BR102017024724A2 - COMPOSITE DEVELOPED FROM THE LEATHER ALUMINUM BRONZE VIA MECHANICAL MOLING - Google Patents

Abstract

o presente pedido de patente de invenção trata da produção de um compósito a partir de resíduos de usinagem da liga de bronze de alumínio na forma de cavacos pela rota da metalurgia do pó, via moagem de alta energia com uso de carbetos. o material descartado do processo de usinagem da liga é reaproveitado para moagem de alta energia com adição de carbetos, onde o pó deste resíduo, com tamanhos submicrométricos, é obtido. após a caracterização dos pós, via microscopia ótica e eletrônica de varredura, difração de raios-x e análise de granulometria, o material é então compactado em prensa uniaxial para ser sinterizado. no processo de sinterização, as amostras obtidas são novamente caracterizadas para que se avaliem sua microestrutura, densidade e porosidade.This patent application deals with the production of a composite from machining waste of the aluminum alloy in the form of chips by the powder metallurgy route via high energy carbide milling. The discarded material from the alloy machining process is reused for high-energy carbide grinding where submicron-sized waste powder is obtained. After the characterization of the powders, through optical and scanning electron microscopy, x-ray diffraction and particle size analysis, the material is then compacted in a uniaxial press to be sintered. In the sintering process, the obtained samples are again characterized to evaluate their microstructure, density and porosity.

Description

COMPÓSITO DESENVOL VIDO A PARTIR DA LIGA BRONZE DE AL UMÍNIO VIA MOAGEMMECÂNICA ”COMPOSITE DEVELOPED FROM THE ALLOY BRONZE OF AL UMÍNIO VIA MOAGEMMECÂNICA ”

CAMPO DA INVENÇÃO:FIELD OF THE INVENTION:

[001] O presente pedido de invenção trata da produção de um compósito a partir de resíduos de usinagem da liga de bronze de alumínio na forma de cavacos pela rota da metalurgia do pó, via moagem de alta energia com uso de carbeto de nióbio (NbC). O material rejeitado do processo de usinagem da liga é reaproveitado para moagem com adição de NbC, onde o pó deste resíduo com tamanhos submicrométricos é obtido. Após a caracterização dos pós, via microscopia ótica e eletrônica de varredura, difração de raios-x e análise de granulometria, o material é então compactado em prensa uniaxial para ser sinterizado. No processo de sinterização, as amostras obtidas são novamente caracterizadas para determinação da densidade e porosidade.[001] The present invention application deals with the production of a composite from machining residues of aluminum bronze alloy in the form of chips through the powder metallurgy route, via high energy grinding using niobium carbide (NbC ). The rejected material from the alloy machining process is reused for grinding with the addition of NbC, where the powder of this residue with submicrometric sizes is obtained. After the characterization of the powders, via optical and scanning electron microscopy, x-ray diffraction and granulometry analysis, the material is then compacted in a uniaxial press to be sintered. In the sintering process, the samples obtained are again characterized to determine density and porosity.

ESTADO DA TÉCNICA:TECHNICAL STATUS:

[002] A liga bronze de alumínio tem o alumínio como principal elemento de liga adicionado ao cobre entre 5 e 14%, o que implica no aprimoramento de suas propriedades mecânicas. Outros elementos de liga como ferro, níquel, manganês e silício também podem estar presentes aperfeiçoando ainda mais as propriedades do material. O bronze de alumínio é comumente comparado aos aços de alta resistência e baixa liga devido à sua elevada resistência mecânica, ao desgaste, a cavitação e ao impacto. Esta liga também possui resistência à corrosão, semelhante à de aços inoxidáveis, que é atribuída ao alumínio que reage com oxigênio da atmosfera para formar uma fina e resistente camada passiva de óxido de alumínio que protege o material. Por estes motivos, toma-se um material de grande interesse em pesquisas para setores de alta tecnologia como o aeronáutico e naval.[002] The bronze aluminum alloy has aluminum as the main alloy element added to copper between 5 and 14%, which implies the improvement of its mechanical properties. Other alloying elements such as iron, nickel, manganese and silicon may also be present, further improving the material's properties. Aluminum bronze is commonly compared to high-strength, low-alloy steels due to its high mechanical strength, wear, cavitation and impact. This alloy also has corrosion resistance, similar to that of stainless steels, which is attributed to aluminum that reacts with oxygen from the atmosphere to form a thin and resistant passive layer of aluminum oxide that protects the material. For these reasons, it becomes a material of great interest in research for high technology sectors such as aeronautics and naval.

[003] Vale ressaltar que, entretanto, na produção de peças e componentes de diversas ligas via processos metalúrgicos convencionais, não mais do que 54% dos cavacos do material usinado são recuperados. Assim, como alternativa, o processamento via metalurgia do pó oferece aproximadamente 95% de reaproveitamento de refugos da produção de materiais metálicos. Os benefícios da conversão direta de sucata em pó de metal e posterior compactação incluem também a redução de consumo energético, proteção do ambiente e menor emissão de poluentes no ar.[003] It is worth mentioning that, however, in the production of parts and components of various alloys through conventional metallurgical processes, no more than 54% of the chips of the machined material are recovered. Thus, as an alternative, processing via powder metallurgy offers approximately 95% reuse of waste from the production of metallic materials. The benefits of direct conversion of scrap to metal powder and subsequent compaction also include reduced energy consumption, environmental protection and less emission of pollutants into the air.

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 15/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 15/25

2/10 [004] A metalurgia do pó consiste em um processo metalúrgico de fabricação de materiais compósitos que se distingue de outros processos metalúrgicos tradicionais por utilizar pós-metálicos e não metálicos como matéria-prima durante o processo de produção, além de agregar excelentes características físicas e mecânicas do novo compósito. O processo de fabricação de componentes metálicos via metalurgia do pó consiste de uma série de técnicas de processamento para obtenção de pós, incluindo a moagem de sucatas metálicas, para a compactação em ferramental apropriado.2/10 [004] Powder metallurgy consists of a metallurgical process for manufacturing composite materials that is distinguished from other traditional metallurgical processes in that it uses metallic and non-metallic powders as raw material during the production process, in addition to adding physical and mechanical characteristics of the new composite. The process of manufacturing metallic components via powder metallurgy consists of a series of processing techniques for obtaining powders, including the grinding of metal scraps, for compaction in appropriate tools.

