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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II (EM307)2º Semestre

2005/06

4. Processamento de Materiais Cerâmicos

F. Jorge Lino Alves

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Resumo

4. Processamento de Materiais Cerâmicos

– Processos utilizados na fabricação dos materiais cerâmicos.

– Processamento e mistura dos pós (uso de ligantes orgânicos e inorgânicos.

– Conformação.

– Densificação.

– Maquinagem final e avaliação da qualidade final do produto acabado.

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Produção de Peças Cerâmicas

As peças cerâmicas podem ser obtidas por FUSÃO ou SINTERIZAÇÃO

Devido ás elevadas temperaturas de fusão dos materiais cerâmicos torna-se muito dispendioso e tecnologicamente complicado utilizar as técnicas tradicionais de vazamento (fusão) com este materiais.

1. Preparação dos Materiais

1.1. Selecção das matérias primas

• Pós cerâmicos (reactividade)

Importante ter em atenção o grau de pureza ( ($) extremamente importante nas cerâmicas técnicas, caso da alumina) e a distribuição granulométrica

• Ligantes

• Lubrificantes

• Desfloculantes

• Ajudantes de sinterização

Molochites

Pós obtidos por spray-drying

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Esferas de moagem

Revestimentoresistente ao desgaste

Cilindro com tampa amovível

Barbotina contendo em suspensão as partículas a moer

Rolos revestidos com borracha ligados por uma correia a um motor

1.2. Moagem e mistura

• Pó

• Pasta

• Suspensão

Diâmetro esférico equivalente (µm)

Mas

sa a

cum

ulad

a (%

)

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Matérias Primas

Selecção + Purificação

Moagem + Mistura

Pó Pasta Suspensão (barbotina)

Extrusão Filtro-Prensagem Atomização Vazamento

Prensagem

Secagem

MATERIAL CERÂMICO

Cozedura (Sinterização)

Cerâmico Verde

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2. CONFORMAÇÃO

2.1. Prensagem

2.1.1. Prensagem uniaxial

Prensagem uniaxial a frio

A mistura é prensada uniaxialmente num molde com a forma da peça a obter (tem que se ter em conta contracções, contra-saídas, etc.).

Vantagens:• produção rápida de grande variedade de formas

• uniformidade de formas e tolerâncias apertadas

Desvantagens:• não uniformidade de propriedades ao longo de toda a peça

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Cerâmicos tradicionais

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Prensagem uniaxial a quente (HP - Hot Pressing)

Melhores propriedades mecânicas e maiores densidades do que na sinterização sem pressão (pressureless sintering).

Isolamento térmico

Espaçador da cavidade

Bobines de arrefecimento

Elemento estrutural

Vedante arrefecido a água

Elemento estruturalde isolamento

Espaçador

Blocos da cavidade

Base arrefecida a água

Veio hidráulico arrefecido a água

Forno típico de prensagem a quente (HP)

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2.1.2. Prensagem isostática

Prensagem isostática a frio

O cerâmico (pré-forma ou pó) é colocado num molde flexível (geralmente borracha) dentro de uma câmara com um fluido hidráulico ao qual é aplicado uma pressão isostática.

A pressão aplicada compacta uniformemente o pó ou pré-forma em todas as direcções.

Aplicações:• Ferramentas de corte

• Cadinhos

• Velas de ignição

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Prensagem isostática a quente (HIP - Hot Isostatic Pressing)

Melhores propriedades mecânicas e maiores densidades do que na sinterização sem pressão ou com pressão uniaxial (HP).

Encapsulamento para HIP

Pressão em todas

as direcções,

a uma dada

temperatura e tempo

Membrana impermeável

P

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2.2. Slip casting (vazamento de barbotinas em moldes porosos)

Processo utilizado para obter louça sanitária, jarros, etc.

FASES DO PROCESSO

1. Preparação (pesagem, moagem, etc.) de uma suspensão estável (partículas cerâmicas + água + aditivos)

Preparaçãoda

barbotina

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2. Vazamento num molde poroso (normalmente gesso).

3. Controle T, e t por forma a obter a espessura de cerâmico desejada, removendo-se a restante suspensão.

Fabrico do molde em gesso

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4. Secagem do material moldado, retirar dos moldes.

5. Preparação e pré-cozedura a 900ºC (chacotagem)

Colagem dos diversos componentes das peças

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6. Pintura, aplicação do vidrado e cozeduraAs peças podem ir diversas vezes ao forno porque as diferentes cores não podem ser aplicadas de uma única vez. Há casos em que as pinturas são aplicadas por cima do vidrado (suspensão rica em quartzo, previamente misturado com sais de sódio (carbonatos, bicarbonatos, sulfatos ou cloretos) e/ou outros aditivos).

