BR102012023361B1 - método de obtenção de espumas metálicas e espumas metálicas assim obtidas - Google Patents

Abstract

método de obtenção de espumas metálicas e usos a presente invenção trata-se de um método de obtenção de espumas metálicas ou metais porosos contendo poros fechados e não interconectados entre si. com o método obtém se produtos metálicos porosos utilizando geração de gases a partir de agentes espumantes intimamente incorporados ao metal, e a espumagem ocorre no metal no estado semi-sólido, o produto resultante é um material contendo poros finos e distribuídos, com propriedades diferenciadas se comparado a um mesmo volume de liga metálica maciça, com menor peso, melhor isolamento térmico e maior capacidade de absorção de energia quando sofre compressão.

Description

(54) Título: MÉTODO DE OBTENÇÃO DE ESPUMAS METÁLICAS E ESPUMAS METÁLICAS ASSIM OBTIDAS (73) Titular: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP. CGC/CPF: 46068425000133. Endereço: CIDADE UNIVERSITÁRIA ZEFERINO VAZ, DISTRITO DE BARÃO GERALDO, CAMPINAS, SP, BRASIL(BR), 13083-970 (72) Inventor: MARIA HELENA ROBERT; RENATO RAFAEL DA SILVA.

Prazo de Validade: 20 (vinte) anos contados a partir de 17/09/2012, observadas as condições legais

Expedida em: 21/11/2018

Assinado digitalmente por:

Alexandre Gomes Ciancio

Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

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MÉTODO DE OBTENÇÃO DE ESPUMAS METÁLICAS E ESPUMAS METÁLICAS ASSIM OBTIDAS

Campo da Invenção

A presente invenção trata-se de um método de obtenção de espumas 5 metálicas ou metais porosos por moagem de alta energia, as quais contêm poros fechados e não interconectados entre si.

Em geral encontram aplicações na indústria onde exista a necessidade de elementos de baixo peso e de boa capacidade de absorção de energia mecânica e vibrações. Na indústria automobilística podem ser utilizados como 10 pára-choques, barras de segurança, elementos atenuadores de sons e vibrações.

Fundamentos da invenção

Espumas metálicas estão estabelecidas como uma nova classe de materiais que está sendo amplamente pesquisada em todo o mundo. O 15 primeiro registro de fabricação de espumas metálicas data do final dos anos 40, quando Benjamin Sosnick patenteou um método baseado na possibilidade de fusão e ebulição simultânea de fases distintas presentes em uma liga, possibilitando a coexistência de líquido e vapor a elevadas temperaturas.

Atualmente, a maioria dos processos utilizados para a produção de 20 espumas metálicas envolve a mistura de pós do metal ou liga metálica com pós de agentes espumantes, a compactação da mistura, seguida de aquecimento para a fusão do metal e formação de gases no interior do metal líquido. O processo de espumagem é de difícil controle devido à grande instabilidade de bolhas gasosas em meio líquido. Esses processos baseados, portanto, em 25 técnicas da metalurgia do pó convencional e na espumagem em meio líquido resultam em produtos onde a dispersão dos gases ao longo da matriz metálica pode ser irregular e em poros de grandes dimensões.

O trabalho de García-Moreno e colaboradores (2010) cita três estratégias para distribuir as fontes de gás homogeneamente pelo metal, sendo 30 essas a realização da espumação utilizando o gás adsorvido à superfície do metal, a espumação com altas pressões de gás em torno do metal ou com aplicação de pressão mecânica. O presente invento, no entanto, utiliza a moagem de alta energia para a fabricação de um pó compósito entre a liga metálica e o agente espumante, o que apresenta as vantagens de melhorar a

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2/7 distribuição de poros pelo volume do material, redução do tamanho dos vazios, redução de trincas na parede celular sobre os processos propostos pelos autores.

O documento PI06108717, de 03/08/2010, descreve a obtenção de um corpo de espuma metálica pela deposição de uma ou mais camadas de metal fundido a um substrato de poros abertos, deixando-se o metal fundido penetrar nos poros deste. De maneira semelhante, Tian e Guo (2011) descrevem a obtenção de uma espuma de zinco microporosa por eletrodeposição em um molde de poliuretano. O presente invento, contudo, não trabalha com a 10 fundição do metal, mas sim, com a liga metálica no estado semi-sólido o que permite o melhor controle do processo de espumar, o poros são fechados, de tamanhos reduzidos e bem distribuídos. Nos documentos apresentados o material resultante é uma espuma metálica de células abertas, conhecidas também como esponjas metálicas, e apresentam poros interconectadas com 15 aplicações distintas a esta invenção aqui descrita, como por exemplos filtros e trocadores de calor.