[005] O tratamento de sinterização dos pós, após a prensagem do material, objetiva a densificação do material a temperaturas abaixo do ponto de fusão do metal base para promover a ligação entre átomos vizinhos das partículas que compõem o material. Este processo é realizado em fomos para altas temperaturas.[005] The sintering treatment of the powders, after pressing the material, aims at densifying the material at temperatures below the melting point of the base metal to promote the bond between atoms neighboring the particles that make up the material. This process is carried out in high temperature.

[006] A metalurgia do pó também minimiza a necessidade de usinagem e acabamento superficial de forma a manter estreita tolerância dimensional e materiais sinterizados com densidades entre 25 e 85% da densidade teórica.[006] Powder metallurgy also minimizes the need for machining and surface finishing in order to maintain close dimensional tolerance and sintered materials with densities between 25 and 85% of theoretical density.

[007] A metalurgia do pó se mostra como uma importante alternativa de processo de conformação metálica sendo apontada como uma das principais alternativas para o futuro da metalurgia no país com aplicações em vários setores da engenharia. Como parte deste processo, a moagem mecânica realizada por meio de um moinho de alta energia surge como uma técnica de processamento alternativa para a obtenção de compostos intermetálicos, capaz de promover a redução de cavacos de materiais a partículas de tamanho submicrométrico.[007] Powder metallurgy shows itself as an important alternative for the metal forming process, being pointed out as one of the main alternatives for the future of metallurgy in the country with applications in various engineering sectors. As part of this process, the mechanical grinding carried out by means of a high-energy mill emerges as an alternative processing technique for obtaining intermetallic compounds, capable of promoting the reduction of material chips to submicrometric size particles.

[008] O processamento de partículas de pós em moagem de alta energia pode ser definido pelos termos: a síntese mecânica (Mechanical Alloying), que é a mistura de pós de diferentes metais ou ligas, disponíveis comercialmente, com transferência de massa para obtenção de uma liga homogênea; e a moagem mecânica (Mechanical Milling) ou cominuição, que produz uma composição uniforme dos pós, a partir de metais puros, sucatas, intermetálicos ou ligas, o qual não requer transferência de material para homogeneização. Os parâmetros mais importantes envolvidos na moagem de alta energia são: o tipo de moinho; rotação e tempo de moagem; razão entre massa de material e massa das esferas; atmosfera de moagem e agente controlador de processo.[008] The processing of powder particles in high energy grinding can be defined by the terms: mechanical synthesis (Mechanical Alloying), which is the mixture of powders of different metals or alloys, commercially available, with mass transfer to obtain a homogeneous alloy; and mechanical milling (Mechanical Milling) or comminution, which produces a uniform powder composition, from pure metals, scrap, intermetallic or alloys, which does not require material transfer for homogenization. The most important parameters involved in high energy grinding are: the type of mill; rotation and grinding time; ratio between mass of material and mass of spheres; grinding atmosphere and process controlling agent.

[009] O processo de moagem é caracterizado pela soldagem e fratura repetitivas das partículas de pó aprisionadas entre a superfície das esferas de colisão[009] The grinding process is characterized by repetitive welding and fracturing of dust particles trapped between the surface of the collision spheres

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 16/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 16/25

3/10 durante a moagem. A extensão deste processo de micro forjamento individual e sua influência sobre a síntese na liga depende, principalmente, do comportamento mecânico dos componentes ou pós envolvidos. Neste contexto, pode-se citar o sistema de mistura do tipo dúctil-frágil, onde as partículas dúcteis da liga em questão assumem a forma de plaquetas, devido às sucessivas soldagens a frio, e se juntam com as partículas frágeis de materiais adicionados a mistura como carbetos e, por meio de fraturas causadas pelos corpos moedores, se distribuem ao longo de espaços interlamelares da matriz dúctil.3/10 during grinding. The extent of this individual micro-forging process and its influence on the synthesis in the alloy depends mainly on the mechanical behavior of the components or powders involved. In this context, we can mention the ductile-fragile mixing system, where the ductile particles of the alloy in question take the form of platelets, due to successive cold welding, and join with the fragile particles of materials added to the mixture. as carbides and, by means of fractures caused by the grinding bodies, they are distributed along interlayer spaces of the ductile matrix.

[010] Nos últimos anos, muitos trabalhos científicos têm sido realizados com compósitos que possuem uma matriz de metal sinterizado em conjunto com partículas cerâmicas incorporadas, denominadas óxidos ou carbetos como AI2O3, NbC, TiC, WC, entre outros. Carbetos são compostos em que o carbono é combinado com elementos menos eletronegativos de um metal para poder melhorar propriedades como a resistência ao desgaste. A adição de carbetos na moagem aumenta a resistência mecânica do composto barrando o movimento das discordâncias. Desse modo, a dureza e resistência mecânica do material aumentam devido a maior dificuldade de se deformarem plasticamente.[010] In recent years, many scientific works have been carried out with composites that have a sintered metal matrix together with embedded ceramic particles, called oxides or carbides such as AI2O3, NbC, TiC, WC, among others. Carbides are compounds in which carbon is combined with less electronegative elements of a metal in order to improve properties such as wear resistance. The addition of carbides in the milling increases the mechanical strength of the compound, preventing the movement of discrepancies. In this way, the hardness and mechanical resistance of the material increases due to the greater difficulty of deforming plastically.

