Estudo da manuseabilidade, moldagem e sinterização de pós nanométricos e submicrométricos

Abstract

Atualmente, o desenvolvimento tecnológico vem levando fortemente em consideração a necessidade de aumentar a eficiência energética e a sustentabilidade ambiental dos processos e o uso mais racional dos recursos naturais. Assim, o aprimoramento dos processos de fabricação dos materiais, bem como, o desenvolvimento de novos materiais igualmente vem buscar atender a estes objetivos. Especial atenção está sendo dada à indústria de produção de ferro e aço, cujo setor é responsável por até 9% das emissões anuais de CO2, onde há uma busca pela transição no uso de carvão para hidrogênio na redução dos minérios e óxidos de ferro, procurando com isso uma maior sustentabilidade para o setor. Adicionalmente, o processamento de componentes a partir de pós é uma tecnologia que se adequa bem às demandas de aumento da sustentabilidade, devido ao menor consumo energético, em especial, quando trabalhando com pós-finos (submicrométricos e nanométricos), onde temperaturas de processamento relativamente baixas podem ser aplicadas. Tendo isso em mente, a presente tese visa o desenvolvimento de componentes metálicos a partir de pós-finos (submicrométricos e/ou nanométricos) abordando as várias etapas de processamento, dentre elas a obtenção da matéria-prima (seja por síntese ou extração de uma fonte natural), o manuseio desses pós, a moldagem de componentes e os tratamentos térmicos de redução com hidrogênio e sinterização. Para tanto, em um primeiro momento foram sintetizadas partículas nanoestruturadas de NiP (esferas ocas), procurando o desenvolvimento de um componente poroso, para a redução de seu peso. Após sinterização em 700 °C, por até 120 minutos, ainda há manutenção da estrutura em casca das partículas de NiP, permitindo que um componente com boa resistência mecânica e até 65% de porosidade aberta fosse desenvolvido. Ainda dentro do mesmo foco, o do estudo na manuseabilidade de pós nanométricos e/ou submicrométricos, foram preparadas pré-formas de Fe2O3 submicrométrico, combinadas ou não com matéria-prima natural (argila de um latossolo brasileiro), onde por redução com hidrogênio é gerado um corpo ferroso com elevada porosidade. Essa peça porosa (pré-forma metálica) é então conformada a frio para sua maior densificação e, na sequência, sinterizada, permitindo o desenvolvimento de um componente (metálico ou compósito de matriz metálica) com elevada densificação. A redução com hidrogênio de um compactado de Fe2O3 submicrométrico em temperatura de 700 °C, por 60 minutos, resulta em um corpo poroso de ferro metálico. Por conformação dessa pré-forma metálica em pressões superiores a 400 MPa, é obtido um componente ferroso com densificação superior a 95%, após sinterização na temperatura de 890 °C. Esse componente possui dureza similar à de um material comercial (ferro carbonila) sinterizado nas mesmas condições, porém apresenta melhor densificação, além de permitir temperaturas menores de sinterização. Já a adição de partículas finas de fração argila de latossolo, permite ainda o desenvolvimento de um material compósito com distribuição homogênea das regiões de reforço, com ótima interface entre a matriz metálica e o material de reforço, apresentando dureza de até 260 HV0,05 após sinterização em 1120 °C. Os resultados obtidos mostram o potencial da formulação de uma linha de pesquisa substancialmente mais sustentável na área de materiais sinterizados, aplicando o processamento de pós-óxidos finos combinados com a metodologia de redução por hidrogênio, para a produção de componentes de alto desempenho em menores temperaturas de processamento.

Abstract: Technological development has been considering the need to increase energy efficiency and environmental sustainability of processes and the more rational use of natural resources. Thus, the improvement of material manufacturing processes and the development of new materials also seek to meet these objectives. Special attention is being given to the iron and steel production industry, which is responsible for up to 9% of annual CO2 emissions, where there is a search for the transition from the use of coal to hydrogen in the reduction of iron ores and oxides, thus seeking greater sustainability for the sector. Additionally, the processing of components from powders is a technology that is well suited to the demands of increased sustainability, due to the lower energy consumption, especially when working with fine powders (submicrometric and nanometric), where relatively low processing temperatures can be applied. With this in mind, this thesis aims to develop metal components from fine powders (submicrometric and/or nanometric) addressing the various processing steps, including obtaining the raw material (either by synthesis or extraction from a natural source), handling these powders, molding the components, and heat treatments of hydrogen reduction and sintering. To this end, nanostructured NiP particles (hollow spheres) were first synthesized, seeking to develop a porous component to reduce its weight. After sintering at 700 °C for up to 120 minutes, the shell structure of the NiP particles was still maintained, allowing a component with good mechanical strength and up to 65% open porosity to be developed. Still within the same focus, that of the study on the handling of nanometric and/or submicrometric powders, preforms of submicrometric Fe2O3 were prepared, combined or not with natural raw material (clay from a Brazilian latosol), where by reduction with hydrogen a ferrous body with high porosity is generated. This porous piece (metallic preform) is then cold-formed for greater densification and, subsequently, sintered, allowing the development of a component (metallic or metal matrix composite) with high densification. The reduction with hydrogen of a compacted submicrometric Fe2O3 at a temperature of 700 °C, for 60 minutes, results in a porous body of metallic iron. By forming this metallic preform at pressures above 400 MPa, a ferrous component with densification above 95% is obtained, after sintering at a temperature of 890 °C. This component has a hardness similar to that of a commercial material (carbonyl iron) sintered under the same conditions, but it presents better densification, in addition to allowing lower sintering temperatures. The addition of fine particles of clay fraction from latosol also allows the development of a composite material with a homogeneous distribution of the reinforcement regions, with an excellent interface between the metal matrix and the reinforcement material, presenting a hardness of up to 260 HV0.05 after sintering at 1120 °C. The results show the potential of formulating a substantially more sustainable line of research in the area of sintered materials, applying the processing of fine oxides powders combined with the hydrogen reduction methodology, for producing high-performance components at lower processing temperatures.