Atomização de metais é um processo usado para produzir metais em pó fino para várias aplicações industriais. Este guia abrangente cobre tudo o que você precisa saber sobre a tecnologia de atomização de metais.
Visão geral da atomização de metais
A atomização de metal envolve a quebra de um fluxo de metal fundido em gotículas muito finas usando um jato de gás de alta velocidade. As gotículas se solidificam rapidamente em partículas de pó na faixa de tamanho de 5 a 150 mícrons.
Os principais aspectos do processo de atomização incluem:
- Derretimento de metal em um cadinho
- Despejar o metal fundido em um tundish
- Criação de um fluxo fino de metal fundido
- Expor o fluxo a jatos de gás de alta pressão
- Quebrar o metal em gotículas finas
- Solidificação das gotículas em partículas de pó
- Coleta do pó
A atomização permite a produção de pós metálicos com controle preciso sobre o tamanho, a forma, a química e a microestrutura das partículas. Os pós podem então ser usados em aplicações como manufatura aditiva de metal, revestimentos de spray térmico e moldagem por injeção de metal.
Principais benefícios da atomização de metais
| Benefício | Descrição |
|---|---|
| Excelentes características do pó | A atomização produz pó de alta qualidade com morfologia esférica e tamanho de grão fino |
| Ampla gama de ligas | A maioria dos metais e ligas pode ser atomizada, incluindo aços, alumínio, cobre, níquel, titânio etc. |
| Controle das propriedades do pó | Os parâmetros do processo de atomização podem ser variados para adaptar o tamanho, a forma, a oxidação e a microestrutura do pó |
| Alto rendimento de pó | Mais de 90% do metal fundido é convertido em pó utilizável |
| Custo-benefício | Custo mais baixo do que outros métodos de produção de pó |
| Escalabilidade | A capacidade de produção de atomização pode ser facilmente ampliada ou reduzida |
Tipos de sistemas de atomização de metais
Há dois tipos principais de sistemas de atomização utilizados: atomização a gás e atomização a água. A escolha depende de fatores como propriedades da liga, especificações do pó e capacidade de produção.
Atomização de gás
Na atomização a gás, o fluxo de metal fundido é desintegrado por jatos de alta velocidade de um gás inerte, como nitrogênio ou argônio.
Características:
- Produz pós altamente esféricos e limpos, ideais para aplicações de AM
- Menor captação de oxigênio em comparação com a atomização com água
- Pode acomodar ligas reativas como titânio e alumínio
- Tamanhos de pó mais finos, até 5 mícrons
- Taxas de fluxo de gás mais altas resultam em pós mais finos
- As taxas de resfriamento de gás são menores, o que leva a tamanhos de grãos mais grossos
Limitações:
- Os custos operacionais e de capital são mais altos
- Sistemas mais complexos com infraestrutura de manuseio de gás
- Menores taxas de produção de pó
Atomização de água
Na atomização com água, o fluxo de metal fundido é quebrado por jatos de água de alta pressão.
Características:
- Técnica de atomização simples e de baixo custo
- Altas taxas de produção de pó acima de 1000 kg/hora
- Gotas de tamanho maior resultam em pó com mais de 150 mícrons
- O resfriamento rápido em água leva a tamanhos de grãos muito finos
- Maior captação de oxigênio em comparação com a atomização de gás
- Formas irregulares de pó e partículas satélites
- Não é adequado para ligas reativas, como titânio
Limitações:
- Morfologia de pó mais fraca e maior teor de oxigênio
- Tamanhos de pó mais grossos o tornam inadequado para AM
- Tratamento de água necessário para os efluentes
- Limitado a ligas de ponto de fusão mais baixo
Projetos de atomizadores
O atomizador é o principal componente que cria os jatos de gás ou água para desintegrar o fluxo de metal fundido durante a atomização. Há diferentes designs de atomizadores usados:
Bocal Simplex
- Bocal de jato reto único
- Atomização por gás de fluxo em redemoinho
- Design econômico
- Tamanhos maiores de pó
Bocal múltiplo
- Vários bicos dispostos em uma configuração circular
- Melhoria na desintegração do fluxo de metal
- Tamanhos de pó mais finos e uniformes
- Taxas de produção mais altas
Bocal de acoplamento fechado
- Os bicos são posicionados muito próximos ao fluxo de metal fundido
- Impacto intenso do jato de gás para pós muito finos
- Permite a atomização reativa da liga
- Taxas de produção mais baixas
Eletrodo rotativo
- Eletrodo de fio metálico giratório
- As forças centrífugas criam finos ligamentos de metal fundido
- Cercado por jatos de gás ou água
- Pós muito finos e uniformes
- Alta complexidade e manutenção
Parâmetros do processo de atomização de metais