[011] A eficiência da moagem de alta energia decorre do fato de que muitas ligas possuem partículas dúcteis, como o próprio bronze de alumínio, em contraste com carbetos que possuem alta dureza, formando um sistema dúctil-frágil. Durante o processo de moagem, fatores como as colisões ocorridas entre os materiais e esferas e também o fato das partículas duras de carbeto se incorporam a matriz dúctil, elevam as tensões sobre esta matriz levando-a a ruptura.[011] The efficiency of high-energy grinding stems from the fact that many alloys have ductile particles, such as aluminum bronze itself, in contrast to carbides that have high hardness, forming a ductile-fragile system. During the grinding process, factors such as collisions between materials and spheres and also the fact that the hard carbide particles are incorporated into the ductile matrix, increase the stresses on this matrix leading to rupture.

[012] A compactação da mistura de pós solicitados mecanicamente é a última etapa que antecede o processo de sinterização. Logo, a compactação é definida como a pressão mínima necessária para produzir um compacto com certa resistência a verde. Em outras palavras, o processo de prensagem pode ser definido como uma operação de conformação baseada na compactação de pós no interior de uma matriz rígida metálica através da aplicação de pressão. A compactação é influenciada por fatores relativos ao ferramental usado no processo de prensagem como o tipo de prensa, de matriz, o método de prensagem ou até o lubrificante utilizado nas paredes da matriz. Dentre os métodos de prensagem, podem-se citar dois principais: uniaxial e isostático.[012] The compaction of the mechanically requested powder mixture is the last step that precedes the sintering process. Therefore, compaction is defined as the minimum pressure required to produce a compact with a certain resistance to green. In other words, the pressing process can be defined as a forming operation based on the compaction of powders inside a rigid metallic matrix through the application of pressure. Compaction is influenced by factors related to the tooling used in the pressing process such as the type of press, die, the pressing method or even the lubricant used on the die walls. Among the pressing methods, two main ones can be mentioned: uniaxial and isostatic.

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 17/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 17/25

4/10 [013] A sinterização é a fase final do ciclo de consolidação do pó metálico, iniciado na compactação, quando o compactado verde é aquecido, resultando em alteração dimensional e aumento da densidade. A fase de sinterização consiste no aquecimento do compactado da ordem de 2/3 a 3/4 da temperatura de fusão da liga, onde as partículas do pó são unidas por meio do deslocamento difusional de massa e outros mecanismos de transporte atômico.4/10 [013] Sintering is the final phase of the metal powder consolidation cycle, started at compaction, when the green compact is heated, resulting in dimensional changes and increased density. The sintering phase consists of heating the compost to the order of 2/3 to 3/4 of the alloy's melting temperature, where the powder particles are joined together by means of the diffusional mass displacement and other atomic transport mechanisms.

[014] A sinterização influencia a densidade final, bem como as propriedades mecânicas dos componentes de metal sinterizado. Os fatores importantes do ciclo de sinterização são a taxa de aquecimento, tempo de sinterização, temperatura de sinterização e atmosfera de sinterização, que tem grande influência no comportamento de corrosão e propriedades mecânicas com presença de porosidade quando sinterizadas em atmosferas industriais.[014] Sintering influences the final density as well as the mechanical properties of the sintered metal components. The important factors of the sintering cycle are the heating rate, sintering time, sintering temperature and sintering atmosphere, which has a great influence on the corrosion behavior and mechanical properties with the presence of porosity when sintered in industrial atmospheres.

[015] Neste processo, o nível de porosidade e a distribuição de tamanho dos poros podem ser controlados por variáveis de fabricação tais como a pressão de compactação, tempo e temperatura de sinterização e, também, pela variação das propriedades do pó, tais como a forma e o tamanho das partículas, a distribuição do tamanho e a textura da superfície. Os materiais nanocristalinos mostram resistência aumentada, dureza elevada, taxas de difusão extremamente elevadas e, consequentemente, tempos de sinterização reduzidos para compactação em pó.[015] In this process, the porosity level and the pore size distribution can be controlled by manufacturing variables such as compaction pressure, sintering time and temperature and also by varying the properties of the powder, such as particle shape and size, size distribution and surface texture. Nanocrystalline materials show increased strength, high hardness, extremely high diffusion rates and, consequently, reduced sintering times for powder compaction.

PROBLEMAS DO ESTADO DA TÉCNICA:PROBLEMS OF THE STATE OF THE TECHNIQUE:

[016] As moagens preliminares feitas apenas com o material base, isto é, com cavacos da liga e corpos de moagem (esferas), mostraram rendimento abaixo do esperado prejudicando de modo significativo a moagem, devido a característica dúctil da liga, que necessita de considerável quantidade de energia para promover a fragilidade do material.[016] Preliminary grindings made only with the base material, that is, with alloy chips and grinding bodies (spheres), showed a lower than expected yield, significantly damaging the grinding, due to the ductile characteristic of the alloy, which requires considerable amount of energy to promote the material's fragility.

[017] A energia do processo de moagem sobre o material base acrescido de NbC gera um processo de soldagem a frio das partículas dos pós, fato que também inviabiliza a moagem (Figura 5a).[017] The energy of the grinding process on the base material plus NbC generates a cold welding process of the powder particles, a fact that also makes grinding unfeasible (Figure 5a).

[018] Rotações próximas a 400 rpm e superiores geram a centrifugação do material para a superfície lateral do jarro, anulando a moagem do material (Figura 5b).[018] Rotations close to 400 rpm and higher generate the centrifugation of the material for the side surface of the jar, canceling the grinding of the material (Figure 5b).

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 18/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 18/25

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SOLUÇÃO ENCONTRADA:SOLUTION FOUND:

[019] Para que a fragilidade do material possa ser alcançada, foi adicionada a mistura o NbC para que fosse possível a formação de um sistema de mistura dúctilfrágil. A adição do NbC também promove maior densidade na sinterização e aprimora as propriedades mecânicas, corrosivas, tribológicas do material.[019] So that the material's fragility can be achieved, the NbC mixture was added to make it possible to form a ductile-fragile mixing system. The addition of NbC also promotes greater density in sintering and improves the mechanical, corrosive, tribological properties of the material.

