Pó de liga refere-se a pós metálicos feitos de uma liga em vez de um único metal puro. As ligas são misturas de dois ou mais elementos metálicos projetadas para melhorar propriedades específicas, como força, resistência à corrosão ou usinabilidade. Os pós de liga oferecem vantagens exclusivas em relação aos pós de metal puro para aplicações de metalurgia do pó.
Visão geral do pó de liga metálica
O pó de liga oferece propriedades que podem ser personalizadas com o ajuste da composição. Esta tabela apresenta uma visão geral do pó de liga e suas principais características:
| Parâmetro | Detalhes |
|---|---|
| Definição | Pó metálico composto de uma liga em vez de metal puro |
| Composição | Mistura de dois ou mais elementos metálicos |
| Principais propriedades | Força, resistência à corrosão, dureza, usinabilidade, ductilidade, resistência ao desgaste, condutividade elétrica, aparência |
| Ajustabilidade | As propriedades podem ser adaptadas alterando as proporções dos elementos de liga |
| Processo de fabricação | Atomização de liga fundida em pó fino |
| Forma da partícula | Irregular, esférica, dendrítica, dependendo do processo |
| Sistemas de ligas comuns | Aço, aço inoxidável, alumínio, cobre, níquel, cobalto, titânio |
| Formulários | Peças de metalurgia do pó, pulverização térmica, moldagem por injeção de metal (MIM), manufatura aditiva |
O pó de liga expande os recursos da metalurgia do pó, oferecendo a capacidade de projetar materiais com propriedades específicas. As principais características do pó de liga incluem:
- Composição - Os pós de liga contêm pelo menos dois elementos metálicos em proporções variadas para atingir os atributos desejados. Os sistemas comuns incluem ligas de aço, alumínio e cobre.
- Propriedades ajustáveis - Ao alterar as porcentagens dos elementos de liga, os materiais podem ser adaptados quanto à força, à resistência à corrosão, à dureza, à ductilidade, à resistividade elétrica e a outras propriedades.
- Processo de fabricação - O pó de liga é produzido por atomização da liga fundida para produzir partículas de pó esféricas finas com boas propriedades de fluxo e empacotamento.
- Características das partículas - A morfologia, a distribuição de tamanho e a pureza do pó dependem do método de atomização. Os pós podem ser irregulares, esféricos ou dendríticos.
- Sistemas Alloy - Centenas de composições de ligas padronizadas e personalizadas estão disponíveis. São comuns as ligas de aço, aço inoxidável, alumínio, cobre, níquel, cobalto e titânio.
- Formulários - O pó de liga é usado para fabricar peças de PM, revestimentos de spray térmico, componentes moldados por injeção de metal e objetos impressos em 3D.
Com uma gama tão ampla de propriedades ajustáveis, o pó de liga oferece uma importante ferramenta de engenharia de materiais para aplicações industriais. As próximas seções fornecem mais detalhes sobre os tipos de pó de liga, métodos de processamento e usos.
