Sinterização em fase líquida

A sinterização em fase líquida (LPS) é uma processo de sinterização onde uma fase líquida se forma durante a sinterização de um pó compacto, facilitando a densificação e a ligação de partículas sólidas.

Este processo é usado para sinterizar componentes com altos pontos de fusão, difíceis de sinterizar com a sinterização tradicional em estado sólido. O principal objetivo do LPS é acelerar a densificação. O crescimento de grãos pode ocorrer como efeito colateral e deve ser controlado. O LPS é amplamente utilizado por engenheiros na fabricação de rolamentos de alta temperatura, bielas de motores de automóveis e capacitores eletrônicos.

Compreendendo o processo de sinterização em fase líquida

A sinterização em fase líquida é basicamente realizada para aumentar a densificação dos componentes. O processo ocorre em três etapas de mudanças estruturais, nas quais inicialmente o componente passa por sinterização, assim como na sinterização em estado sólido, antes de atingir sua temperatura de fusão. Depois que um dos líquidos atinge sua temperatura de fusão e se liquefaz, ocorrem os três processos principais:

Estágio de Rearranjo

É o estágio inicial em que um dos materiais se liquefaz e flui entre as partículas sólidas devido à capilaridade. Esse fluxo leva ao rearranjo e à densificação à medida que a partícula líquida preenche os espaços vazios entre as partículas sólidas. O volume ideal de líquido depende do sistema de materiais; normalmente, utiliza-se um volume de 5% a 15%.

Estágio de solução-reprecipitação

Após o rearranjo, as pequenas partículas sólidas também começam a se dissolver no líquido, formando partículas maiores. Esse fenômeno ocorre de acordo com o processo de maturação de Ostwald. Essa etapa ajuda a reduzir vazios e melhorar a densidade, remodelando gradualmente os grãos em formas mais compactas.

Estágio final de densificação.

Nesta fase, o material desenvolve uma estrutura rígida e sólida. A densificação continua por meio da difusão em estado sólido para fechar os poros restantes e aumentar a densidade geral. Esta etapa é semelhante à fase final da sinterização tradicional em estado sólido.

Tipos de sinterização em fase líquida

Sinterização em fase líquida permanente

Se a fase líquida for mantida durante todo o processo de sinterização, essa sinterização é denominada sinterização em fase líquida permanente. Essa presença contínua de fase líquida não apenas aumenta a densificação do material, mas também melhora as propriedades mecânicas. É normalmente usada em ferramentas de carbonetos cimentados e de carboneto de tungstênio.

Sinterização em fase líquida reativa

Este tipo de sinterização em fase líquida ocorre por meio de reações químicas exotérmicas entre pós diferentes, que geram uma fase líquida durante a sinterização. Essas reações são responsáveis ​​pela densificação do componente.

Sinterização em fase líquida transitória

Em LPS transitórios, os pós aditivos fundem durante o aquecimento. Formam um líquido temporário que se dissolve completamente na matriz sólida ao longo do tempo. Nesse caso, a quantidade de líquido depende de variáveis ​​como taxa de aquecimento e tamanho das partículas. É considerado ideal para manter a estabilidade dimensional em componentes de precisão.

Aplicação da Sinterização em Fase Líquida

Ferramentas de corte

A sinterização em fase líquida com carboneto de tungstênio combinado com sistemas de cobalto é comumente utilizada em ferramentas de usinagem. Esses materiais conferem dureza e tenacidade aos componentes.

Rolamentos e peças de desgaste

Sistemas LPS como Cu-Sn e Al-Pb oferecem alta resistência ao desgaste. Como resultado, são usados ​​na fabricação de componentes aplicados em ambientes isentos de óleo e de alto desgaste.

Eletrônicos

A sinterização em fase líquida também encontrou aplicação em eletrônicos, como capacitores e resistores. Aqui, o sistema LPS, como BaTiO₃–LiF e Ag–Hg, é utilizado devido às suas excelentes propriedades dielétricas.

Automotivo e Aeroespacial

Como a sinterização em fase líquida oferece um alto nível de pureza e precisão nos componentes, ela é amplamente utilizada na fabricação de componentes nas indústrias aeroespacial e automotiva.

Refratários e Turbinas

LPS, no qual materiais como Al₂O₃–SiO₂ e Si₃N₄–Y₂O₃ são utilizados na fabricação de componentes com alta resistência à temperatura. São utilizados em aplicações de alta temperatura, como siderurgia e componentes de turbinas.

Vantagens e desvantagens da sinterização em fase líquida

Vantagens da sinterização em fase líquida

Temperatura de sinterização mais baixa

A sinterização em fase líquida permite que os materiais sejam processados ​​a temperaturas significativamente inferiores aos seus pontos de fusão. Isso resulta em menor consumo de energia, custos de processamento reduzidos e risco minimizado de danos térmicos em materiais sensíveis.

Densificação melhorada

No processo de sinterização em fase líquida, a fase líquida preenche as lacunas entre as partículas sólidas, resultando em um empacotamento mais compacto e na eliminação de poros. Como resultado, são formados componentes mais resistentes e duráveis, considerados ideais para aplicações de suporte de carga e resistência ao desgaste.

Melhor controle da microestrutura

Como o crescimento do grão e a porosidade podem ser controlados no LPS devido à presença de uma fase líquida, isso permite propriedades consistentes do material. Isso reduz a necessidade de usinagem adicional.

Materiais difíceis de densificar ou com alto ponto de fusão

O LPS é especialmente útil para materiais difíceis de densificar usando métodos tradicionais de sinterização, como materiais com metais de alto ponto de fusão e cerâmicas avançadas.

Alta pureza e propriedades uniformes

Durante o processo de sinterização em fase líquida, as condições de sinterização podem ser controladas, resultando na fabricação de microestruturas uniformes e componentes puros.

Resistência Mecânica Superior

Com a ajuda do LPS, é possível produzir microestruturas altamente densas e refinadas, com melhor desempenho mecânico dos materiais. É por isso que o LPS é usado na fabricação de peças robustas, como ferramentas de corte, componentes de motores e ferragens estruturais.

Limitações da sinterização em fase líquida

Distorção de forma (queda)

Se a proporção dos materiais não for controlada e muito líquido se formar durante a sinterização, isso pode levar à distorção no formato dos componentes.

Controle de Processo Difícil

No LPS, tanto as alterações microestruturais quanto a estrutura final são afetadas por parâmetros como taxa de aquecimento e teor de líquido. Por isso, é crucial controlar esses parâmetros.

Interações multifásicas complexas

No LPS, a presença de fases sólida, líquida e de vapor introduz um comportamento complexo devido a diferentes solubilidades, viscosidades e taxas de difusão, juntamente com energias interfaciais.

Previsibilidade reduzida

Como no LPS a sinterização ocorre muito rapidamente e inclui múltiplas variáveis, é mais difícil de prever e modelar do que a sinterização em estado sólido.

Sinterização em estado sólido vs. sinterização em fase líquida

Aqui está a comparação entre a sinterização em estado sólido e a sinterização em fase líquida.