A sinterização por plasma de faísca (SPS), também conhecida como tecnologia de sinterização assistida por campo (FAST), é uma tecnologia moderna sinterização Técnica. Este método mudou fundamentalmente a forma como materiais em pó são compactados em sólidos densos. O SPS é excelente não apenas pela produção rápida de materiais densos, mas também por produtos com microestruturas finas.
Relatórios de mercado da Lucintel no ano passado estimaram que o tamanho do mercado de SPS atingiria US$ 1.83 bilhão até 2030, com uma previsão de crescimento de cerca de 6.2% ao ano durante 6 anos, de 2024 a 2030. O mercado de Sinterização por Plasma Spark desempenha um papel crucial em setores que priorizam condutividade, resistência e estabilidade térmica. Você verá esses setores em uma seção posterior.
Conteúdo
O que é sinterização por plasma de faísca?
A sinterização por plasma de faísca aplica milhares a dezenas de milhares de amperes de corrente contínua pulsada (CC), juntamente com pressão uniaxial, para densificar materiais em pó. O SPS não depende de calor introduzido externamente, mas gera calor internamente. Esse processo é realizado pela passagem de uma corrente elétrica através do material e/ou do ambiente. Isso resulta em taxas de aquecimento mais rápidas, densificação mais rápida e temperaturas de sinterização mais baixas.
O SPS é único devido à sua capacidade de sinterizar materiais em velocidades mais altas, preservando as propriedades intrínsecas do pó e as estruturas de grãos mais finos. Graças à eficiência dessa técnica, aliada ao avanço da ciência dos materiais, houve uma demanda crescente em todos os setores.
Processo de sinterização por plasma de faísca
O processo de sinterização por plasma de faísca geralmente é realizado em vácuo ou em um ambiente com atmosfera controlada. Isso é feito para garantir a pureza e evitar a oxidação. O processo SPS normalmente envolve quatro etapas principais.
Remoção de gás ou criação de vácuo
Primeiro, coloca-se o material em pó em um conjunto de grafite composto por uma matriz e dois punções (que serve como elemento de aquecimento quando a corrente passa por ele). O gás é removido da câmara de vácuo onde se encontram a matriz e os punções, usando uma bomba rotativa de vácuo e difusão. O ar é bombeado para fora para obter uma pressão de cerca de 5 a 10 x 10-3 Pa.
Aplicação de pressão.
O conjunto de grafite é submetido a uma pressão uniaxial, utilizando os eletrodos superior e inferior. A pressão aplicada é de até 150 MPa e a uma temperatura de cerca de 2500oC. Isso garante uma rápida densificação dos materiais em um período de tempo mais curto, porosidade minimizada, crescimento de grãos reduzido e a formação de uma estrutura uniforme.
Aquecimento Joule
A corrente contínua (CC) aplicada à matriz é pulsada, de baixa tensão e alta intensidade. O efeito Joule gera calor rapidamente a uma taxa de 1000 K por minuto quando a corrente passa pela matriz e pelo pó. Esse aquecimento localizado facilita a rápida difusão e a ligação das partículas.
Estudos iniciais acreditavam que a sinterização por plasma de faísca pode densificar rapidamente os pós devido à geração de faíscas ou plasma entre os pós. No entanto, pesquisas agora quase confirmaram que o aquecimento SPS se baseia no calor Joule gerado pela alta resistência nos pontos de contato entre os pós. Não há faísca ou íon no processo de sinterização por plasma de faísca, mas o nome tem sido usado.
Resfriamento
O sinter é resfriado na câmara da máquina SPS. Esse processo controla melhor o processo de solidificação e previne a formação de trincas.
Materiais para SPS
A sinterização por plasma de faísca pode processar uma variedade de materiais, especialmente materiais avançados, graças à sua capacidade de densificação rápida em temperaturas relativamente baixas e em prazos mais curtos. Veja uma análise dos principais tipos:
cerâmico
Com cerâmicas, essa técnica proporciona estruturas de grãos finos, preservação da resistência mecânica e melhora propriedades como dureza e resistência ao desgaste.
- Zircônia (ZrO₂) para implantes dentários e ferramentas de corte.
- Carboneto de silício (SiC) para componentes de motores de alta temperatura.
- Alumina (Al₂O₃) para substratos eletrônicos e componentes isolantes.
Metal
Especialmente aqueles difíceis de processar usando métodos convencionais devido aos seus altos pontos de fusão ou reatividade.
- Titânio (Ti) e suas ligas para aeroespacial e bioimplantes.
- Tungstênio (W) para aplicações de alta temperatura.
- Molibdênio (Mo) para peças elétricas e resistentes ao calor.
Composites
A SPS fabrica compósitos com combinações exclusivas de propriedades como tenacidade e condutividade térmica, por meio de sinterização controlada de múltiplas fases.
- Compósitos de matriz metálica (por exemplo, alumínio reforçado com partículas cerâmicas).
