BR0311587B1

BR0311587B1 - procedimento para a fabricação de corpos moldados metálicos altamente porosos.

Info

Publication number: BR0311587B1
Application number: BRPI0311587-9A
Authority: BR
Inventors: Martin Bram; Alexander Laptev; Detlev Stoever; Hans Peter Buchkremer
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2012-01-10
Also published as: WO2003101647A2; ATE399070T1; DE50310043D1; ZA200410364B; EP1523390B1; US7147819B2; CA2488364A1; PL372178A1; DE10224671C1; WO2003101647A3; CN1863630A; CN1863630B; AU2003245820B2; JP4546238B2; JP2005531689A; ES2307948T3; EP1523390A2; US20050249625A1; AU2003245820A1; PL205839B1

Description

PROCEDIMENTO PARA A FABRICAÇÃO DE CORPOS MOLDADOS METÁLICOS ALTAMENTE POROSOS

A presente invenção se refere a um procedimento com o qual é possível realizar a fabricação, apresentando já aproximadamente o contorno final, de componentes porosos e, particularmente, altamente porosos.

Estado da técnica

A técnica de prensar pós metálicos para fabricar corpos metálicos porosos já é conhecida. Neste contexto, para produzir a porosidade desejada, pode-se acrescentar aos pós metálicos materiais conhecidos como materiais de espaçamento, os quais possibilitam estabilizar a porosidade desejada. Depois de terem sido moldados os corpos de base a partir da mistura em pó, o material de espaçamento deve ser removido dos corpos de base de tal maneira que o corpo de base seja constituído unicamente da estrutura de pó metálico remanescente, a qual apresenta espaços ocos na armação de sua estrutura. Portanto, o corpo de base já apresenta a estrutura porosa posterior do corpo moldado. Ao se retirar o material de espaçamento, é necessário tomar cuidado para preservar intacta a estrutura de pó metálico.

Da subseqüente sinterização do corpo de base resulta um corpo moldado altamente poroso, sendo que as superfícies de contato das partículas de pó são conectadas por difusão durante o processo de sinterização.

Como material de espaçamento para a formação de corpos moldados de metal poroso são utilizadas combinações orgânicas apresentando um ponto de fusão relativamente alto, que são removidas dos corpos de base por evaporação ou por meio de pirólise (destilação fracionada) e dissolução dos produtos formados pela destilação com solventes adequados. Neste contexto, demonstrou ser problemático o tempo considerável gasto para a remoção do material de espaçamento bem como os produtos de destilação que reagem com praticamente todos os metais a serem processados pela metalurgia dos pós, como Ti, Al, Fe, Cr, Ni, etc., e que deixam atrás de si altas concentrações de impurezas. Por outro lado, quando da utilização de termoplásticos que podem ser removidos do corpo de base através de seu aquecimento, verificou-se a desvantagem de que a expansão que ocorre no ponto de transição do vidro influencia a estabilidade necessária do corpo de base.

Por outro lado, também são utilizadas, como materiais de espaçamento, combinações inorgânicas apresentando um alto ponto de fusão, como sais alcalinos, e metais com baixo ponto de fusão, como Mg, Sn, Pb, etc. Materiais de espaçamento deste tipo são removidos dos corpos de base, com grande dispêndio de energia e tempo, a vácuo ou numa atmosfera de gás inerte sob temperaturas variando entre aproximadamente 600 a 1000°C. Quando da utilização deste tipo de materiais de espaçamento, não é possível evitar que impurezas permaneçam nos corpos de base, sendo que estas são particularmente nocivas no caso de corpos moldados a partir de pós metálicos reativos como, por exemplo, Ti, Al, Fe, Cr, e Ni.

A DE 196 38 927 C2 trouxe ao conhecimento do público um procedimento para a fabricação de corpos moldados de metal altamente poroso, no qual o pó metálico é misturado primeiramente com um material de espaçamento e é prensado subseqüentemente para formar um elemento de base. Neste processo, podem ser utilizados tanto o processo de moldagem isostática como o uniaxial. 0 material de espaçamento é extraído termicamente e, depois, o corpo de base é sinterizado. Caso da mistura de pó e material de espaçamento seja estabilizada por meio de um dispositivo de amarração, torna-se possível, em princípio, realizar diretamente também componentes de geometrias relativamente mais complexas através da moldagem pluriaxial. Entretanto, a realização de uma ferramenta de moldagem adequada é cara e tecnicamente complexa. Conseqüentemente, e em particular no que diz respeito à produção de pequenas séries, demonstrou ser vantajoso fabricar primeiramente um produto semi-acabado apresentando uma geometria universal (como, por exemplo, cilindros ou placas) e então formar o contorno final desejado através de processamento mecânico ulterior.

