Trabalho Escrito Robson - Verso Final Dez 2009

8/8/2019 Trabalho Escrito Robson - Verso Final Dez 2009

1/107

UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP CETEC UEMG

Dissertao de Mestrado

Desenvolvimento de um Equipamento para produo

de P Metlico

Autor: Robson Nunes Dal Col

Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa

Agosto de 2009


2/107

UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP CETEC UEMG

Robson Nunes Dal Col

"Desenvolvimento de um Equipamento para Produo de PMetlico"

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programade Ps-Graduao em Engenharia de Materiais da

REDEMAT, como parte integrante dos requisitos

para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

de Materiais.

rea de concentrao: Processos de Fabricao

Orientador: Prof. Adilson Rodrigues da Costa

Ouro Preto, Agosto de 2009


3/107


4/107

ii

ndice

Lista de Figuras.......................................................................................................iv

Lista de Tabelas.................................................................................................... xii

Lista de Notaes ................................................................................................ xiii

Resumo..................................................................................................................xiv

Abstract..................................................................................................................xv

Captulo 1: Introduo............................................................................................. 1

Captulo 2: Objetivos............................................................................................... 2

Captulo 3: Reviso Bibliogrfica............................................................................ 3

3.1 Obteno de Ps Metlicos........................................................................................................................33.1.1 Atomizao por Gs Inerte ...................................................... ........................................................ 43.1.2 Atomizao Centrfuga ............................................................ ........................................................ 6

3.1.2.1 Atomizao Centrfuga Processo por Eletrodo Rotativo (REP)............................................ 63.1.2.2 Atomizao Centrfuga Processo Rotativo por Feixe de Eltrons (EBRP).......... ............... 10

3.1.3 Produo de P de Superligas.............................. ........................................................... ............... 123.2 Produtos da Metalurgia do P ......................................................... ........................................................14

3.2.1 Metais Refratrios...................................... ........................................................... ......................... 143.2.1.1 Tungstnio.................................................... ........................................................... ............... 15

3.2.1.2 Molibdnio................................................... ........................................................... ............... 153.2.1.3 Tntalo ......................................................... ........................................................... ............... 163.2.1.4 Nibio .......................................................... ........................................................... ............... 17

3.2.2 Ligas Pesadas............... ............................................................ ...................................................... 173.3 Caractersticas de Ps Metlicos ..................................................... ........................................................18

3.3.1 Pureza e Composio Qumica .......................................................... ............................................ 183.3.2 Microestrutura da Partcula............. ............................................................. .................................. 183.3.3 Tamanho e Forma da Partcula .......................................................... ............................................ 193.3.4 Porosidade...................................................................... ........................................................... ..... 20

3.3.5 Densidade Aparente..... ............................................................ ...................................................... 213.3.6 Velocidade de Escoamento... ............................................................. ............................................ 213.3.7 Superfcie Especfica ..................................................... ........................................................... ..... 22

3.4 Dipolos Magnticos e Vetores de Campo Magntico..............................................................................223.5 Diamagnetismo........................................................................................................................................273.6 Paramagnetismo .......................................................... ........................................................... .................283.7 Ferromagnetismo.....................................................................................................................................293.8 Ferrimagnetismo......................................................................................................................................313.9 Materiais Magnticos ............................................................ ........................................................... .......31

3.9.1 Materiais Diamagnticos, m < 0 ................................................................................................. 313.9.2 Materiais Paramagnticos, m > 0 .................................................... ............................................ 32


5/107

iii

3.9.3 Materiais Ferromagnticos, m >> 0 ............................................................................................ 333.10 Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico .................................................... .......333.11 Domnios e Histereses ......................................................... ........................................................... .......353.12 Aquecimento de Metais por Induo Magntica ........................................................ ...........................363.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo........................................................................................................373.13 Chaveamentode Potncia com IGBTs...................................................................................................413.14 Estruturas Metaestveis Obtidas por Resfriamento Rpido - RSP ........................................................45

3.14.1 Formas de Metaestabilidade Resultantes do processamento por Rpida Solidificao. .............. 463.14.2 Taxas de Resfriamento em processamento por Rpida Solidificao.......................... ................ 47

Captulo 4: Materiais e Mtodos ........................................................................... 504.1 Temperatura Curie do Ao do Cadinho...................................................................................................504.2 Tanque Ressonante LC 120kHz ...................................................... ........................................................514.3 Acionamento do Tanque Ressonante LC por IGBTs ................................................... ...........................54

4.4 Estgio Atual do Sistema de Aquecimento Indutivo.................................................... ...........................554.5 Refrigerao por gua do Tanque Ressonante................................................................................ .......564.6 Oscilador e gerador de Tempo Morto......................................................................................................574.7 Driver para o Gate dos IGBTs.................................................................................................................584.8 Fonte de Potncia CC 180/310V 75A .................................................... ..............................................594.9 Medio dos Pulsos de Corrente Atravs de Sensor de Efeito Hall ........................................................594.10 Centrifugao at 6130 RPM ........................................................ ........................................................614.11 Parmetros Considerados nos Testes Realizados ....................................................... ...........................634.12 Procedimento nos Testes Realizados.....................................................................................................64

Captulo 5: Resultados e Discusso ..................................................................... 665.1 Aspecto do Material Obtido Aps o Processo e Curvas Granulomtricas...............................................66

Captulo 6: Concluses ......................................................................................... 71

Captulo 7: Sugestes para Trabalhos Futuros .................................................... 72Balano Energtico........................................................................................................................................72Alturas e Raios de Queda Diferentes.............................................................................................................72Folha de Deflexo ................................................... ........................................................... ...........................72Testes para Fundio Direta de Vrios Materiais metlicos..........................................................................72Controle do Sistema de Aquecimento Automatizado Atravs de Microcontroladores .................................73

ANEXO 1 Dispositivos Eletrnicos Componentes do Sistema........................... 74

ANEXO 2 Imagens Obtidas com Lupa ptica, 63x............................................. 82

ANEXO 3 Imagens Obtidas com Microscpio ptico......................................... 86

Referncias Bibliogrficas.................................................................................... 89


6/107

iv

Lista de Figuras

Captulo 3: Reviso Bibliogrfica

Figura 3.1 Corte transversal esquemtico de uma unidade de atomizao por

gs inerte.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Figura 3.2 Efeito do dimetro de partcula de ligas a base de nquel sobre a

altura necessria do equipamento de atomizao. . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .. . .6

Figura 3.3 Desenho esquemtico do processo de atomizao centrfuga

por eletrodo rotativo[ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Figura 3.4 Principio geral da fabricap de p metlico por atomizao

centrfuga [ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Figura 3.5 Distribuio de tamanho de partcula, processo REP, p

produzido a partir de uma barra de 63.5mm de dimetro girando a

16000RPM [ 18 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Figura 3.6 (a) Desenho esquemtico do EBRP para fabricao de p metlico.

(b) Mquina EBRP... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Figura 3.7 Desenho esquemtico da tcnica desenvolvida por Pratt & Whitney

para produo de ps metlicos com rpida solidificao. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . .13

Figura 3.8 Representao esquemtica de formas de partculas

metlicas.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

Figura 3.9 Linhas de fora e v etores de um campo magntico gerados por uma

bobina percorrida por corrente eltrica. . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..22

Figura 3.10 A configurao do dipolo atmico para um material diamagnticocom e sem a presena de um campo magntico. Na ausncia de um campo


7/107


8/107

vi

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 configurao de

meia-ponte em um s encapsulamento. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .42

Figura 3.20 Estrutura fsica do IGBT.. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . .43

Figura 3.21 Desenho esquemtico do funcionamento de um IGBT de canal N.

Com a aplicao da tenso V th ao gate do dispositivo, ocorre circulao 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 operao de componentes semicondutores de potncia

(dados de 1994).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Figura 3.23 Estrutura dendrtica com indicao dos espaamentos

interdendrticos primrios (1) e secundrios (2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Captulo 4: Parte Experimental

Figura 4.1 Vista em corte do cadinho

metlico... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

Figura 4.2 (A) Imagem do tanque ressonante LC . A bobina de trabalho pode ser vista a

direita. (B) Representao do circuito LC............... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 51

Figura 4.3 Dimenses da bobina d e trabalho do tanque ressonante LC.. . . . . . ..53

Figura 4.4 Desenho esquemtico do acionamento do tanque ressonante por

IGBTs... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54


9/107

vii

Figura 4.5 Aspecto da montagem dos IGBTs que chaveiam a corrente para o

tanque ressonante instalados em dissipador de calor de

alumnio... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

Figura 4.6 Representao esquemtica da alternncia de sentido do campo

magntico gerado na bobina de trabalho em funo do sentido da corrente

eltrica aplicada... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

Figura 4.7 Cadinho de ao 1050 a 892C aps 5 minutos de insero no tanque

ressonante.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

Figura 4.8 (A) Recipiente para armazenamento da gua de refrigerao e

bomba instalada em seu interior. (B) Detalhes da distribuio da gua de

refrigerao no tanque LC ressonante. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . .56

Figura 4.9 (A) Layout 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

aps montada... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

Figura 4.12 Layout da placa da fonte de potncia e seu aspecto montada.

