INFLUÊNCIA DA ADIÇÂO DE NbC NA SINTERIZAÇÂO POR METALURGIA DO PÓ DO BRONZE-ALUMÍNIO

21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais 09 a 13 de Novembro de 2014, Cuiabá, MT, Brasil

INFLUÊNCIA DA ADIÇÂO DE NbC NA SINTERIZAÇÂO POR METALURGIA DO PÓ DO BRONZE-ALUMÍNIO

A. N. O. Dias¹; D. A. Amancio¹; J. V. Toledo¹; M. L. N. M. Melo¹; G. Silva¹ Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI; [email protected] ¹Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

RESUMO Ligas de bronze-alumínio são muito apreciadas pela alta resistência mecânica e a corrosão quando comparadas a outras ligas. Sua produção por metalurgia do pó apresenta boas propriedades mecânicas, possibilidade de fabricação em grande escala e redução de custo. O objetivo deste trabalho é analisar as características da liga de bronze-alumínio produzida via metalurgia do pó pela moagem de alta energia (MAE). Para se obter um menor tamanho de partícula foi adicionado 3% de carbeto de nióbio na moagem de alta energia. O cavaco obtido da usinagem de uma barra de bronze-alumínio, foi moído com velocidade de 400 rpm por 20 horas. Após o peneiramento, foi realizada análise granulométrica e avaliação da porosidade. Pelos resultados, verificou-se que amostras sem adição de NbC apresentaram menor porosidade em relação as amostras com adição de NbC. A adição do NbC também diminuiu as dimensões das partículas da liga na MAE quando comparado ao material puro. Palavras–chave: Bronze de alumínio, NbC, metalurgia do pó, moagem de alta energia.

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INTRODUÇÃO Integrante da categoria "Ligas de Cobre", o bronze de alumínio apresenta até 14% de Al, que constitui o principal elemento de liga. A elevada resistência à corrosão sob tensão, em virtude da presença de uma película refratária de óxido, possibilita aplicações na indústria naval e aeronáutica. Uma das características do bronze de alumínio é a capacidade de manter a resistência mecânica a temperaturas relativamente altas e ter um pequeno ganho na mesma quando a temperatura diminui, sem perder a excelente ductilidade. A resistência à erosão por cavitação nesta liga é maior que a de aços das séries 300 e 400 (1). O processo de metalurgia do pó, que pode fabricar peças metálicas, não metálicas e cerâmicas, vem se desenvolvendo numa taxa cada vez mais crescente. Distingue-se dos processos convencionais pela ausência de fase líquida ou presença apenas parcial de fase líquida durante o processamento (2). O processo da metalurgia do pó consiste basicamente em obter o pó, prensar e depois aquecer (sinterização) para melhorar a coesão da estrutura interna. (3). A sinterização pode ser definida como um tratamento térmico para ligar as partículas em uma estrutura sólida coerente via eventos de transporte de matéria que ocorrem em escala atômica (4). Ao se iniciar o mecanismo de sinterização as partículas se unem mais diretamente e os parâmetros mais importantes neste processo são a temperatura, tempo, características das partículas, pressão aplicada, taxa de aquecimento e atmosfera do processo (5). O processamento de metalurgia do pó se caracteriza por produzir estruturas que contém poros. A presença deste tipo de defeito pode causar a queda de resistência mecânica se tornando indesejável para um bom desempenho em aplicações onde se deseja um material resistente a esforços mecânicos. A porosidade aparente da amostra é definida como o percentual volumétrico de porosidade aberta na amostra (6). A partir desse conceito, é possível comparar a densidade teórica e a densidade aparente das amostras. A densidade teórica pode ser determinada pela razão entre massa da amostra e seu volume total, desconsiderando porosidades abertas e fechadas, pela Eq. (A). Onde: Ps = Peso seco; V = Volume

(A) 2

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A densidade aparente é definida como a razão entre a massa da amostra e seu volume total, o que considera o volume do sólido e os volumes das porosidades, tanto aberta quanto fechada. Este valor pode ser calculado pela Eq. (B) (7). (B) Onde: Ps= Peso seco; Pu= Peso úmido; Pi = Peso imerso; ρ1 = Densidade da água.

MATERIAIS E MÉTODOS A liga de Bronze-Alumínio utilizada neste trabalho possui composição química de 78,5 Cu - 10,5 Al - 5,1 Ni - 4,8 Fe. Uma barra extrudada de 25 mm de diâmetro, obtida por fusão, e o pó, obtido pela moagem de cavacos de usinagem foram objeto de estudo. Amostras de 5 mm de foram cortadas e submetidas a procedimentos metalográficos. A microestrutura martensítica e os precipitados foram revelados com solução química de 5g de FeCl3 + 5ml de HCl+ 100 ml H2O, por 4 segundos. Após, foi realizado o ensaio de microdureza, na escala Vickers com carga de 1,96 N. Logo após, foram feitas duas medidas de 30,00g para as pastilhas 1 e 2, sem adição de Carbeto de Nióbio (NbC), e uma terceira de 50,00g dividida em duas partes, para as amostras 3 e 4, com adição de 3% de NbC. A proporção foi de 1g de cavaco para 10 gramas de esferas. As massas de cavaco estão dispostas na Tab. 1. Tabela 1. Valores de massa de cavaco e esferas adicionadas nos jarros de moagem Amostra 1e2 3e4