Composições e propriedades de ligas em pó
Existem muitas formulações padronizadas e proprietárias de ligas em pó. Esta tabela resume alguns dos sistemas de ligas mais comuns e suas características gerais:
| Sistema de liga metálica | Composição típica | Principais propriedades | Formulários |
|---|---|---|---|
| Aço inoxidável | Fe, Cr (10-20%), Ni | Resistência à corrosão, força, resistência ao desgaste | Válvulas, componentes marítimos, equipamentos de processamento de alimentos |
| Aço para ferramentas | Fe, Cr, V, W, Mo | Alta dureza, força e resistência ao desgaste | Ferramentas de corte, matrizes, peças de máquinas |
| Aço de baixa liga | Fe + Mn, Si, Ni, Cr, Mo | Dureza, resistência, temperabilidade | Engrenagens, peças de motor, fixadores |
| Alumínio | Al + Cu, Mg, Si, Zn | Leveza, resistência à corrosão, usinabilidade | Componentes aeroespaciais, peças automotivas |
| Cobre | Cu + Zn, Sn, Al | Condutividade elétrica, resistência à corrosão, usinabilidade | Contatos elétricos, pontas de solda, rolamentos |
| Níquel | Ni + Cr, Mo, Cu, Fe | Resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas | Lâminas de turbinas a gás, equipamentos químicos |
| Cobalto | Co + Cr, Mo, Ni, W, C | Resistência a altas temperaturas, biocompatibilidade | Implantes dentários, ferramentas de corte, implantes ortopédicos |
| Titânio | Ti + Al, V, Cu, Ni | Leveza, resistência à corrosão, biocompatibilidade | Componentes aeroespaciais, implantes médicos |
Ao selecionar metais básicos e elementos de liga adequados, as ligas de metalurgia do pó podem ser projetadas com:
- Alta resistência para aplicações de suporte de carga
- Dureza e resistência ao desgaste para ferramentas de corte e resistência à abrasão
- Resistência à corrosão em produtos químicos e água do mar
- Capacidade para altas temperaturas e resistência à fluência
- Condutividade elétrica sob medida, do isolamento à alta condução
- Biocompatibilidade para implantes e dispositivos médicos
- Combinações dessas propriedades que não podem ser obtidas em metais puros
A flexibilidade das composições de ligas permite que materiais personalizados sejam projetados para aplicações e condições operacionais específicas.
Métodos de fabricação de ligas em pó
O pó de liga pode ser produzido usando várias técnicas de atomização para gerar pequenas partículas esféricas necessárias para a metalurgia do pó. Os métodos típicos incluem:
| Método | Descrição | Características das partículas | Capacidade de liga |
|---|---|---|---|
| Atomização de gás | Fluxo de metal fundido atomizado por jatos de gás inerte de alta pressão | Pó esférico fino, boa fluidez | A maioria das ligas |
| Atomização da água | Fluxo fundido quebrado por jatos de água de alta velocidade | Partículas irregulares com formação de satélite | Limitado a ligas resistentes à oxidação |
| Eletrodo rotativo | A força centrífuga dispersa o metal fundido em gotículas finas | Distribuição de tamanho de pó relativamente grosso | Somente para ligas condutoras de eletricidade |
| Atomização por plasma | Pó metálico evaporado em um plasma e recondensado | Partículas esféricas muito finas | Ligas de alto desempenho |
A atomização a gás é o processo mais amplamente utilizado devido à sua versatilidade e à produção de pó esférico fino. A atomização com água tem custo mais baixo, mas é restrita a ligas que resistem à oxidação, como os aços inoxidáveis. Os métodos de plasma podem produzir pós de liga em nanoescala, mas têm custos de capital mais altos.
Os parâmetros do processo de atomização, como taxa de fluxo de gás, taxa de vazamento de metal e taxa de resfriamento, podem ser otimizados para obter a distribuição de tamanho de partícula, a morfologia, a pureza e a microestrutura desejadas. O processo de fabricação de pó de liga é adaptado à composição específica para produzir matéria-prima de pó de alta qualidade para a fabricação de peças de PM.
Características do pó de liga
Além da composição, as propriedades e o desempenho do pó de liga são determinados por características como:
| Parâmetro | Descrição |
|---|---|
| Distribuição do tamanho das partículas | Faixa de diâmetros de partículas no pó; controlada pelo processo de atomização |
| Forma da partícula | Esférica, irregular ou dendrítica; afeta o fluxo e o empacotamento do pó |
| Morfologia da superfície da partícula | Presença de satélites, suavidade da superfície, porosidade interna |
| Composição química | Proporção de elementos de liga; pode ser diferente da nominal devido à segregação |
| Fases presentes | Fases formadas no pó devido à rápida solidificação; afeta as propriedades |
| Impurezas | Contaminantes como oxigênio, nitrogênio ou carbono coletados durante a atomização |
| Densidade aparente | Densidade de empacotamento do pó sob pressão de compactação especificada |
| Taxa de fluxo | Capacidade do pó de fluir, relacionada à forma e à distribuição do tamanho das partículas |
Essas características do pó influenciam o comportamento da fabricação em processos como prensagem, sinterização, moldagem por injeção de metal e fabricação de aditivos. Por exemplo, partículas irregulares de pó degradam o preenchimento da matriz e a resistência verde na prensagem de pó. Elementos quimicamente reativos, como o titânio, são sensíveis à captação de oxigênio durante a atomização.