[020] Foi utilizado um agente controlador de processo (ACP) chamado ácido esteárico na quantidade de 1% em massa na moagem para evitar a soldagem a frio das partículas dos pós.[020] A process control agent (ACP) called stearic acid in the amount of 1% by mass was used in the grinding to avoid cold welding of the powder particles.

[021] Moagens realizados com sucesso possuem rotações entre 250 e 350 rpm.[021] Mills carried out successfully have speeds between 250 and 350 rpm.

OBJETIVOS E VANTANGENS DA INVENÇÃO:OBJECTIVES AND ADVANTAGES OF THE INVENTION:

[022] O presente pedido de patente de invenção tem como um de seus objetivos produzir um compósito via metalurgia do pó, por moagem de alta energia, a partir de cavacos da liga bronze de alumínio reforçado com NbC para obtenção de pós com granulometrias reduzidas para posterior compactação e sinterização.[022] One of the objectives of the present patent application is to produce a composite using powder metallurgy, by high energy grinding, from NbC-reinforced aluminum bronze alloy chips to obtain powders with reduced particle sizes for subsequent compaction and sintering.

[023] O compósito produzido não requer operações posteriores. A moagem dos cavacos da liga de bronze de alumínio com a adição de NbC visa aumentar a eficiência do processo e aperfeiçoar as propriedades mecânicas do compósito produzido, uma vez que há a formação de um sistema de mistura do tipo dúctil-frágil.[023] The composite produced does not require further operations. The grinding of the aluminum bronze alloy chips with the addition of NbC aims to increase the efficiency of the process and improve the mechanical properties of the composite produced, since there is the formation of a ductile-brittle mixing system.

[024] A presente invenção se destaca por ser uma alternativa para a produção de compósitos através do reaproveitamento de rejeitos do processo de usinagem, que podem apresentar propriedades interessantes para a produção de peças e componentes industriais. Também possui apelo ambiental, sendo uma alternativa para reciclagem de resíduos de produção descartados no meio ambiente, além de economia energética.[024] The present invention stands out for being an alternative for the production of composites through the reuse of waste from the machining process, which can present interesting properties for the production of industrial parts and components. It also has an environmental appeal, being an alternative for recycling production waste discarded in the environment, in addition to energy savings.

[025] Pelo fato de produzir partículas micrométricas no processo de moagem de alta energia, quando adicionado NbC, os pós resultantes da moagem podem proporcionar um material sinterizado de alta densidade, pouca porosidade e propriedades mecânicas bastante significantes quando comparadas ao material fundido.[025] Because it produces micrometric particles in the high-energy grinding process, when NbC is added, the powders resulting from the grinding can provide a sintered material of high density, low porosity and very significant mechanical properties when compared to the molten material.

[026] Assim, as aplicações deste produto compósito podem ser amplas, de modo que requerem uma análise de suas propriedades para embasar sua seleção em determinada aplicação.[026] Thus, the applications of this composite product can be broad, so that they require an analysis of its properties to support its selection in a given application.

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 19/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 19/25

6/10 [027] Todavia, todo processo envolvendo a rota por metalurgia do pó somente é viável economicamente quando produzido em larga escala, uma vez que os equipamentos envolvidos neste processo são caros.6/10 [027] However, any process involving the powder metallurgy route is only economically viable when produced on a large scale, since the equipment involved in this process is expensive.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO:DESCRIPTION OF THE INVENTION:

[028] A presente invenção objetiva a produção de um compósito metalcerâmico a partir da liga bronze de alumínio com ampla aplicabilidade de acordo com o interesse do solicitante e a partir de uma análise de suas propriedades. O processo pode ser compreendido da seguinte forma:[028] The present invention aims to produce a metalceramic composite from bronze aluminum alloy with wide applicability according to the applicant's interest and from an analysis of its properties. The process can be understood as follows:

[029] i) Os cavacos da liga de bronze de alumínio foram obtidos por processo de usinagem a partir do material fundido em barras, com baixa rotação (~ 45 rpm), para evitar oxidação dos rejeitos e sem o uso de lubrificantes para evitar a contaminação por óleo solúvel (Figura 1).[029] i) The chips of aluminum bronze alloy were obtained by machining process from the molten material in bars, with low rotation (~ 45 rpm), to avoid oxidation of the tailings and without the use of lubricants to avoid the contamination by soluble oil (Figure 1).

[030] Também foi realizada a espectroscopia química sobre o material fundido a fim de se obter a composição química quantitativa e quantitativa do bronze de alumínio, conforme visto na Tabela 1.[030] Chemical spectroscopy was also performed on the molten material in order to obtain the quantitative and quantitative chemical composition of aluminum bronze, as seen in Table 1.

[031] Tabela 1. Análise química da liga bronze de alumínio (% em massa).[031] Table 1. Chemical analysis of aluminum bronze alloy (% by mass).

Elemento Element Cu Ass Al Al Fe Faith Ni Ni Mn Mn Au Au Sb Sb c ç Concentração Concentration 73,6 73.6 12,69 12.69 7,2 7.2 4,87 4.87 0,940 0.940 0,120 0.120 0,107 0.107 0,0720 0.0720 Elemento Element Pb Pb Si Si Co Co Bi Bi As At Sn Sn Cr Cr s s Concentração Concentration 0,0580 0.0580 0,0380 0.0380 0,0260 0.0260 0,0210 0.0210 0,0170 0.0170 0,0140 0.0140 0,0120 0.0120 0,00620 0.00620