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

Figura 4.13 (A) Projeto da placa e (B) prottipo do sensor de corrente

montado em funcionamento... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Figura 4.14 (A) Sinal visto no osciloscpio do CSNF161 ao ligar o aparato,

com cadinho inserido na bobina de trabalho, picos de 18A. (B) Sinal

fornecido pelo CSNF161 aps 5 minutos do aparato ligado, com cadinho

inserido, picos de 14A... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60


10/107

viii

Figura 4.15 (A) Tanque ressonante posicionado sobre a centrfuga. (B) prato

rotativo de cobre adaptado centrfuga. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. .61

Figura 4.16 Controle de velocidade do prato rotativo de cobre. . . . . . . . .. . . . . . . .. . .61

Figura 4.17 Grfico obtido na calibrao do transdutor de rotao da

centrfuga... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62

Figura 4.18 Dimenses da centfuga, em particular, a altura de queda util izada

nos ensaios.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

Figura 4.19 Trs posies diferentes para o filete de chumbo lquido atingir o

prato rotativo, (A) r=0cm, (B) r=6cm e (C) r=11cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Figura 4.20 100g de chumbo, util izados como material a ser fundido no

cadinho... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Figura 4.21 Seqncia do procedimento executado para vazar o filete de

chumbo lquido sobre o prato rotativo de cobre. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .65

Captulo 5: Resultados e Discusso

Figura 5.1 6130RPM, vazamento no centro. (A) Aspecto do material obtido

aps o ensaio, (B) aspecto do prato de co bre aps o ensaio. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . .66

Figura 5.2 6130RPM, vazamento com r=6cm. (A) Aspecto do material obtido


Figura 5.3 6130RPM, vazamento com r=11cm. (A) Aspecto do material obtido


Figura 5.4 Aspecto do p obtido nos ensaios e depositado sobre papel

milimetrado para permitir visualizao da distribuio em tamanho das


11/107

ix

partculas: (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 frao mais fina (< 74m) do p de chumbo obtido nosdiversos experimentos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

Figura 5.6 Imagem obtida atravs de lupa ptica com aumento de 63x do

material atirado para fora da centrfuga. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..69

Figura 5.7 Curva granulomtrica do material obtido no teste 3, em 4000rpm e

r=6cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

Figura 5.8 Curva granulomtrica do material obtido no teste 6, em 6000rpm e

r=6cm... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

Anexo 1

Figura 1.1 Diagrama de blocos do circuito eletrnico do forno de

induo... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Figura 1.2 Diagrama da fonte de potncia para alimentao do tanque

ressonante.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Figura 1.3 Layout da placa de circuito da fonte d e potncia. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .75

Figura 1.4 Placa de circuito dos capacitores auxiliares de fil tragem da fonte

de potncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Figura 1.5 Diagrama e layout da placa do oscilador que comanda o sistema

ressonante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

Figura 1.6 Diagrama e placa do divisor de freqncia e gerador de tempo

morto.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77


12/107

x

Figura 1.7 Diagrama e placa do driver de alta velocidade para mosfets. . . . . .. .78

Figura 1.8 Diagrama e placa do acoplador ptico de disparo para os Gates dos

IGBTs... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

Figura 1.9 Placa de s uporte para os IGBTs.. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . .79

Figura 1.10 S ensor de corrente de efeito Hall, CS NF161.. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..80

Figura 1.11 Dispositivo de controle de velocidade do motor da

centrfuga... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

Anexo 2

Figura 2.1 40 00rpm, r=0cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .82


Figura 2.3 40 00rpm, r=11cm. Lupa ptica, aumento d e 63x. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. .83

Figura 2.4 60 0rpm, r=0m. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. .84

Figura 2.5 60 0rpm, r=6cm. Lupa ptica, aumento de 63x. . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . ..84


Anexo 3

Figura 3.1 4000rpm, r=0cm. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)

Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . ..86




13/107

xi



Figura 3.4 6130rpm, r=0m. Nital 2%, (A) Aumento 200x, escala 50m; (B)

Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . .87


Aumento 400x, escala 20m; (C) Aumento 800x, escala 10m.. . . . . . . .. . . . . . . . .87

Figura 3.6 Ataque cido acetico+nitrico (A) Regio 3, aumento 200x; (B)

Regio 3, aumento 400x; (C) Regio 9, aumento 800x.. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . .88


14/107

xii

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 Alguns metais refratrios, seu smbolo e temperatura de

fuso [ 3 ] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Tabela 3.2 Metais de elevada densidade. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..17

Tabela 3.3 Peneiras util izadas na metalurgia do p. . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . ..20

Tabela 3.4 Unidades Magnticas e Fatores de Converso para os Sistemas SI e

cgs-uem[ 1 ]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de induo. . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . . . .40


15/107

xiii

Lista de Notaes

O smbolo, sua descrio e unidade.

F = Freqncia [Hz]

F r = Freqncia de Ressonncia [Hz]

t = Perodo [s]

T = Temperatura [C]

rpm = Rotaes Por Minuto [rpm]

= Velodidade Angular [rads/s]

r = Raio [m]

h = Altura de Queda [m]

I = Corrente Eltrica [A]

V = Tenso [V]

C = Capacitncia [F]

L = Indutncia [H]

Q = Fator de Qualidade da Bobina [Adimensional]

S = Condutividade Eltrica, o recproco 1/(Wm) da Resistividade

eltrica [siemens/m]

R = Resistncia Eltrica [W]

= Resistividade Eltrica [Wm]

m = Metro [m]

cm = centmetro [cm]

W = Resistncia Eltrica [W]

H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico

[A/m]

B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou

Wb/m2 ]

= permeabilidade magntica do meio atravs do qual o campo H

passa [Wb/(A.m) ou H/m]

A = Ampere [A]


16/107


17/107

xv

Abstract

Heating by electromagnetic induction contributes to several industries,

since the preparation of pure sil icon chips for microelectronic components

until the processing of metallic components. This type of heating allows a

more precise control of material heating. Such a system 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 (750.375)A (and 120kHz were applied to the

induction coil , raising the crucible temperature to (8921)C , casting thelead inside it . The liquid lead was cast through a hole of (30.1)mm diameter

located at the bottom of this crucible, reaching a copper rotating plate

adapted into a centrifuge. The liquid lead is throwing against i ts side wall,

and pulverized into smaller particles. The result was particles with various

shapes and diameters.


18/107

1

Captulo 1: Introduo

A metalurgia do p a tcnica metalrgica que consiste em

transformar ps de metais, l igas metlicas e de substncias no-metlicas em

peas resistentes, sem recorrer-se fuso, mas apenas pelo emprego de

presso e calor.

Os ps metlicos tm sido usados como materiais de engenharia na

fabricao de componentes e i tens de consumo j h bem mais de cinqenta

anos. Atualmente, o material empregado em um grande nmero de

segmentos industriais, sendo algumas caractersticas importantes na

caracterizao dos ps metlicos o tamanho e a distribuio de tamanho daspartculas, e a forma da partcula e sua variao com o tamanho.

O equipamento descrito neste trabalho consta de um sistema de

aquecimento de metais por induo eletromagntica, responsvel por fundir o

material metlico que se deseja transformar em p; e de uma centrfuga

adaptada para centrifugao do metal fundido a partir de um disco circular de

cobre, sobre o qual o metal fundido vazado.

O sistema de aquecimento por induo projetado e construdo util izacontrole de corrente por meio de IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor,

ou transistor bipolar de gate isolado, por esta regio ter caractersticas

semelhantes s de um capacitor de baixo valor), que so chaves eletrnicas

capazes de chavear correntes da ordem de 300A a freqncias maiores que

200kHz, para alimentar um tanque resonante LC a 120kHz.


