CENTRO UNIVERSITÁRIO DA FEI

FILIPI TIEPPO BARBARO

DISCUSSÃO DO PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PÓS METÁLICOS POR

DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE CARBONILAS

São Bernardo do Campo

2012

FILIPI TIEPPO BARBARO

DISCUSSÃO DO PROCESSO DE OBTENÇÃO DE PÓS METÁLICOS POR

DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE CARBONILAS

Trabalho TMP-1 da disciplina NR9320 –

Processos Metalúrgicos de Fabricação,

orientado pelo Prof. Domingos Theodoro,

como composição da média final.

São Bernardo do Campo

2012

RESUMO

De modo geral, a grande vantagem da metalurgia do pó e o que determina o

crescimento de sua indústria é seu custo menor para a fabricação de componentes. Existem

algumas vantagens técnicas associadas à sua porosidade intrínseca como lubrificação e

filtragem, mas é seu custo menor sua grande vantagem quando comparada a outros processos

de fabricação. Os limites da capacidade desta tecnologia em substituir outras tecnologias

como: fundição, usinagem, estamparia, forja, etc. ainda estão longe de ser definidos e

alcançados. A cada ano, novidades no campo de novos pós, prensas e fornos promovem

avanços nesta tecnologia que lhe permitem continuar crescendo com vantagens econômicas

aos consumidores. O grande consumidor de peças sinterizadas no mercado global é o setor

automotivo. Cerca de 70% do volume produzido são aplicações voltadas para componentes de

suspensão, motores a combustão, câmbio e pequenos motores elétricos. O mundo consome

hoje (2010) cerca de 400.000 toneladas de peças sinterizadas (já consumiu 700.000 em 2007

de acordo com EPMA). Deste volume, o Brasil representa parcas 20.000 toneladas. Um

mercado ainda com grande potencial. Nesse contexto, o trabalho apresenta uma das formas de

obtenção do pó metálico e no que essa técnica distingue das outras em características e

aplicações.

Palavras-chave: Metalurgia em pó, Carbonilas, Técnicas de Obtenção.

ABSTRACT

In general, the great advantage of powder metallurgy and what determines the growth

of their industry is its lower cost to manufacture components. There are some technical

advantages associated with their intrinsic porosity as lubrication and filtration, but its cost is

lower its great advantage over other manufacturing processes. The limits of the ability of this

technology to replace other technologies such as casting, machining, stamping, forging, etc..

are still far from being defined and achieved. Each year, new developments in the field of

powder presses and furnaces promote advances in this technology to allow you to continue

growing with economic advantages to consumers. The major consumer of sintered parts in the

global market is the automotive sector. About 70% of the volume produced applications are

facing suspension components, combustion engines, electric motors and small exchange. The

world consumes today (2010) about 400,000 tons of sintered parts (already consumed

700,000 in 2007 according to EPMA). In this volume, Brazil is meager 20,000 tons. A market

still has great potential. In this context, the paper presents a way of obtaining the metal

powder and that this technique differs from the others in features and applications.

Keywords: Powdering Metallurgy, carbonyl. Methods of obtainment

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Aproveitamento de processos

Tabela 2 - Características resultantes dos processos

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO 7

A METALURGIA DO PÓ 7

PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO PÓ METÁLICO 8

O PROCESSO DE DECOMPOSIÇÃO: 8

CARACTERÍSTICAS DO PÓ PRODUZIDO. 9

IMPACTO AMBIENTAL DECORRENTES DO PROCESSO 10

APLICAÇÕES 11

CONCLUSÃO 15

REFERÊNCIAS 16

INTRODUÇÃO

Procura-se nesse trabalho, apresentar sobre a importância da metalurgia do pó bem

como sua aplicação.

Busca-se também apresentar a obtenção do pó metálico de ferro e níquel a partir da

decomposição de suas carbonilas. Ao final, apresenta-se um case de uma multinacional no

ramo da metalurgia onde verifica quão larga é a aplicação do pó metálico a partir da carbonila

de ferro e quanto ela pode nos beneficiário em desenvolvimento tecnológico.

