo com Sampaio*(2008 apud BONISSEL,
2001) A diferença básica entre as estruturas cristalinas da grafita e do
diamante é que, na grafita, há um arranjo atômico em camadas,
segundo uma rede de planos hexagonais. A estrutura do cristal
consiste no arranjo de ânions C4- com a metade dos triângulos em
cada camada ocupada por cátions C4+. Cada íon na rede planar está
cercado por três íons, numa distância da ordem de 1,42 Å. A distância
entre os planos são maiores que o dobro, isto é, 3,35 Å, porque são
mantidas por forças de van der Waals. A diferença entre as
intensidades das ligações nas duas direções responde pelas
propriedades anisotrópicas da grafita, incluindo também propriedades
como condução térmica.
As ligações mais presentes na grafita possuem caráter metálico, fazendo
que ele tenha essa característica de brilho metálico e consequentemente uma
boa condutividade elétrica, porém ele tem características parecidas com o
diamante quando analisamos a estabilidade térmica e química do material.
A grafita é um excelente condutor de calor e eletricidade. Seu
ponto de fusão é da ordem de 3.550°C na pressão de 88 kg/cm2 . O
mineral sublima entre 3.300 e 3.500°C, na pressão de 1.033 kg/cm2 .
Na temperatura de 3.726°C, ocorre o segundo ponto triplo sob pressão
de, aproximadamente, 100.000 atm. A oxidação térmica na presença
de oxigênio inicia-se à temperatura de 300°C (TAYLOR, 1994).
O mineral da grafita natural é onde o carbono é encontrado na sua forma
natural. Esse mineral pode ser dividido em três tipos comerciais como pode ser
visto na figura 3.
10
Figura 3: Os diferentes tipos do mineral de grafita natural onde o (A) se encontra a grafita em
flocos, o (B) a grafite em veio cristalino e (C) a grafita amorfa.
3.2. Moagem
O objetivo de qualquer processo de moagem é a diminuição do tamanho
das partículas de um material sólido, para se obter uma melhor área superficial
e consequentemente a velocidade da reação de determinada matéria-prima
(RIBEIRO; ABRANTES, 2001).Isso facilita a mistura de uma maneira mais
uniforme diferentes materiais e permite a obtenção de um pó com melhores
características para futuras utilizações.
Esse processo tem bastante aplicação na indústria, pois é sabido que o
tamanho das partículas exerce uma alta influência nas propriedades e
comportamento dos materiais após sua fabricação. Por isso ele tem amplo
mercado, sendo um dos principais a indústria cerâmica, para melhor
homogeneização do material, na metalurgia do pó e até mesmo no ramo
alimentício, que visa a formação de pó a partir de alguma matéria-prima.
Para se obter o máximo rendimento nesse processo, são utilizados
parâmetros que se adaptam a cada tipo de moagem e a cada material. Os
principais parâmetros são a velocidade de rotação, quantidade de material
utilizados, relação entre o peso de bolas e do material e a granulometria da
matéria prima.
Existem muitos tipos de moagem, cada uma com sua característica
principal. Os mais utilizados no meio industrial são os moinhos de disco, moinho
de rolos, moinho de facas e de martelos, trituradores de mandíbula e o moinho
de bolas, que é o utilizado nesse estudo, porém com alta energia.
11
3.2.1 Moagem Spex
“Spex é muito eficiente na quebra de partículas duras, porém devido à
alta energia envolvida no processo é inevitável a formação de aglomerados,
proveniente de uma compactação das partículas finas dos pós” (TROMBINI;
BRESSIANI; TOMASI, 2011).
Para evitar a formação de aglomerados, é interessante o uso de um meio
alcoólico dentro do cadinho para que ocorra essa desaglomeração.
Normalmente é utilizado em moagem spex de aços o álcool isopropílico, ciclo
hexano e etanol.
“A técnica consiste basicamente no processamento de materiais na forma
de pós, reunidos com esferas de aço ou outro material de alta dureza, inserida
em um vaso de moagem, em movimento energético” (SANTOS, 2009).
Nesse processo de moagem, ocorre a fratura do material devido ao
choque das bolas com o material, causando assim a formação de uma mistura
homogênea. Porém, se o material já tiver uma composição uniforme, não deve
ocorrer essa transferência de material, por isso ela pode ser denominada como
moagem mecânica, mas esse termo não é muito utilizado na indústria devido ser
muito genérico.
A moagem spex consiste em uma moagem de alta energia em um moinho
de bolas onde a sua principal característica tem a relação da alta velocidade e
energia de impacto entre as bolas e as partículas dos pós. Essa alta energia
causa uma mistura das partículas com altíssimo grau de dispersão.
A diferença da moagem de alta energia e a convencional seria a energia
das bolas, na moagem convencional, esse choque era proporcional à massa e a
altura da queda. Essa energia era absorvida pelas partículas, causando uma
deformação que pode acarretar à fratura. Enquanto na moagem de alta energia,
a aceleração das bolas supera em muito a aceleração da gravidade, fazendo
que a energia cinética das bolas seja muito maior, causando ainda mais
deformação nos pós, deixando-os ainda mais uniformes.
A moagem spex causa sucessivas deformações nas partículas devido sua
alta energia que acaba causando soldagem, fratura ou adesão das partículas.
12
Caso os grãos sejam de algum material frágil, tem mais chance de ocorrer
a fratura das partículas, sendo essa fratura a causa principal para a diminuição
dos tamanhos de grão, aumentando assim a sua reatividade devido ao aumento
de sua área superficial.
Entretanto, em materiais dúcteis, como o material tem uma maior
capacidade de deformar sem chegar à fratura, o processo de soldagem entre as
partículas é o mais frequente, causando assim um aumento do tamanho de grão
e favorecendo a formação de aglomerados.