Massa de cavaco 30,00g 25,00g

Massa de esferas pequenas 100g 83g

Massa de esferas Massa de esferas médias grandes 100g 100g 83g 83g

Foi utilizado um moinho planetário com rotação de 400 rpm por 20 horas e a cada 5 horas as amostras foram caracterizadas em MEV e DRX. Os pós foram peneirados por 15 minutos com vibração de 80 Hz e prensados com carga de 5 toneladas. Depois, as amostras foram sinterizadas à 885ºC por 1 hora em forno à vácuo, resfriadas ao ar, limpas e colocadas em água destilada por 24h para medição da densidade pelo método de Arquimedes. A medida de porosidade foi feita em um microscópio óptico com 3 medidas em regiões distintas para obter maior precisão.

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RESULTADOS E DISCUSSÃO A micrografia do Bronze-Alumínio mostra a matriz martensítica e os elementos de ligas, pontos escuros, que influenciam as propriedades do material, pela Fig. 1.

Figura 1 – Barra de Bronze de alumínio atacada quimicamente. Aumento de 200x. A análise de microdureza em três pontos foi realizada para evitar erros. Os valores de microdureza e a média dos valores são apresentados na Tab. 2. Tabela 2 – Valores de microdureza HV Ensaio Dureza

1 267,3Hv

2 263,7Hv

3 275,6Hv

Média 268,87Hv

O ensaio de microdureza mostrou um aumentou na resistência mecânica do material a partir da redução no tamanho dos grãos nas amostras sinterizadas em relação àquelas tratadas. A seguir, os valores de massa para moagem de cavaco de Bronze-Alumínio e de NbC adicionados nos jarros 3 e 4 são mostrados na Tab. 3. Tabela 3 – Massa de cavaco de Bronze-Alumínio e NbC usados na moagem. Amostra 1 2 3 4

Massa de cavaco 30,00g 30,00g 25,7693g 0,2502g

Massa de NbC 0,7496g 0,2502g

Os cavacos de Bronze-Alumínio são dúcteis. Assim, nos jarros 1 e 2, onde não houve adição de NbC, ocorreu o encruamento do pó nas bolas do moinho, Fig. 2.

Figura 2 – Encruamento do Bronze de Alumínio nas esferas do moinho de bola. Os valores de massa obtidos em cada mesh da peneira são dados na Tab. 4

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Tabela 4 – Massa de Bronze de Alumínio separada no peneiramento. Granulometria Massa (g) dos Massa (g) Massa (g) (mesh) jarros 1 e 2 do jarro 3 do jarro 4 100 11,9362 1,8710g 1,3433g 200 8,2494 4,4633g 4,2427g 270 1,5096 1,0643g 1,2887g 325 1,0679 0,8076g 0,8487g 400 0,4180 0,3316g 0,3905g 500 0.3094 0,2592g 0,3581g Resíduo 0,1089 0,0439g 0,1502g O diâmetro, altura, massa e densidade das amostras seguem na Tab. 5. Tabela 5 – Diâmetro, altura, massa e densidade teórica das antes da sinterização. Pastilha 1 Pastilha 2 Pastilha 3 Pastilha 4 Após

Diâmetro (cm) Altura (cm) 1,20 0,98 1,21 1,04 1,20 0,59 1,20 0,56 a sinterização, o diâmetro e

Massa (g) Densidade teórica (g/cm³) 5,5616 5,0179 5,8802 4,9170 3,3835g 5,0727 3,1939g 5,0456 a altura do material não variaram. As

massas encontradas e as densidades por Arquimedes são dadas na Tab. 6. Tabela 6 – Massa e densidade por Arquimedes após a sinterização. Massa úmida (g) 5,8501 6,0992 3,5696 3,3778

Pastilha 1 Pastilha 2 Pastilha 3 Pastilha 4

Massa imersa (g) 5,4659 5,6693 3,4709 3,28080

D. Arquimedes (g/cm3) 14,4758 13,6781 34,2806 32,9268

As porosidades das amostras1 e 2 são apresentadas na Tab. 7. Tabela 7 - Valores de porosidade das amostras 1 e 2. Pastilha 1 Pastilha 2

29,51% 32,1%

33,01% 33,9%

27,27% 50,07%

= 29,93% = 38,70%

A porcentagem de porosidade pode ser observada na Fig. 3. a )

b )

