Atomização de metais é um processo em que o metal é convertido de uma forma sólida a granel em um pó fino. O pó metálico fino produzido por atomização tem propriedades exclusivas e desempenha um papel importante em vários setores e aplicações.
Por que atomizar o metal?
A atomização permite a produção de pós metálicos com características e tamanhos de partículas precisos. Alguns dos principais benefícios dos pós metálicos atomizados incluem:
- Aumento da reatividade - Devido à alta relação entre a área de superfície e o volume, os pós atomizados são mais reativos quimicamente, permitindo um melhor desempenho em aplicações como catalisadores.
- Propriedades mecânicas aprimoradas - O pó atomizado pode ser usado para fabricar peças com propriedades mecânicas superiores em comparação com aquelas feitas de metal fundido ou forjado.
- Melhor combinação - A mistura homogênea e fina de diferentes metais e elementos de liga é possível com pós atomizados. Isso permite a obtenção de ligas e microestruturas exclusivas.
- Melhoria da fluidez - Os pós atomizados esféricos têm excelentes características de fluxo, o que ajuda no manuseio, no transporte e na medição de precisão automatizados.
- Maior densidade - As peças fabricadas com pós atomizados podem atingir uma densidade próxima à total. Isso permite a fabricação de peças mais leves para aplicações sensíveis ao peso.
- Fabricação em forma de rede - A atomização seguida da consolidação do pó permite a fabricação em formato de rede. Isso reduz os custos de usinagem e o desperdício de material.
- Composições puras - Pós metálicos de alta pureza podem ser produzidos por atomização a vácuo, onde elementos reativos, como o alumínio, são protegidos da oxidação.
Em resumo, a atomização converte metais em pós extremamente finos com composições, tamanhos e morfologias personalizados. Isso abre uma ampla gama de técnicas e aplicações de fabricação nos setores automotivo, aeroespacial, biomédico, químico, de defesa e outros setores importantes.
Métodos de atomização de metais
Há duas técnicas amplamente utilizadas para atomizar metais em pós finos:
Atomização de gás
Esse método usa ar comprimido ou um gás inerte, como nitrogênio ou argônio, para converter o metal em pó. O processo envolve:
- Aquecimento do metal a cerca de 30-50% acima do ponto de fusão. Exemplos comuns são níquel, cobalto, alumínio, aços, titânio, superligas etc.
- Forçar o fluxo de metal fundido através de um bocal a altas pressões de 5 a 20 bar.
- Quebrando o fluxo de metal em gotículas finas usando jatos de gás comprimido de alta velocidade.
- Solidificar as gotículas em pó, extraindo calor rapidamente à medida que elas caem na câmara de atomização.
- Coleta do pó atomizado em recipientes na parte inferior. A distribuição do tamanho das partículas é controlada pela taxa de fluxo de gás.
Os pós atomizados a gás têm um formato esférico e são populares para moldagem por injeção de metal (MIM), revestimentos por spray térmico e peças de metalurgia do pó.
Atomização da água
Nesse método, jatos de água de alta pressão são usados para atomizar ligas metálicas fundidas em pós finos. As etapas envolvem:
- Aquecimento por indução da carga metálica acima do ponto de fusão. As ligas de ferro, níquel, cobalto e cobre são comumente atomizadas.
- Despejar o metal líquido na câmara de atomização, onde vários jatos de água atingem o fluxo de metal a pressões superiores a 150 bar.
- Os jatos de água quebram o metal fundido em gotículas finas que se solidificam em pó.
- Coleta do pó depois que a água é drenada. Formam-se pós irregulares e mais angulares.
Os pós atomizados em água com maior captação de oxigênio são usados em peças sinterizadas, materiais de fricção e eletrodos de solda.
A atomização centrífuga e a atomização de gás por ultrassom são alguns outros métodos usados para aplicações especializadas.
Principais parâmetros do processo
Alguns parâmetros importantes que influenciam as propriedades e a qualidade dos pós atomizados são:
- Composição do metal - Os elementos de liga, as impurezas e a volatilidade dos componentes afetam a formação de partículas.
- Temperatura de superaquecimento - O superaquecimento mais alto do metal promove uma atomização mais fina. Porém, temperaturas muito altas podem causar a vaporização do elemento de liga.
- Projeto do bocal - O diâmetro do bico, o número de bicos e a geometria do bico afetam a taxa de fluxo do metal fundido, o tamanho da gota e a taxa de resfriamento.