19/107

2

Captulo 2: Objetivos

Estabelecer a possibilidade de se fabricar p metlico atravs do

processo de centrifugao com meios desenvolvidos nos laboratrios da

Escola de Minas de Ouro Preto.


20/107

3

Captulo 3: Reviso Bibliogrfica

3.1 Obteno de Ps Metlicos

Os vrios processos de produo de ps, podem ser agrupados nas

seguintes classes [ 2 ] :

1. reaes qumicas e decomposio

2. atomizao de metais fundidos

3. deposio eletrolt ica

4. processamento mecnico de materiais slidos

O tamanho, a forma e a distribuio dos gros so caractersticas

importantes na produo de peas sinterizadas e variam conforme o mtodo de

obteno do p. Os mtodos de obteno podem ser mecnico, qumico, fsico

e fsico-qumico. Dependendo das caractersticas desejadas do gro, mais de

um mtodo pode ser empregado sucessivamente.

Um dos mtodos fsicos mais usados a atomizao, pois pode ser

aplicado para praticamente qualquer metal ou li ga que possa ser fundido, alm

do fato de poder-se produzir ps de metais com qualquer teor de pureza. O

nico problema, contudo facilmente supervel, relaciona-se com a reatividade

qumica do metal, o que pode exigir atmosferas ou meios de desintegrao

especiais [ 3 ] .

Na atomizao, o metal fundido vazado por um orifcio, formando

um filete l quido que bombardeado por jatos de ar, de gs ou de gua.

Esses jatos saem de bocais escolhidos de acordo com o formato de gro

desejado e produzem a pulverizao do filete d e metal fundido e seu imediato

resfriamento. A espessura do filete, a presso do fluido util izado, as formas

do conjunto de atomizao, a configurao do bocal de atomizao e o tipo de

atomizao determinam o tamanho e forma das partculas do material

pulverizado. O tempo de resfriamento, imediatamente antes da solidificao

do jato de metal, representa um fator crt ico na determinao da forma da partcula. Longos tempos de resfriamento, assim como altas temperaturas do


21/107

4

metal l quido e emprego de gases para pulverizar o jato lquido do origem a

partculas de forma esfrica. Segundo Chiaverini[ 3 ] , jatos de gua que

aceleram o resfriamento produzem partculas de forma irregular.

A seguir, so apresentadas algumas formas de se obter p metlico.

3.1.1 Atomizao por Gs Inerte

Essa a tcnica mais amplamente util izada para produo de p

metlico, segundo Gessinger[ 18 ] . Unidades de atomizao por argnio com

capacidades para produo de vrias centenas de toneladas por ano esto em

operao em todo o mundo. Apenas nos Estados Unidos, a capacidade total

instalada para a produo de de p estimada em 5000 toneladas por ano de

p classificado.

O processo consiste em vazar o material fundido atravs de um

orifcio de um material refratrio, quando ento atingido e atomizado por

correntes de gs de alta presso. Fundio por induo eletromagntica a

vcuo o mtodo mais comumente util izado para fundir o material metlico.Gases inertes (principalmente o argnio, mas tambm o hlio) so us ados para

atomizar l igas a base de nquel.

As gotas lquidas formadas a partir do jato de gs aplicado sobre o

material fundido vazado so solidificadas em atmosferas protetoras de gs

inerte; como alternativa, elas podem ser resfriadas em gua ou leo, seguido

por um tratamento qumico de limpeza de superfcie.

A Figura 3.1 mostra um corte transversal esquemtico de uma unidadede atomizao por gs inerte. A unidade inteira pode ser evacuada a uma

presso de 210-4Torr durante o procedimento de fundio. Consiste de uma

longa torre de resfriamento com um orifcio na parte superior, atravs do

qual uma corrente de metal fundido atomizada pelo argnio em alta presso.


22/107

5

Figura 3.1 Corte transversal esquemtico de uma unidade de

atomizao por gs inerte [ 18 ] .

As partculas de metal solidificadas so tambm resfriadas por uma

placa no fundo da unidade e so transportadas para dentro de uma srie de

caixas, onde acontecem o peneiramento e a classificao de tamanho.A altura da torre de resfriamento determinada pelas cinticas de

resfriamento e solidificao de uma partcula individual de p. A Figura 3.2

mostra o efeito da altura da torre de resfriamento sobre o dimetro de

partcula atomizada.


23/107

6

Figura 3.2 Efeito da altura necessria do equipamento de atomizao

sobre o dimetro de partcula de ligas a base de nquel[ 18 ]

.

Percebe-se que condies de transferncia de calor relativamente

desfavorveis em partculas maiores conduzem a instalaes muito grandes.

Para menores dimetros de partcula entretanto, tamanhos muito menores de

equipamentos so possveis.

3.1.2 Atomizao Centrfuga

Utiliza rotao para acelerar e pulverizar o material metlico fundido.

H um grande nmero de variveis neste princpio. A mais importante a

util izao de vcuo ou de uma atmosfera inerte para esse sistema. O caminho

da trajetria exigida para a solidificao completa , como j tem sido

discutido, muito mais longo no vcuo do que em uma atmosfera inerte. Vamos

nos concentrar em dois dos mtodos mais util izados.

3.1.2.1 Atomizao Centrfuga Processo por Eletrodo Rotativo (REP)

O princpio bsico do REP mostrado na Figura 3.3.


24/107

7

Figura 3.3 Desenho esquemtico do processo de atomizao

centrfuga por eletrodo rotativo [ 18 ] .

Uma barra com composio de liga exigida com dimetros tpicos de

15mm a 75mm rotacionada velocidades muito altas (na faixa de 10000 a

20000rpm). A face do eletrodo de rotao consumvel fundido por arco

eltrico de corrente contnua mantida entre o eletrodo negativo de tungstnio,

que essencialmente estacionrio, e a barra d e liga positiva. Como o eletrodo

rotaciona, a fora centrfuga faz com que o metal fundido voe para fora na

forma de gotas esfricas, que solidificam na trajetria e caem no cho do

tanque. Em contraste com a atomizao a gs, a escria ou a contaminao

refratria eliminada. O interior do tanque esvaziado e preenchido com

hlio ou argnio antes que o processo tenha incio. O maior obstculo desse


25/107

8

mtodo que o mesmo descontnuo, pois a barra deve ser trocada ao ser

quase completamente consumida.

O caso mais geral de atomizao centrfuga mostrado na Figura 3.4.

Figura 3.4 Principio geral da fabrica de p metlico por atomizao

centrfuga [ 18 ] .

Atravs de um aquecimento adequado, um filme de metal obtido, o

qual flui para o exterior sob o efeito da fora centrfuga. Sob a suposio de

que partculas lquidas ocorrem primeiramente na borda da haste consumvel,

idealmente uma partcula de dimetro definido resulta, cujo valor pode ser

determinado na base de uma fora de equilbrio entre a fora centrfuga

atuando na gota e a fora de tenso superficial manifestada pelo material

metlico fundido na gota. Equao (3.1) [ 1 8 ].


26/107

9

2/14.0

=

Rn(3.1)

Onde: = dimetro da partcula em mm

n = rotaes por minuto

g = tenso superficial da partcula

R = raio da partcula em mm

r = densidade da partcula

Para ligas a base de nquel:

2/1

3109.8

nR

= (3.2)

A faixa de distribuio de t amanho das partculas muito estreita.

Uma distribuio tpica mostrada na Figura 3.5.


27/107

10

Figura 3.5 Distribuio de tamanho de partcula, processo REP, p

produzido a partir de uma barra de 63.5mm de dimetro girando a

16000rpm [ 18 ] .

O tamanho da instalao mais uma vez depende muito da escolha do

vcuo ou gs inerte como forma de resfriamento. Para resfriamento em vcuo

o caminho da trajetria de vo da partcula independente do dimetro da

partcula, e para ligas a base de nquel esse valor de 12m para um dimetro

de barra consumvel de 40mm. A trajetria de voo da partcula pode ser

consideravelmente reduzido (0.5m a 1.5m) pelo uso de uma atmosfera

protetora.

3.1.2.2 Atomizao Centrfuga Processo Rotativo por Feixe de Eltrons (EBRP)

Esse processo uma variante das tcnicas de atomizao centrfuga

descritas anteriormente. A Figura 3.6 (a) mostra o desenho esquemtico do

processo, enquanto (b) mostra os detalhes de uma mquina real.


28/107

11

(a) (b)

Figura 3.6 (a) Desenho esquemtico do EBRP para fabricao de p

metlico. (b) Mquina EBRP [ 18 ] .

