Liga Mecânica

com Moinhos de Bola

A produção tradicional de ligas tipicamente envolve a fusão de componentes em altas temperaturas para criar materiais como o aço inoxidável. No entanto, quando apenas pequenas quantidades são necessárias ou a fusão não é viável para a liga, a liga mecânica oferece uma alternativa viável. Esse processo utiliza moinhos de bolas para soldar e fundir partículas de pó através de uma combinação de impacto e deformação plástica.

No final dos anos 1960, esse método foi empregado para produzir ligas de níquel-ferro. Elas são resistentes a altas temperaturas e adequadas para aplicações aeroespaciais. A liga mecânica é uma técnica de processamento de pó que alcança homogeneidade no material por meio da soldagem a frio repetida, fraturamento e re-soldagem das partículas de pó.

_{Princípio da liga mecânica}

Initially, larger particles are produced this way. Increased defect structures such as dislocations, gaps and tension in the crystal lattices of the individual particles lead to an elevated diffusion rate of their atoms. This results in increased embrittlement which promotes the formation of cracks and a subsequent breaking of the particle. The diffusion is supported by a temperature rise generated by frictional heat in the grinding jar. The process of fusion and folding continues until complete homogenization is achieved after a few minutes or several hours. Diminutive crystalline sections of adjacent initial components are formed in the powder particles which are called “nano crystallites”.

A entrada de energia necessária durante a liga mecânica é fornecida por moinhos de bolas de alta energia e moinhos de bolas planetários através de colisões impactantes. As bolas de moagem fazem com que as partículas finas sofram deformação plástica, levando à fusão dos materiais. Esta técnica possibilita a produção de ligas quando métodos tradicionais de fusão de metais são ineficazes. Ela também permite ajustes nas proporções de mistura dos componentes. Eles também permitem a pré-moagem das amostras para reduzir o tamanho das partículas.

_{Micrografia óptica de secção transversal de partícula de pó de ferro-tântalo-cobre (FeTaCu) mecanicamente ligada após 5 horas}

_{Imagem de microscopia eletrônica de varredura (MEV) de um pó de FeTaCu mecanicamente ligado após 20 horas (vista superior)}

Moinhos adequados para Liga Mecânica

Moinho de bolas de alto desempenho Emax

O Moinho de Bolas de Alta Energia Emax é projetado para fresagem de alta energia, apresentando uma velocidade de 2.000 min-1 combinada com um design único de pote de moagem que produz uma energia de redução de tamanho substancial. Um enorme aporte de energia de até 76 g é alcançável.

O Emax opera com um duplo mecanismo de alto impacto e fricção intensa, resultando em um aporte de energia elevado adequado para moagem rápida na faixa de nanômetros e para ligações mecânicas. Esse efeito é alcançado por meio do formato oval e do movimento dos potes de moagem, que seguem um caminho circular sem alterar sua orientação, melhorando a mistura das partículas e alcançando tamanhos de moagem mais finos e uma distribuição de tamanho de partícula mais uniforme.

O Emax é equipado com um sistema especializado de resfriamento líquido que dissipa eficientemente o excesso de energia térmica, garantindo que a amostra não superaqueça, mesmo durante períodos prolongados de moagem. Os potes de moagem são resfriados internamente com água, permitindo a moagem contínua sem interrupções na maioria dos cenários. Um chiller externo pode ser conectado ao sistema de resfriamento interno do Emax para uma redução adicional da temperatura. Além disso, o modo de controle de temperatura permite que os usuários definam temperaturas mínimas e máximas, com a moagem continuando até que a temperatura máxima seja atingida, seguida de uma pausa para resfriamento até que a temperatura mínima seja alcançada. Isso garante que as pausas de moagem sejam otimizadas, eliminando a necessidade de tentativa e erro para determinar as durações corretas. No total, o Emax é ideal para ligações mecânicas.

Emax

Moinho Planetário de Bolas

Moinhos de bolas planetários têm sido utilizados muitas vezes para liga mecânica. Em um moinho de bolas planetário, cada pote funciona como um "planeta" que orbita em uma plataforma conhecida como "roda solar". À medida que a roda solar gira, o pote também roda em seu próprio eixo, mas na direção oposta. Esse movimento ativa forças centrífugas e de Coriolis, fazendo com que as bolas de moagem acelerem rapidamente. O resultado é uma energia de pulverização significativa que produz partículas extremamente finas.