3.3. Metalurgia do pó
A metalurgia do pó é o processo metalúrgico de fabricação de
peças metálicas, que se distingue dos processos metalúrgicos
convencionais pelas características: utilização de pós metálicos e não-
metálicos como matérias primas, ausência de fase líquida ou presença
apenas parcial de fase líquida durante o processo de fabricação,
produção de peças com formas definitivas ou praticamente definitivas,
dentro de tolerâncias muito estreitas, geralmente sem necessidade de
operações de usinagem posteriores ou de qualquer outro tipo de
acabamento, produção de componentes com características
estruturais e físicas impossíveis de obter por qualquer outro processo
metalúrgico e obtenção de peças em grandes séries, tornando o
processo altamente competitivo em relação aos processos
convencionais. (CHIAVERINI, 1992).
O processo de metalurgia do pó é um processo de fabricação com muitas
vantagens em relação aos seus concorrentes, pois ela consegue gerar peças
com altíssima complexidade geométrica e com alta produtividade, como a
composição é mais fácil de alterar, pode com isso ter um controle maior em suas
propriedades ou até mesmo a sua porosidade, pode fazer associações de pós
metálicos com não-metálicos, pode fazer um material com duas matérias primas
preservando as propriedades de cada uma, o produto tem um acabamento
superficial muito bom além do material eliminar praticamente as rebarbas.
Entretanto, a metalurgia do pó possui suas limitações que seriam a
quantidade de peças produzidas, que para serem feitas em escala produtiva é
necessário muitos equipamentos, outra limitação importante é o tamanho das
13
peças, pois suas dimensões são limitadas pois elas estão diretamente
relacionadas com o tamanho das prensas de compactação, ou seja, quanto
maior a dimensão da peça, maiores e mais caros ficam as prensas, podendo
transformar em um processo economicamente inviável, além das dificuldades
técnicas para manusear esses equipamentos.
Porém, principalmente as limitações em relação a dimensão vem sendo
bastante estudada e vem diminuindo a importância principalmente depois da
inserção da tecnologia de compactação isostática e a quente, facilitando assim
o controle de dimensão da peça sem necessariamente empregar o uso de
prensas gigantes.
A metalurgia do pó parte de duas etapas principais depois que o pó já é
obtido, que são a fase da moldagem ou compactação e aquecimento ou
sinterização.
3.3.1 Compactação
Essa é a primeira fase da metalurgia do pó e ela consiste em uma pressão
feita sobre os grãos da matéria prima, tendo como objetivo de conformar o pó na
forma projetada, conferir as dimensões finais, conferir a densidade a verde
correta, conferir resistência mecânica para poder manusear o material e
proporcionar o contato entre os pós para que a operação de sinterização seja
feita com melhor rendimento.
A compactação pode ser dividida em vários processos sendo os mais
utilizados a compressão em matrizes, compressão isostática a frio e a quente,
laminação de pós e extrusão de pós metálicos.
Esse processo normalmente é feito com a utilização de pressão sob os
pós, porém existem algumas exceções, as mais conhecidas são referentes a
filtros metálicos, pois nela os pós simplesmente são soltos no molde e levados
para a sinterização, ou seja, sem passar pela pressão para sua compactação.
Durante o processo da compactação, existem três estágios que a matéria
prima acaba passando, sendo eles o primeiro estágio, onde as partículas se
rearranjam para retirar boa parte da formação de vazios. O segundo estágio
começa a ocorrer a deformação plástica das partículas, se o material tiver uma
14
boa ductilidade, ocorrerá uma compressibilidade melhor na densidade a verde e
caso possua alta porosidade, sua compressibilidade será pior. No último estágio
as partículas que foram ficando fragilizadas devido ao encruamento dos estágios
anteriores acabam quebrando e formando pós menores e mais uniformes.
Dentre os métodos de compressão na metalurgia do pó acabam se
destacando três principais classificações, que são a compactação por prensas
de ação simples, prensas de ação dupla e isostática.
3.3.1.1 Prensas de ação simples
Esse tipo de prensa possui um êmbolo de ação simples, onde está incluso
uma matriz que contorna toda a área da peça, uma punção superior que vai
causar a compressão na matéria prima e uma punção inferior para conformar e
ejetar o compactado.
Dentre todas as compactações principais, ela possui o menor índice de
densificação, pois as densidades acabam variando no decorrer da peça devido
só possuir uma fonte de pressão.
3.3.1.2 Prensas de ação dupla
Nesse sistema de prensagem, a compactação é feita pela punção
superior e inferior, visando homogeneizar a densidade da peça final, pois não
possuirá só uma fonte de pressão, terão duas.
Nesse tipo de compactação devido a pequena diferença na densidade no
decorrer da peça, o material tem menos chance de fraturar, pois se a diferença
for grande, o material acaba adquirindo propriedades frágeis.
3.3.1.3 Prensagem Isostática
Na prensagem isostática, o pó é colocado dentro de envólucro flexível,
essa parte fica imersa em um fluido e esse fluido sofre uma pressão sobre ele e
acaba dispersando a pressão de uma maneira que o material sofre a pressão de
maneira muito uniforme e com muitos pontos de pressão.
15
Por causa desses diferentes pontos de pressão, o material tende a possuir
a densificação mais uniforme entre os três, deixando assim o material com as
melhores propriedades e com menor risco de possuir poros ou fraturas no interior
de seu corpo.
3.3.2. Sinterização
A Sinterização é um processo térmico no qual os pós previamente
compactados, recebem tratamentos térmicos e a temperatura de operação
sempre é menor que a temperatura de fusão.
Este processo ocorre usualmente em temperaturas elevadas,
com ou sem formação de fase líquida. A força motriz é a redução da
energia livre do sistema, representada pelo decréscimo das curvaturas
nas superfícies dos pós e eliminação da área superficial total. Permite
a produção de materiais sólidos (peças) oriundos de corpos porosos
compostos de conglomerados de pós através da formação e
crescimento das ligações entre as partículas e a mudança na
geometria e tamanho dos poros (GERMAN, 1984).