Nesse processo, um eletrodo de dimetro na faixa de 6 0mm a 150mm

rotacionado lentamente em torno de seu eixo. A borda do eletrodo aquecida

por um canho de feixe de eltrons (K3) tangencialmente a uma temperatura

exigida para provocar a fundio e gotejamento do material. O eletrodo

construdo na forma de um lpis, de forma que todo o material possa gotejar

dentro de um pequeno cadinho at mesmo se o dimetro do eletrodo for maior

do que o dimetro do cadinho. Um segundo canho de feixe de eltrons (K2)

serve para partir a gota do eletrodo na parte inferior do cadinho e ajuda aformar um filme fino de metal l quido nas paredes internas do cadinho de

rotao. O filme de metal l quido cresce em espessura de uma forma

controlada assim que atinge a margem do cadinho. Um terceiro canho (K1)

ajuda a controlar a temperatura do fundido durante a atomizao na margem

do cadinho. A localizao, o tamanho e a densidade da potncia da marca do

feixe na extremidade do cadinho so controlados de tal forma que a

atomizao ocorre principalmente em uma direo nica. As gotas deixam aextremidade do cadinho em um setor angular de 60-80 e aproximadamente 5


29/107

12

em altura. Para reduzir as dimenses do equipamento, o metal atomizado

desviado por uma folha de desvio d entro de um receptculo para coleta do p.

As gotas comeam a esfriar no percursso da margem do cadinho para a folha

de desvio resfriada com gua. Uma desintegrao segundria na folha de

desvio pode acontecer se partculas grandes comearem a se solidificar na

superfcie, mas estiverem ainda lquidas no ncleo.

Sob certas condies, essas partculas se quebram durante a coliso na

folha de desvio. Isso geralmente causa a formao de partculas planas e

vrias partculas esfricas a partir do fun dido remanescente. Isso no s causa

uma distenso considervel do espectro de tamanho da partcula, mas tambm

um aumento na proporo de p artculas planas.

O EBRP pode ser desenvolvido ainda pela substituio do eletrodo por

um fluxo de fundio contnuo. Alega-se que esse processo oferece a

possibilidade de refinar super-ligas de nquel atravs do nado de impurezas

cermicas na superfcie da piscina do material fundido, que poderiam ser

escumadas do fundido antes da atomizao.

A principal vantagem do EBRP que este tem o potencial para refinar

a pureza da liga durante a atomizao, desde que a atomizao completa

ocorra em alto vcuo. Por outro lado, h dificuldades no controle do tamanho

da partcula e na distribuio da forma. Em geral, partculas esfricas e

relativamente finas so desejadas para o processamento, e essas propriedades

so melhor alcanadas pela atomizao a gs inerte.

3.1.3 Produo de P de Superligas

Existem trs tcnicas para a produo de p de superligas por rpida

solidificao:

1. atomizao centrfuga com resfriamento convectivo forado.

2. rotao do fundido, ou extrao em f ilamento contnuo para

triturao mecnica.

3. atomizao ultrassnica.


30/107

13

Nos concentraremos aqui na primeira citada.

Esta tcnica foi desenvolvida por Pratt & Whitney, Flrida. O

aparelho de atomizao mostrado esquematicamente na Figura 3.7.

Figura 3.7 Desenho esquemtico da tcnica desenvolvida por Pratt &

Whitney para produo de ps metlicos com rpida solidificao [ 18 ] .

Ela combina princpios da atomizao centrfuga e resfriamento por

conveco forada. O material a ser convertido em p fundido por induo

eletromagntica em vcuo na seo superior da cmara. Aps a fundio, acmara preenchida com hlio e a carga despejada dentro do cadinho central

pr-aquecido. Atravs de um orifcio na parte inferior do cadinho central,

forma-se um filete de metal l quido com taxa de fluxo pr-determinada at o

centro do prato atomizador. O rotor acelera o fundido at a margem do prato,

quando ento lanado tangencialmente como partculas. Essas partculas so

resfriadas na trajetria pelo hlio vindo de trs bocais posicionados em lados

opostos do prato. Para uma taxa de fluxo de metal de 0.18kg/s, 0.9kg/s dehlio velocidades superiores a 0.5match so necessrios. Uma turbina de


31/107

14

impulso radial usada para girar o prato atomizador a cerca de 24000RPM. O

rendimento do p na faixa de 10-100m da ordem de 70% do peso

despejado.

3.2 Produtos da Metalurgia do P

Os produtos obtidos pela metalurgia do p podem ser divididos em

dois grandes grupos [ 3 ] . No primeiro, incluem-se aqueles que, por suas

prprias caractersticas ou pelas propriedades finais desejadas, s podem ser

obtidos pela tcnica da compactao e sinterizao a partir de ps metlicos. No segundo grupo, esto includos os produtos que, embora possam ser

fabricados pelos processos metalrgicos convencionais so mais

economicamente e eficientemente obtidos pela metalurgia do p.

3.2.1 Metais Refratrios

Os metais assim chamados so os de alto ponto de fuso e que, por

essa razo, so difceis de serem transformados em materiais de forma ou

perfil especificados, a partir do estado lquido. Entre eles, os mais

importantes so o tungstnio, o molibdnio, o t ntalo e o nibio.

Tabela 3.1 Alguns metais refratrios, seu smbolo e temperatura defuso [ 3 ] .

Metal - Smbolo Ponto de Fuso

Tungstnio - W 3410C

Molibdnio - Mo 2610C

Tntalo - Ta 2996C 50C

Nibio - Nb 2468C 10C


32/107

15

3.2.1.1 Tungstnio

Normalmente so produzidos fios ou barras a partir de seu p. Pode

ser fundido a arco em vcuo ou por feixe de eltrons ou laser. O p de

tungstnio obtido pelo tratamento de seus prprios minrios, que so a

volframita e a xelita.

O p de tungstnio compactado na forma de barras, a presses da

ordem de 380 a 580 kPa. As barras so pr-sinterizadas em atmosfera de

hidrognio, entre 1000C e 1100C, de modo a adquirirem certa consistncia

que possibili te seu manuseio posterior.

Alm de ser processado na forma de fios ou barras, o tungstnio pode

tambm ser produzido por laminao na forma de chapas com espessuras da

ordem de 0.02mm.

Algumas aplicaes do tungstnio so as seguintes:

filamentos para lmpadas incandescentes, onde a temperatura de

servio atinge at 2500C;

contatos eltricos;

eletrodos de raios X;

eletrodos de soldagem e eletrodos de velas de ignio.

elementos de aquecimento de fornos eltricos e, na forma

compactada de peas, em dispositivos de alto vcuo, alm de

outras aplicaes.

3.2.1.2 Molibdnio

Sua obteno semelhante do tungstnio. Dos minrios de

molibdnio, obtm-se por tratamento qumico, molibdato de amnia que

transformado em MoO3 e a seguir reduzido sob hidrognio puro.

O p de molibdnio compactado na forma de barras e sinterizado

pela passagem direta de corrente eltrica atravs das barras.

Entre as aplicaes do molibdnio podem ser mencionadas as

seguintes:


33/107

16

elementos de aquecimento para fornos eltricos at temperaturas

da ordem de 1600C ou pouco mais;

eletrodos de raio X;

contatos eltricos;

ganchos de suporte de filamentos em l mpadas incandescentes.

3.2.1.3 Tntalo

O p de tntalo obtido a partir de minrios em que normalmente est

tambm presente o nibio. O p de tntalo , depois de compactado,sinterizado em alto vcuo a temperaturas entre 2600C e 2700C pela

passagem de corrente eltrica atravs dos compactados.

Uma de suas mais importantes aplicaes verifica-se em cirurgia, para

recompor ou unir ossos quebrados e cartilagem destruda. Fios de tntalo de

dimetro equivalente ao de um cabelo humano so util izados para unir nervos

e tendes cortados, os nervos reparados tem sido protegidos por folhas de

tntalo.Devido a sua alta resistncia corroso, o tntalo igualmente

aplicado em recipientes, tubos, agitadores e peas idnticas para indstria

qumica. Outras aplicaes incluem lminas para turbinas a vapor, bocais,

vlvulas, diafragmas, etc. H algum tempo, j vem sendo util izados na

fabricao de capacitores, pois permite que maiores valores de capacitncia

possam ser alcanados em volumes cada vez menores.

