REDEMAT
REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
Dissertação de Mestrado
Desenvolvimento de um Equipamento para produção
de Pó Metálico
Autor: Robson Nunes Dal Col
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
Agosto de 2009
REDEMAT
REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
Robson Nunes Dal Col
"Desenvolvimento de um Equipamento para Produção de Pó
Metálico"
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia
de Materiais.
Área de concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa
Ouro Preto, Agosto de 2009
Índice
Lista de Figuras.......................................................................................................iv
Lista de Tabelas .................................................................................................... xii
Lista de Notações ................................................................................................ xiii
Resumo ..................................................................................................................xiv
Abstract ..................................................................................................................xv
Capítulo 1: Introdução............................................................................................. 1
Capítulo 2: Objetivos ............................................................................................... 2
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica ............................................................................ 3
3.1 Obtenção de Pós Metálicos........................................................................................................................3
3.1.1 Atomização por Gás Inerte .............................................................................................................. 4
3.1.2 Atomização Centrífuga .................................................................................................................... 6
3.1.2.1 Atomização Centrífuga – Processo por Eletrodo Rotativo (REP)............................................ 6
3.1.2.2 Atomização Centrífuga – Processo Rotativo por Feixe de Elétrons (EBRP) ......................... 10
3.1.3 Produção de Pó de Superligas........................................................................................................ 12
3.2 Produtos da Metalurgia do Pó .................................................................................................................14
3.2.1 Metais Refratários.......................................................................................................................... 14
3.2.1.1 Tungstênio.............................................................................................................................. 15
3.2.1.2 Molibdênio ............................................................................................................................. 15
3.2.1.3 Tântalo ................................................................................................................................... 16
3.2.1.4 Nióbio .................................................................................................................................... 17
3.2.2 Ligas Pesadas................................................................................................................................. 17
3.3 Características de Pós Metálicos .............................................................................................................18
3.3.1 Pureza e Composição Química ...................................................................................................... 18
3.3.2 Microestrutura da Partícula............................................................................................................ 18
3.3.3 Tamanho e Forma da Partícula ...................................................................................................... 19
3.3.4 Porosidade...................................................................................................................................... 20
3.3.5 Densidade Aparente....................................................................................................................... 21
3.3.6 Velocidade de Escoamento ............................................................................................................ 21
3.3.7 Superfície Específica ..................................................................................................................... 22
3.4 Dipolos Magnéticos e Vetores de Campo Magnético..............................................................................22
3.5 Diamagnetismo........................................................................................................................................27
3.6 Paramagnetismo ......................................................................................................................................28
3.7 Ferromagnetismo .....................................................................................................................................29
3.8 Ferrimagnetismo......................................................................................................................................31
3.9 Materiais Magnéticos ..............................................................................................................................31
3.9.1 Materiais Diamagnéticos, χ m < 0 ................................................................................................. 31
3.9.2 Materiais Paramagnéticos, χ m > 0 ................................................................................................ 32
ii
3.9.3 Materiais Ferromagnéticos, χ m >> 0 ............................................................................................ 33
3.10 Influência da Temperatura sobre o Comportamento Magnético ...........................................................33
3.11 Domínios e Histereses ...........................................................................................................................35
3.12 Aquecimento de Metais por Indução Magnética ...................................................................................36
3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo........................................................................................................37
3.13 Chaveamentode Potência com IGBTs ...................................................................................................41
3.14 Estruturas Metaestáveis Obtidas por Resfriamento Rápido - RSP ........................................................45
3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rápida Solidificação. .............. 46
3.14.2 Taxas de Resfriamento em processamento por Rápida Solidificação.......................................... 47
Capítulo 4: Materiais e Métodos ........................................................................... 50
4.1 Temperatura Curie do Aço do Cadinho...................................................................................................50
4.2 Tanque Ressonante LC 120kHz ..............................................................................................................51
4.3 Acionamento do Tanque Ressonante LC por IGBTs ..............................................................................54
4.4 Estágio Atual do Sistema de Aquecimento Indutivo ...............................................................................55
4.5 Refrigeração por Água do Tanque Ressonante.......................................................................................56
4.6 Oscilador e gerador de Tempo Morto......................................................................................................57
4.7 Driver para o Gate dos IGBTs.................................................................................................................58
4.8 Fonte de Potência CC 180/310V – 75A ..................................................................................................59
4.9 Medição dos Pulsos de Corrente Através de Sensor de Efeito Hall ........................................................59
4.10 Centrifugação até 6130 RPM ................................................................................................................61
4.11 Parâmetros Considerados nos Testes Realizados ..................................................................................63
4.12 Procedimento nos Testes Realizados.....................................................................................................64
Capítulo 5: Resultados e Discussão ..................................................................... 66
5.1 Aspecto do Material Obtido Após o Processo e Curvas Granulométricas...............................................66
Capítulo 6: Conclusões ......................................................................................... 71
Capítulo 7: Sugestões para Trabalhos Futuros .................................................... 72
Balanço Energético........................................................................................................................................72
Alturas e Raios de Queda Diferentes.............................................................................................................72
Folha de Deflexão .........................................................................................................................................72
Testes para Fundição Direta de Vários Materiais metálicos..........................................................................72
Controle do Sistema de Aquecimento Automatizado Através de Microcontroladores .................................73
ANEXO 1 – Dispositivos Eletrônicos Componentes do Sistema ........................... 74
ANEXO 2 – Imagens Obtidas com Lupa Óptica, 63x............................................. 82
ANEXO 3 – Imagens Obtidas com Microscópio Óptico......................................... 86
Referências Bibliográficas .................................................................................... 89
iii
Lista de Figuras
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica
Figura 3.1 Corte transversal esquemático de uma unidade de atomização por
gás inerte.................................................................................................5
Figura 3.2 Efeito do diâmetro de partícula de ligas a base de níquel sobre a
altura necessária do equipamento de atomização..........................................6
Figura 3.3 Desenho esquemático do processo de atomização centrífuga
por eletrodo rotativo [ 1 8 ] .............................................................................7
Figura 3.4 Principio geral da fabricaçãp de pó metálico por atomização
centrífuga [ 1 8 ] ............................................................................................8
Figura 3.5
Distribuição de tamanho de partícula, processo REP, pó
produzido a partir de uma barra de 63.5mm de diâmetro girando a
16000RPM [ 1 8 ] .........................................................................................10
Figura 3.6 (a) Desenho esquemático do EBRP para fabricação de pó metálico.
(b) Máquina EBRP..................................................................................11
Figura 3.7 Desenho esquemático da técnica desenvolvida por Pratt & Whitney
para produção de pós metálicos com rápida solidificação............................13
Figura
3.8
Representação
esquemática
de
formas
de
partículas
metálicas................................................................................................19
Figura 3.9 Linhas de força e vetores de um campo magnético gerados por uma
bobina percorrida por corrente elétrica.....................................................22
Figura 3.10 A configuração do dipolo atômico para um material diamagnético
com e sem a presença de um campo magnético. Na ausência de um campo
iv
externo, não existem dipolos; na presença de um campo, são induzidos
dipolos
que
estão
alinhados
em
direção
oposta
à
direção
do
campo....................................................................................................27
Figura 3.11 Representação esquemática da densidade do fluxo, B, em função
da
força
do
campo
magnético,
H,
para
materiais
diamagnéticos,
paramagnéticos e ferromagnéticos............................................................28
Figura 3.12 A configuração do dipolo atômico com e sem um campo
magnético externo para um material paramagnético....................................29
Figura 3.13 Ilustração esquemática do alinhamento mútuo de dipolos atômicos
para um material ferromagnético, o qual irá existir mesmo na ausência de um
campo magnético externo........................................................................30
Figura 3.14 Gráfico da magnetização de saturação como uma função da
temperatura para o ferro e o Fe 3 O 4 [ 1 ] ........................................................34
Figura
3.15
Representação
esquemática
de
domínios
em
um
material
ferromagnético; as setas representam os dipolos magnéticos atômicos. No
interior de cada domínio, todos os dipolos estão alinhados, enquanto a direção
do alinhamento varia de um domínio para o outro......................................35
Figura 3.16 Variação gradual na orientação do dipolo magnético através da
parede de um domínio.............................................................................36
Figura 3.17 Desenho esquemático do processo de aquecimento indutivo e da
profundidade de aquecimento obtido através da indução de correntes de
Foucalt na peça.......................................................................................39
Figura 3.18 Símbolo e analogia de acionamento de um IGBT (chave eletrônica
de estado sólido) de canal N com o acionamento de um interruptor elétrico d e
acionamento mecânico.............................................................................42
v
Figura 3.19 Aspecto de 3 tipos diferentes de IGBTs. O Menor, a esquerda,
tem capacidade de chavear 70A, os outros dois, maiores, podem chavear 300A
sendo que o maior consiste em dois IGBTs montados na configuração de
meia-ponte em um só encapsulamento.......................................................42
Figura 3.20 Estrutura física do IGBT........................................................43
Figura 3.21 Desenho esquemático do funcionamento de um IGBT de canal N.
Com a aplicação da tensão V t h ao gate do dispositivo, ocorre circulação de
corrente entre os pinos de dreno (D) e source (S), rotulados na imagem como
anodo e catodo respectivamente...............................................................44
Figura 3.22 Limites de operação de componentes semicondutores de potência
(dados de 1994)......................................................................................45
Figura
3.23
Estrutura
dendrítica
com
indicação
dos
espaçamentos
interdendríticos primários (λ 1 ) e secundários (λ 2 )......................................49
Capítulo 4: Parte Experimental
Figura
4.1
Vista
em
corte
do
cadinho
metálico.................................................................................................50
Figura 4.2 (A) Imagem do tanque ressonante LC . A bobina de trabalho pode ser vista a
direita. (B) Representação do circuito LC...............................................................51
Figura 4.3 Dimensões da bobina de trabalho do tanque ressonante LC.........53
Figura 4.4 Desenho esquemático do acionamento do tanque ressonante por
IGBTs....................................................................................................54
vi
Figura 4.5 Aspecto da montagem dos IGBTs que chaveiam a corrente para o
tanque
ressonante
instalados
em
dissipador
de
calor
de
alumínio.................................................................................................54
Figura 4.6 Representação esquemática da alternância de sentido do campo
magnético gerado na bobina de trabalho em função do sentido da corrente
elétrica aplicada.....................................................................................55
Figura 4.7 Cadinho de aço 1050 a 892ºC após 5 minutos de inserção no tanque
ressonante..............................................................................................56
Figura 4.8 (A) Recipiente para armazenamento da água de refrigeração e
bomba instalada em seu interior. (B) Detalhes da distribuição da água de
refrigeração no tanque LC ressonante.......................................................56
Figura 4.9 (A) Layo ut da placa de circuito do oscilador e gerador de tempo
morto. (B) Aspecto final da placa montada................................................57
Figura 4.10 Esquema do processo de acionamento dos IGBTs.....................58
Figura 4.11 Layout da placa do primeirodriver para os IGBTs e seu aspecto
após montada..........................................................................................58
Figura 4.12 Layout da placa da fonte de potência e seu aspecto
montada.