A intensa aceleração das bolas de moagem de um lado do pote para o outro cria um impacto poderoso na amostra, levando a uma redução adicional do tamanho por meio de fricção. Tipicamente, a relação de velocidade entre a roda solar e o pote de moagem é de 1:-2, significando que o pote faz duas rotações para cada rotação única da roda solar. Esta proporção é padrão para a maioria dos moinhos de bolas planetários. Para aplicações de liga mecânica, moinhos de bolas planetários com uma entrada de energia mais alta e uma relação de velocidade de 1:-2.5 ou mesmo 1:-3 são particularmente eficazes.

Ao contrário do Emax, esses moinhos podem acomodar potes de moagem maiores de até 500 ml. O Moinho de Bolas Planetário PM 300, com sua grande roda solar e uma velocidade máxima de 800 rpm, entrega uma entrada de energia muito alta, resultando em forças g de até 64.4 g. Com duas estações de moagem, o moinho pode usar simultaneamente até quatro potes de moagem variando de 12-80 ml para testes. Potes maiores de até 500 ml também estão disponíveis para processos de escalonamento na mesma máquina. Isso, especialmente o PM 300, oferece as melhores características para processos de liga mecânica.

Planetary Ball Mills

Exemplo de Materiais Termoelétricos via Liga Mecânica

Silício e germânio são materiais semicondutores fundamentais que revolucionaram o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos, incluindo células fotovoltaicas e transistores. Variando as proporções de Si e Ge, as propriedades dessas ligas podem ser modificadas, afetando o tamanho atômico, diferenças de massa e lacunas de energia.

Ligas termoelétricas compostas de Si e Ge são utilizadas em missões espaciais dentro de termogeradores radioisotópicos para alimentar sondas espaciais e instrumentos. Para aplicações comerciais termoelétricas, materiais baseados em telureto de bismuto (Bi2Te3) são primordiais devido à sua superior eficiência de conversão. Elementos Peltier de telureto de bismuto são empregados em sistemas de refrigeração. Anteriormente, moinhos de bolas planetários foram usados para a liga mecânica de Si e Ge, mas eles encontraram vários problemas. O novo Moinho de Bolas de Alta Energia Emax aborda esses problemas ao prevenir a aglomeração do material em altas velocidades, eliminando assim a necessidade de longas pausas e reduzindo o tempo total de processamento. A tecnologia do Emax facilita um processamento eficiente e mais rápido.

3,63 g de Si e 2,36 g de Ge foram combinados em um pote de moagem de carboneto de tungstênio de 50 ml usando oito bolas de moagem de 10 mm, com uma relação amostra para bola de 1:10. Inicialmente, Si e Ge tinham tamanhos de partículas de 1–25 mm e 4 mm, respectivamente. Após uma moagem de 20 minutos a 2.000 rpm, ambos foram pulverizados sem aglomeração. A liga mecânica prosseguiu por nove horas a 1.200 rpm, com intervalos de moagem de uma hora seguidos por pausas de um minuto para reversão de rotação para prevenir aglomeração. Difração de raios X (XRD) mediu o material de partida, mostrando os padrões de linhas distintos de Si e Ge, que desapareceram com o tempo. Ao longo do processo, os componentes da liga permaneceram em pó, e a temperatura do Emax ficou abaixo de 30°C. Após nove horas, os pós ainda eram cristalinos com pouco ou nenhum material amorfo.

_{Difratograma de pó de Si (vermelho) e Ge (verde) no início da liga mecânica. A parte superior mostra todo o intervalo de medição de 10° a 60°. Na parte inferior, reflexos detalhados do plano de rede 111 de Si e Ge são reconhecíveis.}

_{Difratograma de pó após cinco horas de liga mecânica no Emax. A parte superior mostra todo o intervalo de medição. As linhas teóricas de Si (vermelho) e Ge (verde) são exibidas para referência. No diagrama detalhado inferior, o progresso na liga mecânica torna-se visível (deslocamento do reflexo 111 e colapso dos reflexos de Si e Ge).}

_{Os reflexos 111 das amostras após cinco, oito e nove horas são mostrados. A largura do pico diminuiu ligeiramente e o máximo do pico foi ligeiramente deslocado, indicando que o processo estava quase terminado após apenas cinco-seis horas.}

Resultados apresentados por Amalia Wagner. Instituto de Química Inorgânica e Analítica, Universidade Albert Ludwigs^[1]

Influência da relação pó-para-bola nos resultados obtidos por liga mecânica

Para a liga mecânica, a abordagem para o preenchimento de bolas desvia da regra convencional de um terço (1/3 de bolas, 1/3 de amostra, 1/3 de espaço vazio), devido à frequente necessidade de alta aceleração e à ocasional escassez de material da amostra (reagentes). O foco muda para o uso de uma relação de massa específica, que requer consideração da quantidade do reagente e uma decisão clara sobre a relação de massa a ser empregada. Adicionalmente, o tamanho das bolas deve ser determinado para calcular a quantidade requerida de bolas, usando seu peso específico, que varia com o tamanho e o material. Uma vez que o número de bolas é ascertado, o tamanho do pote de moagem necessário torna-se aparente. Dado que a quantidade de amostra nos potes é geralmente muito pequena, há um risco maior de danificar tanto as bolas quanto os potes, do que aderindo à regra tradicional de um terço.