Figura 3 - Amostras com aumento de 50x. 5 4590

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A presença de poros nas pastilhas 1 e 2 se dá, pois como os grãos tem tamanhos próximos e grandes, a sinterização do material fica dificultada. O processo oposto ocorre nas amostras 3 e 4. A Tab. 8 apresenta as medidas de microdureza. Tabela 8 - Valores de microdureza Vickers para as pastilhas 1 e 2. Pastilha 1 Pastilha 2

300,6 313,9

304,9 328,0

302,9 298,4

307,8 307,1

300,7 311,9

= 303,38 = 311,86

A Fig. 4 mostra a superfície das amostras com e sem NbC, via MEV. a )

b )

c

d )

Figura 4 - Granulometria das amostras de Bronze-Alumínio com NbC (a); com pouca porosidade (b); granulometria homogênea sem NbC (c); com muita porosidade (d). A maior homegeneidade dos grãos para a amostra de Bronze-Alumínio sem adição de NbC dificulta o empacotamento das partículas e a sinterização do material aumentando sua resistência mecânica, se comparados com a amostra fundida. Outros fatores que podem ter causado o nível de porosidade são as baixas temperaturas de sinterização e a pouca força aplicada na prensagem das pastilhas. O NbC no Bronze-Alumínio é observado na forma de pontos brancos na Fig. 5.

Figura 5 - Bronze-Alumínio com adição de Carbeto de Nióbio. 6 4591

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Pela Fig. 6, é possível observar uma diminuição dos tamanhos dos grãos com o aumento do tempo de moagem. Na primeira percebem-se grãos de grandes diâmetros, enquanto na segunda e na terceira imagem há uma redução do mesmo.

Figura 6 - Análise microestrutural do pó, após MAE nos tempos de 5h, 15h e 20h. CONCLUSÕES Observou-se neste trabalho um aumento da densidade antes e depois da sinterização causado pela densificação quando as amostras são levadas ao forno. O processo de sinterização de pós, em que os tamanhos de grãos acabaram ficando de tamanhos reduzidos, permitiu um aumento considerável da dureza. Porém, devido a grande quantidade de poros, é esperada certa fragilidade no material. Comparando o processamento por metalurgia do pó com e sem adição de NbC, percebeu-se a vantagem da adição desse elemento de liga para moagem. Por ser um material duro, esse elemento impediu que o Bronze de alumínio se encrustasse nas paredes das esferas dificultando a redução da granulometria. A granulometria mais distribuída nas amostras com NbC possibilitou um melhor empacotamento e um menor número de poros na amostra.

REFERÊNCIAS 1. DEREK E., Tyler; BLANK, William T. - Introduction to Copper and Copper Alloys, ASM, Metals Handbook, vol 2, Alloys and Special-Purpouse Materials),1990. 2. DELFORGE, D. Y. MI; FERREIRA, I; Sinterização de uma mistura de cavaco de aço

inoxidável

com

pó

do

mesmo

material.

Disponível

em

http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0370-4672007000100015&script=sci_arttext Acesso em 02 de novembro de 2013.

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3. MILANEZ, P. A.; BÚRIGO N. V.; Introdução a Metalurgia do Pó; Disponível em http://www.nepet.ufsc.br/introducao/seminarios/2011_1/metalurgia Acesso em 02 de novembro de 2013. 4. GERMAN, R. Sintering - Theory and practice. Ed. John Wiley & Sons. USA, 1996. 5. KINGERY, W.D.; BOWEN, H.K.; UHLMANN, D.R. - Introduction to materials of engineering - Ed. John Wiley& sons -2 ° edição - NY-1976. 6. PAES, L. E. S. Caracterização de uma Liga de Bronze-Alumínio com Aplicações Aeronáuticas Submetida a Diferentes Tratamentos Térmicos, UNIFEI, 2010. 7. DA SILVA, A. G. P. Porosidade e densidade de materiais cerâmicos. Cap. VI. Disponível

em:

http://aulas.eagps.info/ceramicos1/CAPITULO%20VII%20VF.pdf

Acesso em: 29 de outubro de 2013.

INFLUENCE OF THE ADDITION OF NIOBIUM CARBIDE SINTERING BY POWDER METALLURGY ALUMINUM BRONZE ABSTRACT Aluminum bronze alloys are highly appreciated by high mechanical strength and corrosion when compared to other alloys. Production by powder metallurgy has good mechanical properties, possibility of large-scale manufacturing and cost reduction. The objective of this study is to analyze the characteristics of the bronze-aluminum alloy produced via powder metallurgy by high energy ball milling. To obtain a smaller particle size was added 3% of NbC in high energy milling. The chip obtained by machining a bar of aluminum bronze, was ground with a speed of 400 rpm for 20 hours. After sieving, sieve analysis and evaluation of porosity was performed. From the results, it was found that samples without addition of NbC exhibited less porosity in the samples with addition of NbC. The addition of NbC also decreased the particle sizes of the mother alloy when compared with pure material.

Keywords: Aluminum Bronze, NbC, powder metallurgy, mechanical alloying. 8 4593