As propriedades e a qualidade dos pós metálicos atomizados podem ser controladas pela otimização dos parâmetros do processo:
Taxas de fluxo de gás
- O aumento da velocidade do fluxo de gás resulta em tamanhos de pó mais finos
- Também melhora a esfericidade do pó e reduz as partículas satélites
- Mas as taxas de fluxo muito altas reduzem o rendimento do pó
Taxas de fluxo do fluxo de metal
- Maiores taxas de fluxo de metal aumentam a produtividade
- Mas pode resultar em pós mais grossos e formas irregulares
- Otimize a taxa de fluxo de metal com base na capacidade do atomizador
Projeto do bocal
- O tamanho da garganta do bico e o número de bicos determinam as pressões do jato de gás
- Os tamanhos menores dos bicos proporcionam velocidades de gás mais altas para pós mais finos
Superaquecimento da fusão
- Temperaturas mais altas do metal fundido reduzem a viscosidade
- Permite a desintegração em frações de pó mais finas
- Mas o superaquecimento excessivo aumenta a oxidação do material
Filtragem de metais
- Os filtros removem inclusões do metal fundido
- Reduz defeitos como satélites e irregularidades
- Melhora a fluidez do pó e a densidade de empacotamento
Atmosfera de atomização
- O vácuo ou a atmosfera de gás inerte reduz a captação de oxigênio
- Minimiza a oxidação do pó, especialmente para ligas reativas
Taxa de resfriamento
- Taxas de resfriamento mais rápidas devido a tamanhos de grãos mais finos no pó
- A têmpera em água produz microestruturas muito finas
- O resfriamento do gás é mais lento, resultando em grãos mais grossos
Aplicações da atomização de metais
Os pós metálicos atomizados são utilizados em uma ampla gama de processos de fabricação industrial:
Manufatura aditiva de metal
- Os pós esféricos com boa fluidez são ideais para AM
- Permite a fabricação de peças metálicas complexas e com formato de rede
- Processos de deposição de energia direcionada e leito de pó usados
Moldagem por injeção de metal (MIM)
- Pós finos de aço inoxidável e alumínio para MIM
- Componentes altamente complexos e com formato de rede fabricados por meio de metalurgia do pó
- Aplicações automotivas, eletrônicas e médicas
Revestimentos por spray térmico
- Deposição de revestimentos resistentes a desgaste e corrosão
- Revestimentos de revestimento duro usados em usinagem e mineração
- Revestimentos de barreira térmica em lâminas de turbina
Metalurgia do pó
- Rota de prensa e sinterização para fabricação de peças de P/M
- Amplamente utilizado para componentes automotivos, como engrenagens
- Alta produtividade e recursos de formato de rede
Metais de enchimento para brasagem
- União de metais usando processos de brasagem
- Pós de liga de brasagem atomizados como material de enchimento
- Usado em trocadores de calor automotivos
Moldagem por injeção de pó metálico
- Fabricação de peças metálicas pequenas e complexas
- Combinação de moldagem por injeção de plástico e metalurgia do pó
- Aplicações em eletrônicos e implantes médicos
Especificações dos pós de atomização de metais
Os pós metálicos atomizados são caracterizados por várias propriedades físicas, químicas e microestruturais, dependendo de seu uso final.
| Parâmetro | Valores típicos | Métodos de teste |
|---|---|---|
| Tamanho da partícula | 5 a 150 μm | Difração a laser, análise de peneira |
| Forma da partícula | Esfericidade > 0,9 | Análise de imagens |
| Química | Composição da liga ± 0,5% | ICP-OES, análise LECO |
| Teor de oxigênio | <600 ppm | Fusão de gás inerte |
| Densidade aparente | 40 a 60% de densidade real | Medidor de vazão Hall |
| Densidade da torneira | 60 a 80% de densidade real | ASTM B527 |
| Taxa de fluxo | <25 s/50 g | Medidor de vazão Hall |
| Gases residuais | H, O, N < 100 ppm | Análise LECO |
| Microestrutura | Grãos finos e equiaxiais | SEM, microscopia óptica |
Padrões de projeto para sistemas de atomização
O projeto, a instalação e a operação do sistema de atomização de metais devem estar em conformidade com as normas, os regulamentos e as diretrizes aplicáveis:
- Código ASME para caldeiras e vasos de pressão - Para projetos de vasos pressurizados
- NFPA 86 - Norma para fornalhas e fornos industriais
- ANSI Z49.1 - Segurança em soldagem e corte
- OSHA 1910 - Códigos de segurança ocupacional
- Padrões de ventilação local por exaustão
- Diretrizes de efluentes de águas residuais para atomização de água
- ISO 9001 - Sistemas de gerenciamento de qualidade
Todos os equipamentos, como cadinhos, tundish, atomizadores e coletores de gás, devem ser projetados para oferecer confiabilidade e segurança. Equipamento de proteção adequado e treinamento fornecido aos operadores.