Uma relação de massa (w/w) de 1:10 é comumente usada para liga mecânica, mas 1:5 ou 1:15 também são possíveis. Isso significa que quando se usam 15 g de reagentes, são necessários 150 g de bolas. Como um alto impacto é necessário, bolas >10 mm são muito comuns para liga mecânica. 150 g = 20 x 10 mm bolas de carboneto de tungstênio de 7,75 g cada. Para 20 x 10 mm bolas, um volume mínimo de pote de 50 ml é necessário, melhor ainda 80 ml (veja os preenchimentos de pote recomendados nas páginas de produtos de moinhos de bolas planetários).

Jarro de moagem volume nominal	Quantidade da amostra	Tamanho max. da alimentação	Carga de bola recomendada (peças)
Jarro de moagem volume nominal	Quantidade da amostra	Tamanho max. da alimentação	Ø 5 mm	Ø 7 mm	Ø 10 mm	Ø 15 mm	Ø 20 mm	Ø 30 mm
12 ml	até ≤5 ml	<1 mm	50	15	5	-	-	-
25 ml	até ≤10 ml	<1 mm	95 – 100	25 – 30	10	-	-	-
50 ml	5 – 20 ml	<3 mm	200	50 – 70	20	7	3 – 4	-
80 ml	10 – 35 ml	<4 mm	250 – 330	70 – 120	30 – 40	12	5	-
125 ml	15 – 50 ml	<4 mm	500	110 – 180	50 – 60	18	7	-
250 ml	25 – 120 ml	<6 mm	1100 – 1200	220 – 350	100 – 120	35 – 45	15	5
500 ml	75 – 220 ml	<10 mm	2000	440 – 700	200 – 230	70	25	8

A tabela mostra as cargas recomendadas (em peças) de bolas de moagem de diferentes tamanhos em relação ao volume do pote de moagem, quantidade da amostra e tamanho máximo de alimentação.

Se a relação bola-para-pó for muito alta, as bolas não conseguem se mover de forma eficiente, reduzindo a eficiência do processo de liga. Para determinar a eficácia de diferentes relações pó-para-bola de moagem, um experimento foi conduzido usando um pote de moagem de aço de 50 ml e dez bolas de moagem de aço de 10 mm. Para uma relação de 1:10, foram usados 2,09 g de bismuto e 1,91 g de telúrio, enquanto uma relação de 1:5 envolveu 4,18 g de Bi e 3,83 g de Te. Os materiais foram processados por 70 minutos a 800 rpm, com ciclos de 10 minutos de moagem seguidos por um minuto de pausa para reversão programada da direção. Análise de DRX foi realizada após a primeira hora de liga mecânica. Ela revelou um deslocamento nos reflexos de Bi e Te em direção a Bi2Te3, indicando a formação da liga. A relação de 1:10 mostrou uma formação ligeiramente mais rápida de Bi2Te3. A amostra com uma relação de 1:5 teve uma intensidade maior do reflexo de telúrio, sugerindo mais telúrio residual em comparação com a amostra de 1:10. O processo de liga continuou por mais três horas a 1,200 rpm sem aglomeração. Liga mecânica anterior de Bi2Te3 em um moinho misturador levou 6,5 horas a 1,200 rpm. No entanto, usando o Moinho de Bolas de Alta Energia Emax, o processo foi concluído em apenas duas a três horas.

_{Difratograma de pó após uma hora de liga mecânica de Bi e Te no Emax, relação pó para bola de 1:10 (esquerda), relação pó para bola de 1:5 (direita).}

Resultados apresentados por Uwe Pelz, Instituto de Química Inorgânica e Analítica, Universidade Albert Ludwigs ^[1]

A influência do material da ferramenta de moagem e da velocidade da máquina

A influência dos materiais usados para potes e bolas de moagem é significativa na eficiência da liga. Dois fatores chave são o aporte de energia, que se correlaciona com a densidade do material, e a resistência à abrasão do material. A velocidade do moinho também afeta o aporte de energia, que aumenta com a densidade do material e a velocidade do moinho. Materiais de alta densidade como o carboneto de tungstênio resultam em uma maior aceleração das bolas de moagem em uma velocidade dada, levando a um impacto de energia mais alto na amostra e uma ação de trituração mais eficaz. No entanto, para materiais dúcteis, energia excessiva pode impedir processos de liga eficazes, fazendo com que a amostra forme uma camada que adere ao pote e encapsula as bolas de moagem, perturbando a formação de nanocristalitos e complicando a recuperação da amostra. A alta resistência à abrasão do carboneto de tungstênio é vantajosa na minimização do desgaste.