A METALURGIA DO PÓ

Metalurgia do pó é um processo de fabricação que produz peças tendo como matéria-

prima pó metálico ou não. O processo consiste em compactar e/ou modelar a mistura e

aquecê-la (etapa chamada de sinterização), com o objetivo de melhorar a coesão da estrutura

interna. A característica específica do processo é que a temperatura permanece abaixo da

temperatura de fusão do elemento constituinte principal.

A metalurgia do pó é um processo em que a economia de material é levada ao

extremo, com mínimas perdas de matéria-prima (as perdas na usinagem convencional, por

exemplo, podem chegar a 50%). Certas ligas podem ser obtidas pela metalurgia do pó a custos

várias vezes inferiores do que se fossem produzidas pela metalurgia convencional.

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Tabela 1 - Aproveitamento de processos

A possibilidade de conjugar peças simples e partes sinterizadas também representa um

importante fator de economia de custos, com preservação de qualidade do produto final.

O controle exato da composição química desejada do produto final, a redução ou

eliminação das operações de usinagem, o bom acabamento de superfície, a pureza dos

produtos obtidos e a facilidade de automação do processo produtivo são alguns dos motivos

que tornam a metalurgia do pó uma fonte produtora de peças para praticamente todos os

ramos da indústria, como o automobilístico, de informática, aeroespacial, de material

eletroeletrônico, de equipamentos e implementos agrícolas, têxtil e tantos outros.

Entretanto, algumas limitações ainda não superadas tornam a metalurgia do pó uma

solução inviável em algumas situações. Em outras situações, a metalurgia do pó não é o

último processo. Por exemplo, a peça tem de ser extraído de uma matriz, o que dificulta a

produção de peças com certas características geométricas (furos, rasgos etc.), que devem ser

obtidas por usinagem posterior.

PROCESSOS DE OBTENÇÃO DO PÓ METÁLICO

A matéria prima na metalurgia do pó constitui, mais do que na maioria dos processos

metalúrgicos convencionais, um fator básico, principalmente no que diz respeito à sua

uniformidade. Por esse motivo, é imprescindível o seu controle rigoroso, o que significa que

7

todas as suas características devem ser conhecidas e determinadas com a maior cautela

possível.

Os principais processos para obtenção do pó metálico são:

Redução direta do minério de ferro por carbono

Atomização de aço baixo-carbono por água

Granulação de ferro-fundido por água seguida por moagem

O objetivo deste trabalho é discutir o processo de obtenção dos pós metálicos através

da decomposição térmica de suas carbonilas.

O PROCESSO DE DECOMPOSIÇÃO:

O processo de decomposição consiste na condensação de um metal a partir de seu

vapor. Os elementos mais utilizados são o ferro e o níquel. Esses metais podem ser obtidos

pela decomposição de suas carbonilas correspondentes.

Para tal, as carbonilas – Fe(CO)5 e Ni(CO)4 – são preparadas pela passagem de CO,

sob alta pressão, sobre uma massa de metal aquecida, seguindo-se a condensação na forma

líquida e armazenando o líquido sob pressão.

Aquecendo as carbonilas até seu ponto de ebulição em recipientes aquecidos à pressão

atmosférica sob condições que levam à decomposição do vapor dentro dos recipientes e não

em suas paredes, originam os pós metálicos correspondentes. Os pós são recolhidos,

peneirados e se necessários, moídos e recozidos.

Obs. o Fe(CO)5 tem o seu ponto a 102,5°C e o Ni(CO)4 a 42,7 °C

CARACTERÍSTICAS DO PÓ PRODUZIDO.

A pureza desses pós geralmente é elevada, superando os 99% e suas principais

impurezas são o carbono, nitrogênio e o oxigênio. O formato das partículas pode ser

rigorosamente controlado. O pó de ferro carbonila é muito fino e se apresenta em formato

esférico bastante regular e o de níquel apesar de esférico, apresenta-se de forma bastante

irregular e porosa.