[032] Tanto o material fundido quanto os cavacos da liga foram analisados via processo metalográfico, onde amostras foram embutidas, lixadas e polidas para caracterização microestrutural via microscopia óptica. O material como recebido possui um tratamento térmico descrito como TQ-30 para aplicações aeronáuticas, isto é, têmpera seguida de revenimento (ASTM B150/ B150M-12, 2012). Verifica-se que o tratamento térmico TQ-30 promove a homogeneização da microestrutura para gerar alívio de tensão resultante da têmpera de fabricação, devido a presença da fase martensítica β’, além de precipitar as fases /r(AlFe/AlFe3) na matriz a (Cu), como observado pelas partículas escuras. Observam-se também partículas escuras na microestrutura do cavaco da liga relativas aos precipitados “x” (Figuras 2 e 3).[032] Both the molten material and the chips of the alloy were analyzed via metallographic process, where samples were embedded, sanded and polished for microstructural characterization via optical microscopy. The material as received has a heat treatment described as TQ-30 for aeronautical applications, that is, tempering followed by tempering (ASTM B150 / B150M-12, 2012). It appears that the thermal treatment TQ-30 promotes the homogenization of the microstructure to generate stress relief resulting from the manufacturing temper, due to the presence of the martensitic phase β ', in addition to precipitating the phases / r (AlFe / AlFe3) in the matrix a (Cu), as observed by the dark particles. Dark particles are also observed in the microstructure of the alloy chip relative to precipitates “x” (Figures 2 and 3).

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 20/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 20/25

7/10 [033] ii) O mesmo ocorreu com o carbeto. Neste caso, o NbC produzido pela empresa Hermann C. Starck possui granulometria entre 3 a 6 pm [034] iii) O processo parte da quebra dos cavacos usinados em pedaços menores (~ 10 mm), onde foram pesados 30 g destes para serem inseridos com 3% de NbC e 1% de ácido esteárico (% em massa) em um jarro de aço inoxidável com 600 g de esferas de três diâmetros diferentes e mesma proporção: grandes (21 mm), médias (13 mm) e pequenas (8 mm). A relação massa/esfera foi fixada na proporção de 1:20. A adição de ácido esteárico se justifica por este ser um agente controlador de processo (ACP) que age como desaglomerante para evitar que a moagem seja afetada pela soldagem a frio das partículas dos pós.7/10 [033] ii) The same occurred with the carbide. In this case, the NbC produced by the company Hermann C. Starck has a particle size between 3 to 6 pm [034] iii) The process starts from breaking the machined chips into smaller pieces (~ 10 mm), where 30 g of these were weighed to be inserted with 3% NbC and 1% stearic acid (% by weight) in a stainless steel jar with 600 g of spheres of three different diameters and the same proportion: large (21 mm), medium (13 mm) and small (8 mm). The mass / sphere ratio was fixed at a 1:20 ratio. The addition of stearic acid is justified because it is a process controlling agent (ACP) that acts as a de-agglomerant to prevent the grinding from being affected by the cold welding of the powder particles.

[035] iv) A moagem de alta energia foi realizada em um moinho planetário com atmosfera de argônio para evitar a oxidação dos pós, onde foram assumidos os seguintes parâmetros e seus valores: tempo de moagem 100 horas, rotação de 350 rpm e adição de 3% NbC.[035] iv) The high energy grinding was carried out in a planetary mill with an argon atmosphere to avoid the oxidation of the powders, where the following parameters and values were assumed: grinding time 100 hours, rotation of 350 rpm and addition of 3% NbC.

[036] v) Após a moagem, os pós são retirados dos jarros do moinho e armazenados em recipientes limpos e secos. Em seguida, é realizada a caracterização microestrutural dos pós via microscopia eletrônica de varredura para se avaliar o tamanho, a morfologia, além da análise química para verificar a presença do carbeto no material (EDS). Também foi analisado o tamanho do particulado via difração a laser por meio de um granulômetro. Nas Figuras 4a e 4b, podem-se observar as dimensões das partículas dos pós que variam de dezenas de micras, com a presença de aglomerados, até a presença de partículas submicrométricas, uma vez que há um maior potencial de fragilização das partículas devido à adição do carbeto. Na Figura 4c, observam-se duas regiões de tendência de distribuição de partículas, que caracterizam o comportamento de formação de aglomerados e partículas submicrométricas vistos na microscopia eletrônica e varredura.[036] v) After grinding, the powders are removed from the mill jars and stored in clean and dry containers. Then, the microstructural characterization of the powders is performed via scanning electron microscopy to assess the size, morphology, in addition to chemical analysis to check the presence of carbide in the material (EDS). The particle size was also analyzed via laser diffraction using a granulometer. In Figures 4a and 4b, it is possible to observe the particle size of the powders, which vary from tens of microns, with the presence of agglomerates, to the presence of submicrometric particles, since there is a greater potential for particle embrittlement due to the addition of the carbide. In Figure 4c, two regions of particle distribution tendency are observed, which characterize the formation behavior of agglomerates and submicrometric particles seen in electron microscopy and scanning.

[037] A Tabela 2 mostra os valores da distribuição acumulada de tamanho de partículas da moagem de alta energia do bronze alumínio com adição de NbC. O tamanho das partículas para o fator D50 foi de 39,43 pm com 100 horas moagem, feto que indica que 50% das partículas possuem até este tamanho. Da mesma forma, os valores informados para D10 e D90 são de 9,93 pm e 103,5 pm, indicando que 10% de[037] Table 2 shows the values of the accumulated particle size distribution of the high-energy grinding of bronze aluminum with the addition of NbC. The particle size for factor D50 was 39.43 pm with 100 hours of grinding, a fetus that indicates that 50% of the particles are up to this size. Likewise, the values reported for D10 and D90 are 9.93 pm and 103.5 pm, indicating that 10% of

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 21/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 21/25

8/10 partículas têm dimensões inferiores a 9,93 pm e 90% das partículas estão abaixo do tamanho de 103,5 pm, respectivamente.8/10 particles have dimensions less than 9.93 pm and 90% of the particles are below the size of 103.5 pm, respectively.

[038] Tabela 2. Distribuição acumulativa para 100 horas de moagem com NbC.[038] Table 2. Cumulative distribution for 100 hours of grinding with NbC.