.............................................................................................................59
Figura 4.13 (A) Projeto da placa e (B) protótipo do sensor de corrent e
montado em funcionamento......................................................................60
Figura 4.14 (A) Sinal visto no osciloscópio do CSNF161 ao ligar o aparato,
com cadinho inserido na bobina de trabalho, picos de 18A. (B) Sinal
fornecido pelo CSNF161 após 5 minutos do aparato ligado, com cadinho
inserido, picos de 14A.............................................................................60
vii
Figura 4.15 (A) Tanque ressonante posicionado sobre a centrífuga. (B) prato
rotativo de cobre adaptado à centrífuga.....................................................61
Figura 4.16 Controle de velocidade do prato rotativo de cobre....................61
Figura 4.17 Gráfico obtido na calibração do transdutor de rotação da
centrífuga...............................................................................................62
Figura 4.18 Dimensões da centífuga, em particular, a altura de queda utilizada
nos ensaios.............................................................................................63
Figura 4.19 Três posições diferentes para o filete de chumbo líquido atingir o
prato rotativo, (A) r=0cm, (B) r=6cm e (C) r=11cm....................................64
Figura 4.20 100g de chumbo, utilizados como material a ser fundido no
cadinho..................................................................................................64
Figura 4.21 Seqüência do procedimento executado para vazar o filete de
chumbo líquido sobre o prato rotativo de cobre.........................................65
Capítulo 5: Resultados e Discussão
Figura 5.1 6130RPM, vazamento no centro. (A) Aspecto do material obtido
após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.........................66
Figura 5.2 6130RPM, vazamento com r=6cm. (A) Aspecto do material obtido
após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.........................67
Figura 5.3 6130RPM, vazamento com r=11cm. (A) Aspecto do material obtido
após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.........................67
Figura 5.4 Aspecto do pó obtido nos ensaios e depositado sobre papel
milimetrado para permitir visualização da distribuição em tamanho das
viii
partículas: (A) 4000rpm, r=0cm; (B) 4000rpm, r=6cm; (C) 4000rpm, r=11cm;
(D) 6000rpm, r=0cm; (E) 6000rpm, r=6cm; (F) 6000rpm,
r=11cm...................................................................................................68
Figura 5.5 Aspecto da fração mais fina (< 74µm) do pó de chumbo obtido nos
diversos experimentos.............................................................................69
Figura 5.6 Imagem obtida através de lupa óptica com aumento de 63x do
material atirado para fora da centrífuga....................................................69
Figura 5.7 Curva granulométrica do material obtido no teste 3, em 4000rpm e
r=6cm....................................................................................................70
Figura 5.8 Curva granulométrica do material obtido no teste 6, em 6000rpm e
r=6cm....................................................................................................70
Anexo 1
Figura
1.1
Diagrama
de
blocos
do
circuito
eletrônico
do
forno
de
indução..................................................................................................74
Figura 1.2 Diagrama da fonte de potência para alimentação do tanque
ressonante..............................................................................................74
Figura 1.3 Layout da placa de circuito da fonte de potência........................75
Figura 1.4 Placa de circuito dos capacitores auxiliares de filtragem da font e
de potência. ...........................................................................................75
Figura 1.5 Diagrama e layout da placa do oscilador que comanda o sistem a
ressonante. ............................................................................................76
Figura 1.6 Diagrama e placa do divisor de freqüência e gerador de tempo
morto.....................................................................................................77
ix
Figura 1.7 Diagrama e placa do driver de alta velocidade para mosfets........78
Figura 1.8 Diagrama e placa do acoplador óptico de disparo para os Gates dos
IGBTs...................................................................................................79
Figura 1.9 Placa de suporte para os IGBTs...............................................79
Figura 1.10 Sensor de corrente de efeito Hall, CSNF161...........................80
Figura 1.11 Dispositivo de controle de velocidade do motor da
centrífuga..............................................................................................81
Anexo 2
Figura 2.1 4000rpm, r=0cm. Lupa óptica, aumento de 63x.........................82
Figura 2.2 4000rpm, r=6cm. Lupa óptica, aumento de 63x.........................83
Figura 2.3 4000rpm, r=11cm. Lupa óptica, aumento de 63x.......................83
Figura 2.4 600rpm, r=0m. Lupa óptica, aumento de 63x............................84
Figura 2.5 600rpm, r=6cm. Lupa óptica, aumento de 63x...........................84
Figura 2.6 600rpm, r=11cm. Lupa óptica, aumento de 63x.........................85
Anexo 3
Figura 3.1 4000rpm, r=0cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm; (B)
Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm...................86
Figura 3.2 4000rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm; (B)
Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm...................86
x
Figura 3.3 4000rpm, r=11cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm; (B)
Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm...................87
Figura 3.4 6130rpm, r=0m. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm; (B)
Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm..................87
Figura 3.5 6130rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm; (B)
Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm..................87
Figura 3.6 Ataque ácido acetico+nitrico (A) Região 3, aumento 200x; (B)
Região 3, aumento 400x; (C) Região 9, aumento 800x..............................88
xi
Lista de Tabelas
Tabela
3.1
Alguns
metais
refratários,
seu
símbolo
e
temperatura
de
fusão [ 3 ] ...................................................................................................14
Tabela 3.2 Metais de elevada densidade....................................................17
Tabela 3.3 Peneiras utilizadas na metalurgia do pó....................................20
Tabela 3.4 Unidades Magnéticas e Fatores de Conversão para os Sistemas S I e
cgs-uem [ 1 ] ....................................................................................... ......26
Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de indução................ ........40
xii
Lista de Notações
O símbolo, sua descrição e unidade.
F = Freqüência [Hz]
F r = Freqüência de Ressonância [Hz]
t = Período [s]
T = Temperatura [ºC]
rpm = Rotações Por Minuto [rpm]
ω = Velodidade Angular [rads/s]
r = Raio [m]
h = Altura de Queda [m]
I = Corrente Elétrica [A]
V = Tensão [V]
C = Capacitância [µF]
L = Indutância [H]
Q = Fator de Qualidade da Bobina [Adimensional]
S = Condutividade Elétrica, o recíproco 1/( W m) da Resistividade
elétrica [siemens/m]
R = Resistência Elétrica [W ]
σ = Resistividade Elétrica [W m]
m = Metro [m]
cm = centímetro [ cm]
W = Resistência Elétrica [ W ]
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A/m]
B = indução magnética, ou densidade do fluxo magnético [T ou
Wb/m
2]
µ = permeabilidade magnética do meio através do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
A = Ampere [A]
xiii
Resumo
O aquecimento por indução eletromagnética é utilizado em várias
indústrias, permitindo por exemplo, a preparação de pastilhas de silício puro
para componentes microeletrônicos ou o processamento de peças metálicas
diversas. Esse tipo de aquecimento permite controlar com mais precisão a
velocidade e nível de aquecimento do material.
Um sistema desse tipo foi
projetado e construído com a finalidade de ser utilizado na fusão de materiais
metálicos para subseqüente transformação em pó via resfriamento rápido. Na
fase de otimização do equipamento optamos pela produção de pó de chumbo
diante da facilidade de processar muitos dos metais de baixo ponto de fusão.
Utilizando IGBTs, correntes elétricas de pico da ordem de (75±0.375)A e
120kHz foram
aplicadas à bobina de indução, elevando a temperatura do
cadinho a (892±1)ºC fundindo o chumbo em seu interior. O chumbo líquido
foi vazado por um orifício de (3±0.1)mm de diâmetro localizado na parte
inferior deste cadinho, atingindo um disco de cobre rotativo com velocidade
variável e adaptado em uma centrífuga. Foram obtidas partículas com formas
e diâmetros variados.
xiv
Abstract
Heating b y electromagnetic induction contributes to several industries,
since the preparation of pure silicon chips for microelectronic components
until the processing of metallic components. This t ype of heating allows a
more precise control of material heating. Such a s ystem was designed and
built with the purpose to be used in casting of metallic materials for their
subsequent processing into powder. Within the induction coil of the resonant
tank, a steel crucible was placed, and into this, 100g of lead. Using IGBTs,
peak electrical currents of
(75±0.375)A (and 120kHz were applied to the
induction coil, raising the crucible temperature to (892±1)ºC
, casting the
lead inside it. The liquid lead was cast through a hole of (3±0.1)mm diameter
located at the bottom of this crucible, reaching a copper rotating plate
adapted into a centrifuge. The liquid lead is throwing against its side wall,
and pulverized into smaller particles. The result was particles with various
shapes and diameters.
xv
Capítulo 1: Introdução
A metalurgia do pó é a técnica metalúrgica que consiste em
transformar pós de metais, ligas metálicas e de substâncias não-metálicas em
peças resistentes, sem recorrer-se à fusão, mas apenas pelo emprego de
pressão e calor.
Os pós metálicos têm sido usados como materiais de engenharia na
fabricação de componentes e itens de consumo já há bem mais de cinqüenta
anos. Atualmente, o material é empregado em um grande número d e
segmentos
industriais,
sendo
algumas
características
importantes
na
caracterização dos pós metálicos o tamanho e a distribuição de tamanho das
partículas, e a forma da partícula e sua variação com o tamanho.
O equipamento descrito neste trabalho consta de um sistema de
aquecimento de metais por indução eletromagnética, responsável por fundir o
material metálico que se deseja transformar em pó; e de uma centrífuga
adaptada para centrifugação do metal fundido a partir de um disco circular de
cobre, sobre o qual o metal fundido é vazado.
O sistema de aquecimento por indução projetado e construído utiliza
controle de corrente por meio de IGBTs ( In s ulated Gate Bipolar Transistor,
ou transistor bipolar de gate isolado, por esta região ter características
semelhantes às de um capacitor de baixo valor), que são chaves eletrônicas
capazes de chavear correntes da ordem de 300A a freqüências maiores que
200kHz, para alimentar um tanque resonante LC a 120kHz.
1
Capítulo 2: Objetivos
Estabelecer a possibilidade de se fabricar pó metálico através do
processo de centrifugação com meios desenvolvidos nos laboratórios da
Escola de Minas de Ouro Preto.
2
Capítulo 3: Revisão Bibliográfica
3.1 Obtenção de Pós Metálicos
Os vários processos de produção de pós, podem ser agrupados nas
seguintes classes [ 2 ] :
1. reações químicas e decomposição
2. atomização de metais fundidos
3. deposição eletrolítica
4. processamento mecânico de materiais sólidos
O tamanho, a forma e a distribuição dos grãos são características
importantes na produção de peças sinterizadas e variam conforme o método d e
obtenção do pó. Os métodos de obtenção podem ser mecânico, químico, físico
e físico-químico. Dependendo das características desejadas do grão, mais de
um método pode ser empregado sucessivamente.
Um dos métodos físicos mais usados é a atomização, pois pode ser
aplicado para praticamente qualquer metal ou liga que possa ser fundido, além
do fato de poder-se produzir pós de metais com qualquer teor de pureza. O
único problema, contudo facilmente superável, relaciona-se com a reatividade
química do metal, o que pode exigir atmosferas ou meios de desintegração
especiais
[3]
.
Na atomização, o metal fundido é vazado por um orifício, formando
um filete líquido que é “bombardeado” por jatos de ar, de gás ou de água.
Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de grão
desejado e produzem a pulverização do filete de metal fundido e seu imediato
resfriamento. A espessura do filete, a pressão do fluido utilizado, as formas
do conjunto de atomização, a configuração do bocal de atomização e o tipo de
atomização determinam o tamanho e forma das partículas do material
pulverizado. O tempo de resfriamento, imediatamente antes da solidificação
do jato de metal, representa um fator crítico na determinação da forma da
partícula. Longos tempos de resfriamento, assim como altas temperaturas do
3
metal líquido e emprego de gases para pulverizar o jato líquido dão origem a
partículas de forma esférica. Segundo Chiaverini [ 3 ] , jatos de água qu e
aceleram o resfriamento produzem partículas de forma irregular.
A seguir, são apresentadas algumas formas de se obter pó metálico.
3. 1. 1 A t o mi z a ç ã o p or G á s In e rt e
Essa é a técnica mais amplamente utilizada para produção de pó
metálico, segundo Gessinger [ 1 8 ] . Unidades de atomização por argônio com
capacidades para produção de várias centenas de toneladas por ano estão em
operação em todo o mundo. Apenas nos Estados Unidos, a capacidade total
instalada para a produção de de pó é estimada em 5000 toneladas por ano de
pó classificado.
O processo consiste em vazar o material fundido através de um
orifício de um material refratário, quando então é atingido e atomizado por
correntes de gás de alta pressão. Fundição por indução eletromagnética a
vácuo é o método mais comumente utilizado para fundir o material metálico.
Gases inertes (principalmente o argônio, mas também o hélio) são usados para
atomizar ligas a base de níquel.
As gotas líquidas formadas a partir do jato de gás aplicado sobre o
material fundido vazado são solidificadas em atmosferas protetoras de gás
inerte; como alternativa, elas podem ser resfriadas em água ou óleo, seguido
por um tratamento químico de limpeza de superfície.
A Figura 3.1 mostra um corte transversal esquemático de uma unidade
de atomização por gás inerte. A unidade inteira pode ser evacuada a uma
pressão de 2×10 - 4 Torr durante o procedimento de fundição. Consiste de uma
longa torre de resfriamento
com um orifício na parte superior, através do
qual uma corrente de metal fundido é atomizada pelo argônio em alta pressão.
4
Figura
3.1
Corte
transversal
esquemático
de
uma
unidade
de
atomização por gás inerte [ 1 8 ] .
As partículas de metal solidificadas são também resfriadas por uma
placa no fundo da unidade e são transportadas para dentro de uma série de
caixas, onde acontecem o peneiramento e a classificação de tamanho.
A altura da torre de resfriamento é determinada pelas cinéticas de
resfriamento e solidificação de uma partícula individual de pó. A Figura 3. 2
mostra o efeito da altura da torre de resfriamento sobre o diâmetro de
partícula atomizada.
5
Figura 3.2 Efeito da altura necessária do equipamento de atomização
sobre o diâmetro de partícula de ligas a base de níquel [ 1 8 ] .
Percebe-se que condições de transferência de calor relativamente
desfavoráveis em partículas maiores conduzem a instalações muito grandes.
Para menores diâmetros de partícula entretanto, tamanhos muito menores de
equipamentos são possíveis.
3. 1. 2 A t o mi z a ç ã o C e nt rí f u g a
Utiliza rotação para acelerar e pulverizar o material metálico fundido.
Há um grande número de variáveis neste princípio. A mais importante é a
utilização de vácuo ou de uma atmosfera inerte para esse sistema. O caminho
da trajetória exigida para a solidificação completa é, como já tem sido
discutido, muito mais longo no vácuo do que em uma atmosfera inerte. Vamos
nos concentrar em dois dos métodos mais utilizados.
3.1.2.1 Atomização Centrífuga – Processo por Eletrodo Rotativo (REP)
O princípio básico do REP é mostrado na Figura 3.3.
6
Figura
3.3
Desenho
esquemático
do
processo
de
atomização
centrífuga por eletrodo rotativo [ 1 8 ] .