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PROCESSO GEOMETRIA

DA

PARTÍCULA

DENSIDADE

BATIDA

TAMANHO

MÉDIO DAS

PARTICULAS

(µm)

CUSTO

Atomização a

água

Irregular Baixa a média 5 – 400 Moderado

Atomização a

gás

Esférica, angular Alta 10 – 300 Alto

Granulação a

água/moagem

Irregular Baixa X X

Redução de

minério

Esponja Baixa 30 – 500 Moderado

Redução de

carepa

Esponja Baixa 20 – 800 Baixo

Eletrolítico Irregular,

dendrítica

Baixa 5 – 300 Moderado

Carbonila Esférica Moderada 2 – 20 Moderado

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Tabela 2 - Características resultantes dos processos

IMPACTO AMBIENTAL DECORRENTES DO PROCESSO

Como será visto adiante, apesar da utilização do Monóxido de Carbono em fase

gasosa, o mesmo é reutilizado no intuito de reduzir a agressão ao meio ambiente e ao ser

humano.

Também há no Brasil uma portaria que delimita o contato com o Monóxido de

Carbono.

O Monóxido de Carbono é classificado como um asfixiante químico, produzindo uma

ação tóxica por combinar-se com a hemoglobina do sangue formando a carboxi-

hemoglobina.

Posto que a afinidade do monóxido de carbono com a hemoglobina é de 200-300

vezes

maior que a do oxigênio, apenas um pouco de monóxido de carbono no ar reage com grande

quantidade de hemoglobina o que impede a formação de oxi-hemoglobina, causando a

chamada asfixia química.

No Brasil o anexo número 11 da Norma Regulamentadora 15 (NR 15), determina que

no ambiente de trabalho a concentração máxima para uma exposição semanal de até 48 horas

é de 39 ppm.

Se respirado em concentrações superiores a 50 ppm por um número de horas muito

prolongado, o monóxido de carbono produz sintomas de envenenamento. Respira-lo em

concentrações ao redor de 200 ppm produz leve dor de cabeça, em apenas algumas horas.

Uma concentração de 400 ppm produz dor de cabeça e desconforto em duas ou três

horas.

Uma exposição a um nível de 1000-2000 ppm de CO, conjugada com atividade física

moderada, produz uma palpitação cardíaca leve em 30 minutos. Nas mesmas condições, em

cerca de 2 horas, são produzidas: confusão mental, dor de cabeça acentuada, e náusea.

Exposição a uma concentração de 2000-2500 ppm resulta em inconsciência em

aproximadamente meia hora. Devido ao Monóxido de Carbono ser inodoro, seus efeitos em

concentrações mais altas podem ser tão rápidos que a pessoa tem pouco ou nenhum aviso

antes de perder a consciência e morrer.

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APLICAÇÕES

Os principais produtos obtidos são utilizados à fabricação de núcleos magnéticos para

industria eletrônica, ferramentas abrasivas e de corte, produtos químicos e farmacêuticos e

aplicações bem específicas na metalurgia do pó.

A seguir, um case retirado do site da BASF sobre a importância da Carbonila

de Ferro em componentes eletrônicos:

Pó de ferro carbonila da BASF melhora componentes elétricos para smartphones e tablets

Smartphones, tablets, notebooks – para muitas pessoas, é difícil imaginar uma vida

sem esses pequenos e sofisticados aparelhos. Fabricar esses eletrônicos complexos em um

formato portátil só é possível utilizando componentes de alta performance.

Alguns componentes, tais como a CPU ou o disco rígido, necessitam tensão diferente daquela

fornecida por uma bateria. No entanto, disponibilizar uma tensão que desvie do valor

necessário pode causar danos a esses aparelhos. O pó de ferro carbonila (CIP) da BASF

contribui decisivamente para solucionar esse problema: o pó é incorporado aos núcleos de

bobinas de alta frequência, garantindo que a corrente que flui para os componentes eletrônicos

sensíveis sempre tenham exatamente a voltagem necessária.

“Com décadas de experiência em sintetizar CIP, podemos controlar com precisão a

estrutura das partículas de ferro e, portanto, suas propriedades eletromagnéticas, para criar um

material ideal, tornando bobinas de alta frequência extremamente eficientes”, enfatiza Dr.