A expanso que vem se verificando na indstria do tntalo devida ao

emprego de processos de fuso por feixe de eltrons para a produo de

lingotes at dimetros de 20cm e comprimentos at 300cm, pesando acima de

1600kg, os quais podem ser laminados at espessuras variando de 0.76 a

1.02mm com 122cm de largura, graas a aperfeioamentos na tcnica de

laminao, segundo Jenstrom et alli [ 4 ] .


34/107

17

3.2.1.4 Nibio

Esse metal apresenta muita semelhana com o tntalo, no s no que

se refere sua obteno, pois esto geralmente associados em minrios, como

tambm em relao s caractersticas de conformao mecnica e resistncia

corroso pela ao de inmeros cidos.

O p de nibio compactado e sinterizado sob alto vcuo, em

processos idnticos aos d o tntalo.

Sua principal aplicao em tubos eletrnicos. Tambm util izado na

indstria de capacitores.

3.2.2 Ligas Pesadas

Existem inmeras aplicaes em setores industriais especializados e

de alto contedo tecnolgico nas quais em alguns dos dispositivos ou

equipamentos empregados se exige alta densidade do material. Exemplos

tpicos so representados por receptculos ou cpsulas para substncias

radioativas e blindagens ou anteparos para raios X.

Os metais de mais elevada densidade conhecidos so, pela ordem,

apresentados na Tabela 3.2:

Tabela 3.2 Metais de elevada densidade [ 3 ]

Metal - Smbolo Densidade

Platina - Pt 21.5g/cm3

Ouro - Au 19.3g/cm3

Tungstnio - W 19.3g/cm3

Urnio - U 18.7g/cm3

Chumbo - Pb 11.4g/cm3


35/107

18

3.3 Caractersticas de Ps Metlicos

Alm da pureza e composio qumica, outras caratersticas

importantes dos ps metlicos, segundo Chiaverini [ 3 ] , so:

1. microestrutura da partcula

2. forma da partcula

3. tamanho da partcula

4. porosidade da partcula

5. densidade aparente

6. velocidade de escoamento

7. superfcie especfica

3.3.1 Pureza e Composio Qumica

Em alguns ps metlicos, como o de ferro, o nvel de elementos

impuros presentes pode alterar outras caractersticas do p e afetar a

qualidade do produto final. No caso citado do ferro, dependendo do processo

de fabricao e da matria prima adotados, as impurezas presentes so

normalmente sil cio, geralmente na forma de slica, alm de oxignio,

geralmente na forma de xido de ferro.

3.3.2 Microestrutura da Partcula

Essa caracterstica pode afetar bastante o comportamento dos ps

durante as operaes de compactao e sinterizao e, portanto, as

propriedades do produto final. Em princpio, pode-se distinguir duas classes

de microestrutura: policristalina, onde cada partcula contm muitos gros e

monocristalina, onde o tamanho de partcula e o tamanho de gro coincidem.

Admite-se que partculas policristalinas com tamanho de gro muito

pequeno produzem melhores propriedades mecnicas, tanto em grandeza


36/107

19

quanto direcionalmente, no produto sinterizado, devido ao menor tamanho de

gro resultante. Do mesmo modo, as alteraes dimensionais que ocorrem

durante a sinterizao so mais uniformes, o que contribui igualmente para

propriedades mecnicas finais superiores.

3.3.3 Tamanho e Forma da Partcula

Essas duas caractersticas esto intimamente relacionadas e so, na

realidade, as mais importantes nos ps metlicos. A figura 3.8 representa os

principais t ipos de forma de partculas metlicas.

Figura 3.8 Representao esquemtica de formas de partculas

metlicas[ 3 ] .

Como se v, a maioria dos ps apresenta forma irregular, que,

aparentemente, seria menos favorvel compactao que a forma esfrica. Na

realidade, a forma irregular, pela interao dos contornos das vrias

partculas entre si , tenderia a produzir compactados com melhores

caractersticas de sinterizao embora se possa admitir inicialmente

caractersticas de compactao inferiores.

A forma da partcula deve ser considerada em conjunto com o tamanhoou composio granulomtrica. claro que uma composio granulomtrica


37/107

20

adequada confere melhores caractersticas de compactao e sinterizao e

propriedades superiores no produto sinterizado. A determinao da

composio granulomtrica pois muito importante.

Na prtica, os tamanhos de partcula dos ps metlicos variam de

0.1m a 400 m, ou seja, 0.0001mm a 0.4mm. Um dos mtodos mais comuns

para determinar-se a composio granulomtrica o peneiramento, operao

que permite igualmente preparar quantidades de ps de tamanhos diferentes

para posterior mistura, em determinadas aplicaes. A tabela 3.3 mostra as

sries de peneiras util izadas na metalurgia do p.

Tabela 3.3 Peneiras util izadas na metalurgia do p.

Designao da Peneira U.S. Standard Tyler Standard

m Nmero de Malha Abertura da Peneira, mm Nmero 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 partculas metlicas porosas. Quando presente, a porosidade

afeta outras caractersticas dos ps, 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 comunicao com a


38/107

21

superfcie, ocorrer um acrscimo da superfcie especfica das partculas,

alm de ficar facili tada a absoro de gases durante o seu processamento.

3.3.5 Densidade Aparente

Define-se densidade aparente como o peso de uma unidade de volume

do p solto ou a relao do peso para o volume, expressa em g/cm 3 . a

importncia dessa caracterstica reside no fato de que ela determina o

verdadeiro volume ocupado por uma massa de p e, em ltima anlise,

determina a profundidade da cavidade da matriz de compactao e ocomprimento do curso da prensa necessrios para compactar e densificar o p

solto.

obtida geralmente atravs da medida do peso contido em um

recipiente tarado preenchido com p p elo seu volume.

3.3.6 Velocidade de Escoamento

Essa outra caracterstica importante dos ps metlicos. Define-se

como o tempo necessrio para uma certa quantidade de p escoar de um

recipiente atravs de um orifcio, ambos de forma e acabamento

especificados. A velocidade de escoamento depende da forma e da

distribuio de tamanho da partcula. Alm disso, o coeficiente de atrito do

prprio p, eventualmente suas propriedades eletrostticas e magnticas, almde umidade presente, podem afetar a v elocidade de escoamento.

A sua importncia reside no fato de que ela determina o tempo

necessrio para enchimento da cavidade da matriz, influenciando dessa forma

a velocidade ou rendimento de produo.


39/107

22

3.3.7 Superfcie Especfica

Define-se como a rea superficial expressa em cm2/g de uma

determinada partcula. A importncia dessa caracterstica consiste no fato de

que qualquer reao entre as partculas ou entre elas e o meio circunvizinho

se inicia nas suas superfcies, de modo que a operao de sinterizao ser

afetada pela relao entre a rea superficial e o volume da p artcula.

3.4 Dipolos Magnticos e Vetores de Campo Magntico

As foras magnticas so geradas pelo movimento de partculas

carregadas eletricamente. conveniente pensar nas foras magnticas em

termos de campos. Linhas de fora imaginrias podem ser desenhadas para

indicar a direo da fora em posies na vizinhana da fonte do campo, vide

Figura 3.9 abaixo. Nesta figura so tambm indicados os vetores de campo

magntico.

Figura 3.9 Linhas de fora e vetores de um campo magntico gerados

por uma bobina percorrida por corrente eltrica.

Os dipolos magnticos so encontrados nos materiais magnticos, os

quais, em alguns aspectos, so anlogos aos dipolos eltricos. Os dipolos


40/107

23

magnticos podem ser tomados como pequenos ims de barra compostos por

plo norte e sul, em vez de uma carga eltrica positiva e negativa. Os

momentos dipolo magnticos so representados por meio de setas, como

mostrado na Figura 3.9. Os dipolos magnticos so influenciados por campos

magnticos de um modo semelhante quele segundo os dipolos eltricos so

afetados pelos campos eltricos. No interior de um campo magntico, a fora

do prprio campo exerce um torque para orientar os dipolos em relao ao

campo. Um exemplo familiar a maneira pela qual a agulha de uma bssola

magntica se alinha com o campo magntico d a Terra.

O campo magntico aplicado externamente, algumas vezes chamado de

fora do campo magntico, designado por H. Se o campo magntico for

gerado atravs de uma bobina cilndrica (ou solenide) que consiste em N

voltas com pequeno espaamento, de comprimento l , percorrida por uma

corrente I, ento

l

INH

= (3.3)

Onde :


[A.espira/m]

N = Nmero de espiras da bobina

I = Corrente eltrica [A]

l = comprimento da bobina [m]

A induo magntica, ou densidade do fluxo magntico, indicado por

B, representa a magnitude da fora do campo interno no interior de uma

substncia que submetida a um campo H. as unidades para B so teslas (ou

webers por metro quadrado, Wb/m 2). Tanto B como H so vetores de campo,

sendo caraterizados no somente pela sua magnitude, mas tambm pela sua

direo no espao.