Fornecedores de sistemas de atomização de metais
Há muitos fornecedores de equipamentos que projetam, constroem e instalam sistemas e componentes completos de atomização:
| Fornecedor | Localização | Tecnologia | Capacidade | Custo |
|---|---|---|---|---|
| Phoenix Scientific | EUA | Atomização de gás e água | 10 - 10.000 kg/hr | $$ |
| PSI Ltda. | REINO UNIDO | Atomização de gás | 1 - 1000 kg/hr | $$$ |
| Burleson Technologies Inc. | EUA | Bocal de acoplamento fechado | 1 - 20 kg/h | $$$$ |
| Tecnologias de vácuo ALD | Alemanha | Atomização do eletrodo | 5 - 50 kg/hr | $$$ |
| Cremer Furnace Co. | Alemanha | Atomização da água | 500 - 5000 kg/hr | $$ |
Os custos do sistema de atomização variam de $100.000 para unidades em escala de laboratório/piloto a mais de $2 milhões para sistemas de produção de grande porte. O local, a capacidade, os recursos e a automação determinam os custos de instalação.
Instalação e operação
A atomização de metais requer utilitários e infraestrutura abrangentes para uma operação tranquila:
- Suprimentos de gás inerte - nitrogênio, argônio
- Fornecimento e tratamento de água
- Sistemas elétricos - alta capacidade, backup
- Ventilação de exaustão - coletores de faíscas, filtros de manga
- Manuseio de materiais - cadinhos, recipientes de transferência
- Controle e instrumentação
- Sistemas de segurança - detectores de gás, supressão de incêndio
Devem ser realizadas verificações completas de pré-comissionamento antes da operação a quente:
- Testes de pressão em linhas e vasos de gás
- Verificação elétrica, de ventilação e de controles
- Verificação do sistema de segurança
- Testes secos para confirmar os fluxos de materiais
- Treinamento da equipe sobre os procedimentos
Durante a operação, parâmetros como temperatura, pressão e fluxos são monitorados e controlados continuamente. O tamanho e a morfologia do pó de saída são analisados para otimizar o processo. Efluentes de água tratados antes da descarga ou reutilização.
Requisitos de manutenção
A manutenção de rotina garante a disponibilidade e a longevidade dos sistemas de atomização:
- Inspeções de vasos e tubulações quanto a desgaste e vazamentos
- Substituição de peças danificadas/erodidas, como bicos
- Revisão de bombas de polpa, válvulas e instrumentação
- Revestimento de equipamentos que entram em contato com metal fundido
- Verificação de aquecedores, termopares e controles do sistema
- Limpeza do coletor de faíscas no sistema de ventilação
- Manutenção de equipamentos de tratamento de água
A manutenção adequada reduz os riscos de vazamentos, bloqueios e problemas elétricos. Ela também minimiza o tempo de inatividade não planejado e melhora a qualidade do pó.
Como selecionar um fornecedor de equipamentos de atomização
A escolha do fornecedor correto do sistema de atomização é fundamental para obter um equipamento de alto desempenho. Veja abaixo os principais fatores a serem considerados durante a seleção:
- Experiência comprovada - Número de instalações bem-sucedidas e anos de atividade
- Conhecimento técnico - Conhecimento específico de ligas, melhorias contínuas
- Personalização - Flexibilidade para adaptar o sistema às suas necessidades
- Confiabilidade - Histórico de alto tempo de atividade, componentes de qualidade
- Serviço pós-venda - Contratos de manutenção, treinamento de operadores, upgrades
- Suporte operacional - Fácil disponibilidade de peças de reposição e engenheiros de serviço
- Custo - Preço compatível com os recursos, a capacidade e a automação
- Conformidade - Conformidade com os padrões e códigos de segurança
- Referências - Feedback dos clientes existentes
Avaliar os fornecedores com base nos parâmetros acima por meio de discussões, visitas ao local e análises de propostas. Priorize fatores como segurança, confiabilidade e suporte em relação ao menor custo.