Vantagens:

• Obtenção de paredes finas e formas complicadas de espessura uniforme

• Desenvolvimento de protótipos e obtenção de pequenas séries

• A evolução deste processo passa pela utilização de pressão e vácuo

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2.3. Vazamento de uma barbotina cerâmica em moldes não porosos

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2.4. Processo dos modelos perdidos

Processo da cera perdida (investment casting)

Processo extremamente versátil com cadências de produção extremamente baixas.

Cera vazada (pressão de 4 bar) a temperaturas da ordem dos 60˚C.Os alimentadores são geralmente feitos com cera reciclada.

BARBOTINAS• Contêm um agente molhante e um agente anti-espumante• Sílica coloidal (seca ao ar durante 2-3 dias), silicato etilo é de secagem mais rápida.• Molochite (resiste até temperaturas de cerca de 1200˚C) com diferentes granulometrias.• Zircão quando se pretende vazar aço (utiliza-se apenas na primeira e/ou 2ª camada porque resiste a temperaturas

mais elevadas).• As camadas seguintes são realizadas com materiais cerâmicos de custo mais baixo.• Diferentes granulometrias - as primeiras camadas são extremamente finas – permitem dar uma boa pele ao metal.

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Para a injecção das ceras podem ser utilizados diferentes tipos de moldes (silicone, resina carregada com partículas de alumínio, moldes maquinados em Al, moldes revestidos por metalização, etc.).

A condutividade térmica deste tipo de moldes é bastante importante uma vez que condiciona o número de peças de cera que podem ser injectadas por unidade de tempo.

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Modelos perdidos (conversão directa)

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2.5. Extrusão

Utilizada na produção de tubos, tijolos refractários e telhas de canudo

Nalguns tipos de cerâmicos utiliza-se a extrusão com pistão, aplicando-se grandes pressões (tolerâncias dimensionais mais apertadas).

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Secagem remove água (< 100°C) - 24 h em peças grandes

Ligantes - 200-300°C, temperaturas mais elevadas para alguns hidrocarbonetos

CalcinaçãoImpurezas tais como o C e S combinam-se com o oxigénio (CO / CO2 e SO2) e difundem-se para o exterior .Sem esta fase do tratamento térmico as peças podem inchar devido a formar-se inicialmente uma película exterior (primeira a sinterizar) dura e não porosa que impede a difusão dos gases para o exterior.

3. Tratamentos Térmicos

3.1. Secagem e remoção dos ligantes e impurezas

1650°C, 1/2 h

2 h 20 m

950°C, 16 h

3 h

910°C

T

t

CICLO ALUMINA(cerâmico técnico)

Ar que não consegue escapar devido à existência de uma capa exterior

sinterizada

Peça correctamente sinterizada

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3.2. SinterizaçãoSinterização no estado sólido

Processo pelo qual pequenas partículas de material são ligadas umas ás outras por difusão no estado sólido.

Material Poroso Material Denso ( ρ )

Densidade

Tamanhode

Grão

Durante a sinterização as partículas de pó cerâmico ligam-se umas ás outras devido a mecanismos de difusão que ocorrem às temperaturas inerentes ao processo (abaixo da temperatura de fusão - geralmente 75 % Tf).

Exemplo:Exemplo:

Vela para motor fabricada em alumina com fase líquida (Tf alumina = 2050°C), sendo a sinterização realizada a 1600°C.

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À medida que t geram-se partículas maiores à custa das mais pequenas (Ostwald Ripening)

Tam

anho

de

Grã

o, µ

m

Tempo, minutos

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Sinterização com fase líquida (vitrificação)

As porcelanas, alguns componentes electrónicos, o nitreto de silício, etc., contêm uma fase vítrea

A fase vítrea serve como meio de reacção através do qual ocorre a difusão (temperaturas menores do que as necessárias para a difusão no estado sólido).

O líquido enche os poros e reage com as partículas sólidas - fase de rearranjo, encurtando significativamente o tempo e a temperatura de sinterização

Durante o arrefecimento a fase líquida solidifica para formar uma fase vítrea (matriz vítrea) que

liga as partículas sólidas (não fundidas).

Rede tridimensional da matriz de sinterização com fase líquida. Os grão sólidos foram removidos por

dissolução química.

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Den

sida

de, %

Temperatura, ºC

Tamanho de Grão

Densidade

ar

Tamanho de Grão, µm

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