- Fluido de atomização - A vazão de gás ou água determina o grau de atomização e o tamanho das partículas de pó.
- Distância de voo da gota - O maior tempo de voo da gota na câmara de atomização melhora a solidificação e a esfericidade.
- Taxa de resfriamento - Taxas de solidificação rápidas (~104-106 K/s) produzem microestruturas metaestáveis mais finas no pó.
Ao otimizar esses parâmetros, o processo de atomização pode ser adaptado para obter pós com tamanho de grão, distribuição de tamanho de partícula, forma e microestrutura desejados.
Principais aplicativos
Algumas das principais aplicações que utilizam pós metálicos atomizados são:
Moldagem por injeção de metal (MIM)
O MIM é um processo de metalurgia do pó para fabricar peças pequenas e complexas em grandes volumes. A matéria-prima feita com pós ultrafinos (<10 μm) atomizados com gás ou água é moldada por injeção e depois sinterizada. São produzidos componentes de alta resistência mecânica com excelente precisão dimensional para aplicações automotivas e de produtos de consumo.
Manufatura aditiva
Também conhecida como impressão 3D, os pós atomizados especialmente projetados são usados na sinterização seletiva a laser, na sinterização direta a laser de metal e em outras tecnologias aditivas para fabricar diretamente peças acabadas a partir de modelos CAD. Com esses métodos, é possível produzir peças quase em formato de rede com ligas e microestruturas personalizadas.
Revestimentos por spray térmico
Nessa técnica, os pós atomizados são aquecidos até as condições de fusão ou quase fusão e pulverizados em uma superfície em altas velocidades para formar um revestimento protetor. Ligas de revestimento duro e revestimentos resistentes ao desgaste são aplicados em lâminas de turbinas, componentes de motores, implantes biomédicos etc. usando pulverização térmica.
Compostos de matriz metálica
Os pós atomizados podem ser misturados com cerâmicas de reforço, como o carbeto de silício, para sintetizar compostos avançados de matriz metálica. Isso resulta em materiais com altíssimas taxas de resistência em relação ao peso, adequados para aplicações aeroespaciais.
Consumíveis de soldagem
Os eletrodos de soldagem para fins especiais e os arames de enchimento são fabricados com pós irregulares atomizados com água. As microestruturas de rápida solidificação proporcionam excelente soldabilidade.
Peças estruturais P/M
Os pós de ferro e aço atomizados com água são compactados e sinterizados para produzir rolamentos autolubrificantes e outras peças estruturais com boa tolerância dimensional e propriedades mecânicas.
Outros aplicativos
Hidretos metálicos finos, ímãs, catalisadores, agentes de administração de medicamentos e composições pirotécnicas são sintetizados usando pós atomizados altamente reativos. Eles também são usados em matérias-primas MIM, pastas de brasagem, contatos elétricos etc.
Portanto, em resumo, os pós atomizados atendem a uma seção transversal diversificada de técnicas de fabricação avançadas e aplicações de alto desempenho nos principais setores.
Benefícios econômicos e ambientais
Alguns dos principais benefícios econômicos e ambientais obtidos com a atomização de metais são:
- Usinagem reduzida - A fabricação de formas quase líquidas usando MIM e AM reduz os custos de matéria-prima e usinagem.
- Reutilização de sucata - A atomização acomoda sucata e lotes pequenos, inadequados para fundição.
- Eficiência energética - As peças fabricadas com pó atomizado requerem menos energia de fusão. O mínimo de desperdício de material também melhora a sustentabilidade.
- Produção just-in-time - Os pós atomizados podem ser rapidamente produzidos sob demanda, permitindo estoques e produção flexíveis.
- Desempenho superior - As propriedades mecânicas aprimoradas dos componentes de pó atomizado reduzem o desgaste, as falhas e as substituições de peças.
- Menos etapas de processamento - A fusão, a liga e a atomização combinadas em uma cadeia de processos reduzem o uso de energia e as emissões de carbono.
- Menores estoques - A atomização no local permite estoques enxutos de pó Just-In-Time, evitando custos de armazenamento e logística.
Portanto, a otimização dos parâmetros de atomização de metal proporciona benefícios significativos em termos de custo, além de minimizar o desperdício de material, o consumo de energia e a pegada de carbono.