Tempo de Moagem (h) Grinding Time (h) D10 (pm) D10 (pm) D50 (pm) D50 (pm) D90 (pm) D90 (pm) 50 50 9,93 9.93 39,43 39.43 103,5 103.5

[039] As fases do material e a influência da moagem na rede cristalina do material foram analisadas via difração de raios-x por meio de um difratômetro com radiação CoKa. Verifica-se nesta análise um processo de amorfização do material conforme o tempo de moagem aumenta.[039] The phases of the material and the influence of the grinding on the crystalline network of the material were analyzed via X-ray diffraction using a diffractometer with CoKa radiation. In this analysis there is a process of amorphization of the material as the grinding time increases.

[040] vi) O processo de compactação foi realizado em prensa uniaxial. As amostras para prensagem foram confeccionadas com 1,0 gramas de material (bronze de alumínio + 3% do NbC) misturado com 1% do aglomerante estearato de zinco, onde foi aplicada a carga de 400 MPa. Depois de transformadas em peletes, seu diâmetro e altura foram determinados para o cálculo da densidade a verde.[040] vi) The compaction process was carried out in a uniaxial press. The pressing samples were made with 1.0 grams of material (aluminum bronze + 3% NbC) mixed with 1% of the zinc stearate binder, where the 400 MPa load was applied. After being transformed into pellets, their diameter and height were determined to calculate the density in green.

[041] vii) A sinterização ocorreu em um forno com atmosfera a vácuo, para evitar processos de oxidação, produzido por uma bomba mecânica com capacidade de 10-2 mbar. Um tubo de quartzo ligado à bomba foi utilizado como recipiente de armazenamento das amostras, que foram aquecidas a uma taxa de 10°C/ min até a temperatura de 400°C (patamar 1), por 20 minutos para a evaporação do aglomerante. Em seguida, à mesma taxa de aquecimento, as amostras atingiram a temperatura de sinterização de 900°C, onde permaneceram por mais 60 minutos (patamar 2). Ao final, as amostras foram arrefecidas no interior do forno (Figura 6).[041] vii) The sintering took place in a vacuum atmosphere furnace, to avoid oxidation processes, produced by a mechanical pump with a capacity of 10-2 mbar. A quartz tube connected to the pump was used as a storage container for the samples, which were heated at a rate of 10 ° C / min to a temperature of 400 ° C (stage 1), for 20 minutes for the evaporation of the binder. Then, at the same heating rate, the samples reached a sintering temperature of 900 ° C, where they remained for another 60 minutes (step 2). At the end, the samples were cooled inside the oven (Figure 6).

[042] viii) A microestrutura das amostras sinterizadas foi caracterizada via microscopia óptica para se avaliar a morfologia do particulado sinterizado (Figura 7).[042] viii) The microstructure of the sintered samples was characterized via optical microscopy to assess the morphology of the sintered particulate (Figure 7).

[043] Também foi analisada a densidade aparente do material sinterizado pelo princípio de Arquimedes, onde os corpos de prova foram imersos em água destilada por 24 horas antes de serem tomadas as medidas, de acordo com a NBR 6220:2011. Foi usada uma balança de precisão de quatro dígitos, na qual foram medidas as massas seca, úmida e imersa dos corpos de prova. Quando comparada com a densidade da amostra fundida, verifica-se que a densidade da amostra sinterizada é de aproximadamente 68%[043] The apparent density of the material sintered by the Archimedes principle was also analyzed, where the specimens were immersed in distilled water for 24 hours before measurements were taken, according to NBR 6220: 2011. A four-digit precision scale was used, in which the dry, wet and immersed masses of the specimens were measured. When compared to the density of the molten sample, it appears that the density of the sintered sample is approximately 68%

Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 22/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 22/25

9/10 do valor da densidade do material de referência. A Tabela 3 apresenta os valores das densidades a verde e sinterizada das amostras compactadas e tratadas em comparação com o material fundido. A Figura 8 descreve, graficamente, este comportamento.9/10 of the reference material density value. Table 3 shows the values of the green and sintered densities of the compacted and treated samples compared to the molten material. Figure 8 describes this behavior graphically.

[044] Tabela 3. Comparação entre densidades a verde e sinterizada.[044] Table 3. Comparison between green and sintered densities.

Amostras Samples Média densidade à verde (g/cm³)Medium green density (g / cm ³ ) Média densidade aparente (g/cm³)Average apparent density (g / cm ³ ) Fundido Cast - - 7,33 7.33 Sinterizada Sintered 4,89 4.89 4,98 4.98

[045] A porosidade do material sinterizado foi obtida por meio de uma comparação entre os valores de porosidade teórica, aparente e via imageamento por microscopia óptica, das amostras sinterizadas (Figura 9). Esta metodologia de comparação entre esses valores de porosidade foi definida devido à significativa variabilidade desse tipo de medida. Logo, a porosidade teórica pode ser obtida através do cálculo da densidade teórica do material, via porcentagem de seus principais elementos químicos, multiplicada por sua densidade elementar. A porosidade aparente é obtida através da densidade aparente/Arquimedes. A Tabela 4 mostra os valores de porosidade medidos pelos três métodos propostos que também podem ser verificados, graficamente, pela Figura 10.[045] The porosity of the sintered material was obtained by comparing the values of theoretical porosity, apparent and via optical microscopy imaging, of the sintered samples (Figure 9). This comparison methodology between these porosity values was defined due to the significant variability of this type of measurement. Therefore, the theoretical porosity can be obtained by calculating the theoretical density of the material, via the percentage of its main chemical elements, multiplied by its elementary density. The apparent porosity is obtained through the apparent density / Archimedes. Table 4 shows the porosity values measured by the three proposed methods that can also be checked, graphically, by Figure 10.

[046] Tabela 4. Porosidade do material sinterizado. [046] Table 4. Porosity of the sintered material. Amostras Samples Média porosidade teórica (%) Average theoretical porosity (%) Média porosidade aparente (%) Average apparent porosity (%) Média porosidade imageamento (%) Average porosity imaging (%) Sinterizada Sintered 37,44 37.44 32,06 32.06 38,47 38.47

[047] ix) A obtenção do compósito sinterizado, com sua matriz formada a partir dos pós da liga bronze de alumínio contendo NbC como material cerâmico, passa a ser possível por meio de processos simples de compactação e sinterização em um único ciclo térmico, de modo a garantir um produto com relativa densidade quando compactado de forma uniaxial.[047] ix) Obtaining the sintered composite, with its matrix formed from bronze aluminum alloy powders containing NbC as ceramic material, becomes possible through simple processes of compacting and sintering in a single thermal cycle, in order to guarantee a product with relative density when uniaxially compacted.