Uma barra com composição de liga exigida com diâmetros típicos de
15mm a 75mm é rotacionada à velocidades muito altas (na faix a de 10000 a
20000rpm). A face do eletrodo de rotação consumível é fundido por arco
elétrico de corrente contínua mantida entre o eletrodo negativo de tungstênio,
que é essencialmente estacionário, e a barra de liga positiva. Como o eletrodo
rotaciona, a força centrífuga faz com que o metal fundido voe para fora na
forma de gotas esféricas, que solidificam na trajetória e caem no chão do
tanque. Em contraste com a atomização a gás, a escória ou a contaminação
refratária é eliminada. O interior do tanque é esvaziado e preenchido com
hélio ou argônio antes que o processo tenha início. O maior obstáculo desse
7
método é que o mesmo é descontínuo, pois a barra deve ser trocada ao ser
quase completamente consumida.
O caso mais geral de atomização centrífuga é mostrado na Figura 3.4.
Figura 3.4 Principio geral da fabricaçã de pó metálico por atomização
centrífuga [ 1 8 ] .
Através de um aquecimento adequado, um filme de metal é obtido, o
qual flui para o exterior sob o efeito da força centrífuga. Sob a suposição d e
que partículas líquidas ocorrem primeiramente na borda da haste consumível,
idealmente uma partícula de diâmetro definido resulta, cujo valor pode ser
determinado na base de uma força de equilíbrio entre a força centrífuga
atuando na gota e a força de tensão superficial manifestada pelo material
metálico fundido na gota. Equação (3.1) [ 1 8 ] .
8
0 .4  γ 
φ=


n  Rρ 
1/ 2
(3.1)
Onde:
φ = diâmetro da partícula em mm
n = rotações por minuto
g = tensão superficial da partícula
R = raio da partícula em mm
r = densidade da partícula
Para ligas a base de níquel:
φ=
8.9 × 10 3
nR 1 / 2
(3.2)
A faixa de distribuição de tamanho das partículas é muito estreita.
Uma distribuição típica é mostrada na Figura 3.5.
9
Figura 3.5
Distribuição de tamanho de partícula, processo REP, pó
produzido a partir de uma barra de 63.5mm de diâmetro girando a
16000rpm [ 1 8 ] .
O tamanho da instalação mais uma vez depende muito da escolha do
vácuo ou gás inerte como forma de resfriamento. Para resfriamento em vácuo
o caminho da trajetória de vôo da partícula é independente do diâmetro da
partícula, e para ligas a base de níquel esse valor é de 12m para um diâmetro
de barra consumível de 40mm. A trajetória de voo da partícula pode ser
consideravelmente reduzido (0.5m a 1.5m) pelo uso de uma atmosfera
protetora.
3.1.2.2 Atomização Centrífuga – Processo Rotativo por Feixe de Elétrons (EBRP)
Esse processo é uma variante das técnicas de atomização centrífuga
descritas anteriormente. A Figura 3.6 (a) mostra o desenho esquemático do
processo, enquanto (b) mostra os detalhes de uma máquina real.
10
(a)
(b)
Figura 3.6 (a) Desenho esquemático do EBRP para fabricação de pó
metálico. (b) Máquina EBRP [ 1 8 ] .
Nesse processo, um eletrodo de diâmetro na faixa de 60mm a 150mm é
rotacionado lentamente em torno de seu eixo. A borda do eletrodo é aquecida
por um canhão de feixe de elétrons (K3) tangencialmente a uma temperatura
exigida para provocar a fundição e gotejamento do material. O eletrodo é
construído na forma de um lápis, de forma que todo o material possa gotejar
dentro de um pequeno cadinho até mesmo se o diâmetro do eletrodo for maior
do que o diâmetro do cadinho. Um segundo canhão de feixe de elétrons (K2)
serve para partir a gota do eletrodo na parte inferior do cadinho e ajuda a
formar um filme fino de metal líquido nas paredes internas do cadinho de
rotação. O filme de metal líquido cresce em espessura de uma forma
controlada assim que atinge a margem do cadinho. Um terceiro canhão (K1)
ajuda a controlar a temperatura do fundido durante a atomização na margem
do cadinho. A localização, o tamanho e a densidade da potência da marca do
feix e na extremidade do cadinho são controlados de tal forma que a
atomização ocorre principalmente em uma direção única. As gotas deix am a
extremidade do cadinho em um setor angular de 60º-80º e aproximadamente 5º
11
em altura. Para reduzir as dimensões do equipamento, o metal atomizado é
desviado por uma folha de desvio dentro de um receptáculo para coleta do pó.
As gotas começam a esfriar no percursso da margem do cadinho para a folha
de desvio resfriada com água. Uma desintegração segundária na folha de
desvio pode acontecer se partículas grandes começarem a se solidificar na
superfície, mas estiverem ainda líquidas no núcleo.
Sob certas condições, essas partículas se quebram durante a colisão na
folha de desvio. Isso geralmente causa a formação de partículas planas e
várias partículas esféricas a partir do fundido remanescente. Isso não só causa
uma distensão considerável do espectro de tamanho da partícula, mas também
um aumento na proporção de partículas planas.
O EBRP pode ser desenvolvido ainda pela substituição do eletrodo por
um fluxo de fundição contínuo. Alega-se que esse processo oferece a
possibilidade de refinar super-ligas de níquel através do nado de impurezas
cerâmicas na superfície da piscina do material fundido, que poderiam ser
escumadas do fundido antes da atomização.
A principal vantagem do EBRP é que este tem o potencial para refinar
a pureza da liga durante a atomização, desde que a atomização completa
ocorra em alto vácuo. Por outro lado, há dificuldades no controle do tamanho
da partícula e na distribuição da forma. Em geral, partículas esféricas e
relativamente finas são desejadas para o processamento, e essas propriedades
são melhor alcançadas pela atomização a gás inerte.
3. 1. 3 Pr o d u ç ã o d e P ó d e S u p e rl i g as
Existem três técnicas para a produção de pó de superligas por rápida
solidificação:
1. atomização centrífuga com resfriamento convectivo forçado.
2. rotação do fundido, ou extração em filamento contínuo para
trituração mecânica.
3. atomização ultrassônica.
12
Nos concentraremos aqui na primeira citada.
Esta técnica foi desenvolvida por Pratt & Whitney, Flórida. O
aparelho de atomização é mostrado esquematicamente na Figura 3.7.
Figura 3.7 Desenho esquemático da técnica desenvolvida por Pratt &
Whitney para produção de pós metálicos com rápida solidificação [ 1 8 ] .
Ela combina princípios da atomização centrífuga e resfriamento por
convecção forçada. O material a ser convertido em pó é fundido por indução
eletromagnética em vácuo na seção superior da câmara. Após a fundição, a
câmara é preenchida com hélio e a carga despejada dentro do cadinho central
pré-aquecido. Através de um orifício na parte inferior do cadinho central,
forma-se um filete de metal líquido com taxa de fluxo pré-determinada até o
centro do prato atomizador. O rotor acelera o fundido até a margem do prato,
quando então é lançado tangencialmente como partículas. Essas partículas são
resfriadas na trajetória pelo hélio vindo de três bocais posicionados em lados
opostos do prato. Para uma taxa de fluxo de metal de 0.18kg/s, 0.9kg/s de
hélio à velocidades superiores a 0.5match são necessários. Uma turbina de
13
impulso radial é usada para girar o prato atomizador a cerca de 24000RPM. O
rendimento do pó na faixa de 10-100µm é da ordem de 70% do peso
despejado.
3.2 Produtos da Metalurgia do Pó
Os produtos obtidos pela metalurgia do pó podem ser divididos em
dois grandes grupos [ 3 ] . No primeiro, incluem-se aqueles que, por suas
próprias características ou pelas propriedades finais desejadas, só podem ser
obtidos pela técnica da compactação e sinterização a partir de pós metálicos.
No segundo grupo, estão incluídos os produtos que, embora possam ser
fabricados
pelos
processos
metalúrgicos
convencionais
são
mais
economicamente e eficientemente obtidos pela metalurgia do pó.
3.2.1 Metais Refratários
Os metais assim chamados são os de alto ponto de fusão e que, por
essa razão, são difíceis de serem transformados em materiais de forma ou
perfil especificados, a partir do estado líquido. Entre eles, os mai s
importantes são o tungstênio, o molibdênio, o tântalo e o nióbio.
Tabela 3.1 Alguns metais refratários, seu símbolo e temperatura d e
fusão [ 3 ] .
Metal - Símbolo
Ponto de Fusão
Tungstênio - W
3410ºC
Molibdênio - Mo
2610ºC
Tântalo - Ta
2996ºC ±50ºC
Nióbio - Nb
2468ºC ±10ºC
14
3.2.1.1 Tungstênio
Normalmente são produzidos fios ou barras a partir de seu pó. Pode
ser fundido a arco em vácuo ou por feixe de elétrons ou laser. O pó de
tungstênio é obtido pelo tratamento de seus próprios minérios, que são a
volframita e a xelita.
O pó de tungstênio é compactado na forma de barras, a pressões da
ordem de 380 a 580 kPa. As barras são pré-sinterizadas em atmosfera de
hidrogênio, entre 1000ºC e 1100ºC, de modo a adquirirem certa consistência
que possibilite seu manuseio posterior.
Além de ser processado na forma de fios ou barras, o tungstênio pode
também ser produzido por laminação na forma de chapas com espessuras da
ordem de 0.02mm.
Algumas aplicações do tungstênio são as seguintes:
•
filamentos para lâmpadas incandescentes, onde a temperatura de
serviço atinge até 2500ºC;
•
contatos elétricos;
•
eletrodos de raios X;
•
eletrodos de soldagem e eletrodos de velas de ignição.
•
elementos de aquecimento de fornos elétricos e, na forma
compactada de peças, em dispositivos de alto vácuo, além de
outras aplicações.
3.2.1.2 Molibdênio
Sua obtenção
é semelhante
à do tungstênio.
Dos minérios
de
molibdênio, obtém-se por tratamento químico, molibdato de amônia que é
transformado em MoO 3 e a seguir reduzido sob hidrogênio puro.
O pó de molibdênio é compactado na forma de barras e sinterizado
pela passagem direta de corrente elétrica através das barras.
Entre
as
aplicações
do
molibdênio
podem
ser
mencionadas
as
seguintes:
15
•
elementos de aquecimento para fornos elétricos até temperaturas
da ordem de 1600ºC ou pouco mais;
•
eletrodos de raio X;
•
contatos elétricos;
•
ganchos de suporte de filamentos em lâmpadas incandescentes.
3.2.1.3 Tântalo
O pó de tântalo é obtido a partir de minérios em que normalmente está
também presente o nióbio. O pó de tântalo é, depois de compactado,
sinterizado em alto vácuo a temperaturas entre 2600ºC e 2700ºC pela
passagem de corrente elétrica através dos compactados.
Uma de suas mais importantes aplicações verifica-se em cirurgia, para
recompor ou unir ossos quebrados e cartilagem destruída. Fios de tântalo de
diâmetro equivalente ao de um cabelo humano são utilizados para unir nervos
e tendões cortados, os nervos reparados tem sido protegidos por folhas d e
tântalo.
Devido a sua alta resistência à corrosão, o tântalo é igualmente
aplicado em recipientes, tubos, agitadores e peças idênticas para indústria
química. Outras aplicações incluem lâminas para turbinas a vapor, bocais,
válvulas, diafragmas, etc. Há algum tempo, já vem sendo utilizados na
fabricação de capacitores, pois permite que maiores valores de capacitância
possam ser alcançados em volumes cada vez menores.
A expansão que vem se verificando na indústria do tântalo é devida ao
emprego de processos de fusão por feixe de elétrons para a produção d e
lingotes até diâmetros de 20cm e comprimentos até 300cm, pesando acima de
1600kg, os quais podem ser laminados até espessuras variando de 0.76 a
1.02mm com 122cm de largura, graças a aperfeiçoamentos na técnica de
laminação, segundo Jenstrom et alli [ 4 ] .
16
3.2.1.4 Nióbio
Esse metal apresenta muita semelhança com o tântalo, não só no que
se refere à sua obtenção, pois estão geralmente associados em minérios, como
também em relação às características de conformação mecânica e à resistência
à corrosão pela ação de inúmeros ácidos.
O pó de nióbio é compactado e sinterizado sob alto vácuo, em
processos idênticos aos do tântalo.
Sua principal aplicação é em tubos eletrônicos. Também é utilizado na
indústria de capacitores.
3.2.2 Ligas Pesadas
Existem inúmeras aplicações em setores industriais especializados e
de alto conteúdo tecnológico nas quais em alguns dos dispositivos ou
equipamentos empregados se exige alta densidade do material. Exemplos
típicos são representados por receptáculos ou cápsulas para substâncias
radioativas e blindagens ou anteparos para raios X.