O controle e os testes cuidadosos da química da liga e das propriedades físicas do pó garantem matéria-prima de alta qualidade para o processamento subsequente da metalurgia do pó. Os métodos de teste incluem microscopia óptica e eletrônica, análise de tamanho de partícula por difração a laser, medição de densidade de tap, reologia de pó e análise química.
Aplicações do pó de liga metálica
Com suas propriedades ajustáveis exclusivas, as composições de pó de liga são usadas em uma ampla gama de aplicações de metalurgia do pó:
Prensa de pó e peças de sinterização
- Componentes automotivos estruturais - aços-liga para resistência
- Válvulas, conexões e filtros de aço inoxidável - resistência à corrosão
- Contatos e conectores de liga de cobre - condutividade elétrica
- Peças mecânicas ferrosas e não ferrosas - força, resistência ao desgaste
Componentes moldados por injeção de metal
- Implantes ortopédicos de aço inoxidável - biocompatibilidade, resistência
- Lâminas de turbina de superliga de cobalto - resistência a altas temperaturas
- Peças eletrônicas de liga de cobre - condutividade térmica
- Peças de liga de alumínio para armas de fogo - leves
- Engrenagens de aço de baixa liga - tenacidade, resistência à fadiga
Revestimentos por aspersão térmica
- Revestimentos de aço inoxidável - resistência à corrosão e ao desgaste
- Revestimentos de liga de cobalto - dureza em altas temperaturas, resistência ao desgaste
- Revestimentos de liga de níquel - resistência à corrosão
- Revestimentos reforçados com carboneto - extrema resistência ao desgaste
Pós de manufatura aditiva
- Ligas de titânio para peças aeroespaciais - resistência, leveza
- Ligas de cobalto-cromo para pontes dentárias - resistência, biocompatibilidade
- Aço para ferramentas de moldes - alta dureza, estabilidade térmica
- Ligas de alumínio para o setor automotivo - leveza, resistência à corrosão
Outros aplicativos
- Bielas forjadas a pó, engrenagens - liga de aço, alumínio
- Ligas de brasagem, pastas de solda - cobre, prata, ligas de níquel
- Ligas de revestimento duro - ferro, cobalto, misturas de carboneto
As composições de pó de liga permitem a engenharia de materiais para essas aplicações e condições operacionais específicas.
Fornecedores e custos de ligas em pó
Muitos dos principais fornecedores de pó metálico têm amplos estoques de pó de liga e recursos de liga personalizados. Aqui estão alguns dos principais fornecedores globais de pó de liga atomizada a gás:
| Empresa | Localização da sede |
|---|---|
| Sandvik | Suécia |
| Hoganas | Suécia |
| Pós metálicos da Rio Tinto | Canadá |
| Pometon | Itália |
| Aço JFE | Japão |
| BASF | Alemanha |
| Pó CNPC | China |
Os custos do pó de liga dependem da composição específica, das características do pó, do tamanho do lote e da quantidade de compra. Alguns exemplos de faixas de preço são:
| Pó de liga | Custo aproximado (USD/kg) |
|---|---|
| Aço inoxidável | $12 – $60 |
| Aço para ferramentas | $9 – $30 |
| Liga de alumínio | $10 – $50 |
| Liga de cobre | $20 – $60 |
| Liga de cobalto | $80 – $220 |
| Liga de titânio | $100 – $500 |
Os preços variam muito de acordo com o tipo de liga, a distribuição do tamanho das partículas, o método de produção (atomização a gás ou a água) e o volume do pedido. As ligas personalizadas custam mais do que as composições padrão. Metais preciosos como cobalto e ligas de titânio são mais caros.
