Author(s): Inverno, Armando S.
Date: 2015
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.9/3012
Origin: Repositório do LNEG
Subject(s): Pulverometalurgia; Nanocristalinidade; Sinterização; Aço inoxidável; Powder metallurgy; Nanocristalinity; Sintering; Stainless steels
Tese submetida à Universidade de Coimbra, Faculdade de Ciências e Tecnologia e aprovada em provas públicas para a obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Mecânica (especialidade de Ciência dos Materiais)
O progresso tecnológico e científico tem obrigado à produção de componentes com geometrias complexas e à sua miniaturização, em metais e ligas metálicas. A competitividade obriga a propriedades de resistência e comportamento e funcionalidade mais exigentes, o que tem impulsionado o desenvolvimento das nanotecnologias na pesquisa de soluções, em muitos casos, com base nas propriedades dos materiais produzidos convencionalmente. A pulverometalurgia é uma tecnologia de fabrico de componentes na forma quase definitiva ou definitiva, possibilitando uma elevada cadência de produção e a obtenção de materiais com composições e geometrias que não são possíveis de obter por processos convencionais. Assiste-se a um crescente desenvolvimento e aperfeiçoamento de soluções, baseadas na aplicação de materiais metálicos nanocristalinos em simultâneo com materiais microcristalinos. Um exemplo é a utilização de pós metálicos de dimensão micro aos quais é modificada a sua superfície pela aplicação de um revestimento de espessura nanométrica. O material utilizado no revestimento é normalmente da mesma natureza, onde se procura aumentar a reactividade dos pós ao nível da sua superfície e aumentar a eficiência da sinterização. Assim, é possível sinterizar a temperatura e duração de patamar inferiores aos adoptados normalmente nos aços 316L, considerando que sinterizar a temperaturas mais elevadas e de maior duração implicam maior crescimento do grão, degradando as propriedades mecânicas. A utilização de fornos de micro-ondas para sinterização de ligas metálicas surgiu como tecnologia alternativa, com algumas vantagens relativamente aos processos convencionais. Os materiais metálicos na forma de pós aquecem volumetricamente por efeito do campo magnético (H), a uma velocidade superior à dos sistemas convencionais. No entanto, os designados “efeitos não térmicos das micro-ondas” que podem estar na origem de fenómenos de aquecimentos localizados (hot-spot) e “descontrolado” (thermal runaway) carecem ainda de interpretação científica. Neste trabalho procurou-se contribuir para o esclarecimento de algumas das questões em torno da sinterização de componentes em aço inoxidável austenítico 316L, recorrendo a fornos micro-ondas. Analisaram-se as características superficiais dos pós e a sua reactividade por efeito do revestimento sobre a redução da porosidade e as microestruturas obtidas após sinterização, recorrendo à microscopia electrónica de varrimento (MEV), difracção por raios-X e microssonda electrónica. Estudaram-se as implicações que a morfologia e dimensão de partícula, o aumento da área superficial específica, o revestimento nanoestruturado, o atrito interpartículas e fenómenos de aglomeração, sobre a densidade em verde e densificação, nomeadamente na densidade final e na porosidade. Definiram-se ciclos de sinterização com temperaturas e durações de patamar inferiores aos utilizados convencionalmente que permitissem uma apreciação mais detalhada da utilização das micro-ondas comparando resultados com os obtidos em forno de vácuo em condições de patamar isotérmico e temperatura idênticos. Em micro-ondas utilizaram-se atmosferas constituídas por misturas de gases N2 + 7%H2, e Ar + 7%H2. Estudou-se o efeito da presença de uma fase líquida na densificação, pela adição de fracções ponderais de Estanho (5%, 10% e 20%), aos pós de aço 316L e ainda a alteração do revestimento nanométrico dos pós, de aço 304L para Níquel. Utilizaram-se pós de morfologia irregular (d50 = 38 ?m) e esférica (d50 = 8 ?m) revestidos e não revestidos e misturados na proporção ponderal de 50%-50%. Utilizou-se um terceiro pó usado em ?MIM, d50 = 3 ?m, para analisar a influência de partículas mais finas no processamento por micro-ondas. Os valores de densidade em verde variaram (78,8% a 83,3%), aumentando com a adição de Estanho (82,3% a 88,1%). O revestimento com Níquel e o incremento da fracção de Estanho (20% pond.) aumentaram também a densidade em verde (81,4% a 91,1%). Após sinterização valores de porosidade exibiram variações distintas. Em vácuo decresceram nos ciclos a temperaturas mais elevadas e mais longos, em consequência da cinética da difusão. Nos ciclos com adição de 10% de Estanho a 1000 ºC e 1100 ºC e patamar de 60 minutos, a porosidade aumentou. Em micro-ondas a porosidade decresceu com o aumento da temperatura. Contudo para a mesma temperatura a porosidade aumentou nos pós não revestidos e decresceu nos revestidos em particular nos de menor granulometria. O menor valor observou-se nos pós revestidos e adição de 5% de Estanho, para a temperatura de 1000 ºC, o que pode evidenciar o efeito do revestimento na redução da porosidade, aliado ao efeito da formação de uma fase líquida durante a sinterização. No ciclo 1100 ºC e 60 minutos a porosidade aumentou. O efeito do revestimento com Níquel na redução da porosidade não foi tão relevante por comparação com o observado nos pós revestidos em aço 304L. Os melhores valores obtiveram-se nos pós de menor granulometria, nos ciclos sem adição de Estanho. A presença de Estanho contribuiu para o aumento da porosidade. A alteração da atmosfera redutora de N2 + 7%H2 para Ar + 7%H2 poderá ter contribuído para a estabilização da porosidade, por efeito da presença de Argon. A análise das microestruturas em MEV e por difracção de raios-X evidenciou a existência de precipitados de Crómio, devidos a reacção com a atmosfera redutora, principalmente nas fronteiras de grão, constituídos por carbonetos de Crómio e nitretos de Crómio. Na sinterização de aços inoxidáveis 316L, observa-se que o efeito conjugado das micro-ondas com o revestimento nanocristalino das partículas é benéfica principalmente nos pós de menor granulometria, bem como a nível da redução das temperaturas e das durações dos patamares de sinterização face ao normalmente adoptados em sinterização convencional.