Os metais de mais elevada densidade conhecidos são, pela ordem,
apresentados na Tabela 3.2:
Tabela 3.2 Metais de elevada densidade [ 3 ]
Metal - Símbolo Densidade
Platina - Pt
21.5g/cm 3
Ouro - Au
19.3g/cm 3
Tungstênio - W
19.3g/cm 3
Urânio - U
18.7g/cm 3
Chumbo - Pb
11.4g/cm 3
17
3.3 Características de Pós Metálicos
Além
da
pureza
e
composição
química,
outras
caraterísticas
importantes dos pós metálicos, segundo Chiaverini [ 3 ] , são:
1. microestrutura da partícula
2. forma da partícula
3. tamanho da partícula
4. porosidade da partícula
5. densidade aparente
6. velocidade de escoamento
7. superfície específica
3.3.1 Pureza e Composição Química
Em alguns pós metálicos, como o de ferro, o nível de elementos
impuros presentes pode alterar outras características do pó e afetar a
qualidade do produto final. No caso citado do ferro, dependendo do processo
de fabricação e da matéria prima adotados, as impurezas presentes são
normalmente silício, geralmente na forma de sílica, além de oxigênio,
geralmente na forma de óxido de ferro.
3.3.2 Microestrutura da Partícula
Essa característica pode afetar bastante o comportamento dos pós
durante
as
operações
de
compactação
e
sinterização
e,
portanto,
as
propriedades do produto final. Em princípio, pode-se distinguir duas classes
de microestrutura: policristalina, onde cada partícula contém muitos grãos e
monocristalina, onde o tamanho de partícula e o tamanho de grão coincidem.
Admite-se que partículas policristalinas com tamanho de grão muito
pequeno produzem melhores propriedades mecânicas, tanto em grandeza
18
quanto direcionalmente, no produto sinterizado, devido ao menor tamanho de
grão resultante. Do mesmo modo, as alterações dimensionais que ocorrem
durante a sinterização são mais uniformes, o que contribui igualmente para
propriedades mecânicas finais superiores.
3.3.3 Tamanho e Forma da Partícula
Essas duas características estão intimamente relacionadas e são, na
realidade, as mais importantes nos pós metálicos. A figura 3.8 representa os
principais tipos de forma de partículas metálicas.
Figura 3.8
metálicas
[3]
Representação esquemática de formas de partículas
.
Como se vê, a maioria dos pós apresenta forma irregular, que,
aparentemente, seria menos favorável à compactação que a forma esférica. Na
realidade, a forma irregular, pela interação dos contornos das várias
partículas
entre
características
de
si,
tenderia
sinterização
a
produzir
embora
se
compactados
possa
com
admitir
melhores
inicialmente
características de compactação inferiores.
A forma da partícula deve ser considerada em conjunto com o tamanho
ou composição granulométrica. É claro que uma composição granulométrica
19
adequada confere melhores características de compactação e sinterização e
propriedades
superiores
no
produto
sinterizado.
A
determinação
da
composição granulométrica é pois muito importante.
Na prática, os tamanhos de partícula dos pós metálicos variam de
0.1µm a 400 µm, ou seja, 0.0001mm a 0.4mm. Um dos métodos mais comuns
para determinar-se a composição granulométrica é o peneiramento, operação
que permite igualmente preparar quantidades de pós de tamanhos diferentes
para posterior mistura, em determinadas aplicações. A tabela 3.3 mostra as
séries de peneiras utilizadas na metalurgia do pó.
Tabela 3.3 Peneiras utilizadas na metalurgia do pó.
Designação da Peneira
U.S. Standard
Tyler Standard
µm
Número de Malha
Abertura da Peneira, mm Número de Malha
177
80
0.177
80
149
100
0.149
100
125
120
0.125
115
105
140
0.105
150
88
170
0.088
170
74
200
0.074
200
63
230
0.063
250
53
270
0.053
270
44
325
0.044
325
37
400
0.037
400
3.3.4 Porosidade
Existem partículas metálicas porosas. Quando presente, a porosidade
afeta outras características dos pós, como a densidade aparente e a
compressibilidade, podendo ainda afetar a densidade do produto final. No
caso dos poros serem interligados entre si e em comunicação com a
20
superfície, ocorrerá um acréscimo da superfície específica das partículas,
além de ficar facilitada a absorção de gases durante o seu processamento.
3.3.5 Densidade Aparente
Define-se densidade aparente como o peso de uma unidade de volume
do pó solto ou a relação do peso para o volume, expressa em g/cm 3 . a
importância dessa característica reside no fato de que ela determina o
verdadeiro volume ocupado por uma massa de pó e, em última análise,
determina a profundidade da cavidade da matriz de compactação e o
comprimento do curso da prensa necessários para compactar e densificar o pó
solto.
É obtida geralmente através da medida do peso contido em um
recipiente tarado preenchido com pó pelo seu volume.
3.3.6 Velocidade de Escoamento
Essa é outra característica importante dos pós metálicos. Define-se
como o tempo necessário para uma certa quantidade de pó escoar de um
recipiente
através
especificados.
A
de
um
velocidade
orifício,
de
ambos
escoamento
de
forma
depende
e
da
acabamento
forma
e
da
distribuição de tamanho da partícula. Além disso, o coeficiente de atrito do
próprio pó, eventualmente suas propriedades eletrostáticas e magnéticas, além
de umidade presente, podem afetar a velocidade de escoamento.
A sua importância reside no fato de que ela determina o tempo
necessário para enchimento da cavidade da matriz, influenciando dessa forma
a velocidade ou rendimento de produção.
21
3.3.7 Superfície Específica
Define-se como a área superficial expressa em cm 2 /g de uma
determinada partícula. A importância dessa característica consiste no fato d e
que qualquer reação entre as partículas ou entre elas e o meio circunvizinho
se inicia nas suas superfícies, de modo que a operação de sinterização será
afetada pela relação entre a área superficial e o volume da partícula.
3.4 Dipolos Magnéticos e Vetores de Campo Magnético
As forças magnéticas são geradas pelo movimento de partículas
carregadas eletricamente. É conveniente pensar nas forças magnéticas em
termos de campos. Linhas de força imaginárias podem ser desenhadas para
indicar a direção da força em posições na vizinhança da fonte do campo, vide
Figura 3.9 abaixo. Nesta figura são também indicados os vetores de campo
magnético.
Figura 3.9 Linhas de força e vetores de um campo magnético gerados
por uma bobina percorrida por corrente elétrica.
Os dipolos magnéticos são encontrados nos materiais magnéticos, os
quais, em alguns aspectos, são análogos aos dipolos elétricos. Os dipolos
22
magnéticos podem ser tomados como pequenos imãs de barra compostos por
pólo norte e sul, em vez de uma carga elétrica positiva e negativa. Os
momentos dipolo magnéticos são representados por meio de setas, como
mostrado na Figura 3.9. Os dipolos magnéticos são influenciados por campos
magnéticos de um modo semelhante àquele segundo os dipolos elétricos são
afetados pelos campos elétricos. No interior de um campo magnético, a força
do próprio campo exerce um torque para orientar os dipolos em relação ao
campo. Um exemplo familiar é a maneira pela qual a agulha de uma bússola
magnética se alinha com o campo magnético da Terra.
O campo magnético aplicado externamente, algumas vezes chamado de
força do campo magnético, é designado por H. Se o campo magnético for
gerado através de uma bobina cilíndrica (ou solenóide) que consiste em N
voltas com pequeno espaçamento, de comprimento l, percorrida por uma
corrente I, então
H=
N ⋅I
l
(3.3)
Onde :
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A.espira/m]
N = Número de espiras da bobina
I = Corrente elétrica [A]
l = comprimento da bobina [m]
A indução magnética, ou densidade do fluxo magnético, indicado por
B, representa a magnitude da força do campo interno no interior de um a
substância que é submetida a um campo H. as unidades para B são teslas (ou
webers por metro quadrado, Wb/m 2 ). Tanto B como H são vetores de campo,
sendo caraterizados não somente pela sua magnitude, mas também pela su a
direção no espaço.
A força do campo magnético e a densidade do fluxo estão relacionadas
de acordo com
23
B = µ⋅H
(3.4)
Onde :
B = indução magnética, ou densidade do fluxo magnético [T ou
Wb/m 2 ]
µ = permeabilidade magnética do meio através do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A.espira/m]
No vácuo,
B0 = µ0 ⋅ H
(3.5)
Onde:
B 0 = densidade do fluxo no vácuo [T ou Wb/m 2 ]
µ 0 = permeabilidade do vácuo, constante universal, [4 π ×10 - 7
(1.257×10 - 6 ) H/m]
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A.espira/m]
Vários parâmetros podem ser utilizados para descrever as propriedades
magnéticas
dos
sólidos.
Um
desses
parâmetros
é
a
razão
entre
a
permeabilidade em um material e a permeabilidade no vácuo, ou seja
µr =
µ
µ0
(3.6)
Onde:
µ r = permeabilidade relativa [adimensional]
µ = permeabilidade magnética do meio através do qual o campo H
passa [Wb/(A.m) ou H/m]
24
µ 0 = permeabilidade do vácuo, constante universal, [4 π ×10 - 7
(1.257×10 - 6 ) H/m]
A permeabilidade relativa de um material é uma medida do grau
segundo o qual o material pode ser magnetizado, ou da facilidade com que um
campo B pode ser induzido na presença de um campo H externo.
Uma outra grandeza de campo, M, chamada de magnetização do
sólido, é definida pela Eq. 3.7. Na presença de um campo H, os momentos
magnéticos no interior de um material tendem a ficar alinhados com o campo
e a reforçar o mesmo em virtude dos seus campos magnéticos; o termo µ 0 .M
na Eq. 3.5 é uma medida dessa contribuição.
B = µ0 ⋅ H + µ0 ⋅ M
(3.7)
Onde:
B = indução magnética, ou densidade do fluxo magnético [T ou
Wb/m 2 ]
µ 0 = permeabilidade do vácuo, constante universal, [4 π ×10 - 7
(1.257×10 - 6 ) H/m]
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A.espira/m]
M = Magnetização do sólido
A magnitude de M é proporcional ao campo aplicado da seguinte
maneira:
M = χm ⋅H
(3.8)
M = Magnetização do sólido
χ m = Susceptibilidade magnética [adimensional]
H = campo magnético externo aplicado, ou força do campo magnético
[A.espira/m]
25
A susceptibilidade magnética e a permeabilidade relativa estão
relacionadas da seguinte forma:
χ m = µr − 1
(3.9)
As unidades magnéticas podem ser uma fonte de confusão, pois
existem na realidade dois sistemas comumente utilizados. As unidades
utilizadas até o momento são do SI (sistema MKS – metro-quilogramasegundo); as outras unidades são originárias do sistema cgs-uem (centímetrograma-segundo-unidade
eletromagnética).
As
unidades
para
ambos
os
sistemas, assim como os fatores de conversão apropriados, estão incluídos na
Tabela 3.4.
Tabela 3.4 Unidades Magnéticas e Fatores de Conversão para os
Sistemas SI e cgs-uem [ 1 ] .
Grandeza
Indução
magnética
(densidade do
fluxo)
Força do campo
magnético
Magnetização
Símbolo
SI Cgs-uem
B -
Unidades SI
Derivada Primária
tesla
Kg/(s.C)
2
(Wb/m )
Unidade
cgs-uem
Gauss
Conversão
1Wb/m 2 =10 4 gauss
H
-
A/m
C/(m.s)
Oersted
1A/m=4π×10-3 oersted
M
I
A/m
C/(m.s)
Maxwell/cm 2
µ0
-
H/m
kg.m/C 2
Adim. (uem0
1A/m=10 mawell/cm 2
4π×10-7H/m=1uem
µr
µ’
Adim.
Adim.
Adim.
µr= µ’
χm
Χ’ m
Adim.
Adim.
Adim.
χ m = 4π× Χ’ m
3
Permeabilidade
do vácuo
Permeabilidade
relativa
Susceptibilidade
26
3.5 Diamagnetismo
O diamagnetismo é uma forma muito fraca de magnetismo que é não
permanente e que persiste somente enquanto um campo externo está sendo
aplicado. Ele é induzido através de uma alteração no movimento orbital dos
elétrons devido à aplicação de um campo magnético. A magnitude do
momento magnético induzido é extremamente pequena, e em uma direção
oposta àquela do campo que foi aplicado, conforme mostra a Figura 3.10.
Figura 3.10 A configuração do dipolo atômico para um material
diamagnético com e sem a presença de um campo magnético. Na ausência de
um campo externo, não existem dipolos; na presença de um campo, são
induzidos dipolos que estão alinhados em direção oposta à direção do campo.
Dessa forma, a permeabilidade relativa, µ r , é menor que a unidade
(entretanto, apenas um pouco menor), e a susceptibilidade magnética é
negativa; isto é, a magnitude do campo B no interior de um sólido
diamagnético é menor do que no vácuo. A Figura 3.11 mostra a representação
esquemática desse fenômeno.
27
Figura 3.11 Representação esquemática da densidade do fluxo, B, em
função da força do campo magnético, H, para materiais diamagnéticos,
paramagnéticos e ferromagnéticos.