Durante a sinterização, ocorre a retração do material, que acaba
acarretando em um aumento na sua densidade, como também melhora suas
propriedades mecânicas, tendo em vista a homogeneização do material onde
acaba acarretando esse efeito. Nessa etapa também ocorre uma diminuição de
energia livre do sistema, visando um estado mais estável.
As propriedades afetadas diretamente pela sinterização do material são a
resistência mecânica devido a estabilidade que o material recebe, as suas
propriedades físicas, sua dureza, além das mudanças causadas e
transformações microestruturais.
Nesse processo térmico, devido a sua continuidade, ele pode ser dividido
em três principais estágios. No primeiro estágio os grãos começam a formar
pescoços entre eles, gerando a primeira continuidade da matéria, nessa fase
ocorre a primeira retração, mas em menor intensidade.
Durante o estágio intermediário, as partículas vão perdendo sua
intensidade devido ao crescimento da largura dos pescoços, durante esse
estágio também ocorre a formação de duas fases decorrentes da fase sólida e
16
os vazios formados pelas ligações entre os poros. Nessa fase intermediária
ocorre a maior retração dimensional do material.
No estágio final a densificação fica bem alta, ficando entre 95 e 99% da
densidade teórica do material, também ocorre o isolamento dos poros, porém se
nesses poros tiver a presença de gases que não se dissolvem no material, acaba
prejudicando a densificação pois existirá uma pressão oriunda do gás retido.
O ciclo da sinterização é composto por quatro parâmetros que são a taxa
de aquecimento e resfriamento, temperatura de patamar e tempo de patamar. A
taxa de aquecimento e resfriamento está relacionada a estabilidade nas
transformações e na cinética da sinterização.
A temperatura de patamar está relacionada ao fluxo difusivo, pois se tiver
uma maior temperatura, o coeficiente de difusão é aumentado e acaba facilitando
a transferência de calor.
O tempo de patamar vai definir a duração da difusão que vai ocorrer na
temperatura de patamar, se tiver um longo tempo, a transferência de calor pode
ser ainda maior e isso é algo interessante pois pode melhorar as propriedades
do material gerado.
3.4. Caracterização
3.4.1. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
O MEV permite fazer imagens de superfícies via elétrons retroespalhados,
com um contraste se baseando na composição e no número atômico do material,
quanto maior for esse número, mais claro ele aparece na imagem.
A utilização desses feixes de elétrons no lugar dos fótons que
normalmente são utilizados no microscópio convencional acaba resolvendo o
problema em relação a fonte de luz branca.
O MEV é um aparelho que pode fornecer informações de maneira muito
prática sobre a morfologia e identificação de elementos químicos em uma
17
amostra sólida, por isso possui muita utilização na área da engenharia,
odontologia, farmácia, medicina e biologia.
O MEV é um dos mais versáteis instrumentos disponíveis para
a observação e análise de características microestruturais de objetos
sólidos. A principal razão de sua utilidade é a alta resolução que pode
ser obtida quando as amostras são observadas; valores da ordem de
2 a 5 nanômetros são geralmente apresentados por instrumentos
comerciais, enquanto instrumentos de pesquisa avançada são
capazes de alcançar uma resolução melhor que 1 nm.
(NAGATANI,1987).
Uma das grandes vantagens do MEV é a aparência tridimensional da
imagem gerada das amostras, tudo isso é decorrente da grande profundidade
de campo. Esse microscópio também consegue fazer pequenas aproximações
com alto foco, algo muito importante porque pode complementar a imagem de
outras técnicas de microscopia como a ótica.
3.4.2. Difração de raios-x (DRX)
A técnica de difração de raios x se utiliza do fenômeno de interação entre
um feixe incidente de raios x e os elétrons dos componentes do material, sendo
futuramente detectado os fótons difratados que constituem o feixe difratado.
Segundo Jenkins e Snyder (1996), ao atingirem um
material, os raios X podem ser espalhados elasticamente, sem perda
de energia pelos elétrons dos átomos. O fóton de raios X, após a
colisão com o elétron da amostra, muda sua trajetória, mantendo,
porém, o mesmo comprimento de onda da radiação incidente. Sendo
assim, cada elétron é atuante, instantaneamente, como um novo centro
de emissão de raios X.
3.4.3. Fluorescência de raios-x (FRX)
A técnica de fluorescência de raios x se baseia na medição dos raios x
característicos emitidos pelos elementos que fazem parte da amostra devido a
dispersão de energia ou por causa do comprimento de onda do material.
18
A análise por espectrometria de fluorescência de raios-x se baseia no
pensamento que cada elemento químico emite uma radiação característica
quando submetidos a uma excitação. Devido ao impacto das radiações de alta
energia decorrentes de um tubo de raios-x acabam causando a emissão dos
espectros de linha característicos.
Um átomo ao receber essa descarga de raios-x possibilita a entrada dos
fótons de raios-x que acabam atingindo o elétron, esse choque causa um
movimento dos elétrons na camada de menor energia, causando um vazio que
é preenchido por um elétron com maior energia. Durante esse preenchimento,
uma energia é liberada e ela pode ser chamada de fluorescência, sendo uma
energia característica de cada partícula. De acordo com Oliveira (2011), a
radiação emitida pela amostra demonstra as características de comprimento de
onda dos elementos presentes na amostra.
O objetivo principal da análise de FRX é descobrir quais elementos
presentes em um material, pois com a análise desses picos únicos, o
equipamento consegue mostrar todos os picos de energia e com isso fornece a
informação da composição do material a ser analisado.
3.5. Dureza
A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação
plástica feita em uma área localizada. Por muitos anos essa propriedade era
relacionada a capacidade do material riscar o outro, fazendo assim que fosse
criado uma escala onde a menor dureza, era o material que poderia ser riscado
por todos os outros padrões acima.