Em conformidade com o atual estado da arte na técnica, a modelagem definitiva de corpos moldados altamente porosos é alcançada somente depois da sinterização, através de procedimentos mecânicos convencionais como, por exemplo, tornear, fresar, furar ou esmerilhar. Este processamento posterior do produto semi- acabado já sinterizado está associado negativamente a uma deformação local do material. Regularmente, esta deformação plástica acarreta o engorduramento dos poros. Com isto, a desejada porosidade aberta do corpo moldado é perdida justamente na região da sua superfície. Este fato influencia negativamente as propriedades funcionais do corpo moldado. Além do mais, a peça a ser trabalhada deve ser fixada e processada com cuidado devido à sua alta porosidade, uma vez que não é muito resistente à compressão. Por outro lado, a superfície irregular do corpo moldado poroso resulta num desgaste relativamente alto das ferramentas empregadas.

Tarefa e solução

É tarefa da presente invenção disponibilizar um procedimento simples para a fabricação de um corpo moldado de metal altamente poroso, que possibilite particularmente realizar uma geometria altamente complexa e que não apresente as desvantagens acima mencionadas como, por exemplo, o prejuízo à porosidade de sua superfície.

Objeto da presente invenção

0 objeto da presente invenção é um procedimento para a fabricação de corpos moldados de metal altamente poroso. O procedimento em questão abrange as seguintes etapas de processo: um pó metálico, empregado como matéria prima, é misturado com um material de espaçamento. No que diz respeito ao pó metálico, pode se tratar, por exemplo, de titânio e suas ligas, ferro e suas ligas, níquel e suas ligas, cobre, bronze, molibdênio, nióbio, tântalo e tungstênio.

Materiais adequados para servir como espaçadores são, por exemplo, carbamida CH4N2O (H2N-CO-NH2), biureto C2H5N3O2, melamina C3H6N6, resina de melamina, carbonato de amônio (NH4)CO3H2O e bicarbonato de amônio NH4HCO3, que podem ser removidos dos corpos moldados a temperaturas de até no máximo 300°C, sem deixar resíduo. A utilização do bicarbonato de amônio como material de espaçamento demonstrou ser particularmente vantajosa uma vez que ele já pode ser extraído ao ar, numa temperatura de aproximadamente 65°C. A granulação, isto é, o tamanho das partículas e a forma das partículas do material de espaçamento é que determinam a porosidade que se forma no corpo moldado. Os diâmetros típicos das partículas para o material de espaçamento variam entre 5Opm e 2 mm. Por meio da escolha adequada do material de espaçamento bem como da quantidade de material de espaçamento em relação ao pó metálico, é possível obter uma alta porosidade, homogênea e aberta na peça moldada definitiva. Pode-se alcançar sem maiores problemas porosidades de até 90%.

A partir da mistura, é prensado um corpo de base, em particular, um corpo de base apresentando uma geometria simples. Pode tratar-se, por exemplo, de um cilindro ou também de uma placa. O procedimento de prensagem utilizado pode ser o processo de moldagem pluriaxial ou o isostático a frio. 0 processo de moldagem pluriaxial resulta em produtos semi-acabados com estabilidade dimensional e apresentando contornos externos definidos. A fricção da parede durante o processo da retirada do molde provoca a formação de uma crosta de prensagem, constituída de partículas de pó metálicas deformadas plasticamente. Esta crosta pode ser removida através de processamento mecânico antes da sinterização, sendo que não ocorre nenhum outro processamento do elemento de base. A fricção da parede limita a relação de comprimento/diâmetro em 2 para 1. Acima deste valor ocorrem diferenças de densidades na peça prensada. O processo de moldagem isostático a frio é realizado, por exemplo, em formas de cautchu. Como meio de transferência de pressão é utilizada uma emulsão de tipo oleosa, dentro da qual se encontra a forma de cautchu cheia de pó. Na medida em que deixa de haver fricção da parede ao se retirar o molde, torna-se possível fabricar também produtos semi-acabados com uma distribuição de densidade suficientemente homogênea e que apresentam uma relação entre comprimento e diâmetro maior que de 2 para 1. A desvantagem é a reduzida estabilidade dimensional dos contornos externos que, não obstante, quase não influencia o processamento subseqüente do elemento de base.

