Metais atomizados referem-se a pós metálicos que foram reduzidos a partículas microscópicas por meio de atomização. Esse processo envolve a transformação de metal líquido a granel em um spray de gotículas minúsculas, que se solidificam em pós esféricos finos. Os metais atomizados desempenham um papel importante em vários setores devido às suas propriedades e capacidades exclusivas.
Aplicações de metais atomizados
Os pós metálicos atomizados oferecem várias vantagens importantes em relação às formas metálicas convencionais:
- Alta área de superfície - O tamanho pequeno e o formato esférico proporcionam aos pós atomizados uma área de superfície muito alta em relação ao volume, permitindo contato e interação superiores.
- Fácil de compactar - Os pós podem ser prensados em uma ampla variedade de formas com alta densidade verde, permitindo uma fabricação eficiente.
- Desempenho aprimorado - As peças fabricadas com pós atomizados geralmente apresentam melhores propriedades mecânicas.
- Ligas personalizadas - O controle preciso da química é possível por meio da atomização de ligas personalizadas.
Essas características tornam os metais atomizados adequados para a fabricação de peças por meio de metalurgia do pó, pulverização térmica, moldagem por injeção de metal e manufatura aditiva. Algumas das principais aplicações incluem:
Metalurgia do pó
A metalurgia do pó utiliza pó metálico comprimido e sinterizado para produzir componentes de precisão em formato de rede. As partículas finas permitem excelente fluxo e compactação quando pressionadas em uma matriz. As peças podem ser fabricadas com tolerâncias dimensionais rígidas sem usinagem, minimizando o desperdício de material. As peças comuns da metalurgia do pó incluem engrenagens de transmissão automotiva, bielas e rolamentos autolubrificantes.
Pulverização térmica
Na pulverização térmica, os pós atomizados são alimentados por uma pistola aquecida para produzir um depósito de spray fundido ou semimolido em uma superfície. Isso permite a aplicação rápida de revestimentos metálicos espessos e protetores nas peças. A pulverização térmica com metais atomizados é usada para revestir cilindros de motores, eixos hidráulicos, pontes e outros componentes industriais que precisam de resistência ao desgaste/corrosão ou isolamento.
Moldagem por injeção de metal
A moldagem por injeção de metal (MIM) combina a metalurgia do pó e a moldagem por injeção de plástico para fabricar peças pequenas e complexas. Os pós atomizados são misturados com um aglutinante de polímero, moldados por injeção e depois sinterizados. A MIM pode produzir componentes intrincados em forma de rede, como engrenagens ou implantes médicos, em grandes volumes com acabamento mínimo.
Manufatura Aditiva
A sinterização seletiva a laser, a sinterização direta a laser de metal e o jato de aglutinante dependem de pós metálicos atomizados para imprimir peças em 3D camada por camada. Estruturas leves e porosas com geometrias complexas podem ser construídas de forma aditiva. Os metais atomizados são ideais para a produção de protótipos únicos, coroas dentárias personalizadas, componentes aeroespaciais e implantes biomédicos por meio da manufatura aditiva.
Métodos de produção de pós metálicos atomizados
Há várias técnicas usadas para produzir pós metálicos atomizados em escala industrial:
Atomização de gás
A atomização a gás é o método mais comum. O metal é derretido e despejado em um tundish com um bocal de cerâmica na parte inferior. Um gás inerte de alta pressão (geralmente nitrogênio ou argônio) é injetado no bocal, quebrando o fluxo fundido em um spray de gotículas finas. As gotículas se solidificam rapidamente em pós esféricos à medida que caem e esfriam. Diferentes pressões de gás e projetos de bocal produzem pós de 10 a 150 mícrons de tamanho.
Atomização de água
Na atomização com água, o fluxo de metal fundido é desintegrado por jatos de água de alta pressão. A água resfria as gotículas rapidamente, resultando em pós de formato irregular. A atomização com água pode produzir um rendimento maior de partículas mais finas, abaixo de 10 mícrons, em comparação com a atomização com gás. No entanto, os pós podem ser contaminados com o oxigênio da água.