Por causa disso foi criada a escala Mohs (Figura 4), onde foram utilizados
como padrão dez minerais naturais, onde para ser calculado a dureza do
material, era necessário ir pegando cada um e ir riscando até ele perder essa
19
capacidade, assim podendo determinar entre quais escalas ele se encontrava
em relação a dureza.
Figura 4: Escala de Mohs
Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência do que os
outros ensaios mecânicos devido ao seu baixo custo, além de não ser destrutivo,
podendo assim fazer vários testes com a mesma peça e também de que com a
dureza, pode se estimar muitas outras propriedades relacionadas.
Esse ensaio não-destrutivo pode ser feito de várias maneiras, podendo
elas serem medidas por diferentes equipamentos e métodos. As principais
classificações de dureza estão relacionadas a capacidade de penetração e elas
são:
3.5.3. Dureza Vickers
O ensaio de dureza Vickers se utilizando da norma ASTM E92 consiste
na correlação entre a carga e a área de impressão feita pelo penetrador. O
penetrador é feito de diamante com formato piramidal de base quadrada com
ângulo de 136°. Esse ensaio pode ser feito em todos materiais e dependendo da
sua carga pode ser feito a dureza comum, superficial e microdureza.
20
Equação 1: Fórmula da dureza Vickers(HV)
4. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão mostrados todos materiais utilizados durante esse
estudo, além da metodologia para analisar o efeito do tempo de moagem em
ligas produzidas por metalurgia do pó.
21
Após a revelação desses materiais será mostrado como foi feita toda a
metodologia empregada em cada processo da mistura até as caracterizações
realizadas no material.
4.1. Materiais
Os materiais utilizados para formarem as ligas de metais dessa pesquisa
estão mostrados na Tabela 1.
Tabela 1: Elementos utilizados na preparação das amostras de metalurgia do pó.
Materiais Quantidades (g)
Aço Eurofer 27,15
Nióbio 2,7
Grafite 0,15
4.2. Métodos
Para efetuar os testes nessa pesquisa, foram necessários alguns passos
para podermos chegar nas análises de resultados. O primeiro procedimento foi
a mistura das matérias primas iniciais para chegar na composição almejada. A
composição escolhida foi de 90,5% de Aço, 9% de Nióbio e 0,5% de grafite.
Foram feitas primeiramente as pesagens dos pós em uma balança de alta
precisão Shimadzu AUW2200 para podermos separar esse material em três
misturas de 10 gramas com a mesma composição.
Após essa separação das misturas, o material foi guardado em três
recipientes diferentes para futuramente serem levados para o procedimento da
moagem Spex.
4.2.1. Moagem Spex
22
O primeiro procedimento para a moagem foi o preenchimento do cadinho,
com uma proporção de 10:1 do peso das bolas com o do material, com 10
gramas do pó da liga formada pela mistura. Após preenchimento com o pó, é
necessário seu preenchimento com álcool isopropílico até aproximadamente
90% do volume dele e fechá-lo com bastante firmeza para evitar o vazamento
do álcool durante o processo.
Em seguida o cadinho com o material é acoplado ao moinho Spex WEG,
onde passará por ciclos de moagem por seis minutos, com pausas de doze
minutos para resfriar e evitar o superaquecimento do cadinho. Para a primeira
mistura foram feitos cinco ciclos de seis minutos para totalizar o valor de trinta
minutos de moagem.
Depois da retirada do cadinho do moinho, o material foi retirado do
cadinho para ter acesso ao material no seu centro. Com a abertura do cadinho,
é necessário encontrar um local para derramar essa amostra e coloca-la dentro
de uma capela por 24 horas para que ocorra a total evaporação do álcool
presente.
Com a efetuação do despejo do material na capela, é necessário fazer a
limpeza no cadinho e nas bolas do seu interior. Ela deve ser feita com o álcool
isopropílico, depois colocar o cadinho de volta com suas bolas no moinho e ligá-
lo por 2 minutos, depois despejar o líquido e fazer mais uma vez esse
procedimento.
Após essa limpeza, foi novamente preenchido com a mistura do pó e com
álcool isopropílico e novamente levado para o processo de moagem. Porém a
próxima moagem eram dez ciclos de seis minutos, com pausas entre os ciclos
de doze minutos para resfriar. Em seguida o material era despejado em um
recipiente e levado para a capela para passar pelo processo de secagem por 24
hora.
Por último, o cadinho foi preenchido com a mistura e levado para vinte
ciclos de seis minutos no moinho Spex, com pausas de doze minutos para o
processo de resfriamento do cadinho.
Logo após a moagem, novamente a mistura é levado para a capela para
a evaporação do álcool. Com todas as moagens finalizadas, para limpar o
cadinho é ainda necessário o uso do álcool isopropílico com dois ciclos de três
23
minutos para ele ficar completamente limpo. Depois esse cadinho deve ser
secado com um secador para evitar a umidade no seu interior e
consequentemente sua oxidação e das bolas.
4.2.2. Compactação
Para compactar os pós moídos, é necessário tirar as misturas da capela
e separá-las em recipientes separados para evitar a troca de amostras. Após
esse processo foram pesados 0,500g desse pó e levado para o molde de 8mm
para poder fazer a compactação na prensa.
Primeiramente preencheu-se o molde com o pó, depois foi levado para a
prensa uniaxial. Com o auxílio de uma célula de carga, a amostra foi submetida
a 596,83 Mpa(3000kg) por um tempo de um minuto e depois é feito a
desmoldagem para podermos analisar a amostra compactada.
Foram feitas três prensagens para cada tempo de moagem. Onde uma
dessas amostras eram submetidas ao exame de dilatometria e as outras duas
foram levadas para o processo de sinterização, para poder ter uma média da
densificação de cada tempo de moagem quando submetida a uma sinterização.
4.2.3. Dilatometria
Com a compactação das amostras de cada tempo de moagem, é
necessário fazer o teste de dilatometria para observar os efeitos na relação entre
tempos de moagem e suas dilatações.