Zhao e Sun (2001) descrevem um processo de obtenção de espumas metálicas pelo método de sinterização e dissolução, em que o pó de NaCl, um bloqueador, é misturado ao pó metálico, a mistura é prensada, faz-se a 20 sinterização do metal e a lavagem do material para a remoção do sal. Diferentemente, o presente invento utiliza um agente espumante para a formação de poros de maneira controlada, uma vez que se forma um pó compósito entre a liga metálica e tal agente, garantindo a distribuição homogênea do agente espumante pela liga metálica e, portanto, a 25 homogeneidade de distribuição dos poros formados. A presente invenção não necessita da remoção do material bloqueador para formação o material poroso, além disso, misturas com NaCl podem levar uma fragilização excessiva do material devido a oxidação das paredes metálicas em contato com o sal.

O trabalho de Li et al. (2011) descreve o uso da agitação de um metal no 30 estado semi-sólido sem adição de outras partículas como forma de estabilizar o processo de espumação. No entanto, não é utilizado moagem de alta energia para gerar pós compósitos o que levaria uma redução significativa no tamanho dos poros gerados em meio semi-sólido e uma melhor distribuição dos mesmos pelo volume do material.

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A patente EP1031393, de 19/01/05, faz menção a uma mistura simples dos pós de uma liga metálica com agentes espumantes, o aquecimento da mistura à temperatura de fusão do metal da liga que apresente menor temperatura de fusão, ativação do agente espumante pela elevação da 5 temperatura, formação da espuma e resfriamento do material formado. O presente método, no entanto, permite uma melhor homogeneidade da mistura entre a liga metálica e o agente espumante pela formação de um pó compósito, o que permite a geração de poros de pequena dimensão bem distribuídos ao longo do material. Além disso, o material resultante do processo apresenta 10 excelente qualidade, ou seja, baixa aglomeração de poros e trincas na parede celular.

Sendo assim, a patente em questão trata do processo de produção de materiais porosos de matriz metálica contendo poros fechados, de pequenas dimensões e bem distribuídos, que utiliza moagem de alta energia para a 15 obtenção da mistura. O processo envolve a mistura de pó, partículas ou cavacos da liga metálica com pó ou partículas de agente espumante em condições de alta energia para a promoção da incorporação das segundas no interior das primeiras, formando um pó ou partícula de material compósito. Realiza-se sua compactação a frio ou a quente, mediante a aplicação de 20 pressão, o aquecimento do compactado para a formação do teor adequado de líquido no metal e a globularização da estrutura, que permanece sólida, e para a formação de gases a partir do agente espumante no interior deste metal semi-sólido com estrutura globularizada. Em seguida o conjunto é resfriado, retendo os gases gerados em seu interior como poros.

O emprego da mistura de alta energia resulta em mais fina e mais homogênea dispersão do agente espumante no interior do metal, o que resulta por sua vez em espumas com menores poros e melhor dispersos no seu volume. O emprego da liga metálica no estado semi-sólido resulta em uma maior controlabilidade do processo, menores temperaturas envolvidas, melhor 30 retenção dos gases gerados e melhor distribuição dos poros no produto final em comparação com os processos tradicionais, que envolvem mistura simples dos componentes metal e agente espumante (sem incorporação do agente espumante pelo metal) e a formação de gases no metal no estado totalmente líquido.

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Breve Descrição da Invenção

A presente invenção trata-se de um método de obtenção de espumas metálicas ou metais porosos por moagem de alta energia, as quais contêm poros fechados e não interconectados entre si. Tem por finalidade a produção 5 de espumas metálicas de diferentes metais e agentes espumantes a partir da mistura por alta energia.

O método de produção de espumas metálicas ou metais porosos compreende as seguintes etapas: seleção do tipo de dimensões de uma liga metálica e de um agente espumante; adicionar um agente controlador; misturar 10 a liga metálica e agente espumante por alta energia; compactar a mistura em molde lubrificado; aquecer o compactado, e resfriar o produto obtido.

A espuma metálica obtida pode ser aplicável em elementos de baixo peso e de boa capacidade de absorção de energia mecânica e vibrações e mais especificamente na indústria automobilística.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 representa um esquema de um exemplo do método de produção de espuma de alumínio via moagem de alta energia.

Na Figura 2 é apresentado o organograma de um exemplo do método de produção de espuma de alumínio via moagem de alta energia.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção trata-se de um método de produção de espumas metálicas ou metais porosos contendo poros fechados e não interconectados entre si.

O método utiliza como diferencial a mistura de pós metálicos com agentes espumantes via moagem de alta energia, levando a formação de pós compósitos que melhoram a distribuição e reduzem o tamanho dos poros nas espumas.