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10/1010/10

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [048] Este tópico tem por finalidade apresentar figuras correspondentes a micrografias, gráficos e medidas experimentais realizadas sobre o material a fim de auxiliar a descrição da invenção.DESCRIPTION OF THE FIGURES [048] This topic aims to present figures corresponding to micrographs, graphs and experimental measurements performed on the material in order to assist the description of the invention.

[049] A Figura 1 apresenta o material usinado na forma de cavacos a partir da liga de bronze de alumínio fundida.[049] Figure 1 shows the material machined in the form of chips from the cast aluminum bronze alloy.

[050] A Figura 2 apresenta a microestrutura obtida por microscopia óptica do material como recebido, isto é, na condição de fundido.[050] Figure 2 shows the microstructure obtained by optical microscopy of the material as received, that is, in the molten condition.

[051] A Figura 3 mostra a microestrutura de um cavaco sem ataque químico.[051] Figure 3 shows the microstructure of a chip without chemical attack.

[052] A Figura 4 avalia a morfologia dos pós e a distribuição de tamanho de partículas produzido.[052] Figure 4 assesses the morphology of the powders and the particle size distribution produced.

[053] A Figura 5 apresenta estudos preliminares e dificuldades enfrentadas na moagem de alta energia dos cavacos da liga de bronze de alumínio com e sem NbC.[053] Figure 5 presents preliminary studies and difficulties faced in the high energy grinding of aluminum bronze alloy chips with and without NbC.

[054] A Figura 6 mostra o processo de sinterização do material compactado, com suas temperaturas, rampas e patamares.[054] Figure 6 shows the sintering process of the compacted material, with its temperatures, ramps and levels.

[055] A Figura 7 apresenta a caracterização do material sinterizado via processo metalográfico, a fim de se avaliar a densidade e porosidade do material.[055] Figure 7 shows the characterization of the sintered material via the metallographic process, in order to evaluate the density and porosity of the material.

[056] A Figura 8 mostra um gráfico de comparação entre as densidades das diferentes condições do bronze de alumínio: fundida, sinterizada e à verde.[056] Figure 8 shows a comparison chart between the densities of the different conditions of aluminum bronze: molten, sintered and green.

[057] A Figura 9 mostra a porosidade via imageamento realizada em um microscópio óptico com software de análise de imagens.[057] Figure 9 shows the porosity via imaging performed in an optical microscope with image analysis software.

[058] A Figura 10 mostra um gráfico de comparação entre os valores de porosidade teórica, aparente e imageamento por microscopia óptica, das amostras sinterizadas.[058] Figure 10 shows a comparison chart between the values of theoretical, apparent porosity and optical microscopy imaging of the sintered samples.

Claims (15)