Por fim, o corpo de base é submetido a um processamento mecânico convencional, durante o qual a peça a ser trabalhada ganhará sua forma definitiva, sendo que o encolhimento que ocorre durante o processo de sinterização é levado em consideração. O processamento no estágio de elemento de base, quando o material de espaçamento ainda está presente, apresenta a vantagem de que a peça a ser trabalhada é processada de modo muito simples, sem que a porosidade seja prejudicada. 0 desgaste das ferramentas é mantido num patamar mais reduzido. Este procedimento também possibilita modelagens de formas altamente complicadas. 0 espaçador ainda presente faz com que o material a ser processado seja suficientemente resistente à compressão para que este possa ser fixado para ser processado de forma mecânica.

Quando a forma definitiva é alcançada, o material de espaçamento é retirado do corpo de base termicamente, no ar ou sob vácuo ou sob uma atmosfera de gás inerte. A atmosfera depende da matéria-prima escolhida para o material de espaçamento. A título de exemplo, para remover um material de espaçamento de bicarbonato de amônio já basta uma atmosfera de ar acima de 65°C. A seguir, o corpo de base é sinterizado para formar o corpo moldado. O processamento mecânico antes da sinterização possibilita de forma vantajosa a fabricação simples de corpos moldados apresentando contornos parecidos com o contorno final mesmo no caso de geometrias complexas, sem prejuízo da porosidade e sem provocar grande desgaste das ferramentas.

Este procedimento não se limita unicamente à fabricação de corpos moldados apresentando uma porosidade homogênea, mas também é possível produzir com ele corpos moldados com porosidade diferenciada, por exemplo, graduada.

Quando são utilizadas matérias-primas de pós grossos, normalmente algumas partículas apresentam uma ligação fraca em relação à trama sinterizada, na medida em que as cavidades de sinterização são constituídas apenas de forma incompleta. Freqüentemente, uma pequena carga já pode levar a um verdadeiro arrebentamento. Entretanto, isto pode ser inadmissível em algumas utilizações. Para evitar este efeito negativo, demonstrou ser vantajoso que os componentes altamente porosos fabricados ει partir de pós grossos sejam acabados por acabamento vibratório ou acabamento em tambor antes de serem utilizados de fato. Durante este procedimento, as partículas de pouca aderência são removidas da superfície através de um processo de esmerilhamento.

Parte de descrição especial

A seguir, o objeto da presente invenção é explicado com maiores detalhes tomando como base as figuras e um exemplo de execução, sem que o objeto da presente invenção seja limitado por eles. São mostrados:

Figura 1 Possíveis formas de execução dos produtos semi-acabados, os quais foram produzidos através de moldagem pluriaxial e por moldagem isostática a frio.

Figura 2 Geometrias de diversos modelos que foram fabricadas em aço inoxidável 1.4404 (316L), em conformidade com o procedimento de acordo com a presente invenção.

Figura 3 Representação da macroporosidade, que é ajustada por meio da matéria-prima para o material de espaçamento, e da microporosidade que ocorre dentro do processo de sinterização.

A evolução típica do procedimento em conformidade com a presente invenção se dá <ka seguinte maneira:

1. Inicialmente, é produzido um produto semi- acabado em conformidade com a orientação da DE 196 38 927. Para tanto, um pó metálico, em particular, aço inoxidável 1.4404 (316L), ou titânio é misturado com um material de espaçamento, em particular bicarbonato de amônio, e é prensado de forma uniaxial ou isostática a frio. De acordo com a ferramenta de prensar, surgem produtos semi-acabados, como cilindros ou placas, que devem ser processados ulteriormente. A figura 1 mostra possíveis formas de execução dos produtos semi-acabados, que foram fabricados por prensagem pluriaxial e por prensagem isostática a frio.

2. Segue então o processamento de base dos produtos semi-acabados não sinterizados, através de processos mecânicos convencionais (serrar, tornear, fresar, furar, esmerilhar...). 0 material de espaçamento eleva vantajosamente a resistência mecânica dos produtos semi- acabados e, portanto, influencia de maneira favorável a possibilidade de processá-los por meios mecânicos. Uma outra vantagem apresentada pelo processamento é o baixo poder de corte que resulta, conseqüentemente, resulta num desgaste reduzido das ferramentas empregadas. 0 engorduramento dos poros também é evitado.