O método de produção de espumas metálicas ou metais porosos compreende as seguintes etapas:

a) Seleção do tipo de dimensões de uma liga metálica e de um agente espumante:

a1) análise de faixa de solidificação da liga;

a2) análise da temperatura de dissociação do agente espumante;

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5/7 a3) seleção da temperatura de espumagem;

b) Adicionar um agente controlador;

c) Misturar a liga metálica e agente espumante por alta energia;

d) Compactar a mistura em molde lubrificado;

e) Aquecer o compactado, e

f) Resfriar do produto obtido.

Na etapa (a) é realizada a seleção do tipo e dimensões das matérias primas, isto é, a liga e o agente espumante; a análise de faixa de solidificação da liga (determinação da Tsolidus e Tliquidus); a análise da temperatura de 10 dissociação do agente espumante; a seleção da temperatura de espumagem.

Dentre as ligas metálicas, pode-se utilizar Al, Zn, Mg, Ti, Fe, Cu e Ni. Quanto aos agentes espumantes, estes podem ser eleitos dentre os hidretos covalentes, salinos e metálicos e também por carbonatos. O agente espumantes pode ser selecionado do grupo TiH2, CaCO3, K2CO3, MgH2, ZrH2, 15 CaH2, SrH2, HfH2, entre outros.

A etapa (b) é de adição de um agente controlador de processo que pode ser selecionado do grupo: ácido esteárico, estearato de zinco, estearato de alumínio, pó de parafina, microcera, metanol e etanol.

A etapa (c) é de preparação da mistura dos componentes, agente 20 espumante e liga metálica, em moinho de moagem de alta energia. A liga metálica e o agente espumante são utilizados na forma de pós, particulados ou cavacos de granulometria pré-determinada. Os materiais são misturados em condições de alta energia resultando em pós ou partículas compósitas da liga metálica contendo em seu interior as partículas do agente espumante. As 25 condições de mistura ou moagem devem ser determinadas para cada tipo de mistura, dimensões e proporções na mistura, de modo a fornecer a incorporação do agente espumante no interior do metal. O resultado dessa etapa é um pó contendo matriz metálica com dispersão fina do agente espumante ou pó compósito.

O pó compósito obtido é colocado em um molde metálico ou cerâmico de geometria desejada, lubrificado com grafite, ceras ou estearatos, compactado sob ação de pressão de compressão (etapa (d)). Os pós são compactados a frio ou a quente por qualquer processo de conformação que envolva aplicação de pressão de compressão, como forjamento, extrusão,

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6/7 laminação. A operação pode ser feita a frio ou com aquecimento a temperatura inferior à Tsolidus, em uma só operação ou em operações múltiplas. As condições de compactação devem ser determinadas para cada tipo de pó compósito obtido. O resultado dessa etapa deve ser um compactado com 5 reduzido grau de porosidade de modo a não permitir a saída de gases na etapa de espumagem ou gaseificação.

Na etapa (e) os compactados são aquecidos em forno a uma temperatura intermediária entre Tsolidus e Tliquidus da liga metálica, permitindo a solidificação da liga para que haja a formação do semi-sólido e a 10 formação de gases em seu interior. O aquecimento pode ser realizado em forno resistivo, a gás, indução, a arco elétrico, em atmosfera ambiente, inerte ou vácuo, previamente aquecido à temperatura de intervalo de solidificação da liga metálica (região semi-sólido). Atingida a temperatura de processo, esperase o tempo necessário para a homogeneização da temperatura da liga e a 15 globularização de sua microestrutura (espumagem), ocorre a geração de gases a partir do agente espumante, fazendo o metal semi-sólido se expandir.

Após atingida a expansão desejada a espuma metálica pode ser resfriada ao ar e posteriormente em água. O produto resultante é um material metálico poroso, contendo poros gasosos de pequenas dimensões e 20 distribuídos uniformemente na matriz metálica. Em seguida o produto pode ser desmoldado.

As variáveis do processo mais importantes são o tipo e dimensões da matéria prima, a proporção metal/agente espumante, a energia empregada e o tempo de mistura dos componentes, a pressão e temperatura empregadas na 25 compactação da mistura, o tempo e temperatura de espumagem. Estes parâmetros devem ser determinados para cada caso específico, em função das propriedades requeridas no produto.

O produto resultante apresenta propriedades diferenciadas em relação ao material metálico maciço, como, por exemplo, menor peso, melhor absorção 30 de energia em choques mecânicos, melhor isolamento térmico.