A fora do campo magntico e a densidade do fluxo esto relacionadasde acordo com


41/107

24

HB = (3.4)

Onde :B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou

Wb/m2]




[A.espira/m]

No vcu o,

HB = 00 (3.5)

Onde:

B0 = densidade do fluxo no vcuo [T ou Wb/m2]

0 = permeabilidade do vcuo, constante universal, [410-7

(1.25710 -6) H/m]


[A.espira/m]

Vrios parmetros podem ser util izados para descrever as p ropriedades

magnticas dos slidos. Um desses parmetros a razo entre a

permeabilidade em um material e a permeabilidade no v cuo, ou seja

0 =r (3.6)

Onde:

r = permeabilidade relativa [adimensional]




42/107

25


(1.25710 -6) H/m]

A permeabilidade relativa de um material uma medida do grausegundo o qual o material pode ser magnetizado, ou da facilidade com que um

campo B pode ser induzido na presena de um campo H externo.

Uma outra grandeza de campo, M, chamada de magnetizao do

slido, definida pela Eq. 3.7. Na presena de um campo H, os momentos

magnticos no interior de um material tendem a ficar alinhados com o campo

e a reforar o mesmo em virtude dos seus campos magnticos; o termo 0 .M

na Eq. 3.5 uma medida d essa contribuio.

MHB += 00 (3.7)

Onde:

B = induo magntica, ou densidade do fluxo magntico [T ou

Wb/m2]


(1.25710 -6) H/m]


[A.espira/m]

M = Magnetizao do slido

A magnitude de M proporcional ao campo aplicado da seguinte

maneira:

HM m = (3.8)

M = Magnetizao do slido

m = Susceptibilidade magntica [adimensional]

H = campo magntico externo aplicado, ou fora do campo magntico[A.espira/m]


43/107

26

A susceptibilidade magntica e a permeabilidade relativa e sto

relacionadas da seguinte forma:

1= rm (3.9)

As unidades magnticas podem ser uma fonte de confuso, pois

existem na realidade dois sistemas comumente util izados. As unidades

utilizadas at o momento so do SI (sistema MKS metro-quilograma-

segundo); as outras unidades so originrias do sistema cgs-uem (centmetro-

grama-segundo-unidade eletromagntica). As unidades para ambos os

sistemas, assim como os fatores de converso apropriados, esto includos na

Tabela 3.4.

Tabela 3.4 Unidades Magnticas e Fatores de Converso para os

Sistemas SI e cgs-uem [ 1 ] .

Smbolo Unidades SIGrandeza

SI Cgs-uem Derivada Primria

Unidade

cgs-uem

Converso

Induomagntica(densidade dofluxo)

B - tesla(Wb/m2)

Kg/(s.C) Gauss 1Wb/m2=104gauss

Fora do campomagntico

H - A/m C/(m.s) Oersted 1A/m=410-3 oersted

Magnetizao M I A/m C/(m.s) Maxwell/cm2 1A/m=10-3mawell/cm2

Permeabilidade

do vcuo

0 - H/m kg.m/C2 Adim. (uem0 410-7H/m=1uem

Permeabilidaderelativa

r Adim. Adim. Adim. r=

Susceptibilidade m m Adim. Adim. Adim. m=4 m


44/107

27

3.5 Diamagnetismo

O diamagnetismo uma forma muito fraca de magnetismo que no

permanente e que persiste somente enquanto um campo externo est sendo

aplicado. Ele induzido atravs de uma alterao no movimento orbital dos

eltrons devido aplicao de um campo magntico. A magnitude do

momento magntico induzido extremamente pequena, e em uma direo

oposta quela do campo que foi aplicado, conforme mostra a Figura 3.10.

Figura 3.10 A configurao do dipolo atmico para um material

diamagntico com e sem a presena de um campo magntico. Na ausncia de

um campo externo, no existem dipolos; na presena de um campo, so

induzidos dipolos que esto alinhados em direo oposta direo do campo.

Dessa forma, a permeabilidade relativa, r, menor que a unidade

(entretanto, apenas um pouco menor), e a susceptibilidade magntica

negativa; isto , a magnitude do campo B no interior de um slido

diamagntico menor do que no vcuo. A Figura 3.11 mostra a representao

esquemtica desse fenmeno.


45/107

28

Figura 3.11 Representao esquemtica da densidade do fluxo, B, em

funo da fora do campo magntico, H, para materiais diamagnticos,

paramagnticos e ferromagnticos.

3.6 Paramagnetismo

Para alguns materiais slidos, cada tomo possui um momento dipolo

permanente em virtude de um cancelamento incompleto dos momentosmagnticos do spin do eltron e/ou orbital. Na ausncia de um campo

magntico externo, as orientaes desses momentos magnticos atmicos so

aleatrias, de tal modo que uma pea do material no possui qualquer

magnetizao macroscpica lquida ou global. Esses dipolos atmicos esto

livres para girar, e o paramagnetismo resulta quando eles se alinham

preferencialmente, atravs de rotao, com um campo externo, como est

mostrado na Figura 3.12 abaixo.


46/107

29

Figura 3.12 A configurao do dipolo atmico com e sem um campo

magntico externo para um material paramagntico.

Esses dipolos magnticos so atuados individualmente, sem qualquer

interao mtua entre dipolos adjacentes. Uma vez que os dipolos se alinham

fracamente com o campo externo, eles o aumentam, dando origem a uma

permeabilidade relativa, r, que maior do que a unidade, alm de uma

susceptibilidade magntica que, apesar de relativamente pequena, positiva.Tanto os materiais diamagnticos como os materiais paramagnticos

so considerados no-magnticos, pois eles exibem magnetizao somente

quando se encontram na presena de um campo externo. Ainda, para ambos os

materiais, a densidade do fluxo B no seu interior quase a mesma que seria

no vcuo.

3.7 Ferromagnetismo

Certos materiais metlicos possuem um momento magntico

permanente na ausncia de um campo externo e manifestam magnetizaes

muito grandes e permanentes. Essas so as caratersticas do ferromagnetismo,

e so exibidas pelos metais de transio ferro (como ferrita aBCC), cobalto,

nquel e alguns dos metais terras-raras, como o gadolnio (Gd).Susceptibilidades magnticas muito elevadas so possveis para os materiais


47/107

30

ferromagnticos. Consequentemente, H


48/107

31

regies volumtricas relativamente grandes do cristal, conhecidas como

domnios.

A mxima magnetizao possvel, ou magnetizao de saturao, Ms ,

de um material ferromagntico representa a magnetizao que resulta quando

todos os dipolos magnticos em uma pea slida esto mutuamente alinhados

com o campo externo; existe tambm uma densidade de fluxode saturao, B s ,

correspondente.

3.8 Ferrimagnetismo

Algumas cermicas tambm exibem uma magnetizao permanente,

conhecida por ferrimagnetismo. As caractersticas magnticas macroscpicas

dos ferromagnetos e dos ferrimagnetos so semelhantes; a distino reside na

fonte dos momentos magnticos lquidos.

3.9 Materiais Magnticos

Os materiais magnticos so agrupados, geralmente, em trs

categorias:

os diamagnticos (m < 0 ) ,

os paramagnticos (m > 0 )

e os ferromagnticos (m >> 0 ).

3.9.1 Materiais Diamagnticos, m < 0

Quando um material, tal como o bismuto, colocado na presena de

um campo magntico externo, a resultante da densidade do fluxo magntico

dentro do material reduzida drasticamente. Os momentos magnticos no

interior do material so alinhados contra o campo externo.


49/107

32

Neste sentido os materiais diamagnticos so caracterizados, tambm,

pelo fato de que os tomos no produzem um momento magntico permanente.

Ou, mais exatamente, os efeitos das micro-correntes no interior de um dos

tomos se anulam, tal que o momento magntico resultante no tomo zero.

Nessas circunstncias, quando aplicamos um campo magntico, pequenas

correntes so produzidas no interior do tomo por induo magntica. De

acordo com a lei de Lenz, essas correntes so tais que se opem ao

crescimento do campo externo. Ento os momentos magnticos induzidos nos

tomos sero na direo oposta ao campo magntico aplicado. Assim, os

momentos magnticos induzidos nos tomos sero na direo oposta ao campo

externo.