24
Primeiro passo foi pegar o pó compactado em moagens de 30 minutos de
duração e medir o tamanho de sua altura pois esse dado é necessário para o
equipamento que mede dilatação.
Como esse compactado foi feito em uma matriz de 8mm, é necessário
pegar um suporte que adapte essa amostra ao dilatômetro. O equipamento
utilizado nos testes foi o Netzsch DIL 402 PC e a amostra ficou por 3 horas em
análise depois de ser feito a correção da dilatometria desse material.
Após a conclusão dessa análise, foram definidos os parâmetros da
sinterização, que seria uma temperatura de 1300°C, com uma taxa de 10°C/min
e com um tempo de 1 hora.
4.2.4. Sinterização
Com os resultados do ensaio de dilatometria, é possível analisar em qual
faixa de temperatura ocorre a sinterização. Analisando esses resultados foi visto
que na temperatura de 1300°C ocorria a sinterização em todas as amostras com
tempos de moagem diferentes.
A sinterização foi feita em um forno tubular ANALOGICA AN1430i com a
temperatura de 1300°C porém com uma taxa de 10°C por minuto e com 1 hora
estabilizada na temperatura máxima. Duas amostras de cada condição foram
colocadas em um cadinho que armazenava seis amostras, sendo duas de cada
tempo.
Concluído o processo de sinterização é necessário esperar o resfriamento
do forno e cadinho até que cheguem em temperatura ambiente, de maneira lenta
ao ar livre para evitar possíveis choques térmicos que poderiam causar fraturas
ou até mesmo poros.
Terminado a sinterização, cada amostra deve ser armazenada em um
local diferente com sua identificação para poderem ser feitas os cálculos em
relação a densificação que ocorreu após o processo de queima. Tendo esses
dados podemos levar as amostras para a caracterização para serem feitas
outras análises.
4.2.5. Caracterização
25
4.2.5.1. Fluorescência de raios-x(FRX)
A primeira caracterização necessária foi o FRX no pó do aço inicial, pois
com essa análise de fluorescência de raios-x, podemos ver todos os elementos
presentes nessa liga de aço.
Essa análise de FRX foi realizada no equipamento Shimadzu EDX-720. O
primeiro passo foi verificar se o volume de nitrogênio líquido está dentro da faixa
correta. Caso esteja correto, podemos ligar o equipamento e calibrá-lo de
maneira adequada.
Com a caracterização feita é necessário fazer uma análise dos picos e
fazer a remoção de picos de elementos em intervalos não corretos ou materiais
decorrentes do próprio equipamento para assim ter uma análise mais precisa da
quantificação de cada material.
Outra análise necessária no FRX é a dos pós após a sinterização, pois
com essas imagens é possível verificar se houve mudanças nos picos
decorrentes do tempo de moagem, que é um dos objetivos do trabalho.
4.2.5.3. Difração de raios-x(DRX)
O objetivo do uso dessa técnica foi analisar o efeito da moagem e o da
sinterização. Primeiro foi feito a análise nos pós iniciais, para podermos
comparar com a literatura e ver se estava padronizado. Após isso, foram feitos
DRX nas amostras pós-moagem para entendermos o efeito da moagem nos
seus picos, comparando as amostras de 30 minutos, 1 hora e 2 horas. Por último
foram feitos o DRX nas amostras após serem sinterizadas para novamente ser
mostrado um efeito comparativo entre as amostras.
O equipamento utilizado foi um DRX Shimadzu XRD-7000 e as amostras
eram colocadas em um porta amostra, de maneira centralizada para que os
raios-x tenham uma incidência melhor e chegarmos em um resultado mais
preciso. Antes de colocar no equipamento, é necessário colocar uma pressão
sobre os pós com algum objeto sem impurezas para que a altura do pó não
ultrapasse o porta amostra.
26
Os parâmetros utilizados foram Rietveld de 10° até 80°, com um grau por
minuto e com passo de 0.02 graus. Depois de colocados, o material pode ser
analisado e o equipamento fornecerá o gráfico com todos os picos nesse
intervalo e assim podermos descobrir seus picos e se houve mudanças de fases.
4.2.5.4. Microscopia eletrônica de varredura (MEV)
Esse tipo de caracterização é muito importante pois ele nos dá uma
imagem da microestrutura para assim podermos comparar o efeito dos
procedimentos em cada material.
O MEV utilizado é um HITACHI TM3000 e nele foram feitas todas as
análises de microscopia. As primeiras imagens geradas foram dos pós iniciais,
sendo eles fixados com auxílio de fita de carbono e com o despejo do material
sobre ele. Depois disso se é retirado o excesso do pó e levado para o
equipamento, colocado sobre o vácuo e consequentemente gerando uma
imagem pelo software sobre cada material.
Os pós gerados após a moagem também são submetidos a essas
imagens, para podermos analisar o efeito dessa moagem no tamanho do grão e
na homogeneidade da estrutura, presença de poros ou falhas.
Porém, para as imagens do pós após a sinterização, foi necessário ser
feito um embutimento com um polímero para facilitar o processo de lixamento e
polimento do material e consequentemente gerar boas imagens no microscópio,
usando lixas de granulação 150 até 1200 para além de homogeneizar o material,
também fazer uma espécie de polimento para o melhor acabamento da peça.
4.2.6. Ensaio de dureza
O ensaio de dureza escolhido para esse material foi a dureza Vickers , se
utilizando da norma E92.Antes de tudo era necessário a preparação da amostra,
27
ou seja, um exemplar de cada tempo de moagem pós sinterização deveria ser
lixado e polido para que a superfície ficasse uniforme e facilitasse o ensaio de
dureza, pois se a estrutura tiver irregular e com riscos, o equipamento pode
acabar dando um valor com erros.