REINVINDICAÇÕES 1. O compósito produzido a partir dos cavacos da liga bronze de alumínio, por metalurgia do pó, utilizando moagem de alta energia, via processos de compactação e sinterização do material, caracterizado pelo fato de conter as seguintes etapas:1. The composite produced from the chips of aluminum bronze alloy, by powder metallurgy, using high energy grinding, through the processes of compacting and sintering the material, characterized by the fact that it contains the following steps: i) Obtenção dos cavacos da liga de bronze de alumínio após processo de usinagem do material fundido em barras.i) Obtaining the chips from the aluminum bronze alloy after machining the molten material into bars. ii) Quebra e mistura dos cavacos com NbC e ácido esteárico homogeneizados em um jarro de aço inoxidável com esferas de três diâmetros diferentes e mesma proporção.ii) Breaking and mixing the chips with homogenized NbC and stearic acid in a stainless steel jar with spheres of three different diameters and the same proportion. iii) Posterior moagem de alta energia foi realizada em moinho planetário com atmosfera de argônio para evitar oxidação dos pós, com os devidos parâmetros e valores descritos.iii) Subsequent high energy grinding was carried out in a planetary mill with an argon atmosphere to avoid oxidation of the powders, with the appropriate parameters and values described. iv) Realização de compactação em uma prensa uniaxial, onde as amostras foram confeccionadas com 1,0 gramas de material (bronze de alumínio + NbC) misturado com aglomerante estearato de zinco. Realização de medida de densidade à verde.iv) Compaction in a uniaxial press, where the samples were made with 1.0 grams of material (aluminum bronze + NbC) mixed with zinc stearate binder. Green density measurement. v) Sinterização do compactado em um forno com atmosfera a vácuo produzido por bomba mecânica para evitar oxidação. Os parâmetros e valores desse processo foram definidos por referencial bibliográfico analisado relacionado a esta liga e semelhantes.v) Sintering of the compacted in an oven with a vacuum atmosphere produced by a mechanical pump to prevent oxidation. The parameters and values of this process were defined by analyzed bibliographic reference related to this alloy and similar. vi) A partir do compósito sinterizado, foram realizadas as medidas de densidade e porosidade aparentes.vi) From the sintered composite, apparent density and porosity measurements were made. 2. O compósito produzido, de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado pelo fato de o material em pó conter elementos de liga selecionados, dentre os quais: alumínio, ferro, níquel, manganês e ouro em teores individuais variando entre 0,01% até 15% em massa do material metálico.2. The composite produced, according to claim 1, characterized by the fact that the powder material contains selected alloy elements, among which: aluminum, iron, nickel, manganese and gold in individual levels ranging from 0.01% to 15% by weight of the metallic material. 3. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de haver quebra dos cavacos da liga em partes menores de cerca de 10 mm, onde foram pesados 30 g destes sendo inseridos em um jarro de aço inoxidável com 600 g de esferas de três diâmetros diferentes e mesma proporção: grandes (21 mm), médias (13 mm) e pequenas (8 mm). A relação massa/esfera foi fixada na proporção de 1:20.3. The composite produced, according to any one of claims 1 and 2, characterized by the fact that the alloy chips are broken into smaller parts of about 10 mm, where 30 g of these were weighed and inserted in a stainless steel jar. with 600 g of spheres of three different diameters and the same proportion: large (21 mm), medium (13 mm) and small (8 mm). The mass / sphere ratio was fixed at a 1:20 ratio. 4. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato da adição à mistura do agente controlador de processos (ACP) ácido esteárico na quantidade de 1% (% massa), a fim de evitar soldagem a frio da mistura bronze de alumínio e NbC.4. The composite produced, according to any one of claims 1 to 3, characterized by the fact that 1% (mass%) of the process control agent (ACP) is added to the mixture in order to avoid welding cold mixture of aluminum bronze and NbC. Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 12/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 12/25 2/32/3 5. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o material cerâmico NbC, em pó e de característica frágil, ser adicionado à mistura para moagem na quantidade de 3% (em massa), formar um sistema de mistura do tipo dúctil-frágil com a liga bronze de alumínio e possuir tamanho de partículas na faixa entre 3 a 6 pm, medido pelo fabricante.5. The composite produced, according to any one of claims 1 to 4, characterized by the fact that the ceramic material NbC, in powder and fragile characteristic, is added to the mixture for grinding in the amount of 3% (by mass), forming a ductile-fragile mixing system with bronze aluminum alloy and having particle size in the range between 3 to 6 pm, measured by the manufacturer. 6. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato do tempo de moagem de alta energia da mistura bronze de alumínio e NbC ser de 100 horas com rotação, em moinho planetário, de 350 rpm6. The composite produced, according to any one of claims 1 to 5, characterized by the fact that the high energy grinding time of the bronze aluminum and NbC mixture is 100 hours with a 350 rpm planetary mill rotation 7. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato do pó da mistura bronze de alumínio e NbC apresentar tamanho de partículas de até 103,5 pm (D90) de acordo com a medida de distribuição volumétrica acumulativa obtida via análise granulométrica a laser.7. The composite produced, according to any of claims 1 to 6, characterized by the fact that the powder of the bronze-aluminum mixture and NbC has a particle size of up to 103.5 pm (D90) according to the volumetric distribution measure cumulative data obtained by laser particle size analysis. 8. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato do pó da mistura bronze de alumínio e NbC, resultante da moagem de alta energia, apresentar partículas submicrométricas, de acordo com micrografias obtidas via microscopia eletrônica de varredura.8. The composite produced, according to any one of claims 1 to 7, characterized by the fact that the powder of the bronze mixture of aluminum and NbC, resulting from high energy grinding, presents submicrometric particles, according to micrographs obtained via electron microscopy of scan. 9. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 8, caracterizado pelo processo de haver amortização da mistura bronze de alumínio e NbC, conforme aumento do tempo de moagem, verificado por difração de raios-x com radiação CoKa, ângulo de varredura de 30° a 90°, passo no goniômetro de 0,02° e tempo por passo de 1 segundo.9. The composite produced, according to any one of claims 1 to 8, characterized by the process of amortization of the bronze mixture of aluminum and NbC, as the grinding time increases, verified by X-ray diffraction with CoKa radiation, angle scanning from 30 ° to 90 °, step on the goniometer of 0.02 ° and time per step of 1 second. 10. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato da etapa de compactação da mistura do pó da liga de bronze de alumínio e o NbC no interior da matriz metálica de 8 mm de diâmetro ser realizada sob pressão de 400 MPa.10. The composite produced, according to any one of claims 1 to 9, characterized by the fact that the step of compacting the powder mixture of aluminum bronze alloy and NbC inside the metal matrix of 8 mm in diameter is carried out under pressure of 400 MPa. 11. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato da compactação da mistura bronze de alumínio e NbC ter gerado amostras com média de densidades a verde de 4,89 g/cm³.11. The composite produced, according to any of claims 1 to 10, characterized by the fact that the compaction of the bronze-aluminum mixture and NbC generated samples with an average green density of 4.89 g / cm ³ . 12. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato da etapa da temperatura de reação de evaporação do aglomerante estearato de zinco ocorrer na temperatura de 400°C, inferior a temperatura de sinterização do material.12. The composite produced, according to any of claims 1 to 11, characterized by the fact that the evaporation reaction temperature step of the zinc stearate binder occurs at a temperature of 400 ° C, below the sintering temperature of the material. Petição 870170088948, de 17/11/2017, pág. 13/25Petition 870170088948, of 11/17/2017, p. 13/25 3/33/3 13. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato do tempo de sinterização da mistura bronze de alumínio e NbC, ambos na forma de pós, ser de 60 minutos e sua temperatura de sinterização de 900°C.13. The composite produced, according to any of claims 1 to 12, characterized by the fact that the sintering time of the bronze mixture of aluminum and NbC, both in the form of powders, is 60 minutes and its sintering temperature is 900 ° Ç. 14. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato da sinterização da mistura bronze de alumínio e NbC ter gerado amostras com média de densidade aparente de 4,98 g/cm³, representando cerca de 68% da densidade do material fundido.14. The composite produced, according to any of claims 1 to 13, characterized by the fact that the sintering of the bronze-aluminum mixture and NbC generated samples with an apparent density average of 4.98 g / cm ³ , representing about 68 % of the density of the molten material. 15. O compósito produzido, de acordo com qualquer uma das reinvindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato da sinterização da mistura bronze de alumínio e NbC ter gerado amostras com porosidade aparente de 32,06%, porosidade teórica de 37,44% e via imageamento de 38,47%.15. The composite produced, according to any of claims 1 to 14, characterized by the fact that the sintering of the bronze mixture of aluminum and NbC generated samples with apparent porosity of 32.06%, theoretical porosity of 37.44% and via imaging of 38.47%.