Para um material estritamente diamagntico a permeabilidade r

tipicamente menor do que o na relao de 1 parte em 106 .

3.9.2 Materiais Paramagnticos, m > 0

Quando um material, tal como a platina, colocada na presena de

um campo magntico externo, os momentos magnticos do material so

alinhados com o campo externo, e o fluxo de campo dentro do material

aumentado. As linhas do campo magntico externo penetram no material

fazendo com que os dipolos magnticos do material se alinhem com a mesma

direo do campo. Em termos dos parmetros magnticos, os materiais

paramagnticos so caracterizados pela magnetizao M n a mesma direo de

B. Para este t ipo de material, a uma temperatura ambiente, a permeabilidade

r pode exceder a o fator de 1 a 100 partes em 106 .

Os materiais paramagnticos so caracterizados, tambm, por tomos

que tm um momento magntico permanente. Os movimentos orbitais dos

eltrons e os spins produzem correntes circulares que s o diferentes de zero.

O paramagnetismo completamente inexplicado em termos do

eletromagnetismo clssico. Se a magnetizao dos materiais fosse atribuda

somente aos eltrons orbitando nos tomos, a partir da lei de Lenz poderamos

esperar que todos os materiais se comportariam como os diamagnticos na


50/107

33

presena de campo externo. A origem do paramagnetismo o momento

magntico constante associado com o spin eletrnico. Como no existe um

conceito clssico equivalente ao spin (quntico) podemos afirmar que este

fenmeno s pode ser explicado com a ajuda da teoria quntica.

3.9.3 Materiais Ferromagnticos, m >> 0

A propriedade peculiar dos materiais ferromagnticos tais como o

ferro, nquel e o cobalto que a suscetibilidade magntica, a magnetizao e

a permeabilidade no so constantes mas dependem, para um particularmaterial, de sua historia magntica e trmica passada. Todos os materiais

ferromagnticos so fortemente paramagnticos, contudo, no sentido de que

um campo externo aplicado pode aumentar sensivelmente a densidade de

fluxo magntico no interior do material. Por exemplo, a permeabilidade r

pode exceder a o por um fator superior a 103 .

Os materiais ferromagnticos tm tomos com momentos magnticos

permanentes. Esses momentos magnticos esto alinhados, mesmo em

ausncia de um campo magntico externo. Entretanto a agitao trmica em

temperaturas suficientemente elevadas transforma esse tipo de material em

paramagntico. Nos materiais ferromagnticos, devido ao alinhamento dos

momentos magnticos no interior do material, estes produzem um campo

magntico, mesmo em ausncia de campo externo.

3.10 Influncia da Temperatura sobre o Comportamento Magntico

A temperatura tambm pode influenciar as caracteristicas magnticas

dos materiais. Convm recordar que o aumento da temperatura de um slido

resulta em um aumento na magnitude das vibraes trmicas dos tomos. Os

momentos magnticos atmicos esto livres para girar; dessa forma, com o

aumento da temperatura, o maior movimento trmico dos tomos tende a


51/107

34

tornar aleatrias as direes de quaisquer momentos que possam estar

alinhados.

Para os materiais ferromagnticos, antiferromagnticos e ferrimagnticos, os

movimentos trmicos atmicos vo ao contrrio das foras de pareamento

entre os momentos dipolo atmicos adjacentes, causando algum

desalinhamento do dipolo, independente do fato de um campo externo estar

presente. Isso resulta em uma diminuio na magnetizao de saturao tanto

para os materiais ferromagnticos como para os ferrimagnticos. A

magnetizao de saturao mxima temperatura de 0K, em cujascondies as vibraes trmicas so mnimas. Com o aumento da temperatura,

a magnetizao de saturao diminui gradualmente, e ento cai abruptamente

para zero, no que conhecido por temperatura Curie, Tc . A Tc normalmente

inferior ao ponto de fuso do material. Os comportamentos magnetizao-

temperatura para o ferro e oFe304 esto representados na Figura 3.14.

Figura 3.14 Grfico da magnetizao de saturao como uma funo

da temperatura para o ferro e o Fe3O4[ 1 ] .

Na Tc, as foras mtuas de pareamento de spin so completamente destrudas,

de tal modo que para temperaturas acima acima da Tc tanto os materiaisferromagnticos como os materiais ferrimagnticos so paramagnticos. A


52/107

35

magnitude da temperatura Curie varia de material para material; por exemplo, para o ferro, cobalto, nquel e Fe304 , os respectivos valores para a

temperatura Curie so de 768, 1120, 335 e 585C. A Tc do metal terra-rara

gadolneo 16C.

3.11 Domnios e Histereses

Qualquer material ferromagntico ou ferrimagntico que se encontre a

uma temperatura abaixo de Tc composto por regies de pequeno volume

onde existe um alinhamento mtuo de todos os momentos dipolo magnticosna mesma direo, como est i lustrado na Figura 3.15.

Figura 3.15 Representao esquemtica de domnios em um material

ferromagntico; as setas representam os dipolos magnticos atmicos. No

interior de cada domnio, todos os dipolos esto alinhados, enquanto a di reo

do alinhamento varia de um domnio para o outro.

Tal regio chamada um domnio, e cada um deles est magnetizado

at a sua magnetizao de saturao. Os domnios adjacentes esto separados

por contornos de domnio ou paredes, atravs das quais a direo da

magnetizao varia gradualmente (Figura 3.16).


53/107

36

Figura 3.16 Variao gradual na orientao do dipolo magntico

atravs da parede de um domnio.

Normalmente, os domnios possuem dimenses microscpicas, e para

uma amostra policristalina, cada gro pode consistir em mais do que um nico

domnio. Dessa forma, em uma pea de material com dimenses

macroscpicas, existira um grande nmero de domnios, e todos podero ter

diferentes orientaes de magnetizao. A magnitude do campo M para o

slido como um todo a soma vetorial das magnetizaes de todos osdomnios, onde a contribuio de cada domnio ponderada de acordo com

sua frao volumtrica. No caso de uma amostra no magnetizada, a soma

vetorial apropriadamente ponderada das magnetizaes de todos os domnios

igual a zero.

3.12 Aquecimento de Metais por Induo Magntica

Devido ao fato de todos os metais serem condutores eltricos o

aquecimento por induo aplicvel atualmente a uma variada gama de

processos tais como fundio, tratamentos trmicos, soldagem e aquecimento

para forjamento. Este processo tem como principais vantagens a eficincia de

transferncia de energia para a pea e altas velocidades de aquecimento

quando comparadas com os mtodos convencionais de aquecimento.


54/107

37

Os princpios fsicos do processo de aquecimento indutivo, so

conhecidos h mais de cem anos e foram disponibilizados para o uso prtico

em meados do sculo XX. As tcnicas do aquecimento indutivo atualmente

contribuem com quase todas as indstrias de manufatura, desde a preparao

de pastilhas de sil cio puro para componentes microeletrnicos at o

processamento de chapas de ao pesando 25 toneladas ou mais. O uso destas

tcnicas indubitavelmente crescer com a demanda do uso mais eficiente da

energia eltrica e com outros recursos de produo associados com a

necessidade de um melhor ambiente de trabalho.

O processo de aquecimento indutivo atualmente est difundido e

implatado em diversas aplicaes, sobre uma ampla faixa de processos

industriais. A sua atuao varia de acordo com a aplicao qual se destina.

De maneira geral os benefcios que recomendam a sua util izao, partem das

seguintes condies construtivas:

Elevadas densidades de potncia e tambm o aquecimento rpido que

pode ser obtido.

O preciso controle da temperatura.

A possibilidade de aquecer regies selecionadas e determinadas de um

componente.

A facilidade para colocar a pea em uma cmara fechada e

independente, por exemplo, sistema de vcuo ou atmosfera inerte que

usada isolada da bobina de aquecimento indutivo.

3.12.1 Teoria do Aquecimento Indutivo

Quando uma pea de metal colocada no interior de uma bobina indutiva, que

est alimentada por corrente alternada, a pea e a bobina so interligadas por

um campo eletromagntico alternado, desta forma, o campo magntico que

absorvido pela pea transforma-se em campo eltrico, que por sua vez gera a

corrente induzida a qual ir aquecer a pea. Essa corrente chamada de

corrente de Foucault , ou ainda correntes parasitas (eddy currents). As bobinas


55/107

38

de induo so geralmente confeccionadas em tubos de cobre no interior dos

quais circula gua de refrigerao, pois necessrio que ela permanea fria,

de forma a no alterar seu Fator de Qualidade (Q) e permitir a mxima

transferncia de energia entre ela e a pea. A forma de uma bobina depende

da forma da pea e da rea que se quer aquecer. Para que haja uma boa

transferncia de energia tambm necessrio que a bobina fique o mais

prximo possvel da pea. Quanto maior for a distncia menor ser a

eficincia do sistema.

