Processo da metalurgia do pó e as vantagens dos filtros sinterizados
Elementos filtrantes de metal sinterizado foram usados por muitos anos, tendo sido empregados com sucesso em diversas aplicações industriais. Estas estruturas que se formam em um componente sólido por sinterização de pós metálicos contém porosidades controladas, e assim, são ótimas opções como elementos filtrantes.
O processo de sinterização é a etapa final e parte de um processo chamado metalurgia do pó. O intuito deste processo é criar um vínculo entre partículas que foram previamente conformadas, normalmente, por processo envolvendo pressão. Este vínculo precisa conferir resistência mecânica ao produto final. Para facilitar a criação deste vínculo usa-se temperatura, tempo e atmosfera adequadas, o que é possível em fornos específicos para sinterização. Este vínculo se dá na formação de um pescoço entre as partículas que ocorre em última instância pela difusão (movimentação) atômica, que é muito favorecida pelo aquecimento.
Em linhas gerais, poderíamos comparar o processo de sinterização ao preparo de um bolo: coloque a massa na forma, compacte e leve a massa (ainda no estado líquido) ao forno para assar, na temperatura adequada, resultando em uma massa firme e consistente.
A sinterização pode ser aplicada em qualquer material particulado (pó) desde que se utilizem as condições necessárias (temperatura, tempo e atmosfera). A tecnologia é aplicada para diferentes finalidades, além do elemento filtrante. Contudo, nem toda peça pode, ou deve, ser produzida por sinterização. Questões quanto a tamanho, complexidade na geometria da peça e nível de consumo devem ser consideradas. Porém, existem peças que só podem ser produzidas por sinterização, como é o caso dos filtros sinterizados, já que se deseja obter um produto com porosidade controlada e especificada.
Os filtros são feitos através de várias camadas de partículas arredondadas ou esféricas de pós metálicos de vários tamanhos de grãos.
Pode se dizer que as peças sinterizadas recebem um tratamento a mais que as outras. A opção de uso pela peça sinterizada fica a critério do cliente, pois é ele quem tem o poder de decisão, contudo, a eficiência do filtro está ligado à sua aplicação, e dependendo da finalidade só terá eficácia se o filtro tiver passado pelo processo de sinterização, como é o caso de filtros que trabalham em alta temperatura, onde seja solicitado mecanicamente e se deseja minimizar a manutenção e/ou troca.
Há casos em que a utilização do filtro de bronze sinterizado é especificamente recomendado, como nas aplicações para gás, óleo diesel, etc, o que facilita a filtração e até mesmo em relação à segurança da máquina, exemplifica os diretores de fabricação e desenvolvimento de peças da Filtros Free, Celymar V. Pinotti e Antonio S. da Silva.
Existe uma economia em virtude da matéria-prima vir pronta para uso (a mesma é retirada da embalagem e colocada nas ferramentas e levada ao forno). A vida útil é maior e podemos reaproveitá-las transformando em pó novamente uma peça antes considerada perdida, completa Pinotti e Silva.
Segundo Dirk Stöcker, diretor da GKN Sinter Metals Filters GmbH, as principais vantagens dos filtros sinterizados podem ser resumidos pelos itens abaixo:
Alta estabilidade e resistência mecânica, sob cargas permanentes ou de impacto, ou sob picos de pressão;
Resistente à altas temperaturas (até 1000°C) e a choques térmicos;
Estabilidade química contra ácidos e detergentes (alcalinos);
Largo espectro de retenções (0,1µm - 200µm);
Retrolavagem automática por fluxos reversos possíveis (vapor e líquidos).
Processo da metalurgia do pó
Tudo começa com a metalurgia do pó: um processo de origem Alemã, também abreviada como sinterização (etapa de aquecimento das peças), que utiliza matéria-prima em pó efetuando a microfusão do material. Diferentemente dos processos convencionais de usinagem, essa é uma alternativa que torna possível a produção de peças em grande escala com uma única prensa, um único operador e com o máximo de aproveitamento da matéria-prima. Sem essa tecnologia, seriam necessários vários processos distintos para se alcançar os mesmos resultados no mesmo período de tempo da sinterização. Para se ter uma ideia, as prensas automáticas possuem capacidade de produção de até 100 peças por minuto.
Em geral, essa tecnologia se resume na prensagem de pós em moldes metálicos e consolidação da peça por aquecimento controlado, neste caso a temperaturas abaixo do ponto de fusão de metal. O resultado é um produto que já sai do molde na forma desejada que contém composição química e propriedades mecânica controladas.