3. A remoção do material de espaçamento e a sinterização podem ser efetuadas de modo convencional sobre um suporte cerâmico plano para sinterização ou, alternativamente, num leito de esferas de cerâmica. Os parâmetros para a remoção do material de espaçamento podem ser escolhidos em conformidade com os apresentados na DE 196 38 927 C2. A guisa de complementação da DE 196 38 927 C2, a remoção do material de espaçamento formado por carbonato de amônio e bicarbonato de amônio é efetuada ao ar. A sinterização realizada num leito de esferas apresenta a vantagem de que as superfícies de contato em relação ao componente são reduzidas e, portanto, isto impede a aderência do componente nas esferas de cerâmica. Além do mais, com o leito de esferas pode-se facilmente compensar o encolhimento durante a sinterização ao reorientar as esferas de tal maneira que seja constituiído um contato homogêneo com o suporte para a sinterização, durante a totalidade do processo de sinterização. Isto evita um estiramento dos componentes durante a sinterização. Opcionalmente, os corpos moldados podem ser acabados por acabamento vibratório em seguida para melhorar a qualidade da sua superfície.

Exemplos de execução da presente invenção

A figura 2 mostra diferentes modelos de geometria que foram fabricados em aço inoxidável 1.4404 (316L) em conformidade com a presente invenção e seguindo a evolução do procedimento conforme descrito a seguir. Como matéria- prima foi utilizado um pó (tamanho do grão < 50 μm). O pó de aço foi misturado com um material de espaçamento de bicarbonato de amônio (tamanho do grão entre 355 e 500 μm), respeitando uma relação de 45 a 55 (em % de volume) entre o pó de aço e o bicarbonato de amônio. Isto corresponde a uma relação de 8 0,5 a 19,5 em % de peso entre o pó de aço e o bicarbonato de amônio. A mistura foi prensada de forma uniaxial com uma pressão de compressão de 425 MPa para formar cilindros que apresentaram um diâmetro de 30 mm e uma altura de 22 mm. Os cilindros foram submetidos, em sua condição de base, a processos de furar e tornear. Além das perfurações, também puderam ser realizados ressaltos retangulares bem como arredondados nas geometrias dos modelos em questão. A remoção do espaçador bicarbofiato de amônio foi efetuada ao ar, a uma temperatura de 105°C.

Muito embora a decomposição do material de espaçamento ocorra já numa temperatura de 65°C, foi escolhida uma temperatura mais elevada para poder remover o produto de desintegração, água, em sua condição gasosa. A sinterização procedeu durante duas horas sob uma atmosfera de argônio a uma temperatura de 1120°C. Os modelos de geometrias apresentaram um encolhimento de aproximadamente 4%. A porosidade final dos componentes ficou em aproximadamente 60%. Esta última é composta da macroporos idade, que é ajustada por meio da matéria-prima utilizada para o material de espaçamento, e a microporosidade, que ocorre dentro do processo de sinterização (Figura 3). A microporosidade resulta de uma sinterização incompleta das partículas do pó metálico. Para diminuir a microporosidade, é necessário utilizar como matéria-prima um pó mais fino ou realizar a sinterização em temperaturas mais elevadas.

Claims

1. Procedimento para a fabricação de corpos moldados metálicos, altamente porosos, apresentando as seguintes etapas: • Um pó metálico, utilizado como matéria-prima, é misturado com um material de espaçamento; • Dessa mistura é prensado um corpo de base; O procedimento caracterizado pelo fato de que: • O corpo de base é submetido a um processamento mecânico convencional; • O material de espaçamento é removido termicamente do corpo de base ao ar, sob vácuo ou numa atmosfera de gás inerte; e • O corpo de base é sinterizado para formar o corpo moldado.

2. Procedimento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de serem utilizados, como material de espaçamento, carbamida, biureto, melamina, resina de melamina, carbonato de amônio ou bicarbonato de amônio.

3. Procedimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato do material de espaçamento ser removido a temperaturas abaixo de 3000C, em particular, abaixo de 105°C e, particularmente a uma temperatura abaixo de 70°C.

4. Procedimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato da matéria-prima utilizada para o pó metálico ser o aço inoxidável 1.4404 (316L) ou o titânio.

5. Procedimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato dos corpos moldados serem fabricados apresentando já aproximadamente o contorno final, ao serem serrados, furados, torneados, fresados ou esmerilhados em seu estado de base.

6. Procedimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato da sinterização ser efetuada num leito de esferas cerâmicas.

7. Procedimento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato dos corpos moldados serem acabados por acabamento vibratório ou acabamento em tambor depois da sinterização.