Atomização centrífuga
Aqui, o metal fundido é alimentado em um disco giratório ou em vários copos giratórios. A força centrífuga lança ligamentos de metal líquido que se quebram em gotículas e se solidificam em pós. Esse método permite taxas de produção mais altas do que a atomização a gás, mas produz partículas menos esféricas.
Atomização ultrassônica de gás
A aplicação de vibrações ultrassônicas ao fluxo de metal fundido em um atomizador de gás resulta em um spray de gotículas mais fino e em uma distribuição de tamanho de partícula menor. As ondas sonoras aumentam a desintegração e a dispersão do metal. No entanto, é difícil aumentar a escala para a produção industrial.
Atomização de gás por indução de eletrodo
Uma corrente elétrica é passada diretamente pelo fluxo de metal fundido por meio de uma bobina indutiva logo antes da atomização do gás. Esse aquecimento por indução ferve e agita o metal, criando pós esféricos e de tamanho mais uniforme. Ele permite o controle do tamanho e da morfologia das partículas.
A técnica de atomização adequada é escolhida com base na liga, nas características desejadas do pó, nos requisitos de pureza e no volume de produção.
Propriedades de pós metálicos atomizados
A atomização produz pós com composição e atributos físicos exclusivos que determinam seu desempenho. As principais características incluem:
- Tamanho da partícula - Geralmente de 10 a 150 μm. Os tamanhos menores têm maior área de superfície. Os tamanhos maiores compactam melhor e deformam menos durante a compactação.
- Forma da partícula - A atomização a gás cria partículas altamente esféricas, ideais para a prensagem de pó. As partículas atomizadas com água são mais irregulares.
- Distribuição do tamanho das partículas - As distribuições mais estreitas permitem a densidade máxima do pó durante o empacotamento com poucos vazios.
- Composição - A química e a microestrutura são controláveis. O resfriamento rápido geralmente cria fases metaestáveis fora do equilíbrio.
- Pureza - A atomização com gás inerte evita a oxidação. Traços de oxigênio ou nitrogênio podem fragilizar as partículas.
- Fluidez - A morfologia esférica proporciona excelente comportamento de fluxo. Essencial para o preenchimento uniforme das cavidades da matriz durante a compactação.
- Densidade aparente - As densidades mais altas melhoram as características de prensagem e o comportamento de sinterização. Varia de 40 a 65% de densidade teórica.
- Densidade da torneira - Após a batida/agitação mecânica, os pós podem atingir uma densidade teórica >65%. Indica compressibilidade.
- Índice de Hausner - As proporções mais baixas (~1,25) mostram facilidade de fluxo do pó durante o processamento. Índices altos (~1,4) sugerem coesão e fluxo ruim.
Essas qualidades de pó são adaptadas para atender aos requisitos da aplicação específica por meio do controle cuidadoso do processo de atomização.
Benefícios do uso de pós metálicos atomizados
Os metais atomizados oferecem várias vantagens importantes em relação a outros materiais de partida na fabricação:
- Produzir peças altamente duráveis e consistentes com eficiência
- Gerar menos sucata em comparação com os processos de usinagem de metais
- Permitir geometrias de componentes pequenas e complexas
- Fornecer composições de ligas que não são facilmente produzidas por metalurgia de lingotes
- Oferecer flexibilidade por meio de métodos de manufatura aditiva
- Permite microestruturas ultrafinas para propriedades aprimoradas
- Resultam em microestruturas mais uniformes em uma peça
- Proporciona excelente acabamento superficial, densidade, tolerância e repetibilidade
- Permitem a fabricação de formas quase líquidas, minimizando a usinagem
- Fornecer novas fases metálicas sem equilíbrio
As características exclusivas dos metais atomizados fazem deles a matéria-prima ideal para aplicações críticas nos setores automotivo, aeroespacial, eletrônico, médico e de defesa. Sua precisão e desempenho geralmente não podem ser obtidos por meio de rotas convencionais de processamento de metais.