Como selecionar um fornecedor de pó de liga metálica
A escolha de um fornecedor de pó de liga metálica de boa reputação é fundamental para obter matéria-prima de alta qualidade. Aqui estão os principais fatores para selecionar um fornecedor:
- Experiência na fabricação da composição específica da liga necessária
- Testes rigorosos de garantia de qualidade de cada lote de pó
- Documentação da análise química e das características do pó
- Estoque de composições padrão para entrega rápida
- Capacidade de personalizar a composição da liga conforme necessário
- Equipe de suporte técnico bem informada
- Preços competitivos, especialmente para grandes quantidades de pedidos
- Disponibilidade para fornecer pequenas quantidades de teste
- Capacidade de resposta a consultas e solicitações de cotações
- Reputação estabelecida de consistência e confiabilidade do produto
O fornecedor deve ser capaz de fornecer um certificado de análise detalhando a composição química, a distribuição do tamanho das partículas, a morfologia, a densidade aparente, a taxa de fluxo e outras propriedades do pó. O teste de amostras e a validação do desempenho real do pó também são recomendados durante a qualificação inicial.
Como armazenar e manusear o pó de liga metálica
O armazenamento e o manuseio adequados evitam a contaminação do pó da liga ou alterações nas propriedades. As práticas recomendadas incluem:
- Armazene os recipientes fechados em um ambiente fresco, seco e limpo, longe de fontes de umidade, óleos ou vapores corrosivos
- Limite as flutuações de temperatura durante o armazenamento para evitar a condensação dentro dos contêineres
- Gire o estoque para usar primeiro o inventário mais antigo
- Proteja o pó da exposição ao ar durante o manuseio para evitar a oxidação
- Evite misturar pós de diferentes ligas ou distribuições de tamanho
- Manuseie os recipientes com cuidado para evitar tombamento e derramamento
- Use colheres e equipamentos limpos e secos para a transferência de pó
- Feche os recipientes imediatamente após remover o pó
- Medir e registrar a massa de pó removida para manter um balanço de material
- Limpe bem o equipamento entre os lotes de processamento para evitar a contaminação cruzada
O cuidado no manuseio, no armazenamento e na manutenção de registros garante que o pó da liga mantenha sua forma, composição e propriedades para o processamento subsequente.
Considerações sobre a manutenção do pó de liga
Depois que os componentes de metalurgia do pó de liga são colocados em serviço, pode ser necessária uma manutenção ocasional. Esta tabela lista alguns aspectos de manutenção específicos das ligas:
| Considerações | Detalhes |
|---|---|
| Corrosão galvânica | Combinações de ligas dissimilares podem aumentar a corrosão se forem molhadas. Evite montar ligas dissimilares em contato direto. |
| Corrosão por estresse | As ligas suscetíveis, como o aço inoxidável austenítico, podem rachar se expostas a cloretos sob tensão. Evite o uso nessas condições. |
| Propriedades de temperatura elevada | A força e a resistência à deformação podem diminuir em algumas ligas em temperaturas mais altas. Verifique se os limites do projeto não são excedidos. |
| Resistência de contato | Revestimentos condutores podem ser necessários para evitar a queda de tensão nas interfaces entre ligas de cobre e aço. |
| Bioincrustação | As ligas de cobre resistem naturalmente à bioincrustação em ambientes marinhos. Outras ligas podem exigir revestimentos protetores. |
| Resistência da junta | As ligas de brasagem ou soldagem devem corresponder à composição do material de base para garantir a integridade da junta. |
Considere os fatores ambientais e as compatibilidades de ligas ao fazer a manutenção de equipamentos que contenham componentes de metalurgia do pó de liga. Pode ser necessário realizar inspeção periódica, lubrificação, limpeza e aperto das juntas.