3.6 Paramagnetismo
Para alguns materiais sólidos, cada átomo possui um momento dipolo
permanente em virtude de um cancelamento incompleto dos momentos
magnéticos do spin do elétron e/ou orbital. Na ausência de um campo
magnético externo, as orientações desses momentos magnéticos atômicos são
aleatórias, de tal modo que uma peça do material não possui qualquer
magnetização macroscópica líquida ou global. Esses dipolos atômicos estão
livres para girar, e o paramagnetismo resulta quando eles se alinham
preferencialmente, através de rotação, com um campo externo, como está
mostrado na Figura 3.12 abaixo.
28
Figura 3.12 A configuração do dipolo atômico com e sem um campo
magnético externo para um material paramagnético.
Esses dipolos magnéticos são atuados individualmente, sem qualquer
interação mútua entre dipolos adjacentes. Uma vez que os dipolos se alinham
fracamente com o campo externo, eles o aumentam, dando origem a uma
permeabilidade relativa, µ r , que é maior do que a unidade, além de uma
susceptibilidade magnética que, apesar de relativamente pequena, é positiva.
Tanto os materiais diamagnéticos como os materiais paramagnéticos
são considerados não-magnéticos, pois eles exibem magnetização somente
quando se encontram na presença de um campo externo. Ainda, para ambos os
materiais, a densidade do fluxo B no seu interior é quase a mesma que seria
no vácuo.
3.7 Ferromagnetismo
Certos
materiais
metálicos
possuem
um
momento
magnético
permanente na ausência de um campo externo e manifestam magnetizações
muito grandes e permanentes. Essas são as caraterísticas do ferromagnetismo,
e são exibidas pelos metais de transição ferro (como ferrita a BCC), cobalto,
níquel
e
alguns
dos
metais
terras-raras,
como
o
gadolínio
(Gd).
Susceptibilidades magnéticas muito elevadas são possíveis para os materiais
29
ferromagnéticos. Consequentemente, H<<M, e, a partir da equação 3.7,
podemos escrever
B ≅ µ0 ⋅ M
(3.10)
Os momentos magnéticos permanentes nos materiais ferromagnéticos
resultam dos momentos magnéticos atômicos devidos aos spins dos elétrons
(spins eletrônicos não cancelados como conseqüência da estrutura eletrônica).
Existe também uma pequena contribuição, se comparada com a do momento
magnético de spin, do momento magnético orbital. Além do mais, em um
material ferromagnético, o pareamento de interações faz com que os
momentos magnéticos de spins líquidos ou globais de átomos adjacentes se
alinhem uns com os outros, mesmo na ausência de um campo externo. A
figura 3.13 ilustra esquematicamente isso.
Figura 3.13 Ilustração esquemática do alinhamento mútuo de dipolos
atômicos para um material ferromagnético, o qual irá existir mesmo na
ausência de um campo magnético externo.
A
origem
dessas
forças
de
pareamento
não
é
completamente
compreendida, mas acredita-se que elas tem sua origem na estrutura
eletrônica do metal. Esse alinhamento mútuo de spin existe ao longo d e
30
regiões volumétricas relativamente grandes do cristal, conhecidas como
domínios.
A máxima magnetização possível, ou magnetização de saturação, M s ,
de um material ferromagnético representa a magnetização que resulta quando
todos os dipolos magnéticos em uma peça sólida estão mutuamente alinhados
com o campo externo; existe também uma densidade de fluxode saturação, B s ,
correspondente.
3.8 Ferrimagnetismo
Algumas cerâmicas também exibem uma magnetização permanente,
conhecida por ferrimagnetismo. As características magnéticas macroscópicas
dos ferromagnetos e dos ferrimagnetos são semelhantes; a distinção reside na
fonte dos momentos magnéticos líquidos.
3.9 Materiais Magnéticos
Os
materiais
magnéticos
são
agrupados,
geralmente,
em
três
categorias:
•
os diamagnéticos (χ m < 0 ) ,
•
os paramagnéticos (χ m > 0 )
•
e os ferromagnéticos (χ m >> 0 ).
3.9.1 Materiais Diamagnéticos, χ m < 0
Quando um material, tal como o bismuto, é colocado na presença de
um campo magnético externo, a resultante da densidade do fluxo magnético
dentro do material é reduzida drasticamente. Os momentos magnéticos no
interior do material são alinhados contra o campo externo.
31
Neste sentido os materiais diamagnéticos são caracterizados, também,
pelo fato de que os átomos não produzem um momento magnético permanente.
Ou, mais exatamente, os efeitos das micro-correntes no interior de um dos
átomos se anulam, tal que o momento magnético resultante no átomo é zero.
Nessas circunstâncias, quando aplicamos um campo magnético, pequenas
correntes são produzidas no interior do átomo por indução magnética. De
acordo com a lei de Lenz, essas correntes são tais que se opõem ao
crescimento do campo externo. Então os momentos magnéticos induzidos nos
átomos serão na direção oposta ao campo magnético aplicado. Assim, os
momentos magnéticos induzidos nos átomos serão na direção oposta ao campo
externo.
Para um material estritamente diamagnético a permeabilidade µ r é
tipicamente menor do que µ o na relação de 1 parte em 10 6 .
3.9.2 Materiais Paramagnéticos, χ m > 0
Quando um material, tal como a platina, é colocada na presença de
um campo magnético externo, os momentos magnéticos do material são
alinhados com o campo externo, e o fluxo de campo dentro do material é
aumentado. As linhas do campo magnético externo penetram no material
fazendo com que os dipolos magnéticos do material se alinhem com a mesma
direção do campo. Em termos dos parâmetros magnéticos, os materiais
paramagnéticos são caracterizados pela magnetização M na mesma direção de
B. Para este tipo de material, a uma temperatura ambiente, a permeabilidad e
µ r pode exceder a µ o fator de 1 a 100 partes em 10 6 .
Os materiais paramagnéticos são caracterizados, também, por átomos
que têm um momento magnético permanente. Os movimentos orbitais dos
elétrons e os spins produzem correntes circulares que são diferentes de zero.
O
paramagnetismo
é
completamente
eletromagnetismo clássico. Se
inexplicado
em
termos
do
a magnetização dos materiais fosse atribuída
somente aos elétrons orbitando nos átomos, a partir da lei de Lenz poderíamos
esperar que todos os materiais se comportariam como os diamagnéticos na
32
presença de campo externo. A origem do paramagnetismo é o momento
magnético constante associado com o spin eletrônico. Como não existe um
conceito clássico equivalente ao spin (quântico) podemos afirmar que este
fenômeno só pode ser explicado com a ajuda da teoria quântica.
3.9.3 Materiais Ferromagnéticos, χ m >> 0
A propriedade peculiar dos materiais ferromagnéticos tais como o
ferro, níquel e o cobalto é que a suscetibilidade magnética, a magnetização e
a permeabilidade não são constantes mas dependem, para um particular
material, de sua historia magnética e térmica passada. Todos os materiais
ferromagnéticos são fortemente paramagnéticos, contudo, no sentido de que
um campo externo aplicado pode aumentar sensivelmente a densidade de
fluxo magnético no interior do material. Por exemplo, a permeabilidade µ r
pode exceder a µ o por um fator superior a 10 3 .
Os materiais ferromagnéticos têm átomos com momentos magnéticos
permanentes.
Esses
momentos
magnéticos
estão
alinhados,
mesmo
em
ausência de um campo magnético externo. Entretanto a agitação térmica em
temperaturas suficientemente elevadas transforma esse tipo de material em
paramagnético. Nos materiais ferromagnéticos, devido ao alinhamento dos
momentos magnéticos no interior do material, estes produzem um campo
magnético, mesmo em ausência de campo externo.
3.10 Influência da Temperatura sobre o Comportamento Magnético
A temperatura também pode influenciar as caracteristicas magnéticas
dos materiais. Convém recordar que o aumento da temperatura de um sólido
resulta em um aumento na magnitude das vibrações térmicas dos átomos. Os
momentos magnéticos atômicos estão livres para girar; dessa forma, com o
aumento da temperatura, o maior movimento térmico dos átomos tende a
33
tornar aleatórias as direções de quaisquer momentos que possam estar
alinhados.
Para os materiais ferromagnéticos, antiferromagnéticos e ferrimagnéticos, os
movimentos térmicos atômicos vão ao contrário das forças de pareamento
entre
os
momentos
dipolo
atômicos
adjacentes,
causando
algum
desalinhamento do dipolo, independente do fato de um campo externo estar
presente. Isso resulta em uma diminuição na magnetização de saturação tanto
para
os
materiais
ferromagnéticos
como
para
os
ferrimagnéticos.
magnetização de saturação é máxima à temperatura de 0K,
A
em cujas
condições as vibrações térmicas são mínimas. Com o aumento da temperatura,
a magnetização de saturação diminui gradualmente, e então cai abruptamente
para zero, no que é conhecido por temperatura Curie, Tc . A Tc é normalmente
inferior ao ponto de fusão do material. Os comportamentos magnetizaçãotemperatura para o ferro e oFe 3 0 4 estão representados na Figura 3.14.
Figura 3.14 Gráfico da magnetização de saturação como uma função
da temperatura para o ferro e o Fe 3 O 4 [ 1 ] .
Na Tc , as forças mútuas de pareamento de spin são completamente destruídas,
de tal modo que para temperaturas acima acima da Tc tanto os materiais
ferromagnéticos como os materiais ferrimagnéticos são paramagnéticos. A
34
magnitude da temperatura Curie varia de material para material; por exemplo,
para o ferro, cobalto, níquel e Fe 3 0 4 , os respectivos valores para a
temperatura Curie são de 768, 1120, 335 e 585°C. A Tc do metal terra-rara
gadolíneo é 16ºC.
3.11 Domínios e Histereses
Qualquer material ferromagnético ou ferrimagnético que se encontre a
uma temperatura abaixo de Tc é composto por regiões de pequeno volume
onde existe um alinhamento mútuo de todos os momentos dipolo magnéticos
na mesma direção, como está ilustrado na Figura 3.15.
Figura 3.15 Representação esquemática de domínios em um material
ferromagnético; as setas representam os dipolos magnéticos atômicos. No
interior de cada domínio, todos os dipolos estão alinhados, enquanto a direção
do alinhamento varia de um domínio para o outro.
Tal região é chamada um domínio, e cada um deles está magnetizado
até a sua magnetização de saturação. Os domínios adjacentes estão separados
por contornos de domínio ou paredes, através das quais a direção d a
magnetização varia gradualmente (Figura 3.16).
35
Figura 3.16 Variação gradual na orientação do dipolo magnético
através da parede de um domínio.
Normalmente, os domínios possuem dimensões microscópicas, e para
uma amostra policristalina, cada grão pode consistir em mais do que um único
domínio.
Dessa
forma,
em
uma
peça
de
material
com
dimensões
macroscópicas, existira um grande número de domínios, e todos poderão ter
diferentes orientações de magnetização. A magnitude do campo M para o
sólido como um todo é a soma vetorial das magnetizações de todos os
domínios, onde a contribuição de cada domínio é ponderada de acordo com
sua fração volumétrica. No caso de uma amostra não magnetizada, a soma
vetorial apropriadamente ponderada das magnetizações de todos os domínios
é igual a zero.
3.12 Aquecimento de Metais por Indução Magnética
Devido ao fato de todos os metais serem condutores elétricos o
aquecimento por indução é aplicável atualmente a uma variada gama de
processos tais como fundição, tratamentos térmicos, soldagem e aquecimento
para forjamento. Este processo tem como principais vantagens a eficiência de
transferência de energia para a peça e altas velocidades de aquecimento
quando comparadas com os métodos convencionais de aquecimento.
36
Os princípios físicos do processo de aquecimento indutivo, são
conhecidos há mais de cem anos e foram disponibilizados para o uso prático
em meados do século XX. As técnicas do aquecimento indutivo atualmente
contribuem com quase todas as indústrias de manufatura, desde a preparação
de pastilhas de silício puro para componentes microeletrônicos até o
processamento de chapas de aço pesando 25 toneladas ou mais. O uso destas
técnicas indubitavelmente crescerá com a demanda do uso mais eficiente d a
energia elétrica e com outros recursos de produção associados com a
necessidade de um melhor ambiente de trabalho.
O processo de aquecimento indutivo atualmente está difundido e
implatado em diversas aplicações, sobre uma ampla faixa de processos
industriais. A sua atuação varia de acordo com a aplicação à qual se destina.
De maneira geral os benefícios que recomendam a sua utilização, partem das
seguintes condições construtivas:
•
Elevadas densidades de potência e também o aquecimento rápido que
pode ser obtido.
•
O preciso controle da temperatura.
•
A possibilidade de aquecer regiões selecionadas e determinadas de um
componente.
•
A
facilidade
para
colocar
a
peça
em
uma
câmara
fechada
e
independente, por ex emplo, sistema de vácuo ou atmosfera inerte que é
usada isolada da bobina de aquecimento indutivo.
