Lição 9.4MoldarCapítulo 9 · Pós e cerâmicas

Sinterização por plasma de faísca (SPS)

Corrente pulsada aquece uma matriz de grafite prensada em minutos

A sinterização por plasma de faísca (SPS) prensa o pó em uma matriz de grafite enquanto uma enorme corrente elétrica pulsada passa por ela. A própria matriz se aquece, então o pó vira um sólido denso em minutos, em vez de horas. Laboratórios a usam para fazer novos materiais, como cerâmicas ultraduras, que fornos comuns têm dificuldade em densificar.

Foto: Raihan.Rumman, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Sinterização por plasma de faísca · coluna da prensa, circuito de corrente, densificaçãoA coluna da prensa está desenhada cortada ao meio; o painel à direita mostra o que acontece dentro da matriz e o que sai. Os números em círculo correspondem às etapas.

Como funciona

Encha a matriz. O pó é despejado em uma matriz de grafite (um tubo grosso) entre dois punções de grafite. A matriz costuma ser forrada com folha de grafite para a peça soltar.
Carregue e faça vácuo. O conjunto da matriz vai entre os pistões refrigerados a água de uma prensa dentro de uma câmara. O ar é bombeado para fora (vácuo) ou trocado por argônio, para o grafite quente e o pó não queimarem.
Prense e passe corrente. Os pistões prensam a geralmente 30–100 MPa enquanto uma fonte envia corrente contínua pulsada, milhares de amperes a poucos volts, pelo grafite. A matriz se aquece por dentro por resistência elétrica, como o fio de uma torradeira, a 100 °C por minuto ou mais. Apesar do nome, em geral não há faísca nem plasma.
Mantenha por pouco tempo. Após geralmente 5–10 minutos na temperatura máxima (muitas vezes 1.000–2.000 °C, conforme o material), as partículas se ligam e os poros são expulsos. O pistão desce à medida que o pó contrai, o que indica quando está denso.
Resfrie e ejete. Com a energia desligada, os pistões refrigerados a água retiram o calor rapidamente. O disco denso é empurrado para fora da matriz, e sua pele de grafite é retificada antes do corte ou do acabamento.

Dados-chave

Materiais: Cerâmicas (alumina, carboneto de silício, boretos), metais duros, tungstênio e outros metais de alto ponto de fusão, termoelétricos, compósitos, pós muito finos
Peças típicas: Discos e blocos simples: alvos de sputtering, placas de blindagem, blanks de ferramentas de corte, amostras de pesquisa
Tamanho da peça: Principalmente discos de 10–50 mm em laboratórios; máquinas industriais fazem peças de até algumas centenas de milímetros de largura
Precisão: Bruta como sinterizada: o diâmetro é definido pela matriz, a espessura com menos exatidão; as tolerâncias finais vêm da retificação
Acabamento superficial: Uma pele cinza de grafite, retificada ou polida depois
Tamanho de lote adequado: De peças únicas a lotes pequenos: pesquisa, protótipos e peças especiais
Custo de ferramental e máquinas: Matrizes de grafite são consumíveis que custam de dezenas a centenas de dólares; máquinas vão de algumas centenas de milhares de dólares (laboratório) a milhões (industrial)
Velocidade: Geralmente 10–30 minutos por ciclo mais o resfriamento, uma peça ou uma pequena pilha por vez

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Muito rápida: minutos em vez de horas
Mantém os grãos (os minúsculos cristais do material) muito finos, o que pode torná-lo mais resistente ou até transparente
Densifica materiais difíceis de sinterizar, como boretos e carbonetos, muitas vezes sem aditivos
Pode unir camadas de materiais diferentes em um só ciclo

Limites

Só formas simples: discos, blocos, cilindros curtos
Peças pequenas e baixa produção por máquina
O ferramental de grafite limita a pressão a cerca de 100 MPa e pode adicionar carbono à superfície
A temperatura pode ser desigual em peças grandes ou em pós que não conduzem

Onde é usado

Laboratórios de pesquisaNovas cerâmicas, ligas e compósitos; testes rápidos de muitas receitas
EletrônicaMateriais termoelétricos, alvos de sputtering para revestimento de películas finas
Defesa e aeroespacialBlindagem de carboneto de boro, cerâmicas para calor extremo
FerramentasBlanks de ferramentas de corte e peças de metal duro
ÓpticaCerâmicas transparentes, como janelas de espinélio, principalmente em escala de pesquisa

Como reconhecê-lo

Discos planos ou cilindros curtos com exatamente a forma de uma matriz redonda.
Uma pele cinza de grafite em peças não acabadas.
Faces retificadas em quase toda peça acabada, já que as peças de SPS raramente são usadas como saem.

Compare com

Prensagem isostática a quente (HIP)9.3prensa com gás de todos os lados e lida com formas complexas, mas um ciclo leva horas.Metalurgia do pó9.1prensa a frio e depois sinteriza em um forno separado; muito mais barata por peça, mas menos densa.Sinterização por micro-ondas9.5também aquece por dentro para ganhar velocidade, mas com micro-ondas em vez de corrente, e sem pressão.

Assista

Prof. Neha Gupta · O princípio: corrente pulsada por uma matriz de grafite sob pressão

Haoyuevac · Um ciclo real de laboratório, com a matriz brilhando ao aquecer

ThermalTechnology1 · Um sistema industrial: câmara, coluna da prensa e controles

Taylor Sparks · Para que a SPS é usada na indústria, e seus limites

Veja fotos reais

Wikipédia: Sinterização por plasma de faísca — outros nomes (FAST, PECS), taxas de aquecimento e materiais; principalmente texto
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A SPS aquece a matriz e o pó diretamente com uma grande corrente pulsada enquanto prensa.
Minutos em vez de horas mantêm os grãos finos e densificam materiais duros.
É um processo de laboratório e especial, para discos e blocos simples, não para produção em massa.