Microtomografia de raios X aplicada a caracterização da estrutura porosa de materiais sinterizados

Abstract

A metalurgia do pó é uma tecnologia de fabricação alternativa, competitiva na produção de peças metálicas em diferentes geometrias para diversas aplicações de engenharia. O processo consiste na mistura dos pós, compactação via prensagem ou injeção e sinterização dos componentes compactados verdes para produzir peças com específica composição química, microestrutura e porosidade. A compreensão de como a estrutura porosa influencia nas propriedades mecânicas e também como sua estrutura de rede é alterada por diferentes pressões de compactação (prensagem) se torna importante para aumentar a eficiência de aços sinterizados porosos, como por exemplo, aplicações de absorção acústica ou autolubrificantes. Considerando estudos anteriores que realizaram a caracterização do meio poroso, principalmente na matriz em micrografias, este trabalho introduz informações 3D através de imagens obtidas com a tomografia computadorizada por raios X (microCT). Dessa forma, foi possível avaliar a evolução da rede porosa de amostras de ferro puro sinterizado com pressão de compactação aumentando de 200 para 600 MPa, com etapas de 100 MPa. As imagens obtidas, com resolução de 2 µm, foram tratadas com os softwares analisadores de imagem (ImageJ), utilizando uma metodologia conhecida para promover a segmentação das fases. Com essa metodologia, foi possível extrair dados característicos da rede porosa, como a distribuição de tamanho de poros, número de coordenação dos poros, esfericidade, entre outros parâmetros. Além disso, foi utilizado o Princípio de Archimedes e o método de densidade geométrica para aferir a porosidade total. Para a caracterização mecânica, foram usadas cinco corpos de prova de tração de cada condição segundo a norma da MPIF Standard 10. Dessa forma, foi possível determinar as propriedades mecânicas do material. Estas foram comparadas com dados da literatura e com modelos analíticos. Por fim, são discutidos os resultados dos ensaios mecânicos e a influência da estrutura porosa nessas propriedades.

Abstract: Powder metallurgy is an alternative manufacturing technology, competitive in producing of metal components near-net-shape parts for diverse engineering applications. The process consists of mixing the powders, compacting via pressing or injection and sintering the green compacted components to produce parts with specific chemical composition, microstructure and porosity. The comprehension of how the porous structure influence the mechanical properties and also how its network structure is altered by different compaction pressures becomes important to increase the efficiency of porous sintered steels, as for acoustic absorption or self-lubricating applications for example. Considering previous studies that carried out the characterization of the porous medium, mainly of the matrix phase in micrographs, this work introduces 3D information via images obtained with X-ray microcomputed tomography (microCT). Thus, it was possible to evaluate the evolution of sintered iron samples porous network with compacting pressure increasing from 200 to 600 MPa, with 100 MPa steps. The obtained images, with a resolution of 2 µm, were treated with image analyzer software (ImageJ), using a previous methodology to promote the phases segmentation. With this methodology, it was possible to extract typical data from porous networks such as the pore size distribution, number of pore coordination, sphericity, among other parameters. In addition, the Archimedes Principle and the geometric density method were used to measure total porosity. For mechanical characterization, five tensile specimens of each condition were used according to the MPIF Standard 10. Thus, it was possible to acquire the mechanical properties of the material. These were compared with data from the literature and with analytical models. Finally, the results of the mechanical tests and the influence of the porous structure on these properties are discussed.