São três as etapas fundamentais envolvidas no processo da metalurgia do pó:
Obtenção dos pós metálicos;
Mistura de pós (possivelmente de diferentes metais ou materiais);
Compressão da mistura em matrizes (chamada compactação);
Aquecimento para produzir ligação entre partículas (chamada sinterização).
Há diversos métodos para se obter o pó, e essa escolha irá definir algumas características dos grãos de pó, por exemplo: o tamanho, forma e distribuição, que interfere diretamente na produção dessas peças sinterizadas.
Um dos métodos físicos mais usados é o da atomização que, após o processo, o pó obtido é recolhido, tratado quimicamente e, por fim, peneirado, pronto para ser usado.
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.
Outro método também muito usado é a eletrólise, principalmente, para se obter pó de cobre.
Eletrólise: um processo eletroquímico que força artificialmente uma corrente elétrica ou química com intuito de obter uma reação química, convertendo energia elétrica em energia química ou vice-versa.
Resumidamente, o metal, na forma sólida, é colocado num tanque e dissolvido numa solução eletrolítica, na qual passa uma corrente elétrica. Os pós obtidos por esse processo apresentam elevado grau de pureza. Depois de recolhida do tanque de eletrólise, a massa de pó, em forma de lama, é neutralizada, secada, reduzida e classificada por peneiramento.
Para obtenção de grãos menores, este processo é complementado por métodos mecânicos. Um dos métodos mais usados é o da moagem. Geralmente, é feito num equipamento chamado: moinho de bolas. Um aparelho relativamente simples formado por um tambor que fica girando com várias esferas metálicas resistentes ao desgaste no seu interior. Quando o tambor gira, as esferas batem umas nas outras despedaçando pouco a pouco o material que está dentro do tambor.
Sinterização
A etapa final de consolidação do processo da metalurgia do pó é o aquecimento da massa de partículas na forma de compactado verde ou dentro de moldes é aquecida, mas sem chegar ao ponto de fusão do metal base, que é o metal principal do processo e o que determina as características básicas do produto final. Normalmente, a sinterização é feita em fornos contínuos com atmosfera protetora composta de hidrogênio ou amônia dissociada (75% hidrogênio, 25% nitrogênio) ou outras, e com três zonas de operação: pré-aquecimento, manutenção da temperatura e resfriamento. Temos as opções:
Sinterização sólida: nenhum dos metais é fundido.
Sinterização líquida: metal secundário é fundido no aquecimento.
Existe uma sinterização líquida chamada sinterização com infiltração metálica em que o metal líquido é absorvido por capilaridade pelo metal sólido (não há mistura prévia dos pós).
Depois que termina a sinterização, a peça pode ser usada imediatamente ou pode passar por operações complementares, que fazem alguns pequenos ajustes: a recompactação, por exemplo, é um desses ajustes importantes para garantir tolerâncias apertadas ou rugosidade prevista.
As peças sinterizadas também podem ser tratadas termicamente da mesma forma que são tratadas as peças metálicas convencionais.
São muitas as vantagens que envolvem a sinterização, além do processo oferecer a maior economia de material com mínima perda de matéria-prima, a possibilidade de unir peças simples às partes sinterizadas, ajuda bastante a reduzir os custos sem comprometer a qualidade final do produto. Outras vantagens são o controle exato da composição química desejada para o produto final; a redução ou a eliminação das operações de usinagem; o bom acabamento superficial; a pureza dos produtos obtidos e a facilidade da automação dos processos produtivos. São alguns motivos que transformou a metalurgia do pó em uma fonte produtora de peças para praticamente todos os setores da indústria. Mas, como todo processo, este também tem algumas limitações:
Alto custo das matrizes e prensas; viabilidade técnica e econômica apenas para peças relativamente pequenas (até 15Kg);
Furos laterais, roscas e reentrâncias só podem ser obtidos por usinagem posterior;
Paredes mínimas de 0,7mm e impossibilidade de variações abruptas de espessura de parede e cantos vivos;
Limite máximo entre altura e largura da peça: 3 para 1 (baixas densidades no centro).
Dirk comenta ainda que diversos estudos foram desenvolvido para alcançar altas taxas de fluxo sem perder desempenho de retenção, um deles por exemplo é o composto pó/pó, Este processo consiste de um metal de pó grosso, que é o material de suporte produzido por prensagem axial ou isostática para cartuchos de filtro, e uma camada filtrante ativa fina (<200µm) da mesma liga. Os dois compostos são unidos por sinterização, e assim, não podem se separar depois, finaliza Dirk.