O equipamento utilizado foi o HPO 250 Werkstoffmaschinenpruf, onde se
passou pelo processo de colocar a amostra dentro do mesmo e foi utilizado a
carga de 5Kgf para fazer sua análise e por final é informado o valor da dureza
Vickers(HV) do material se baseando no tamanho das diagonais da identação.
Com isso podemos analisar o efeito da moagem na dureza final e se é algo
positivo ou negativo para a peça com aplicação para ser um ligante.
28
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1. Caracterização
5.1.1. Pós Iniciais
O primeiro passo para ser feito é descobrir quais elementos estão
presentes nesse aço e consequentemente quais fases, para podermos ter uma
base de suas propriedades e podermos comparar suas caracterizações com as
misturas e as amostras sinterizadas. Após o ensaio de FRX, foram encontrados
os seguintes elementos em sua composição que pode ser visto na Tabela 2.
Tabela 2: Composição do Aço segundo FRX
Material Composição (%)
Fe 82,182 Cr 14,280 Ti 1,031
Mo 0,675 Ca 0,628 W 0,591 Al 0,250 Ni 0,123 S 0,108
Nb 0,055 Se 0,041 Cu 0,036
Com esses dados da composição (Tabela 2) também podemos fazer um
controle para analisar se houve possíveis contaminações no processo e com
isso termos uma análise mais consistente.
O material que compõe o Aço é principalmente composto por Ferro,
Cromo e Titânio. Devido a essa composição, o nióbio é adicionado na liga
visando a formação de uma solução sólida e a formação de NbC para o aumento
da dureza da amostra final.
Após o descobrimento desses dados, foram feitas análises na difração de
raios-x, pois com os resultados desse teste de caracterização, podemos
29
comparar com os valores após a moagem e vermos se houve alguma formação
de nova fase, caso tenha ocorrido, o moinho acabou aquecendo demais e
afetando no resultado final. Esses picos são vistos nas Figuras 5,6,7.
Figura 5: DRX do Grafite
Figura 6: DRX do Aço
30
Figura 7: DRX do Nióbio
Os picos encontrados nos pós iniciais, tiveram a mesma formação
encontrada na literatura, ou seja, os picos esperados são nesses intervalos,
então pode-se concluir a baixa ou nula contaminação presente.
Foram feitas análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV), para
termos uma visão em relação aos tamanhos de partículas e observar se tem uma
grande discrepância em relação aos tamanhos ou se são semelhantes. Caso
eles possuam tamanhos parecidos, a compactação após a mistura será mais
simplificada. Essas imagens podem ser vistas nas Figuras 8,9,10.
31
Figura 8: Imagens do MEV do Nióbio
Figura 9: Imagens do MEV do Aço
32
Figura 10:Imagens do MEV do Grafite
Com a análise pelo microscópio eletrônico de varredura, foram
observados os tamanhos médios das partículas visando a análise da
possiblidade de uma mistura entre eles. O nióbio possuía o maior tamanho médio
com 26,7µm, o aço com 28,3µm e o grafite com 23,0µm.
Esses dados fornecem a informação da possibilidade dessa mistura, pois
como o tamanho médio das partículas de aço e nióbio são muito semelhantes e
o nióbio um pouco menor, isso garante uma dispersão melhor durante a
moagem. Pois possui uma menor chance de formar grandes interstícios, que
acabam gerando poros.
33
5.1.2. Pós moídos
Os pós iniciais foram divididos em três grupos, onde o primeiro sofreria
uma moagem Spex de 30 minutos, o segundo seria uma hora e o último por duas
horas.
Como esse tipo de moagem é de alta energia e consequentemente causa
aumentos de temperatura, foram feitas caracterizações via DRX(Figuras
11,12,13) para visualizar se alguma nova fase foi criada ou se os intervalos de
cada ciclo foram feitos de maneira correta, evitando assim a formação desses
novos picos.
Figura 11: Análise via DRX do material moído por 30 minutos
34
Figura 12: Análise via DRX do material moído por 1 hora
Figura 13: Análise via DRX do material moído por 2 horas
35
Foi mostrado no gráfico que os picos da mistura final, possuíam os
mesmos picos do aço, resultado esperado pois a maior parte da estrutura é
composta por ele. Com a presença de 9% de nióbio, fez com que surgissem
alguns picos na mistura final, porém com intensidades bem menores devido a
sua composição. Já os picos do carbono grafite, acabaram não aparecendo pois
com pouco tempo de moagem, o grafite fica amorfo, dificultando assim a
percepção da máquina com seus picos, além de sua baixa presença na
composição final acabou anulando seus picos no produto final.
Como não foram formados novos picos, pode-se afirmar que não houve
formação de novas fases, além dos picos não terem sidos deslocados, isso
informa que a deformação plástica não chegou ao ponto de deslocar os picos,
também não houve diminuição no tamanho dos cristalitos, devido ao fato de não
ocorrer alargamento dos picos.
Concluído a parte da observação da análise dos picos de DRX, podemos
agora estudar o efeito do tempo de moagem de alta energia na microestrutura
do material. Para podermos indagar qualquer afirmação, foi necessário a
utilização do MEV na amostra (Figura 14,15,16) para visualizar sua superfície.
36
Figura 14: Imagens do MEV do Pó moído por 30 minutos
Figura 15: Imagens do MEV do pó moído por 1 hora
37
Figura 16: Imagens do MEV do pó moído por 2 horas
Observando as imagens de microscopia gerada, foi concluído que o
tamanho das partículas aumentou, isso é decorrente do nióbio começar a se
misturar ao ferro, saindo dos seus aglomerados vistos nas partículas de 30
minutos de moagem para se misturar com as partículas de aço. Outro fator
bastante visível é a largura do material, com o passar do tempo da moagem, foi
notado o afinamento dela, isso ocorre pois a moagem causa deformação plástica
no material e a presença do grafite, acaba fazendo o efeito de lubrificante que
auxilia a moagem no processo de amasso do material, gerando assim partículas
mais finas e com o aumento de sua área de superfície, a partícula possuí melhor
compactação.