Exemplo

Foram utilizados pós da liga de Al AA2014 de diâmetro médio de 20pm e do agente espumante TiH2 de diâmetro médio de 40pm. Foi empregada fração relativa em peso de 1,5% (1,5% de TiH2 para 99,5% de liga de Al);

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Para o processo de moagem (moagem ou mistura de alta energia) foi fixada a relação de bolas / carga de 6 para 1, ou seja, para cada 1 grama de pó (Al + TiH2) foram utilizados 6 gramas de esferas de aço - cromo (3 esferas de 12mm + 8 esferas de 11mm); e como PCA (agente controlador do processo) foi 5 utilizado 1,5 % de ácido esteárico em todas as condições. Foi empregada velocidade de rotação de 600rpm; os tempos de moagem estudados foram de 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 e 17 hrs.

Os pós misturados foram compactados em matriz metálica, previamente lubrificada com grafite e compactados em duas etapas: uma pré-compactação 10 a 200°C seguida de uma segunda compactação a 400°C; em ambas etapas foi empregada pressão de 300 MPa.

Os compactados foram aquecidos em forno do tipo resistivo, com atmosfera ambiente, previamente aquecido à temperatura de 780°C. É procedida a espumagem com a expansão do material. Após atingida a 15 expansão desejada, o material obtido é resfriado ao ar.

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Claims (13)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Método de produção de espumas metálicas ou metais porosos compreendendo as seguintes etapas:

   a) Seleção do tipo de dimensões de uma liga metálica e de um agente espumante;

   a1) análise de faixa de solidificação da liga;

   a2) análise da temperatura de dissociação do agente espumante;

   a3) seleção da temperatura de espumagem;

   b) Adicionar um agente controlador;

   c) Mistura da liga metálica e agente espumante por alta energia;

   d) Compactação da mistura em molde lubrificado;

   e) Aquecimento do compactado,

   f) Resfriamento do produto obtido, e caracterizado pela mistura ser via moagem de alta energia com a presença de um agente controlador.
2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato da liga metálica poder ser selecionada do grupo Al, Zn, Mg, Ti, Fe, Cu e Ni.
3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato do agente espumante poder ser selecionado do grupo dos hidretos covalentes, salinos, metálicos e carbonatos.
4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelo fato do agente espumante poder ser selecionado do grupo TiH2, CaCO3, K2CO3, MgH2, ZrH2, CaH2, SrH2, HfH2, entre outros.
5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato da liga metálica e o agente espumante poderem ser utilizados na forma de pós, particulados ou cavacos de granulometria pré-determinada.
6. 6. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo agente controlador poder ser ácido esteárico, estearato de zinco, estearato de alumínio, pó de parafina, microcera, metanol ou etanol.
7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato da compactação ser realizada em um molde metálico ou cerâmico de geometria desejada sob ação de pressão de compressão e lubricado com grafite, ceras ou estearatos.

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8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato da compactação poder ser realizada em uma ou mais etapas com diferentes pressões e temperaturas.
9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8 caracterizado pela compressão

   5 poder ser realizada por forjamento, extrusão ou laminação, a frio ou com aquecimento, em operação única ou múltiplas.
10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo aquecimento pode ser realizado em forno resistivo, a gás, indução, a arco elétrico, inerte ou vácuo.

    10
11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo resfriamento pode ser realizado ao ar e posteriormente em água.
12. 12. Método de produção de espumas metálicas ou metais porosos, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por misturar por alta energia 99,5% liga de Al AA2014 em pó com diâmetro médio de 20pm com 1,5% de agente

    15 espumante TiH2 de diâmetro médio de 40pm; processar a mistura com 6/1 de bolas por carga, cada 1 grama de pó (Al + TiH2) utilizando 6 gramas de esferas de aço - cromo (3 esferas de 12mm e 8 esferas de 11mm) com 1,5 % de ácido esteárico como agente controlador, velocidade de rotação de 600rpm; compactar os pós misturados em matriz metálica com pressão de 300 MPa, 20 previamente lubrificada com grafite em duas etapas: uma pré-compactação a 200°C seguida de outra a 400°C; aquecer em forno do tipo resistivo, previamente aquecido à temperatura de 780°C até que ocorra a espumagem com a expansão do material e realizar resfriamento ao ar.
13. 13. Espuma metálica caracterizada por ser obtida pelo método descrito nas 25 reivindicações de 1 a 12.

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    Compactação

    Pressão

    O OO OO O OO°

    AA2014

    Moagem de alta energia

    TiH₂ • · ···

    Moinho Tipo planetário

    Pós compósitos o O O

    OO O 00°

    Precursor

    Forno resistivo

    Espuma de Alumínio

    Pressão

    LI Compactação uniaxial