Perspectivas futuras
Várias tendências apontam para o aumento da adoção da tecnologia de atomização:
- Novas ligas com propriedades e desempenho aprimorados impulsionarão a necessidade de pós atomizados. Há pesquisas em andamento sobre ligas de titânio, compostos de alumínio, ligas de alta entropia, ligas amorfas etc.
- A manufatura aditiva de metal continuará com um forte crescimento de dois dígitos à medida que novos componentes impressos em 3D forem certificados e aprovados para uso biomédico.
- Aplicações como revestimentos de spray térmico e compostos de matriz metálica se beneficiarão dos pós especiais atomizados reativos e multicomponentes.
- A fabricação híbrida que combina aditivo, spray térmico, soldagem e usinagem criará uma demanda por pós atomizados sob medida.
- O maior foco na sustentabilidade expandirá o uso de sucata reciclada e sistemas de atomização em microescala sob demanda.
- A modelagem avançada da física da atomização e das características do pó melhorará a eficiência do processo e a qualidade do pó.
- As microestruturas nanocristalinas e ultrafinas que podem ser obtidas por meio da solidificação rápida permitirão a próxima geração de pós atomizados de alto desempenho.
Em resumo, a atomização de metais é uma tecnologia versátil que continuará a crescer em importância, impulsionada por novos materiais, técnicas de fabricação e tendências de sustentabilidade. O foco da pesquisa e do desenvolvimento na qualidade, modelagem e simulação do pó atomizado ajudará a expandir a tecnologia para novas aplicações e setores.
Perguntas frequentes
Qual é o tamanho típico de partícula do pó atomizado?
Os pós atomizados podem variar de tamanhos de mícron de 1-100 μm para moldagem por injeção de metal até tamanhos grandes de 500-1000 μm para revestimentos de spray térmico. A atomização a gás normalmente produz pós mais finos, abaixo de 100 μm, enquanto a atomização a água produz frações de pó mais grossas.
Quão esféricos são os pós atomizados a gás?
Os pós atomizados a gás têm alta esfericidade, em torno de 0,9 em uma escala de 0 a 1. Essa forma esférica proporciona boas propriedades de empacotamento e fluxo. Os pós atomizados com água, por outro lado, têm formas mais irregulares.
Qual é a função da pureza do gás inerte na atomização?
Gases inertes de alta pureza, como o argônio, são usados na atomização de gás para evitar a contaminação e a oxidação do pó. Traços de oxigênio podem levar à degradação do pó durante a manufatura aditiva.
Como a taxa de produção de pó é determinada na atomização?
A taxa de produção depende de fatores como tamanho do bico, taxa de fluxo de metal, pressão do gás e número de bicos. Os atomizadores de gás com vários bicos podem produzir até 1.000 kg/hora de pós finos de aço inoxidável para o setor de MIM.
Qual é o benefício da atomização a vácuo?
A atomização a vácuo envolve a criação de uma atmosfera inerte de baixa pressão na câmara. Isso evita a oxidação de ligas reativas, como titânio e alumínio, permitindo a produção de pós puros e de alta reatividade.
Qual é o custo típico dos pós atomizados?
O custo do pó atomizado varia muito, de $5-10 por kg para aços comuns a $100-500 por kg para graus de alta liga para aplicações aeroespaciais. Os pós metálicos exóticos podem custar milhares de dólares por kg.
Qual é o efeito da taxa de resfriamento na microestrutura do pó?
Taxas de resfriamento mais rápidas, acima de 104 K/s, que podem ser alcançadas na atomização, produzem tamanho de grão mais fino, solubilidade sólida estendida e fases metaestáveis em pós por meio da rápida solidificação. Isso proporciona propriedades mecânicas superiores.
O que causa a degradação do pó durante a manufatura aditiva?
Fatores como sinterização parcial, oxidação e vaporização podem degradar o pó atomizado em ciclos térmicos repetidos na AM. Isso exige a reciclagem e o reabastecimento com pó fresco para manter a qualidade da peça.
Como o pó é removido do gás inerte após a atomização?
Os separadores de ciclones recuperam mais de 99% do pó do fluxo de gás. Também podem ser usados filtros de manga. O gás limpo é então recirculado de volta ao processo em um sistema de circuito fechado.
Quais são os diferentes métodos usados para peneirar pós atomizados?
O peneiramento vibratório e o peneiramento sônico classificam os pós em frações de tamanho estreito. Também são usados classificadores de ar e microfluxos. O peneiramento melhora a densidade de empacotamento e as propriedades de fluxo dos pós.