3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo
Quando uma peça de metal é colocada no interior de uma bobina indutiva, que
está alimentada por corrente alternada, a peça e a bobina são interligadas por
um campo eletromagnético alternado, desta forma, o campo magnético que é
absorvido pela peça transforma-se em campo elétrico, que por sua vez gera a
corrente induzida a qual irá aquecer a peça. Essa corrente é chamada de
corrente de Foucault, ou ainda correntes parasitas (edd y currents). As bobinas
37
de indução são geralmente confeccionadas em tubos de cobre no interior dos
quais circula água de refrigeração, pois é necessário que ela permaneça fria,
de forma a não alterar seu Fator de Qualidade (Q) e permitir a máxima
transferência de energia entre ela e a peça. A forma de uma bobina depende
da forma da peça e da área que se quer aquecer. Para que haja uma boa
transferência de energia também é necessário que a bobina fique o mais
próximo possível da peça. Quanto maior for a distância menor será a
eficiência do sistema.
Um circuito de aquecimento por indução é então fundamentalmente um
transformador, no qual o primário está representado pelas espiras de uma
bobina, através da qual passa um corrente elétrica alternada, e de um
secundário constituído pela peça que vai ser aquecida.
Além da produção de correntes de Foucault, tem-se ainda geração de
efeitos de histerese
magnética que criam correntes parasitas, correntes que
irão aquecer a peça. Sob a ação das correntes parasitas os domínios
magnéticos tendem a se polarizar em um determinado sentido, criando-se em
cada um deles um polo norte e um polo sul. Ao se variar o sentido do campo
os domínios tendem a seguir estas variações, variando o sentido de seus pólos
e gerando-se uma fricção atômica interna que faz com que seja dissipado
calor o qual ao dissipar-se eleva a temperatura da peça. No aquecimento do s
aços, o aquecimento por histerese tem pouca importância porque quando se
ultrapassa a temperatura Curie (aproximadamente 768 ºC)
o aço torna-se
paramagnético e o aquecimento por histerese torna-se, então, praticamente
nulo.
As correntes de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada
superficial das peças. A distribuição destas correntes ao longo da seção das
peças depende fundamentalmente da freqüência utilizada, da condutividade
elétrica e das propriedades magnéticas do material aquecido. Quando se
geram correntes de Foucault, o aço passa a atuar como uma resistência
elétrica que se aquece pela passagem de uma corrente elétrica de acordo com
a lei de Joule. O calor gerado será proporcional a RI 2 , sendo R a resistência
do circuito e I a intensidade da corrente, veja Figura 3.17. Quanto mais alta
for a temperatura, menor será o efeito de aquecimento por correntes de
Foucault.
38
Figura
3.17
Desenho
esquemático
do
processo
de
aquecimento
indutivo e da profundidade de aquecimento obtido através da indução de
correntes de Foucault na peça.
A densidade da corrente induzida na superfície da peça é elevada, e
diminui conforme aumentada a distância em relação à superfície. Este
fenômeno é conhecido como “efeito pelicular” (Skin Effect). A profundidade
do “efeito pelicular”, ou simplesmente, a profundidade de penetração é um
conceito conveniente de matemática. A profundidade de penetração é de
extrema importância para a engenharia de aquecimento indutivo, pois é
através da profundidade de penetração que aproximadamente 90% da energi a
total é induzida na peça ou região a ser aquecida.
O valor da profundidade de penetração (d) depende da resistividade do
material [ρ (em W m)] e da permeabilidade relativa (µr) e da freqüência da
corrente de aquecimento [f (em Hertz – Hz)]. Para a maioria das aplicações
práticas, a profundidade da penetração poderá ser calculada pela expressão:
δ = 500
ρ
µr × f
(3.11)
Onde:
δ = Profundidade de penetração [m]
ρ = Resistividade ôhmica do material [ W m]
µr = Permeabilidade relativa do material [adimensional]
39
f = Frequência da corrente alternada aplicada à bobina de indução [Hz]
A energia gerada por unidade de volume da peça a ser aquecida é
diretamente
proporcional
à
freqüência
de
ressonância
do
tanque,
à
permeabilidade magnética do material e ao quadrado da intensidade do campo
magnético na superfície da peça. A potência também depende das dimensões
da peça em relação à profundidade de penetração da corrente induzida. Est e
fator fornece a extensão da faixa das freqüências de funcionamento que serão
usadas para cada processo industrial que utilize aquecimento por indução.
A energia em corrente alternada, para aplicação em aquecimento
indutivo é fornecida por várias fontes, dependendo da freqüência e da
potência que são necessárias. Estas fontes de potência estão relacionadas na
Tabela 3.5 abaixo, em conjunto com a faixa de freqüência em que são
utilizadas.
Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de indução.
ITEM DENOM INAÇÃO
FAIXA DE FREQUÊNCIA
A
Frequência da rede
60Hz
B
Multiplicador Magnético de
Entre 0.18kHz e 0.54kHz
Freqüência (transformadores com
núcleo saturado)
C
Motor Gerador (motor assíncrono em
Entre 0.96kHz e 9.6kHz
3600RPM, tendo um gerador de
corrente alternada montado em seu
eixo, com alto número de pólos para
gerar a freqüência necessária)
D
Gerador Tiristorizado
Até 20kHz. Existe a
possibilidade de trabalhar com
freqüências mais altas, mas
com mais baixa potência.
E
Gerador Transistorizado
São duas possibilidades
40
atualmente:
•
IGBTs, com freqüência
de funcionamento até
mais de 200kHz.
•
MOSFETs, com
freqüências de trabalho
até 500kHz.
F
Gerador com Válvula Osciladora
Frequência de funcionamento
Termoiônica
entre 200kHz e 500kHz. Pode
funcionar em mais altas
freqüências, como por
exemplo em 1.7MHz.
3.13 Chaveamentode Potência com IGBTs
IGBTs são chaves eletrônicas (vide Figura 3.16) semelhantes a
transistores bipolares, mas com gate para disparo por tecnologia CMOS. Esses
componentes podem ser acionados por níveis de tensão na faixa de ±10 a
±20V (threshold voltage, Vth) aplicados ao seu gate, podem trabalhar com
freqüências de acionamento maiores que 200kHz e chavear correntes da
ordem de 300A. Dispositivos de canal N são acionados por pulsos de tensão
positiva no gate, em relação ao pino source (S), enquanto dispositivos d e
canal P são acionados por tensão negativa no gate. São construídos em geral
para
suportar
tensões
nominais
de
600V
e
1200V,
mas
atualmente,
dispositivos que suportam tensões da ordem de 2kV já são encontrados com
relativa facilidade no mercado.
A Figura 3.18 mostra a analogia do acionamento de um IGBT de canal
N, através de pulsos de tensão de amplitude +15V, com
um interruptor
elétrico de acionamento mecânico.
41
Figura 3.18 Símbolo e analogia de acionamento de um IGBT (chave
eletrônica de estado sólido) de canal N com o acionamento de um interruptor
elétrico de acionamento mecânico.
Um pulso de tensão de amplitude positiva aciona o IG BT, que
permanece nesse estado enquanto durar o pulso. O efeito desse pulso pode ser
comparado ao acionamento mecânico de uma interruptor elétrico, que permite
à corrente elétrica circular através dele.
A Figura 3.19 mostra o aspecto de 3 tipos diferentes de IGBTs.
Figura 3.19 Aspecto de 3 tipos diferentes de IGBTs. O Menor, a
esquerda, tem capacidade de chavear 70A, os outros dois, maiores, podem
chavear 300A sendo que o maior consiste em dois IGBTs montados n a
configuração de meia-ponte em um só encapsulamento.
42
A estrutura física esquemática do IGBT pode ser vista na Figura 3.20.
Figura 3.20 Estrutura física do IGBT [ 1 2 ] .
Quando a tensão entre a porta (gate, G) e o emissor atinge um
determinado valor limite – que depende do dispositivo – conhecida como
tensão de limiar (threshold voltage), simbolizada por V t h , a quantidade de
elétrons livres atraídos pelo campo elétrico criado no gate é tamanha que a
região imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para
o tipo n, fenômeno conhecido como inversão – sendo a camada que sofreu o
processo recebe o nome de camada de inversão, mais comumente conhecida
como canal. A operação física do IGBT descrita aqui refere-se à IGBTs de
canal N, e é ilustrada na Figura 3.21 apresentada abaixo:
43
Figura 3.21 Desenho esquemático do funcionamento de um IGBT de
canal N. Com a aplicação da tensão V t h ao gate do dispositivo, ocorre
circulação de corrente entre os pinos de dreno (D) e source (S), rotulados na
imagem como anodo e catodo respectivamente [ 1 2 ] .
A Figura 3.22 mostra um comparativo com relação a tensão, corrente e
freqüência de trabalho de vários dispositivos eletrônicos utilizados em
chaveamento de potência.
44
Figura 3.22 Limites de operação de componentes semicondutores de
potência [ 1 2 ] .
3.14 Estruturas Metaestáveis Obtidas por Resfriamento Rápido - RSP
Estruturas
metaestáveis
ou,
mais
precisamente,
configurações
congeladas de estruturas metaestáveis não são novidade na metalurgia.
Realmente, muito da prática tradicional em metalurgia tem sido centrada na
formação, caracterização, compreensão e controle sobre estruturas que sejam
composicionalmente, topologicamente e/ou morfologicamente metaestáveis.
Entretanto, cerca de duas a três décadas atrás, houve um grande
crescimento
no
interesse
na
produção
e
estudo
de
novas
estruturas
metaestáveis na metalurgia e em outras ciências de fases condensadas. Esse
crescimento no interesse sobre estas estruturas é reflexo de desenvolvimentos
em técnicas de resfriamento brusco de materiais fundidos, condensação e
irradiação de materiais, em conjunto com o entendimento da cinética de
evolução
de
microestruturas
desse
tipo.
Alguns
dos
novos
materiais
produzidos são vidros metálicos, ligas cristalinas super-saturadas e novas
ligas com densidades interfaciais excepcionalmente altas [ 2 1 ] . As ligas de vidro
45
metálico estão entre as mais originais e interessantes descobertas sobre
materiais metaestáveis.
O
procedimento
geral
para
síntese
de
estruturas
metaestáveis
corresponde a energizar e resfriar bruscamente o material. A energização
consiste em evaporação, dissolução, irradiação, deformação plástica ou
aquecimento do material em um estado sólido ou líquido. O Resfriamento
brusco é normalmente caracterizado pela taxa de resfriamento.
3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rápida
Solidificação.
Ligas
solidificadas
rapidamente
ou
preparadas
por
métodos
de
processamento por rápida solidificação (RSP-Rapid Solidification Processing)
podem apresentar uma ou outra de quatro formas de metaestabilidade [ 2 2 ] :
1. Uma
extensão
de
solubilidade
sólida
além
do
valor
de
equilíbrio, que pode ser parcial ou (como no sistema Ag-Cu)
completa.
2. Formação de uma ou mais fases metaestáveis cristalinas.
3. Abaixo de M s , temperatura onde tem início a transformação
martensítica, algumas vezes a martensita pode ser substituída
por uma outra fase.
4. Formação de vidro metálico.
Durante as primeiras décadas da pesquisa sobre RSP, a ênfase foi focada
nas fases cristalinas, especialmente nas fases metaestáveis não ferrosas. A
partir do início de 1970, houve crescimento no interesse por vidros metálicos.
O intenso interesse em vidros metálicos tem duas bases: primeiramente,
o notável interesse científico nestes materiais ainda pouco conhecidos, em
particular sua estrutura, propriedades mecânicas incomuns (resistência muito
alta combinada com tenacidade), propriedades elétricas e propriedades
ferromagnéticas; e em segundo lugar, o interesse por aplicações práticas para
suas propriedades magnéticas. Por exemplo, as perdas magnéticas sob
46
excitação de potência nestes materiais são extremamente baixas, o que é de
grande interesse em pequenas e grandes aplicações com transformadores.
Ligas cristalinas formadas através de RSP possuem geralmente, menor
heterogeneidade de composição, grãos e tamanhos de dendritas. Tem a
habilidade para incorporar mais soluto do que os métodos convencionais, o
que permite obter maior endurecimento por envelhecimento em subseqüente
tratamento térmico.
Estudos recentes sobre solidificação rápida de ligas de titânio tem
demonstrado
um
significante
refinamento
microestrutural
e
melhores
qualidades podem ser alcançadas em ligas de titânio solidificadas a taxas de
resfriamento >10 3 K/s (ou 726,85 ºC/s). Pós típicos foram produzidos com
velocidades de rotação entre 8000 e 29000rpm. Entretanto, métodos para
produção de pós de titânio por rápida solidificação tem recebido pouca
atenção [ 1 9 ] . Grande parte dos pós de ligas de titânio tem sido produzidos pelos
processos de hidretação/de-hidretação ou por atomização em disco rotativo a
partir de eletrodos rotativos, lingotes ou cadinhos. Exceto pelo método
de
hidretação/de-hidretação, todos os métodos de produção de pós metálicos
envolvem vários estágios para a rápida solificação que ainda não foram
quantificados. Recentemente, Konitzer et al. usou fundição por laser e
atomização rotativa para produzir rápida solificação de pós de ligas Ni-Mo-Al
e Ti-6Al-4V. Peng et alli quantificou em um estudo a dependência entre o
diâmetro do pó e as variáveis de processo e a dependência entre a taxa de
resfriamento e o diâmetro do pó. Um cálculo com maior precisão do diâmetro
do pó em função da velocidade de rotação não é praticável, devido à incerteza
na determinação de valores como tensão superficial e viscosidade.