Prós e contras do pó de liga metálica
O pó de liga tem muitos benefícios, mas também algumas desvantagens inerentes em relação ao pó de metal puro:
Vantagens do pó de liga metálica
- Propriedades personalizadas, como força, resistência ao desgaste e condutividade
- Mais resistente à corrosão do que os pós de ferro puro ou aço
- Menos propenso a escoriações ou gripagem do que os metais puros
- Pode ser reforçado para aplicações de suporte de carga
- Opções para alta dureza, resistência ou biocompatibilidade
- Composição consistente a partir de sucata de produção reciclada
Desvantagens do pó de liga metálica
- Custo mais alto do que os pós de ferro puro, cobre ou alumínio
- Número limitado de composições padronizadas disponíveis
- O desenvolvimento de ligas personalizadas é caro e demorado
- A segregação pode levar a desvios da química nominal
- Elementos reativos, como o cromo, podem ser oxidados durante a atomização
- A reutilização do pó é limitada, pois as composições de liga não podem ser misturadas
- Os elementos de liga podem criar desafios de processamento em P/M
Para muitas aplicações, as vantagens das propriedades de ligas personalizadas superam o aumento do custo e da complexidade do processamento em relação aos pós metálicos puros. No entanto, é necessário avaliar a viabilidade ao substituir as ligas em um projeto de peça de P/M existente.
Pó de liga versus pó de aço pré-ligado
O pó de liga é diferente do pó de aço pré-ligado em termos de composição e produção:
| Parâmetro | Pó de liga | Pó de aço pré-ligado |
|---|---|---|
| Composição da base | Vários sistemas de metal, por exemplo, aço inoxidável, aço para ferramentas, ligas de níquel | Ferro ou ferro + carbono (aço) |
| Elementos de liga | Um ou mais metais adicionados para personalizar as propriedades | Carbono + traços de elementos de liga como Mn, Ni, Mo |
| Método de produção | Atomização de liga fundida | Pré-mistura de pós de ferro e grafite |
| Distribuição de ligas | Uniforme em toda a partícula de pó | Elementos de liga somente na superfície do pó |
| Estrutura sinterizada | Homogêneo, fases formadas durante a solidificação | Heterogêneo, fases formadas durante a sinterização |
| Custo | Maior devido a adições de ligas | Menor, pois o carbono é barato |
Os pós de aço pré-ligado têm menor custo de produção, mas são limitados em termos de teor de liga. O pó de liga tem maior flexibilidade de composição, mas apresenta maior custo de matéria-prima. A escolha da composição depende do equilíbrio entre as necessidades de desempenho e as metas de custo para a aplicação.
Como os elementos de liga afetam as propriedades
Diferentes elementos de liga influenciam as propriedades da metalurgia do pó de várias maneiras:
| Elemento de liga | Principais efeitos |
|---|---|
| Carbono | Aumenta a força e a dureza, mas reduz a ductilidade e a resistência à corrosão |
| Cromo | Melhora a resistência à corrosão e a temperabilidade dos aços |
| Níquel | Melhora a tenacidade, a resistência à tração e as propriedades em temperaturas elevadas |
| Molibdênio | Aumenta a resistência a altas temperaturas, a resistência à fluência e a temperabilidade |
| Manganês | Aumenta a temperabilidade e a resistência à tração e reduz o custo em relação ao níquel |
| Silício | Melhora a fluidez durante a sinterização, mas diminui a ductilidade e o acabamento da superfície |
| Cobre | Fortalece aços de baixa liga e bronzes; também ajuda na resistência à corrosão |
| Alumínio | Elemento de liga leve que aumenta a força e a resistência à corrosão em aços |
| Vanádio | Formador de carboneto fino para aumentar significativamente a resistência ao desgaste e a dureza |
| Tungstênio | Forma carbonetos de tungstênio muito duros para resistência à abrasão em aços para ferramentas |
Ao compreender os efeitos de cada adição, os engenheiros de materiais podem modelar e otimizar as composições para atingir as propriedades desejadas com o pó de liga. Pequenas variações no conteúdo da liga podem afetar significativamente o desempenho.