Avanços na produção de metais atomizados
Os recentes desenvolvimentos na tecnologia de atomização estão expandindo os recursos e os usos dos pós metálicos:
- As tochas de plasma de micro-ondas podem superaquecer o metal acima de seu ponto de ebulição, criando nanopartículas ultrafinas com menos de 100 nm durante a atomização.
- A atomização e o resfriamento controlados permitem a produção de pós metálicos amorfos com propriedades superiores.
- A atomização de gás com vários bicos gera novos formatos de partículas, como esferas ocas ou flocos.
- O ajuste dinâmico do fluxo de gás modifica a distribuição do tamanho e a morfologia das partículas em tempo real.
- A atomização por aceleração em velocidade ultra-alta produz pós compostos nanocristalinos.
- Os sistemas integrados de atomização-sinterização estão reduzindo os custos e melhorando a qualidade.
- O revestimento suave de partículas em voo por meio de deposição de vapor está permitindo melhor fluxo e empacotamento de pó.
- A modelagem avançada da formação e solidificação de gotículas está otimizando o processo de atomização.
- Os bicos especializados permitem a atomização de ligas altamente reativas, como alumínio e magnésio, com o mínimo de oxidação.
A pesquisa e o progresso contínuos na produção de pó metálico atomizado permitirão outras aplicações e recursos.
Principais produtores de pós metálicos atomizados
A maioria dos pós atomizados é produzida por um pequeno número de grandes fornecedores de pós metálicos:
- Hoeganaes Corporation - Parte do Grupo GKN, maior fabricante de pós metálicos, ampla variedade de pós atomizados.
- Sandvik Osprey - Pós líderes para manufatura aditiva, especialidade em superligas de níquel.
- Praxair Surface Technologies - Importante fornecedor para o setor de pulverização térmica, oferece ligas personalizadas.
- Hoganas - Principais pós ferrosos para peças de PM, especialista em aços com liga de difusão.
- Rio Tinto Metal Powders - Importante produtor de titânio e pós de ligas especiais.
- AMETEK Specialty Metal Products - Pós atomizados de aço e cobre de alto volume.
- CNPC Powder Group - Grande produtor de pós de alumínio e ligas.
- Mitsui Mining & Smelting - Fornecedor japonês de pós de cobre, ferro e estanho.
- Bühler Group - Líder global em fundição sob pressão e equipamentos de atomização.
- Makin Metal Powders (UK) Ltd - Grande fabricante de pós de superligas de Al, Cr e Ni.
A maioria dessas empresas pode adaptar o tamanho, a forma e a química das partículas para atender a necessidades específicas.
Desafios com pós metálicos atomizados
Embora possuam vantagens claras, os metais atomizados também apresentam alguns desafios inerentes:
- Altos custos de produção - Exigem matérias-primas caras, equipamentos de capital e gases inertes de alta pureza.
- Tamanhos limitados disponíveis - A atomização a gás funciona melhor para pós de 25 a 150 μm. Outros métodos são necessários para partículas ultrafinas ou grossas.
- Captação de oxigênio - A atomização e o manuseio podem introduzir traços de contaminação por oxigênio, especialmente em ligas reativas.
- Densidades mais baixas da torneira - As formas irregulares do pó diminuem a densidade máxima após a compactação.
- Perigos de poeira - Os pós finos apresentam riscos de explosão e inalação que exigem manuseio especial.
- Pureza da matéria-prima - Impurezas e inclusões podem ser transferidas do metal líquido, afetando as propriedades finais.
- Aglomeração - Os satélites e aglomerados de partículas reduzem a fluidez do pó.
- Porosidade em compactos - A embalagem mais densa ainda contém poros microscópicos que podem reter a contaminação.
- Tensão residual - O resfriamento rápido e a contração durante a solidificação causam tensões nas partículas.
- Oxidação de compactos - A sinterização deve ser feita sob vácuo ou atmosfera inerte para evitar a oxidação.
- Alteração dimensional - A contração do 10-20% durante a sinterização em estado sólido pode causar empenamento e distorção.