3.14.2 Taxas de Resfriamento em processamento por Rápida Solidificação
A taxa de resfriamento no estágio de congelamento pode ser deduzida
indiretamente pela medição da característica microestrutural do sólido
resultante, mais comumente, o espaçamento de braço secundário de dendrita,
ou ainda o espaçamento lamelar eutético, mas tal abordagem microestrutural
47
não está disponível quando o produto sólido é um vidro. As limitações dos
métodos de medição indireta são:
1. Não é aplicável à formação de vidro.
2. Podem fornecer uma estimativa somente da taxa de resfriamento
efetiva (relativa ao tempo de solidificação e espessura da
espécie) na faixa de temperatura na qual a solidificação
acontece.
3. Cada família de ligas requer uma calibração distinta.
Por todas as razões citadas, a medição direta da taxa de resfriamento
rápido é preferível, apesar de haver dificuldades para sua execução. Grande
parte das medidas diretas são feitas tendo como referência a técnica que em
tradução literal do inglês seria pistão e bigorna (o termo original é piston and
anvil technique). Desse modo, Harbur et al. (1969) fez uso de metais
convenientemente isolados para dois “pistões” como os ramos de um termopar
intrínseco,
considerando que Duflos and Cantor (1982) usaram termopares
em contato com o fundido. Pirometria da gotícula também tem sido
empregada para esse fim (Kattamis et al., 1973).
As estruturas dendríticas solidificadas podem ser visualizadas após
simples ataque químico do pó, e o espaçamento de braços de dendrita
(Dendrite-arm Spacings – DAS) pode ser utilizado para estimar as taxas de
resfriamento a partir de correlação prévia obtida entre DAS e a taxa de
resfriamento.
48
Figura 3.23 Estrutura dendrítica com indicação dos espaçamentos
interdendríticos primários (λ 1 ) e secundários (λ 2 ).
49
Capítulo 4: Materiais e Métodos
4.1 Temperatura Curie do Aço do Cadinho
Para o aço 1050, utilizado para usinagem do cadinho metálico, a
temperatura Curie (Tc) é ~768ºC [ 1 ] . Quando esse cadinho metálico é
submetido ao aquecimento indutivo na bobina de trabalho do tanque
ressonante, até que ele atinja Tc ocorre aquecimento por inversão dos dipolos
atômicos e por correntes induzidas de Foulcalt. Assim que Tc é atingida, o
aquecimento somente ocorre por indução de correntes de Foucalt no material,
e se torna, a medida que esta temperatura aumenta, cada vez mais difícil
aquecer o material através da indução de correntes de Foucalt.
Fazem da parte da composição do aço liga 1050, de designação UNS
G10500 [ 2 ] é 98.6 F e (mín.), 0.42 a 0.50% C, 0.5 a 0.8% M n , além de outros
materiais, e o desenho esquemático do cadinho metálico construído com el e
pode ser visto na Figura 4.1 abaixo.
Figura 4.1 Vista em corte do cadinho metálico
50
4.2 Tanque Ressonante LC 120kHz
A bobina de trabalho, no interior da qual deve ser inserido o material
metálico a ser aquecido e/ou fundido pode ser vista a direita na Figura 4.2
abaixo.
(A)
(B)
Figura 4.2 (A) Imagem do tanque ressonante LC . A bobina de trabalho pode ser
vista a direita. (B) Representação do circuito LC.
A bobina de trabalho faz parte de um tanque ressonante LC paralelo, e constitui-se na
indutância L desse tanque. Os capacitores de poliéster metalizado (em azul na Figura 4.2)
foram associados em paralelo de forma a se obter um valor de capacitância equivalente que,
associada ao valor de indutância da bobina, torna o circuito LC ressonante em 120kHz. Essa
frequência foi definida devido à quantidade de capacitores disponíveis (42) para associação
em paralelo com a bobina de trabalho, conforme descrito a seguir.
Na ressonância, a reatância capacitiva XC é igual à reatância indutiva XL:
1
2πfC
(4.1)
X L = 2πfL
(4.2)
1
= 2πf r L
2πf r C
(4.3)
XC =
51
Sendo:
f r = freqüência de ressonância [Hz]
C = capacitância [F]
L = indutância [H]
Que resulta, para a frequência de ressonância, em:
fr =
1
2π LC
(4.4)
Dessa forma, pode-se construir a bobina de trabalho e, após o cálculo
ou medição de sua indutância com a ajuda de um indutímetro, define-se o
valor necessário de C para ressonância na freqüência determinada de trabalho,
no caso, 120kHz. A indutância L de uma bobina pode ser calculada através
da Equação 4.5:
L = µO ⋅ µr ⋅ n 2 ⋅ A⋅ h
(4.5)
Sendo:
L = indutância da bobina [H]
µ 0 = permeabilidade do vácuo, constante universal,
[4 π ×10 - 7 (1.257×10 - 6 ) H/m ]
µ r = permeabilidade relativa [adimensional]
µO ⋅ µ r = µ = permeabilidade magnética do meio através do qual o
campo H passa [H/m]
A = área da espira da bobina [m 2 ]
h = altura, ou comprimento da bobina [m]
n = número de espiras
52
Para uma bobina de espiras circulares, como a vista na Figura 4.3, a
área é definida por
A=
πφ 2
4
(4.6)
Sendo:
Ø = diâmetro da espira [m]
Figura 4.3 Dimensões da bobina de trabalho do tanque ressonante LC.
Definidas as dimensões e forma da bobina de trabalho, obtém-se
através da equação 4.5 sua indutância L, para então obter-se o valor de C do
tanque LC paralelo através da equação 4.4. Perceba que é necessário definir
ainda, antes mesmo do cálculo de C, a freqüência de trabalho (ressonância) do
sistema, nesse caso, 120kHz. A partir dessa última definição obteve-se o
valor de 1.974µF para C, que são obtidos na prática a partir da associação em
paralelo de 42 capacitores de poliéster metalizado de 47nF×1600V.
53
4.3 Acionamento do Tanque Ressonante LC por IGBTs
Os IGBTs responsáveis pelo acionamento em 120kHz do tanque LC
ressonante foram montados em uma configuração chamada de meia-ponte. No
primeiro ciclo de acionamento, os IGBTs em paralelo do ramal superior da
ponte são acionados e a corrente circula por eles carregando o tanque
ressonante LC. No segundo ciclo, aciona-se os IGBTs do ramal inferior da
meia-ponte, fazendo com que a carga de corrente seja agora aplicada ao
tanque em sentido contrário àquela do primeiro ciclo 1 3 ] .Vide Figura 4.4.
Figura 4.4 Desenho esquemático do acionamento do tanque ressonante
por IGBTs.
A meia-ponte de IGBTs pode ser vista, como montada, na Figura 4.5.
Figura 4.5 Aspecto da montagem dos IGBTs que chaveiam a corrente
para o tanque ressonante instalados em dissipador de calor de alumínio.
54
Esse processo ocorre de forma ininterrupta a 120kHz, e o que se obtém
na bobina de trabalho do tanque ressonante é um campo magnético intenso
que ora flui em um sentido durante o primeiro ciclo, ora no sentido oposto
durante o segundo ciclo, conforme mostra a Figura 4.6.
Figura 4.6 Representação esquemática da alternância de sentido do
campo magnético gerado na bobina de trabalho em função do sentido d a
corrente elétrica aplicada.
4.4 Estágio Atual do Sistema de Aquecimento Indutivo
O tanque ressonante LC é alimentado por corrente contínua pulsada.
Obtém-se 180Vcc a partir da retificação e filtragem dos 127Vca presentes na
rede elétrica. Foi capaz de elevar a temperatura do cadinho da temperatura
ambiente até cerca de 892ºC em 5 minutos. Veja Figura 4.7.
55
Figura 4.7 Cadinho de aço 1050 a 892ºC após 5 minutos de inserção no
tanque ressonante.
4.5 Refrigeração por Água do Tanque Ressonante
A bobina de trabalho foi construída com tubo de cobre (10mm de
diâmetro),
dentro
do
qual
circula
água
para
sua
refrigeração
e
dos
capacitores. Repare na Figura 4.8 (B) os tubos plásticos responsáveis por
fazer a distribuição da circulação de água, e em (A) o recipiente de água com
a bomba instalada em seu interior.
(A)
(B)
Figura 4.8 (A) Recipiente para armazenamento da água de refrigeração
e bomba instalada em seu interior. (B) Detalhes da distribuição da água de
refrigeração no tanque LC ressonante.
56
4.6 Oscilador e gerador de Tempo Morto
O oscilador e gerador de tempo morto tem a função de gerar o sinal de
120kHz responsável pelo acionamento dos IGBTs, pode ser visto o desenho de
sua placa de circuito na Figura 4.9 (A), e em (B) seu aspecto final montado.
(A)
(B)
Figura 4.9 (A) Layo ut da placa de circuito do oscilador e gerador de
tempo morto. (B) Aspecto final da placa montada.
O acionamento dos IGBTs deve ser tal que não se pode acionar os
IGBTs de um ramal da meia ponte sem que aqueles do outro ramal da meiaponte tenham sido efetivamente desligados, sob pena de se destruir o
dispositivo. Ocorre que ao se retirar o sinal positivo de acionamento do gate
do IGBT, este ainda leva cerca de 350ns para se desligar completamente.
Portanto, é necessário que entre um e outro ciclo de acionamento dos IGBT s
da meia-ponte, seja introduzido um tempo morto, no qual não há acionamento
de nenhum IGBT, de forma a se garantir que os IGBTs de um ramal da meiaponte só sejam acionados após o completo desligamento daqueles do outro
ramal da meia ponte.
Na Figura 4.10 é mostrado um esquema do processo de acionamento
dos IGBTs de carga e descarga do tanque ressonante.
57
Figura 4.10 Grágico esquemático do processo de acionamento correto
dos IGBTs
4.7 Driver para o Gate dos IGBTs
O sinal de 120kHz advindo do oscilador, acrescido do tempo morto
necessário aos dispositivos IGBTs utilizados, são aplicados à um driver que
tem a função de adequar a corrente fornecida pelo oscilador à corrente
necessária para disparo do gate do IGBT.
Na Figura 4.11 podem ser vistos os layo uts das placas projetadas e o
aspecto após montadas.
Figura 4.11 Layouts das placas do primeiro driver para os IGBTs e
aspecto após montadas.
58
4.8 Fonte de Potência CC 180/310V – 75A
A alimentação para o sistema LC ressonante foi obtida da rede elétrica
de 127V CA e 60Hz. Esse sinal foi retificado por diodos de potência e
filtrado por capacitores eletrolíticos, obtendo-se então 180V CC na sua saída,
com capacidade para fornecimento de 75A continuamente e picos de até
200A.
Esse sistema pode ser visto na Figura 4.12 abaixo, seu layout d e
projeto e placa montada. Pode ainda ser alimentado com 220V CA e 60Hz,
obtendo neste caso 310V CC para alimentação do tanque ressonante.
Figura 4.12 Layout da placa da fonte de potência e seu aspecto
montada.
4.9 Medição dos Pulsos de Corrente Através de Sensor de Efeito Hall
Os pulsos de carga do tanque ressonante foram monitorados através de
um sensor de corrente de efeito Hall ligado a um osciloscópio. Esse sensor
(CSNF161, Honeywell [ 1 7 ] ) tem características interessantes, é capaz de
perceber correntes alternadas até 150kHz, correntes contínuas, e pulsos de
corrente com duração de 0.5µs. A Figura 4.13 (A) mostra o layout do projeto
da placa onde foi montado esse sensor, e em (B) o protótipo pronto.
59
(A)
(B)
Figura 4.13 (A) Projeto da placa e (B) protótipo do sensor de corrente
montado em funcionamento.
(A)
(B)
Figura 4.14 (A) Sinal visto no osciloscópio do CSNF161 ao ligar o
sistema, com cadinho inserido na bobina de trabalho, picos de 18A. (B) Sinal
fornecido pelo CSNF161 após 5 minutos do sistema ligado, com cadinho
inserido, picos de 14A.
60
4.10 Centrifugação até 6130 RPM
A Figura 4.15 (A) mostra o tanque ressonante posicionado sobre a
centrífuga, e em (B) pode-se ver o disco rotativo de cobre adapatado à
centrífuga.
(A)
(B)
Figura 4.15 (A) Tanque ressonante posicionado sobre a centrífuga. (B)
prato rotativo de cobre adaptado à centrífuga.
Utilizou-se uma centrífuga fora de uso para se adaptar o disco rotativo
de cobre. Foi necessário construir um controle de velocidade para a
centrífuga, que pode ser visto na Figura 4.16 abaixo.
Figura 4.16 Controle de velocidade do disco rotativo de cobre.