Frank Prechtl, Gerente de Negócios da BASF. “Cada tablet contém três ou quatro dessas

bobinas de alta frequência com núcleo CIP, enquanto um notebook tem, no mínimo, dez”,

conclui Pretchl.

O CIP é produzido a partir de sucata de ferro normal, finamente moído e reagido com

monóxido de carbono a temperaturas elevadas sob alta pressão. Esse processo produz ferro

pentacarbonil, um líquido oleoso amarelo. Nessa fase, as impurezas presentes na sucata de

ferro podem ser facilmente removidas: como um líquido, o ferro pentacarbonil pode ser

destilado, obtendo pureza elevada. O composto é então aquecido até se decompor novamente

em seus constituintes.

O monóxido de carbono liberado durante esse tratamento pode ser reciclado para a

síntese do ferro pentacarbonil. O ferro, no entanto, é depositado na forma de alta pureza,

partículas esféricas microscopicamente pequenas, de estrutura e tamanhos definidos – pó de

ferro carbonila. Nesse aspecto, CIP difere muito de pós de ferro fabricados a partir de outras 11

técnicas, tais como processos eletrolíticos ou métodos de pulverização. Esse fator é decisivo

para muitas aplicações, por exemplo, a forma esférica perfeita das partículas CIP nos núcleos

de bobina permite que eles sejam embalados em conjunto, e os fios da bobina não estão

riscados por uma superfície áspera.

A bobina é um componente elétrico que consiste de múltiplos fios de cobre. A

corrente que flui através do fio de cobre cria um campo magnético em torno da bobina. O

campo magnético neutraliza a tensão das mudanças em curso: o fenômeno de indução garante

que a corrente  que deixa a bobina mantenha uma tensão constante. Esse efeito entra em jogo

quando, por exemplo, a bobina está posicionada atrás de um conversor de corrente contínua,

que muda a tensão.

Para fazer isso, ele converte a corrente alternada em uma etapa intermediária e depois

volta novamente. A bobina de alta frequência, em seguida, filtra os componentes restantes e

“suaviza” a corrente contínua para que a tensão não varie. Quanto mais forte o campo

magnético da bobina, melhor a indução funciona. Por isso, as bobinas de alta frequência em

smarthphones e outros dispositivos apresentam um núcleo feito de material magnético, tais

como o ferro, que intensifica o campo magnético da bobina. Para evitar perda de energia, do

tipo de ocorre com um núcleo de ferro eletricamente condutivo, por exemplo, cada uma das

partículas de ferro em pequenos núcleos CIP está rodeada por uma camada isolante.

Isso elimina fluidos adicionais da corrente, que seriam criados pela indução no núcleo.

“A forma das partículas CIP contribui muito para reduzir as perdas de energia nos núcleos de

bobina: quanto mais redondas as partículas, mais facilmente elas podem ser revestidas e

isoladas contra a corrente elétrica de maneira mais eficaz”, explica Dr. Oliver Koch, Gerente

de Produto da BASF. “Nas bobinas de alta freqüência, geralmente utilizamos fosfato de ferro

para esse fim, mas também podemos adaptar o material de revestimento para atender às

necessidades individuais de tecnologias inovadoras. Isso nos permite pesquisar

especificamente para novas aplicações e, assim, fabricar um produto de alto desempenho

adequado para a aplicação”, conclui Koch.

Outro exemplo de tais aplicações inovadoras pode ser encontrado em fluidos

magnetoreológicos (MRF), suspensões de CIP em um poço de petróleo: quando introduzidos

em um campo magnético, eles mudam suas propriedades de fluxo e tornam-se muito viscosos

ou mesmo sólidos. Esse efeito ocorre porque quando as partículas de ferro estão no campo

magnético, elas não estão mais uniformemente distribuídas no óleo, mas se organizam em

cadeias, o que aumenta a viscosidade do líquido. Isso faz do MRF ideal para uso em

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amortecedores – a viscosidade e, portanto, o amortecimento pode ser adaptado à carga por

meio de sensores e eletroímãs. Essa tecnologia BASF já é utilizada, por exemplo, nos

amortecedores da ponte Alamillo, na Espanha, e da ponte Sutong, na China.