Considerações sobre o projeto com pó de liga
Vários fatores devem ser considerados ao projetar peças de metalurgia do pó usando pó de liga:
- Custo - As adições de ligas aumentam o custo da matéria-prima em relação ao ferro puro ou ao pó de aço. Equilibre o desempenho com as restrições orçamentárias.
- Processamento pós-sinterização - As ligas devem ser compatíveis com quaisquer operações secundárias, como tratamento térmico, usinagem, soldagem ou acabamento de superfície.
- Resistência à corrosão - A composição da liga pode ser ajustada para suportar o ambiente operacional. Use aço inoxidável na água, por exemplo.
- Propriedades mecânicas - A força, a dureza, a resistência ao desgaste etc. necessárias determinarão o sistema de liga e as quantidades de carbonetos ou fases de reforço.
- Controle dimensional - Um maior teor de liga pode aumentar a contração da sinterização. Leve isso em conta nas dimensões das ferramentas.
- Capacidade técnica - Certifique-se de que o fabricante de P/M tenha experiência com a composição de liga específica que está sendo considerada.
- Integração de peças - A incompatibilidade de ligas entre os conjuntos pode levar à corrosão galvânica. Padronize as famílias de ligas sempre que possível.
A seleção minuciosa da liga é essencial no início do projeto para produzir um componente de metalurgia do pó robusto e com custo competitivo.
Exemplo de aplicações de ligas em pó
Veja a seguir algumas aplicações ilustrativas do pó de liga metálica em vários setores:
Automotivo
- Eixos de comando de válvulas - Fabricados com pó de aço de baixa liga sinterizado para alta resistência e resistência ao desgaste. A composição da liga é otimizada para a dureza e a resistência à fratura necessárias no acionamento da válvula do motor.
- Bielas - Forjadas ou sinterizadas a partir de pó de aço-liga para obter a maior resistência à tração necessária e, ao mesmo tempo, minimizar o peso. A liga com níquel, molibdênio e outros elementos proporciona propriedades mecânicas adequadas.
- Engrenagens - O pó de liga de aço com adições de cromo, níquel e molibdênio permite que as engrenagens sinterizadas do trem de força atinjam a resistência à fadiga e a resistência à fratura necessárias sob cargas automotivas cíclicas. A composição da liga sob medida reduz o desgaste.
- Rodas de turbocompressor - Superligas de alto desempenho, como o Inconel 718, são usadas na forma de pó para a fabricação aditiva de rodas de compressor de turbocompressor capazes de suportar tensões centrífugas e temperaturas extremas. A liga à base de níquel proporciona força e resistência à fluência.
- Válvulas de motor - O pó de liga de aço inoxidável contendo cromo e níquel permite a fabricação de válvulas de escape resistentes à corrosão que suportam o ataque de gases de escape quentes durante longos períodos de operação. A liga permanece forte e estável mesmo em altas temperaturas.
- Discos de freio - Às vezes, o pó de liga de cobre é incorporado às formulações de discos de freio para melhorar a condutividade térmica, o amortecimento e a resistência ao desgaste sem adição excessiva de peso. A maior dissipação de calor reduz o desbotamento durante a frenagem repetida.
As composições de pó de liga permitem a otimização das propriedades dos componentes do trem de força automotivo, como força, dureza, resistência à corrosão, vida útil à fadiga e estabilidade em altas temperaturas, usando técnicas de metalurgia do pó.