38
5.1.2.1. Dilatometria
Um ensaio muito importante para ser colocado em questão é a
dilatometria dos materiais, pois com ele podemos ver se somente o efeito da
moagem já causa alguma diferença nas propriedades da estrutura mesmo antes
da sinterização. Para poder ser analisado, uma amostra de cada tempo foi
levada ao equipamento para ver os dados sobre suas dilatometrias e compará-
las como pode ser visto na Figura 17.
Figura 17: Gráfico de dilatometria no pó moído por 30 minutos,1 hora e 2 horas
Após feitos os ensaios, foi possível visualizar uma boa diferença nos
gráficos (Figura 15), principalmente quando comparado os tempos de 2 horas e
30 minutos. A inclinação do gráfico é muito maior na moagem de 2 horas,
indicando uma taxa de sinterização maior.
39
Com a efetuação desse ensaio, foi possível determinar que a temperatura
de início de sinterização para as três amostras é a mesma, porém a taxa de
sinterização na amostra de 2 horas, é maior que as outras. Outro dado mostrado
é que a contração das amostras de 2 horas e 1 hora são melhores que a de 30
minutos, indicando assim que a porosidade será maior na amostra de 30
minutos. A temperatura escolhida para a sinterização foi 1300°C pois nela todas
as amostras concluem sua sinterização por completo.
5.1.3. Amostras sinterizadas
Com os pós já misturados com três diferentes tempos, o próximo processo
é a sinterização, visando uma maior compactação da amostra e
consequentemente transformá-la em uma peça mais sólida e palpável.
Para vermos se ocorreu a sinterização, é necessário analisarmos seu
DRX (Figuras 18,19,20), pois com ele será possível com o gráfico gerado, ver
novos picos e com isso concluirmos o surgimento de novas fases.
Figura 18: DRX da amostra moída por 30 minutos e após sinterização
40
Figura 19: DRX da amostra moída por 1 hora e após sinterização
Figura 20: DRX da amostra moída por 2 horas e após sinterização
41
Os gráficos mostram que os picos antes da sinterização prevaleceram,
mas também houve surgimento de novos picos. Esses novos picos podem
decorrer da deformação plástica que causa deslocamento dos picos ou a
formação de novas fases. Também podemos também inferir que não houve
diminuição no tamanho dos cristalitos, pois não houve alargamento dos seus
picos.
Esses novos picos que surgiram podem sugerir a nova formação de fases,
porém não foram obtidos dados conclusivos para a formação de Carbeto de
Nióbio ou outras fases.
Próximo passo das possíveis análises de caracterização seria o FRX
(Tabela 3,4,5), agora para ser feito uma vistoria em relação a composição do
material e ver se houve alguma contaminação em grandes quantidades que
poderia afetar os resultados do teste.
Tabela 3: Composição do material após 30 minutos de moagem e sua
sinterização
Elemento Composição (%)
Fe 65,358 Nb 18,675 Cr 12,748 Ti 1,071 Si 0,638 Mo 0,567 Al 0,414 W 0,329 Hg 0,107 Ni 0,065 Se 0,027
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Tabela 4: Composição do material após 1 hora de moagem e sua sinterização
Elementos Composição (%)
Fe 65,089 Nb 17,851 Cr 13,155 Ti 1,261 Si 0,894 Al 0,565 Mo 0,538 W 0,391 Hg 0,116 Ni 0,076 Se 0,033 Cu 0,032
Tabela 5: Composição do material após 2 horas de moagem e sua sinterização
Elemento Composição (%)
Fe 67,242 Nb 15,448 Cr 13,861 Ti 1,039 Si 0,783 Mo 0,512 W 0,476 Al 0,336 Hg 0,136 Ni 0,098 Se 0,037 Cu 0,033
Conferindo esses dados, podemos aferir que esses materiais não
sofreram contaminações significativas durante a moagem e sinterização, pois
suas composições estão bem semelhantes entre si e em relação ao FRX do Aço.
Com isso os resultados das propriedades feitas poderão ser utilizados com
segurança e sem possíveis fontes de erro.
Após verificação desse surgimento de novas fases, foi feito o uso de
imagens do MEV (Figura 21,22,23), para ser analisado como a superfície do
material se comportou com a alteração dos tempos de moagem.
43
Figura 21: Superfície do material moído por 30 minutos e após sinterização
44
Figura 22: Superfície do material moído por 1 hora e após sinterização
Figura 23: Superfície do material moído por 2 horas e após sinterização
Observando essas imagens geradas, primeiramente foi notado que em
todas as amostras, tiveram a formação de muitos poros e isso ocorre devido ao
45
carbono fazer uma barreira que dificulta a sinterização e aumenta a interface de
difusão. Com as amostras com maior tempo de moagem, a presença dos poros
diminuiu devido ao achatamento maior que ocorreu nelas, fazendo que elas
tivessem uma maior área superficial, que é um fator que auxilia a compactação
do material.
No menor tempo de moagem também é visto a formação de aglomerados
de nióbio, que na imagem aparecem como as partes mais claras, ou seja, o
material não chegou em uma mistura muito eficaz nesse baixo tempo.
Porém, com o aumento do tempo de moagem, ocorreu uma melhor
distribuição das fases de nióbio no material, indicando que a mistura foi ficando
mais homogênea durante o crescimento do tempo de moagem. Essa mistura da
fase mais clara com a mais escura decorrente do ferro, mostra a relação direta
entre a capacidade da mistura em relação a moagem.
Já a relação de porosidade, com o aumento do tempo do procedimento,
os poros foram diminuindo pois com o aumento da deformação que ocorre, maior
ficou a área de contato das partículas, facilitando assim a sinterização do
material. Essa propriedade é muito interessante pois com a ausência dessa
porosidade, as propriedades do material vão melhorar, como a tenacidade da
amostra, além de melhor densificação e dureza.