Vantagens e limitações da atomização de metais
A atomização de metais tem vários benefícios que a tornam um método popular de produção de pó:
Vantagens
- Excelente controle sobre as características do pó
- Altos rendimentos de até 95% de conversão de metal
- Operação automatizada e contínua em altas taxas
- Custo mais baixo do que o de tecnologias alternativas
- Ampla aplicabilidade - adequado para a maioria das ligas
- Capacidade de produção escalável
- Qualidade e composição consistentes do pó
- Pós esféricos ideais para processos de AM
- Propriedades do pó com ajuste fino por meio do ajuste dos parâmetros do processo
Limitações
- Necessidade de alto investimento de capital
- Infraestrutura adicional para gás, água e energia
- Sistemas complexos exigem operadores especializados
- Limitações com ligas altamente reativas
- Densidades de pó mais baixas do que o material atomizado a gás
- Processamento secundário, como peneiramento, necessário para isolar as frações de pó
- Testes de qualificação necessários para novos pós de liga
- Não é adequado para a produção de pequenos lotes
Atomização de gás versus atomização de água
Há várias diferenças entre os processos de atomização de gás e de atomização de água:
| Parâmetro | Atomização de gás | Atomização de água |
|---|---|---|
| Custo de capital | Alta | Baixa |
| Custo operacional | Alta | Baixa |
| Taxa de resfriamento | Lento | Muito alto |
| Coletor de oxigênio | Baixa | Alta |
| Morfologia do Pó | Altamente esférico | Irregular, satélites |
| Tamanho do pó | Muito fina, 5 - 45 μm | Mais grosso, até 150 μm |
| Compatibilidade de ligas | A maioria das ligas | Limitado, ponto de fusão mais baixo |
| Produtividade | Inferior | Mais alto |
| Formulários | AM, MIM | Spray térmico, P/M |
A atomização a gás tem custos mais altos, mas produz pós de qualidade superior, adequados para AM. A atomização com água é uma técnica mais simples e barata, mas os pós têm mais oxigênio e formas mais pobres.
perguntas frequentes
Para que é usada a atomização de metais?
A atomização de metais é usada para produzir pós de liga finos e esféricos. Esses pós são usados em manufatura aditiva, revestimentos de spray térmico, moldagem por injeção de pó e outras aplicações de metalurgia do pó.
Quais metais podem ser atomizados?
A maioria das ligas de engenharia, incluindo aços, alumínio, titânio, níquel, cobre e suas ligas, pode ser atomizada com sucesso. Algumas ligas reativas, como o titânio, exigem atmosferas controladas.
Qual é a diferença entre a atomização de gás e de água?
A atomização a gás utiliza um jato de gás inerte para desintegrar o metal em gotículas finas. Ela produz pós esféricos com menor teor de oxigênio. A atomização com água usa jatos de água de pressão mais alta e proporciona taxas de produção mais altas, mas os pós têm maior concentração de oxigênio.
Quais tamanhos de partículas podem ser obtidos com a atomização?
A atomização a gás pode produzir tamanhos de pó muito finos de até 5 mícrons, enquanto a atomização a água produz pós mais grossos, acima de 150 mícrons. O tamanho do pó é controlado pelos parâmetros do processo.
Qual é a taxa de produção típica de atomização?
Os atomizadores a gás em escala piloto e de laboratório têm taxas de produção mais baixas, na faixa de 1 a 10 kg/h. As unidades de atomização de água de alta capacidade podem produzir mais de 1.000 kg/hora de pó.
Quais setores utilizam pós metálicos atomizados?
Os principais setores consumidores são o aeroespacial, o automotivo, o médico, o eletrônico e o de petróleo e gás. Os pós são usados para fabricar componentes acabados por meio de manufatura aditiva, moldagem por injeção de metal e processos de spray térmico.
Qual é o custo de um sistema de atomização?
Os custos do sistema de atomização começam em torno de $100.000 para unidades em escala de laboratório, mas os sistemas de produção de alta capacidade podem custar mais de $2 milhões. O custo depende da capacidade, dos recursos, da automação e dos equipamentos auxiliares.
Quais são as precauções de segurança necessárias para a atomização?
A atomização envolve o manuseio de metal fundido, gases de alta pressão e água. Os operadores precisam de treinamento extensivo e equipamentos de proteção adequados. Os sistemas de segurança para detecção de gás, supressão de incêndio, isolamento elétrico e ventilação de emergência são essenciais.