Trabalhando sob atmosfera inerte ou medindo temperatura e pressão

Os potes de moagem EasyFit são projetados para condições exigentes, incluindo testes de longo prazo a velocidades de até 800 rpm, altas cargas mecânicas e ligações mecânicas. Eles são compatíveis com todos os moinhos de bolas planetários da RETSCH. A série EasyFit introduz o recurso Avançado Anti-Torção (AAT) na base dos potes de 50-500 ml, garantindo fixação segura e desgaste reduzido, mesmo em altas velocidades. A gama de potes de moagem tem três categorias de diâmetro—12-25 ml, 50-125 ml e 250-500 ml—com tampas intercambiáveis dentro das categorias. A atmosfera também pode influenciar o sucesso do processo de liga mecânica, mais precisamente o oxigênio pode levar à formação de óxidos metálicos, de modo que o metal fica menos disponível para a formação dos cristais mistos desejados. As tampas de aeração facilitam operações em atmosfera inerte, permitindo a introdução de gases como argônio ou nitrogênio. O sistema opcional PM GrindControl mede pressão e temperatura. Tanto as tampas de aeração quanto o GrindControl podem ser personalizados com diferentes inserções, tornando-os versáteis para vários materiais de potes. Os potes Emax também suportam esses recursos.

_{Tampa de aeração e diferentes inserções para alterar o material da ferramenta de moagem}

GrindControl

Influência da temperatura nos processos de liga mecânica

A temperatura pode afetar significativamente o processo de liga mecânica. Se o sistema, incluindo potes, bolas e amostra, superaquecer, os materiais tornam-se mais dúcteis, levando à formação de partículas maiores ou de uma camada nas superfícies das bolas e do pote, o que pode diminuir a eficiência. A temperatura pode ser gerenciada ajustando a velocidade do moinho. O resfriamento ativo dos potes é outro método eficaz para evitar a formação de partículas maiores, melhorando a homogeneidade das partículas e, assim, a formação de estruturas de cristais mistos em seus núcleos^[3]. O CryoMill e o MM 500 control são particularmente úteis para esse propósito, pois podem manter temperaturas tão baixas quanto -196°C ou -100°C durante o processo. Ambos os moinhos de mistura são adequados para liga mecânica.

MM 500 control

CryoMill

Moinhos Misturadores

Volumes de amostra até 6 x 20 ml
Granulometria Final*: 0.1 µm
Ruptura celular por batimento de esferas
Moagem por impacto e fricção
Para a linha de produtos

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Liga Mecânica - FAQ

Quais moinhos de mistura são mais adequados para ligações mecânicas?

Moinhos de mistura usados para ligações mecânicas também foram descritos na literatura. Novamente, moinhos de mistura com alta velocidade (até 35 Hz) e, portanto, entrada de energia como o MM 500 vario ou o MM 500 nano são benéficos. Como o controle de temperatura também é importante para os processos de ligações mecânicas, o CryoMill e o MM 500 control são boas opções.

Por que os moinhos de bolas planetários são populares para ligações mecânicas?

Esses moinhos são muito versáteis em termos de tamanhos de potes (12-500 ml), número de potes que podem ser usados ao mesmo tempo (até oito) e o material dos potes. O número e o tamanho das bolas de moagem permitem testar diferentes condições nos processos de ligações mecânicas. Finalmente, as tampas de aeração permitem a moagem em atmosferas inertes.

E sobre o Emay e seus benefícios para ligações mecânicas?

O Emax oferece um enorme aporte de energia de até 76 g, o que é benéfico para ligações mecânicas. Além disso, os potes podem ser resfriados, permitindo um melhor controle do processo de ligações mecânicas. Tampas de aeração estão disponíveis e diferentes materiais e tamanhos de potes de até 125 ml.

Referências

[1] Pictures and experiments by A. Wagner, U. Pelz, Institute of Inorganic and analytical chemistry, Albert Ludwigs University [2] E. Botcharova, M. Heilmaier, L. Schultz: Copper-niobium alloys and a process for their production, German patent DE 102 10 423 C1 [3] Dissertation Ekatarina Bocharova, Faculty of Mechanical Engineering, Dresden University of Technology