5.2. Densificação
Um dos parâmetros escolhidos para fazer a comparação entre as
moagens foi a densificação. Pois como o processo de moagem de alta energia
causa a diminuição no tamanho do grão, então sua densidade teoricamente
deveria ser maior. Então para avaliarmos se isso ocorreu, foram feitas análises
das densidades de cada tempo antes e depois da sinterização (Tabela 6,7,8),
para podermos efetuar a comparação.
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Tabela 6: Densidade das amostras antes da sinterização
Amostra Volume(cm^3) Peso(g) Densidade à
verde(g/cm^3)
Densidade
Relativa(%)
30 minutos 0,1105 0,4592 4,1554 53,48
1 hora 0,1068 0,4771 4,4694 57,52
2 horas 0,1307 0,4887 3,7546 48,32
Tabela 7: Densidade das amostras após a sinterização
Amostra Volume(cm^3) Peso(g) Densidade
sinterizada(g/cm^3)
Densidade
Relativa(%)
30 minutos 0,09485 0,4585 4,8412 62,31
1 hora 0,0885 0,4785 5,4076 69,60
2 horas 0,0952 0,4924 5,1755 66,60
Tabela 8: Diferença na densificação
Amostra Densidade relativa
à verde(%)
Densidade relativa
sinterizada(%)
Aumento relativo
(%)
30 minutos 53,48 62,31 16,51
1 hora 57,52 69,60 21,00
2 horas 48,32 66,60 37,83
Depois de visualizar esses resultados, foi possível comprovar a relação
entre tempo de moagem e densidade. Pois, com o aumento de tempo de
moagem, a variação na densificação que ocorre após o processo de sinterização
é visível. Para chegar no valor da densidade relativa, foi utilizado como base a
densidade teórica de 7,77(g/cm^3).
Porém, quando visto a densidade a verde, as amostras com 2 horas de
moagem acabaram tendo uma densidade à verde menor que as outras, isso
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indica que o material começou a ter encruamento, dificultando assim a sua
compactação.
Após a sinterização, a variação de densidade relativa do tempo de 2 horas
de moagem, passa da casa dos 35%, enquanto a amostra submetida a 30
minutos, possui uma variação próxima dos 15%, mostrando assim a grande
relação entre sinterização, densificação e tempo de moagem.
Essa grande variação em relação a amostra de 2 horas, está relacionado
a maior área de contato gerada devido a maior deformação pela moagem,
fazendo assim que seu aumento relativo de densidade seja o mais
alto.
5.3. Dureza
Para calcularmos o valor da dureza, foi escolhido a dureza Vickers, onde
o tamanho das diagonais que o identador penetra o material define o valor final
de sua dureza.
Foram feitas 5 identações em cada amostra com seu tempo de moagem,
para obtermos um valor mais preciso em relação a dureza e com isso foram
feitas tabelas (Tabela 9,10,11) com os valores das diagonais para que a sua
dureza fosse definida.
Tabela 9: Durezas do material sob moagem de 30 minutos
D1 (mm) D2 (mm) Dureza Vickers (HV)
0,281 0,277 119,1146
0,271 0,278 123,0520
0,287 0,299 108,0036
0,298 0,296 105,1140
0,297 0,293 114,1520
Média - - 113,8872
Desvio Padrão - -- 6,6779
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Tabela 10: Durezas do material sob moagem de 1 hora
D1(mm) D2(mm) Dureza Vickers(HV)
0,269 0,269 128,1353
0,278 0,276 120,8409
0,272 0,271 125,7864
0,281 0,284 116,1814
0,262 0,267 132,5324
Média - - 124,6952
Desvio Padrão - - 5,6884
Tabela 11: Durezas do material sob moagem de 2 horas
D1(mm) D2(mm) Dureza Vickers (HV)
0,249 0,230 161,6450
0,211 0,218 201,5203
0,237 0,231 169,3330
0,223 0,227 183,1506
0,209 0,208 213,2855
Média - - 185,7869
Desvio Padrão - - 19,3091
Foi possível ver que com o aumento de tempo da moagem, a dureza do
material aumenta e isso é decorrente da melhor distribuição dos tamanhos das
partículas, que permite uma melhor sinterização e com isso promove assim uma
dureza maior. Por isso também concluímos que quanto maior o tempo de
moagem, maior sua dureza e isso é positivo tendo em vista que ele será utilizado
como ligantes de metais duro.
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6. CONCLUSÕES
Foi concluído nesse estudo, primeiramente, que existe uma razão entre o
efeito do tempo de moagem, como também sua influência na distribuição mais
homogênea dos pós, ou seja, quanto maior o tempo de moagem, mais fina serão
as partículas e também mais homogêneas.
Com a análise de dilatometria, foi constatado que a temperatura de início
de moagem das três amostras é a mesma, porém a taxa de sinterização é maior
na moagem de 2 horas e a compactação também é maior no aumento da
duração da moagem.
Para a relação entre densidade e tempo de moagem, foi observado que
existe uma relação entre a densidade e a moagem, pois com o maior tempo de
moagem, sua variação densificação após a sinterização chegou a 37,83%.
A microestrutura da liga após a sinterização, mostrou uma melhor
distribuição do nióbio no aço quando ocorria aumento no tempo de moagem,
além disso, a superfície tinha uma melhor homogeneidade e menor presença de
poros.
A dureza também foi confirmada como diretamente proporcional ao tempo
de moagem, pois com a melhor distribuição dos materiais na matriz, o material
acaba com maior dureza, que na maior moagem chegou a ficar próximo de 186,
enquanto os outros tempos não chegam a 70% desse valor.
6.1. Sugestões
Uma boa sugestão seria um melhor estudo dos picos gerados após a
sinterização, para analisar a presença de carbeto de Tungstênio. Além de uma
diminuição na presença de grafite, para aumentar possivelmente sua
densidade relativa e com isso oferecer melhores resultados.
50
7. REFERÊNCIAS
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