- Compósitos de matriz cerâmica (por exemplo, compósitos de matriz de SiC reforçados com fibras de SiC).
Vantagens e desvantagens da sinterização por plasma de faísca.
O SPS oferece benefícios notáveis, como curto período de tempo, economia de energia, etc. No entanto, ele tem certas limitações, como problemas de escalabilidade, falta de homogeneidade de temperatura, etc. Entendê-los ajudará você a avaliar sua adequação para aplicações específicas.
Os benefícios incluem:
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Temperatura de sinterização mais baixa: O SPS opera em temperaturas 400–500°C mais baixas do que a sinterização tradicional em fase sólida e 100–200°C mais baixas do que prensagem a quente.
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Taxa de aquecimento rápida: A taxa de aquecimento pode atingir dezenas a centenas de graus Celsius por minuto, reduzindo significativamente os ciclos térmicos.
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Tempo de sinterização curto:A sinterização é concluída em apenas 5 a 10 minutos, em comparação com várias horas nos métodos convencionais.
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Alta pressão de sinterização: O SPS aplica pressões que variam de dezenas de MPa a até 1 GPa, permitindo que até mesmo materiais difíceis de sinterizar, como WC e SiC, se densifiquem facilmente.
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Controle de microestrutura: O processo permite o controle preciso da microestrutura durante a sinterização.
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Não é necessária pré-moldagem: O pó pode ser compactado e sinterizado diretamente em uma única etapa, eliminando a necessidade de pré-compactação.
As limitações incluem:
- Alto custo de manutenção de máquinas e equipamentos de sinterização por plasma por faísca.
- Gerenciar ou manter condições de sinterização para escalas maiores pode ser muito desafiador.
- O SPS apresenta um alto risco de microestruturas irregulares porque é difícil manter uma temperatura uniformemente distribuída dentro do curto tempo de subida.
Aplicações do SPS
O SPS é amplamente utilizado em vários setores, como automotivo, eletrônico, etc.
- Indústrias Aeroespacial e Automotiva: Eles são usados para fabricar componentes leves e de alta resistência para aeronaves e veículos.
- Eletrônicos: Fabricação de componentes eletrônicos, especialmente aqueles usados em aplicações de alta temperatura.
- Armazenamento de energia: Usado para produzir componentes como eletrodos para tecnologias de baterias de estado sólido.
- Implantes biomédicos: Produção de biomateriais e implantes cirúrgicos compatíveis utilizados para aplicações ortopédicas e odontológicas.
- Ferramentas de corte e materiais de alto desempenho: O SPS é usado para produzir ferramentas duras que são resistentes ao desgaste, eficientes para perfuração, corte e usinagem.
SPS vs Sinterização Convencional
| Recursos | Sinterização Convencional | Sinterização por plasma de faísca (SPS) |
|---|---|---|
| Método de aquecimento | Utiliza métodos de aquecimento externo, como fornos. | Utiliza corrente contínua pulsada para gerar calor internamente. |
| Taxa de aquecimento | 5 a 10°C por minuto (lento). | 100°C por minuto (rápido). |
| Requisito de temperatura | Precisa de uma temperatura externa alta. | Baixa temperatura de sinterização necessária, com redução de cerca de 20–30%. |
| Tempo de Processamento | Leva várias horas. | Leva minutos. |
| Propriedades materiais | Crescimento significativo de grãos e alterações na microestrutura, o que pode causar degradação de propriedades. | Grão fino com crescimento mínimo, preserva propriedades intrínsecas e estrutura uniforme. |
| Aplicações | Materiais tradicionais, como cerâmica e metais, adequados para tolerância a altas temperaturas. | Materiais avançados, compósitos, alta precisão e nanomateriais. |
Alguns compósitos de matriz cerâmica são difíceis de densificar usando sinterização por metalurgia do pó convencional Devido às ligações covalentes muito fortes em sua estrutura cristalina e aos baixos coeficientes de autodifusão, a sinterização por plasma de faísca (SPS) oferece uma nova abordagem.
Perguntas frequentes
1. Qual é a diferença entre SPS e prensagem a quente?
SPS é um tipo de processo de prensagem a quente. A maior diferença entre o SPS e a prensagem a quente tradicional é o método de aquecimento. O SPS utiliza corrente contínua para passar intermitentemente pela compactação do pó, enquanto a prensagem a quente utiliza o aquecimento elétrico tradicional.
2. A sinterização por plasma de faísca é adequada para produção em massa?
Sim, é adequado para produção em massa e de médio porte, especialmente para peças de pequeno ou médio porte.
3. Como o SPS afeta o crescimento dos grãos?
Embora o SPS seja conhecido por reduzir o crescimento de grãos devido ao uso de temperaturas de sinterização mais baixas e alta pressão, ele também pode causar crescimento de grãos. Isso geralmente ocorre na fase final do processo de sinterização devido a estresses, como altas temperaturas ou mudanças nos ciclos de pressão.