61
Foi feita a calibração do transdutor de rotação da centrífuga, para que
o valor de tensão fornecido por ele pudesse ser convertido em rotações por
minuto após ser obtido através de um multímetro. Foi utilizado um tacômetro
ótico para obter a velocidade de rotação. A Figura 4.17 mostra o gráfico
obtido com os dados coletados nesta calibração.
Tacômetro Ótico com mira Laser
Instrutemp Modelo TD-713
Resolução de 1RPM (acima de 1000RPM)
[RPM]
Rotações por Minuto [RPM]
2500
2000
1500
1000
500
0
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Tensão no Trandutor [V]
Figura 4.17 Gráfico obtido na calibração do transdutor de rotação da
centrífuga.
Equação de conversão:
RPM =
V + 0.02189
0.00214
Onde:
RPM = Rotações por minuto do prato de cobre
V = Tensão no transdutor de rotação, em volts
62
4.11 Parâmetros Considerados nos Testes Realizados
Nos testes realizados a altura de queda do filete de metal fundido era
fixo, 21.5cm. Vide Figura 4.18.
Figura 4.18 Dimensões da centífuga, em particular, a altura de queda
utilizada nos ensaios.
Foram executadas duas séries de testes, a 4000RPM e 6130RPM. Em
cada um, o cadinho de aço 1050 foi posicionado sucessivamente, de forma qu e
o jato de metal fundido atingisse o disco rotativo de cobre em três pontos
diferentes:
•
No centro do prato rotativo (r=0cm)
•
A 6cm a partir do centro (r=6cm)
•
E a 11cm do centro (r=11cm)
Vide Figura 4.19 abaixo.
63
Figura 4.19 Três posições diferentes para o filete de chumbo líquido
atingir o prato rotativo, (A) r=0cm, (B) r=6cm e (C) r=11cm.
4.12 Procedimento nos Testes Realizados
Em cada um dos ensaios foram utilizados 100g de chumbo para serem
fundidos no cadinho metálico inserido na bobina de trabalho do sistema de
aquecimento por indução. A Figura 4.20 mostra o material utilizado para a
fundição no cadinho metálico.
Figura 4.20 100g de chumbo, utilizados como material a ser fundido
no cadinho.
Procedimento dos ensaios:
1. Aquecimento do cadinho metálico (aço 1050) por 10 minutos.
2. Inserção de 100g de chumbo no cadinho, espera de 6 minutos
para estabilização da temperatura em 820ºC.
3. Vazamento do chumbo fundido sobre o prato rotativo.
64
A Figura 4.21 mostra a seqüência do procedimento.
Figura 4.21 Seqüência do procedimento executado para vazar o filete
de chumbo líquido sobre o prato rotativo de cobre.
65
Capítulo 5: Resultados e Discussão
5.1 Aspecto do Material Obtido Após o Processo e Curvas Granulométricas
As Figuras 5.1, 5.2 e 5.3 mostram em (A) o aspecto do material obtido
e em (B) o aspecto do prato de cobre rotativo logo após os ensaios de
6130rpm, com vazamento do filete líquido respectivamente com r=0cm,
r=6cm e r=11cm.
(A)
(B)
Figura 5.1 6130rpm, vazamento no centro. (A) Aspecto do material
obtido após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.
66
(A)
(B)
Figura 5.2 6130rpm, vazamento com r=6cm. (A) Aspecto do material
obtido após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.
(A)
(B)
Figura 5.3 6130rpm, vazamento com r=11cm. (A) Aspecto do material
obtido após o ensaio, (B) aspecto do prato de cobre após o ensaio.
Após um exame visual do material obtido nestes testes, percebe-se que
em 6130rpm e raio de atomização igual a 11cm, obteve-se geração de maior
quantidade de pó. Gessinger [ 1 8 ] obteve resultados semelhantes, considerandose o caminho da trajetória de vôo da partícula, obtendo menores diâmetros de
partícula com menores comprimentos de caminho de vôo.
67
A Figura 5.4 mostra o aspecto do material obtido em todos os testes
executados.
Figura 5.4 Aspecto do pó obtido nos ensaios e depositado sobre papel milimetrado para
permitir visualização da distribuição em tamanho das partículas: (A) 4000rpm, r=0cm;
(B) 4000rpm, r=6cm; (C) 4000rpm, r=11cm; (D) 6000rpm, r=0cm; (E) 6000rpm, r=6cm;
(F) 6000rpm, r=11cm.
A vedação da centrífuga não foi suficiente para evitar que parte do pó
produzido em seu interior fosse atirado para fora. Esse material foi coletado
com o auxílio de um pincel seco, e peneirado em peneira de 200mesh
(abertura de 0.074mm ou 74µm) a Figura 5.5 mostra esse pó.
68
Figura 5.5 Aspecto da fração mais fina (< 74µm) do pó de chumbo obtido nos diversos
experimentos.
Figura 5.6 Imagem obtida através de lupa óptica com aumento de 63x do
material de fração mais fina.
As curvas granulométricas referentes a dois experimentos podem ser vistas
nas Figuras 5.7 e 5.8.
69
100,0000
80,0000
60,0000
40,0000
20,0000
0,0000
% passante acumulada
Grafico de % (passante acumulada) versus
aberturas(mm)
0,04 0,05 0,05 0,08 0,11 0,15 0,21 0,3 0,5 0,6 0,85 1,7
Aberturas em mm
Figura 5.7 Curva granulométrica do material obtido no teste 3, em 4000rpm e
r=6cm.
100,0000
80,0000
60,0000
40,0000
20,0000
0,0000
% passante acumulada
Grafico de % (passante acumulada) versus
aberturas(mm)
0,04 0,05 0,05 0,08 0,11 0,15 0,21 0,3 0,5 0,6 0,85 1,7
Aberturas em mm
Figura 5.8 Curva granulométrica do material obtido no teste 6, em 6000rpm e
r=6cm.
70
Capítulo 6: Conclusões
O processo, da forma como descrito, foi capaz de produzir partículas
de pó de variadas formas e tamanhos. Houve uma tendência a se gerar
partículas
menores
e
maior
quantidade
dessas
partículas
em
maiores
velocidades de rotação do prato e raios de atomização também maiores. Isto
pode ser devido ao fato de que ao aumentarmos essas duas grandezas,
aumentamos também a velocidade tangencial na borda do raio de atomização,
o que certamente faz com que a gota do metal fundido seja arremessada com
maior velocidade contra a parede da centrífuga, que funciona aqui como uma
folha de deflexão. Nesse caso, a partícula se fragmenta em outras menores
devido ao choque.
Na velocidade máxima desenvolvida nos testes, 6130rpm, o espiral
convectivo de ar gerado no interior da centrífuga fez com que o material
gerado girasse rapidamente assim que se solidifica. Provavelmente essa
espiral de ar faz também com que se resfrie mais rapidamente as gotas.
Nas imagens obtidas com microscópio óptico, não foram verificados
grãos, o que sugere que o equipamento pode ser utilizado para produção de
partículas amorfas de metais, o que é de grande interesse científico e
tecnológico.
Uma área de aplicação bastante promissora para os metais
amorfos, ou vidros metálicos, é sua utilização em núcleos de transformadores
para distribuição de energia elétrica, devido à menores perdas obtidas nestes
equipamentos utilizando este tipo de material como núcleo [ 1 4 ] .
71
Capítulo 7: Sugestões para Trabalhos Futuros
Balanço Energético
Elaborar gráficos a partir do sinal obtido com o sensor hall de
corrente. Esse sensor monitora indiretamente a potência elétrica consumida no
sistema de aquecimento por indução, e a partir dos dados obtidos com ele,
referentes ao aquecimento de diversos materiais e volumes diferentes destes
materiais,
pode-se elaborar gráficos para visualização direta da potênci a
elétrica consumida no sistema em função do tipo e massa de material inserido
na bobina de trabalho.
Alturas e Raios de Queda Diferentes
Testes com alturas de queda menores, e ainda com raios de atomização
diferentes.
Espera-se
dessa
forma
relacionar
valores
destas
variáveis
operacionais com faixas de granulometria obtidas.
Folha de Deflexão
O sistema de folha de deflexão é usado também para facilitar a coleta
do material durante o processo, poderia ser utilizado aqui no formato circular
e feito de aço inox. Um tubo deste tipo poderia ser construído com alturas
diferentes, de forma a aumentar o caminho de vôo da partícula e poderia
também ser montado de forma a se encaix ar na própria centrífuga.
Testes para Fundição Direta de Vários Materiais metálicos
Até a redação final desta dissertação, não haviam ainda sido feitos
testes de aquecimento e/ou fundição direta de outro materiais metálicos que
não aço carbono, como o do cadinho.
72
Controle do Sistema de Aquecimento Automatizado Através de
Microcontroladores
O uso de microcontroladores pode tornar todo o sistema bastante
compacto fisicamente e com funcionalidades extras, como aquisição de dados
(temperatura da carga inserida na bobina de trabalho, corrente drenada,
energia consumida em kWh, etc) via porta USB para PCs e controle de tempos
de aquecimento, temperaturas a serem atingidas, etc, via computador pela
mesma porta. As possibilidades nesse caso são praticamente ilimitadas,
dependendo somente das necessidades do usuário.
73
ANEXO 1 – Dispositivos Eletrônicos Componentes do
Sistema
Figura 1.1 Diagrama de blocos do circuito eletrônico do forno de
indução.
Figura 1.2 Diagrama da fonte de potência para alimentação do tanque
ressonante.
74
Figura 1.3 Layout da placa de circuito da fonte de potência.
Figura 1.4 Placa de circuito dos capacitores auxiliares de filtragem da font e
de potência.
75
Figura 1.5 Diagrama e layout da placa do oscilador que comanda o sistem a
ressonante.
76
Figura 1.6 Diagrama e placa do divisor de freqüência e gerador de tempo
morto.
77
Figura 1.7 Diagrama e placa do driver de alta velocidade para mosfets
78
Figura 1.8 Diagrama e placa do acoplador óptico de disparo para os Gates dos
IGBTs.
Figura 1.9 Placa de suporte para os IGBTs.
79
Figura 1.10 Sensor de corrente de efeito Hall, CSNF161.
80
Figura 1.11 Dispositivo de controle de velocidade do motor da centrífuga.
81
ANEXO 2 – Imagens Obtidas com Lupa Óptica, 63x
As Figuras 5.7 a 5.12 mostram o aspecto do pó obtido nos ensaios.
Partículas de variadas formas e tamanhos podem ser vistas, o que está de
acordo com Chiaverini [ 3 ] , que cita os principais tipos de forma de partículas
metálicas.
Gessinger [ 1 8 ] afirma que para menores trajetórias de vôo da partícula,
menores tamanhos são obtidos. A trajetória de vôo utilizada nos ensaios foi
fixa, 170mm. Nesse caso, houve uma tendência à geração de partículas
menores com raios de atomização maiores e maiores velocidades de rotação
do disco de cobre. Percebe-se ainda, na Figura 5.9 que mostra o material
obtido com rotação de 4000rpm e r=11cm, uma predominância de partículas
esféricas geradas.
Figura 2.1 4000rpm, r=0cm. Lupa óptica, aumento de 63x.
82
Figura 2.2 4000rpm, r=6cm. Lupa óptica, aumento de 63x.
Figura 2.3 4000rpm, r=11cm. Lupa óptica, aumento de 63x.
83
Figura 2.4 600rpm, r=0m. Lupa óptica, aumento de 63x.
Figura 2.5 600rpm, r=6cm. Lupa óptica, aumento de 63x.
84
Figura 2.6 600rpm, r=11cm. Lupa óptica, aumento de 63x.
85
ANEXO 3 – Imagens Obtidas com Microscópio Óptico
Essas
imagens
foram
obtidas
de
partículas
planas
grandes,
de
diâmetros entre 1 e 2cm que foram geradas nos testes de 1 a 5. O teste 6, a
6130rpm e raio de atomização de 11cm não gerou nenhuma dessas partículas.
(A)
(B)
(C)
Figura 3.1 4000rpm, r=0cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala
50µm; (B) Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm.
(A)
(B)
(C)
Figura 3.2 4000rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala
50µm; (B) Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm.
86
(A)
(B)
(C)
Figura 3.3 4000rpm, r=11cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala
50µm; (B) Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm.
(A)
(B)
(C)
Figura 3.4 6130rpm, r=0m. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50µm;
(B) Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm.
(A)
(B)
(C)
Figura 3.5 6130rpm, r=6cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala
50µm; (B) Aumento 400x, escala 20µm; (C) Aumento 800x, escala 10µm.
As
imagens
apresentadas
na
Figura
5.18
são
do
material
de
granulometria mais fina. Não se percebem grãos nessas imagens. Nas imagens
87
(a) e (b) podem ser vistos núcleos de dendritas que não tiveram chance de
crescer devido ao rápido resfriamento no disco rotativo. Na imagem (c) são
vistos
braços
primários
de
dendritas,
novamente
aqui,
não
houve
o
desenvolvimento de braços secundários devido à alta taxa de resfriamento do
material.
(A)
(B)
(C)
Figura 3.6 Ataque ácido acetico+nitrico (A) Região 3, aumento 200x;
(B) Região 3, aumento 400x; (C) Região 9, aumento 800x
88
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