Embora essas dificuldades possam ser gerenciadas com métodos adequados de produção de pó, manuseio e processamento de peças, elas continuam sendo um impedimento em determinadas aplicações de metalurgia do pó.
Perspectiva futura para pós metálicos atomizados
As propriedades exclusivas dos pós metálicos atomizados os tornam adequados para a fabricação de componentes de alto desempenho em praticamente todos os setores. Com a pesquisa contínua e o refinamento do processo, os metais atomizados desempenharão um papel cada vez maior na fabricação de peças metálicas mais leves, mais fortes e mais complexas.
Principais tendências que moldarão o futuro dos pós metálicos atomizados:
- Adoção crescente da impressão 3D à medida que os custos diminuem.
- Controle mais rígido do tamanho das partículas e modificação das partículas para melhorar o desempenho do pó.
- Desenvolvimento de novas ligas de alta resistência exclusivamente por meio da metalurgia do pó.
- Uso ampliado em componentes biomédicos, como implantes e próteses.
- Desenvolvimento contínuo de ligas para microestruturas e propriedades personalizadas.
- Automação e atomização no local para reduzir os custos dos usuários de AM de metal.
- Atomização de nanopartículas para propriedades aprimoradas e de granulação extremamente fina.
- Maior foco na reciclagem de pós metálicos.
- Impressão de vários metais e compósitos ampliando as ligas utilizáveis.
- Revestimentos de superfície especiais para melhorar as propriedades do pó e a sinterização.
- Sistemas de alta pureza que minimizam a contaminação gasosa.
Os pós metálicos atomizados permitirão componentes metálicos mais fortes, mais leves, de maior desempenho e mais complexos. Os desenvolvimentos metalúrgicos e de processamento em andamento abrirão novas oportunidades nos setores de manufatura.
Perguntas frequentes
Quais são os metais mais comumente atomizados?
Os metais mais comumente atomizados são:
- Ligas de ferro e aço, como o aço inoxidável
- Cobre e ligas de cobre, como latão
- Ligas de alumínio, incluindo alumínio-silício
- Superligas à base de níquel e ligas de cobalto
- Titânio e ligas de titânio
Qual é a faixa de tamanho típica dos pós atomizados?
Os pós atomizados a gás variam de cerca de 10 mícrons a 150 mícrons de diâmetro. Os pós atomizados com água podem atingir até 3 mícrons. Processos especiais podem gerar pós de nanopartículas com menos de 1 mícron.
Quais setores utilizam pós metálicos atomizados?
Os principais setores que utilizam pós metálicos atomizados incluem o aeroespacial, o automotivo, o eletrônico, o biomédico, o de defesa e o de manufatura aditiva. Os pós permitem peças metálicas leves, fortes e complexas.
Quais são os principais benefícios dos pós atomizados a gás?
Os pós atomizados a gás têm uma morfologia esférica que proporciona bom fluxo e compressão durante a compactação da matriz. Eles também apresentam baixa contaminação por oxigênio.
Como os pós metálicos são manuseados com segurança?
Os pós metálicos apresentam risco de explosão, portanto, devem ser tomadas precauções durante o manuseio. Os trabalhadores usam respiradores para evitar a inalação. Os pós são mantidos cobertos e vedados para evitar o acúmulo de poeira.
Por que os gases inertes, como o nitrogênio, são usados para atomizar metais?
Os gases inertes impedem a reação entre o metal fundido e o ar para evitar a oxidação. O nitrogênio é usado mais comumente devido ao custo mais baixo do que o argônio.
O que são moldagem por injeção de metal e impressão 3D com jato de aglutinante de metal?
Ambos os processos envolvem primeiro a formação de peças "verdes" a partir de pó metálico misturado com um aglutinante orgânico. O aglutinante é então removido e os pós são sinterizados em uma peça metálica densa e final.
Como os pós metálicos são reciclados?
Os pós metálicos não utilizados podem ser misturados com novos pós ou diretamente reatomizados. As peças e os componentes impressos em 3D são frequentemente triturados e reatomizados em matéria-prima de pó.