Thermo-mechanical modelling and numerical simulation of sintering processes

Abstract

A metalurgia do pó é uma indústria vincada no fabrico de componentes de metal duro. Este tipo de indústria tem a característica de produzir peças de elevada complexidade através de pó metálico. Nos vários estágios que caracterizam a metalurgia do pó, dois são essenciais: o processo de compactação e o processo de sinterização. No processo de compactação, a preocupação está em produzir um corpo poroso, em que tenha as características mecânicas ideias para prosseguir para o estágio de sinterização. Assim, a compactação de pós metálicos pode ser simulada recorrendo a modelos contínuos elasto-plásticos adoptados da mecânica dos solos. Estes modelos são normalmente implementados em código de elementos finitos e são usados para investigar as propriedades mecânicas do pó durante a compactação. No presente estudo demonstra-se o comportamento do fluxo do pó metálico, um aglomerado de aço inóxidável, que é descrito pelo modelo modificado elasto-plástico Druker/Prager-Cap desenvolvido para aplicações em pó. O código de elementos finitos com o modelo Druker/Prager-Cap foi usado para modelar os estágios de compressão e descompressão da compactação do pó. Os parâmetros usados no modelo Druker/Prager-Cap foram obtidos da literatura. Este modelo foi implementado com a sub-rotina UVARM e a densidade relativa no final do estágio de compactação foi previsto. No estágio de sinterização, o objetivo principal é obter um corpo denso. Assim, foi implementado um modelo preciso no programa de simulação numérica que é necessário para representar o processo eficazmente. Os comportamentos de densificação e Creep do pó de aço inoxidável foi simulado e o modelo de material foi implementado conectando à sub-rotina Creep com o código de elementos finitos Abaqus. Esta abordagem é baseada em teorias contínuas de deformações de elásticas e viscosas não lineares de corpos porosos. A porosidade é atualizada durante a simulação. Crescimento de grão, gravidade, expansão térmica, ondutividade térmica e outros fatores heterogéneos são também considerados durante a simulação. Aplicação em modelo axissimétricos é feito e o resultado da simulação ao nível da contração volumétrica e a distribuição de densidades são discutidos.

Powder metallurgy is a well establish industry in the prodution of hard metal reference industry amongst metallic components industries. This type of industry has the quality of producing pieces with high complexity through metallic powder. Powder metallurgy, in the many steps that characterizes, there is two major steps: the compaction process and the sintering process. In the compaction process, the major on concern is in producing a porous body, the green compact, which mechanic characteristics are the ideal for proceeding to the sintering stage. Therefore, the compaction of metallic powders can be simulated using phenomenological elasto-plastic continuum models adapted from soils me mechanics. These models are typically implemented in finite element codes and are used to investigate the macroscopic property distributions in powders during compaction. The present study demonstrates the flow behaviour of a metallic powder, an agglomerated stainless steel, that is described by the modified Druker-Prager/ Cap elasto-plasticity model developed for powder applications. A commercial finite element code implementing the Druker-Prager/Cap model was used to model the compression and de compression stages of powder compaction. The parameters used in the Druker-Prager/Cap model were obtained from the literature. This model was implemented with a user subroutine UVARM and the relative density at the end of the compaction stage was predicted. In the sintering stage, the main goal is to obtain a full dense body. Therefore, an implementation of an a curate sintering model into a finite element simulation program is necessary for representing the process efficiency. The densification and creep behaviour of stainless steel powder during free sintering was simulated and the material model was implemented by linking the CREEP subroutine to the Abaqus finite element code. This approach is based upon the continuum theories of elastic and non-linear-viscous de-formation of porous bodies. The porosity is updated during the simulation. Grain growth, gravity, thermal expansion, thermal conductivity, and other heterogeneous factors are also considered during the simulation. Application in an axysimmetric model is made and simulation results of axial shrinkage and density distribution is discussed after sintering.