Pequenas esferas versáteis: outras aplicações de CIP

Moldagem por injeção de pó: fechaduras de automóveis, peças de relógio,

instrumentos cirúrgicos – aplicações de precisão exigem complexos componentes de aço.

Plásticos moldáveis podem tomar a forma desejada, porém com metais isso só é possível até

certo ponto, devido a seu alto ponto de fusão. Um método de produzir complexas peças

metálicas eficientes e de custo eficaz é a modelagem por injeção de pó: com essa técnica, pós

metálicos são pressionados em conjunto com um polímero como adesivo na forma desejada.

O adesivo é então removido e o pó é compactado em uma peça de metal sólida na fase de

sinterização. Isso funciona particularmente bem com CIP porque as partículas de ferro podem

ser embaladas juntas com firmeza.

Fabricação de etiquetas RFID: etiquetas RFID (Radio-Frequency Identification) são do

tamanho de grãos de arroz com que os objetos podem ser automaticamente localizados ou

identificados. Elas consistem de uma antena e um chip no qual os dados são armazenados.

Através de ondas eletromagnéticas, um dispositivo de leitura adequado também pode

reconhecer grande número de etiquetas RFID simultaneamente, sem tocá-las diretamente.

Essas etiquetas são incorporadas, por exemplo, a passaportes ou livros da biblioteca, que são

fáceis de empilhar no dispositivo check-in/check-out para fins de empréstimo. CypoPrint da

BASF é a linha de tintas à base de metal que contém CIP e permite excelente custo-benefício

de antenas de cobre flexíveis para etiquetas RFID: com CypoPrint, a estrutura da antena é

reimpressa em um filme plástico. Em uma próxima etapa, o cobre para a antena é

seletivamente aplicado à pré-impressão.

Triagem de radiação eletromagnética: CIP está presente em smartphones, não só como

um núcleo para bobinas de alta freqüência, mas também como um elemento que protege

vários componentes eletrônicos para os sinais de interferência causada por radiação

eletromagnética: o campo magnético alternado da radiação faz com que as partículas de ferro

se reorganizem continuamente. Devido ao atrito resultante, as partículas de ferro convertem a

energia das ondas eletromagnéticas em calor.

Suplementos alimentares: contém ferro de pureza excepcionalmente alta: acima de

99,5% é possível. Isso também o torna adequado como suplemento alimentar ou para

aplicações farmacêuticas e podem ser úteis no tratamento de deficiência de ferro.

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CONCLUSÃO

Com a análise que pode ser notada, vê que a metalurgia do pó possui importância significativa

nas aplicações, como, tablets e computadores altamente desenvolvidos utilizam largamente

essa aplicação nos efeitos eletromagnéticos, bem como a indústria alimentícia e farmacêutica.

Cabe aqui analisar que, como visto no caso apresentado, há uma preocupação no

manuseamento dos gases envolvidos no processo, bem como manuseio do material, visto

agredir o meio-ambiente e a saúde do ser humano.

Nota-se também, por meio da pesquisa, que a área de Metalurgia do Pó tem, ano a ano,

buscado uma maior organização para que as técnicas de obtenção de material sejam

largamente buscadas pelas empresas no Brasil para que cada vez mais elas se desenvolvam e

busquem a alta competitividade com produtos estrangeiros.

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REFERÊNCIASDisponível em:

http://www.metalurgiadopo.com.br/Paginas/Imgs/Empresas/Grafico-Economia.jpg acessado

em 26/08/2012

http://www.basf.com.br/?id=6990 acessado em 26/08/2012

http://www.gamagases.com.br/Monoxido_de_Carbono2.pdf acessado em 26/08/2012

GRUPO SETORIAL DE METALURGIA DO PÓ. Metalurgia do Pó: Alternativa

econômica com menor impacto ambiental. São Paulo: Ed. Metallum.

CHIAVERINI, Vicente. Metalurgia do Pó: Técnicas e Produtos. São Paulo/SP: Ed. ABM –

Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais.

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