Um circuito de aquecimento por induo ento fundamentalmente um

transformador, no qual o primrio est representado pelas espiras de uma

bobina, atravs da qual passa um corrente eltrica alternada, e de um

secundrio constitudo pela pea que vai ser aquecida.

Alm da produo de correntes de Foucault , tem-se ainda gerao de

efeitos de histerese magntica que criam correntes parasitas, correntes que

iro aquecer a pea. Sob a ao das correntes parasitas os domnios

magnticos 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 domnios tendem a seguir estas variaes, v ariando o sentido de seus plos

e gerando-se uma frico atmica interna que faz com que seja dissipado

calor o qual ao dissipar-se eleva a temperatura da pea. No aquecimento dos

aos, o aquecimento por histerese tem pouca importncia porque quando se

ultrapassa a temperatura Curie (aproximadamente 768 C) o ao torna-se

paramagntico e o aquecimento por histerese torna-se, ento, praticamente

nulo.

As correntes de Foucault geradas tendem a se concentrar na camada

superficial das peas. A distribuio destas correntes ao longo da seo das peas depende fundamentalmente da freqncia util izada, da condutividade

eltrica e das propriedades magnticas do material aquecido. Quando se

geram correntes de Foucault , o ao passa a atuar como uma resistncia

eltrica que se aquece pela passagem de uma corrente eltrica de acordo com

a lei de Joule. O calor gerado ser proporcional a RI 2 , sendo R a resistncia

do circuito e I a intensidade da corrente, veja Figura 3.17. Quanto mais alta

for a temperatura, menor ser o efeito de aquecimento por correntes deFoucault .


56/107

39

Figura 3.17 Desenho esquemtico do processo de aquecimento

indutivo e da profundidade de aquecimento obtido atravs da induo decorrentes de Foucault na pea.

A densidade da corrente induzida na superfcie da pea elevada, e

diminui conforme aumentada a distncia em relao superfcie. Este

fenmeno conhecido como efeito pelicular (Skin Effect). A profundidade

do efeito pelicular, ou simplesmente, a profundidade de penetrao umconceito conveniente de matemtica. A profundidade de penetrao de

extrema importncia para a engenharia de aquecimento indutivo, pois

atravs da profundidade de penetrao que aproximadamente 90% da energia

total induzida na pea ou regio a ser aquecida.

O valor da profundidade de penetrao (d) depende da resistividade do

material [ (em Wm)] e da permeabilidade relativa (r) e da freqncia da

corrente de aquecimento [f (em Hertz Hz)]. Para a maioria das aplicaesprticas, a profundidade da penetrao po der ser calculada pela expresso:

500fr

=

(3.11)

Onde:

= Profundidade de penetrao [m]

= Resistividade hmica do material [Wm]r = Permeabilidade relativa do material [adimensional]


57/107

40

f = Frequncia da corrente alternada aplicada bobina de induo [Hz]

A energia gerada por unidade de volume da pea a ser aquecida

diretamente proporcional freqncia de ressonncia do tanque,

permeabilidade magntica do material e ao quadrado d a intensidade do campo

magntico na superfcie da pea. A potncia tambm depende das dimenses

da pea em relao profundidade de penetrao da corrente induzida. Este

fator fornece a extenso da faixa das freqncias de funcionamento que sero

usadas para cada processo industrial que util ize aquecimento por induo.

A energia em corrente alternada, para aplicao em aquecimento

indutivo fornecida por vrias fontes, dependendo da freqncia e da

potncia que so necessrias. Estas fontes de potncia esto relacionadas na

Tabela 3.5 abaixo, em conjunto com a faixa de freqncia em que so

utilizadas.

Tabela 3.5 Tipos de acionamento para bobinas de induo.

ITEM DENOMINAO FAIXA DE FREQUNCIA

A Frequncia da rede 60Hz

B Multiplicador Magntico de

Freqncia (transformadores com

ncleo saturado)

Entre 0.18kHz e 0.54kHz

C Motor Gerador (motor assncrono em

3600RPM, tendo um gerador de

corrente alternada montado em seu

eixo, com alto nmero de plos para

gerar a freqncia necessria)

Entre 0.96kHz e 9.6kHz

D Gerador Tiristorizado At 20kHz. Existe a

possibilidade de trabalhar com

freqncias mais altas, mas

com mais baixa potncia.

E Gerador Transistorizado So duas possibilidades


58/107

41

atualmente:

IGBTs, com freqncia

de funcionamento at

mais de 200kHz.

MOSFETs, com

freqncias de trabalho

at 500kHz.

F Gerador com Vlvula Osciladora

Termoinica

Frequncia de funcionamento

entre 200kHz e 500kHz. Pode

funcionar em mais altas

freqncias, como por

exemplo em 1.7MHz.

3.13 Chaveamentode Potncia com IGBTs

IGBTs so chaves eletrnicas (vide Figura 3.16) semelhantes a

transistores bipolares, mas com gate para disparo por tecnologia CMOS. Essescomponentes podem ser acionados por nveis de tenso na faixa de 10 a

20V (threshold voltage, Vth) aplicados ao seu gate, podem trabalhar com

freqncias de acionamento maiores que 200kHz e chavear correntes da

ordem de 300A. Dispositivos de canal N so acionados por pulsos de tenso

positiva no gate, em relao ao pino source (S), enquanto dispositivos de

canal P so acionados por tenso negativa no gate. So construdos em geral

para suportar tenses nominais de 600V e 1200V, mas atualmente,

dispositivos que suportam tenses da ordem de 2kV j so encontrados com

relativa facilidade no mercado.

A Figura 3.18 mostra a analogia do acionamento de um IGBT de canal

N, atravs de pulsos de tenso de amplitude +15V, com um interruptor

eltrico de acionamento mecnico.


59/107


60/107

43

A estrutura fsica esquemtica do IGBT pode ser vista na Figura 3.20.

Figura 3.20 Estrutura fsica do IGBT [ 12 ] .

Quando a tenso entre a porta (gate, G) e o emissor atinge um

determinado valor l imite que depende do dispositivo conhecida comotenso de limiar (threshold voltage), simbolizada por V th , a quantidade de

eltrons livres atrados pelo campo eltrico criado no gate tamanha que a

regio imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para

o tipo n, fenmeno conhecido como inverso sendo a camada que sofreu o

processo recebe o nome de camada de inverso, mais comumente conhecida

como canal. A operao fsica do IGBT descrita aqui refere-se IGBTs de

canal N, e i lustrada na Figura 3.21 apresentada abaixo:


61/107

44

Figura 3.21 Desenho esquemtico do funcionamento de um IGBT de

canal N. Com a aplicao da tenso V th ao gate do dispositivo, ocorre

circulao de corrente entre os pinos de dreno (D) e source (S), rotulados na

imagem como anodo e catodo respectivamente [ 12 ] .

A Figura 3.22 mostra um comparativo com relao a tenso, corrente e

freqncia de trabalho de vrios dispositivos eletrnicos util izados em

chaveamento de potncia.


62/107

45

Figura 3.22 Limites de operao de componentes semicondutores de

potncia [ 12 ] .

3.14 Estruturas Metaestveis Obtidas por Resfriamento Rpido - RSP

Estruturas metaestveis ou, mais precisamente, configuraes

congeladas de estruturas metaestveis no so novidade na metalurgia.

Realmente, muito da prtica tradicional em metalurgia tem sido centrada na

formao, caracterizao, compreenso e controle sobre estruturas que sejam

composicionalmente, topologicamente e/ou morfologicamente metaestveis.

Entretanto, cerca de duas a trs dcadas atrs, houve um grande

crescimento no interesse na produo e estudo de novas estruturas

metaestveis na metalurgia e em outras cincias de fases condensadas. Esse

crescimento no interesse sobre estas estruturas reflexo de desenvolvimentos

em tcnicas de resfriamento brusco de materiais fundidos, condensao e

irradiao de materiais, em

Documents

Trabalho Escrito Robson - Verso Final Dez 2009