Filtros sinterizados
O filtro nada mais é que um termo genérico usado para definir um produto com objetivo de remover particulados de um fluido. Para isso, este fluido, líquido ou gasoso, passa através de um elemento filtrante que tem uma porosidade ajustada para remover partículas de tamanhos específicos. Estes elementos podem ser de diversas naturezas: metálicos, cerâmicos, poliméricos ou mesmo orgânico e não polimérico, como é o caso do papel. Geralmente, se o filtro é metálico ou cerâmico ele passa pelo processo de sinterização. Para os metálicos ainda existe a possibilidade de se usar tela (tecido metálico), e aí pode não haver sinterização. Para cada aplicação existe o tipo de filtro mais indicado.
Os filtros sinterizados são muito usados nas atividades industriais que se dão em altas temperaturas e exigem uma elevada resistência mecânica e química. São aplicados nas filtragens de gases, líquidos, óleos combustíveis e minerais, instrumentos científicos, linhas pneumáticas, instrumentos de medição, além de serem utilizados como abafadores de ruídos e válvulas corta chamas.
Embora algumas características de um filtro sinterizado sejam similares a de um filtro comum, de acordo com o engenheiro Daniel Rodrigues, um filtro metálico, por exemplo, tem algumas vantagens, podem ser limpos, reutilizados, e facilitam o processo de reciclagem ao final da vida útil, ao contrário daqueles que não recebem o mesmo tratamento e são descartáveis e possuem diversos componentes em sua composição.
A resistência mecânica de um filtro que seja sinterizado costuma ser superior à verificada para os demais. Isto permite que se usem pressões de filtração maiores, o que pode favorecer a eficiência, enfatiza o engenheiro Rodrigues, da empresa Brats Filtros Sinterizados e Pós Metálicos, produtora de filtros sinterizados em aço inoxidável no país.
Os filtros metálicos, por exemplo, podem ser de diversas ligas, dentre elas de ferro-cromo-níquel, um aço inoxidável, no caso, ou até mesmo em uma liga à base de titânio. Filtros de níquel também são populares, assim como os de bronze, ligas de cobre-zinco-estanho.
Entretanto, o diretor de inovação da Metalsinter, fabricante de peças sinterizadas e equipamentos para filtragem que atendem o segmento ligado às Cias. de Petróleo, Sérgio Cintra, ressalta a importância dos materiais usados corretamente durante o processo:
Materiais mais comuns são o bronze e o poliestireno, porém, o que temos que tomar cuidado é a compatibilidade química, assepsia, etc. O bronze não pode ser utilizado na água, em produtos que tenham contato humano, por exemplo, mas são ótimos para escape de ar/ abafador de ruído, diz ele.
O processo da metalurgia do pó é considerado economicamente viável já que não deixa resíduo (ex: cavacos), uma vez que é produzida a quantidade exata de materiais necessários. No entanto, segundo Cintra, essa economia é indiferente, visto que o custo de cada processo é calculado e o mercado define a viabilidade.
Embora haja algumas limitações dentro deste processo, para o engenheiro Daniel Rodrigues as vantagens são consideráveis: O filtro sinterizado tem vida longa, o que pode ser importante em sistemas onde a intervenção para manutenção é difícil e de custo alto.
Contudo, o cenário industrial está atrelado à constantes inovações de produtos, isso em qualquer setor.
Segundo Dirk uma das mais novas tendências e inovações neste segmento são tubos de até 1.6m de comprimento sem costura e tem uma forte resistência contra corrosão e altas pressões proporcionando uma longa vida útil. Para melhorar também a permeabilidade e o desempenho de retrolavagem como também a vida útil -, estes tubos podem ser feitos de uma estrutura assimétrica, na qual uma membrana de filtração ativa de aproximadamente 200 µm é aplicada sobre um material de suporte metálico de porosidade grossa e ainda complementa, Geralmente, materiais metálicos filtrantes são soldáveis e de fácil usinagem. No entanto, a soldagem em meios porosos deve ser evitada para reduzir o risco de corrosão e o estresse térmico para os meios porosos, que finalmente reduz a vida útil dos elementos filtrantes, consequentemente, as pesquisas em andamento procuram eliminar estas limitações, e por isso levou-se ao desenvolvimento a membrana metálica sem costura, finaliza.
Contato das empresas:
Brats: www.brats.com.br
Filtros Free: www.filtrosfree.com.br
GKN: www.gkn-filters.com.br
Metalsinter: www.metalsinter.com.br
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