processamento e avaliação de compósito diamantado para ... · mas é dependente da direção de...

ISSN 1517-7076

Revista Matéria, v. 10, n. 3, pp. 419 – 428, 2005 http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10603

Autor Responsável: Marcello Filgueira

Processamento e Avaliação de Compósito Diamantado para o Polimento de Rochas Abrasivas

Rafaela Barros Aigueira1, Silas das Dores Alvarenga2, Guerold Bobrovnitchii1, Marcello Filgueira1

1Universidade Estadual do Norte Fluminense – UENF/ Laboratório de Materiais Avançados – LAMAV; Av. Alberto Lamego, 200, Campos dos Goytacazes/RJ, CEP: 28013-600.

e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]/CAMPOS, R. Dr. Siqueira, 273, P.D. Bosco, Campos dos Goytacazes/RJ, CEP: 28030-130

e-mail: [email protected]

RESUMO

O presente trabalho desenvolve o processamento de um novo compósito diamantado, seu mecanismo de desgaste, e a avaliação da possibilidade de sua futura aplicação tecnológica nas corôas abrasivas de polimento de rochas ornamentais. Para tal, diamantes são misturados em três estequiometrias distintas com pó de baquelite e depois sinterizados a 250ºC por sete minutos, mediante pressão de 28,3MPa. Os compósitos foram submetidos a ensaios laboratoriais de polimento, onde foram avaliados o desgaste dos compósitos diamantados, bem como a avaliação da qualidade de superfície produzida, através de medidas de rugosidade dos granitos usados nos ensaios. Foram também estudados os aspectos microestruturais dos compósitos nas etapas de polimento, bem como nas amostras de granito trabalhadas. Com base nos resultados laboratoriais de desgaste deste novo compósito, bem como do acabamento final obtido, em confronto com os resultados obtidos com amostras de corôas de polimento comerciais será possível avaliar, do ponto de vista técnico, a viabilidade de uso deste novo compósito diamantado em corôas abrasivas de polimento.

Palavras chaves: Compósito diamantado, mecanismos de desgaste, polimento

Processing a New Diamond Composite for Polishing Abrasive Stones ABSTRACT

This work deals with the processing of a new diamond composite, its wear mechanism analysis, and evaluation of the possibility of its future use in abrasive crowns for polishing dimension stones. In this experimental route, diamond and bakelite powders were blended together in three stoichiometries and then sintered at 250ºC for seven minutes, under a pressure of 28.3MPa. The composites were submitted to polishing intermediate scale tests, where it was studied the diamond composites’ wear as well as the surface quality obtained, by granite surface roughness measurements. The microstructure of the composites and granite surfaces after the polishing tests was also studied. It was possible to analyze the technical viability of this new composite in abrasive crowns, based on the processed composites wear and surface quality results comparing to those of the commercial abrasive crowns.

Keywords: Diamond composite, wear mechanisms, polishing.

1 INTRODUÇÃO

A indústria de rochas ornamentais tem experimentado um aumento enorme no uso de diamantes sintéticos. O uso de diamantes em ferramentas abrasivas nas atividades de beneficiamento de rochas ornamentais, tais como desbaste, polimento e lustre vem crescendo bastante desde a última década [1], acompanhando a evolução iniciada na década de 80 pelas ferramentas diamantadas de corte de rochas, do tipo disco serra, fios perolados, etc.

Corôas são ferramentas empregadas para o beneficiamento de chapas de rochas ornamentais, que envolve o desbaste, polimento e lustre, etapas estas que se diferenciam basicamente pela granulometria dos abrasivos utilizados nas corôas. Estas ferramentas são feitas normalmente de partículas abrasivas de

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AIGUEIRA, R.B., ALVARENGA, S.D., BOBROVNITCHII, G., FILGUEIRA, M., Revista Matéria, v. 10, n. 3, pp. 419 – 428, 2005.

tamanhos variados, imersa em matriz cerâmicas (argamassa de cimento), ou em matriz polimérica (poliéster ou epóxi). As partículas abrasivas são responsáveis pela ação de polimento e normalmente são de pó de diamante sintéticos, ou mais comumente de carbeto de silício. Cabe informar que, devido à elevada dureza do diamante, as corôas diamantadas apresentam uma vida útil e rendimento superior às demais. As matrizes, tanto cerâmica quanto polimérica, atuam como ligante, retendo as partículas abrasivas na ferramenta de polimento [2].

O desgaste da ferramenta inicia-se através do desgaste da partícula abrasiva, causando o seu abaulamento (planificação ou embotamento do grão abrasivo). Em seguida a matriz polimérica também sofre um desgaste, diminuindo a área na qual a partícula abrasiva se sustenta sobre tal matriz. Com o aumento deste desgaste até um ponto crítico, a partícula abrasiva se desprende e uma nova camada de partículas abrasivas começa a surgir. Esse desprendimento das partículas para o surgimento de uma nova camada é chamado de protusão ou “pull-out” [3].

A explicação mais antiga do mecanismo de desgaste do diamante é que pequenos fragmentos da superfície são lascados e a superfície resultante, provavelmente, é constituída de uma série de asperezas cujas faces são planos de fácil clivagem [4]. Tem-se que a taxa de desgaste não aumenta com a temperatura, mas é dependente da direção de abrasão [5]. Entretanto, o mecanismo de desgaste mais aceito de uma ferramenta de corte à base de diamantes impregnados em matriz ligante foi fornecido por Wright e Wapler [6], e explicado por Davis et al [7]. Este mecanismo é ilustrado esquematicamente na fig.1, mostrando o comportamento da protusão de uma partícula de diamante embebida na matriz, com o tempo, ou com a área de pedra cortada. Na região 1 ocorre o desgaste inicial da matriz e surgimento das faces cortantes das partículas abrasivas. A região 2 é denominada zona de trabalho constante, onde ocorre apenas um leve desgaste abrasivo da matriz ligante, e a região 3 é caracterizada pelo embotamento (início de planificação) do diamante e posterior quebra de sua ponta cortante, porém ocorre a auto afiação da partícula abrasiva, mediante fricção contínua com a pedra. A região 4 é denotada pelo desgaste erosivo da matriz pela pedra, com liberação parcial das outras faces do diamante, até que, na região 5 ocorra a quebra da partícula, culminado com a protusão da mesma, na região 6.

Figura 1: Diagrama esquemático do tempo de vida hipotético de uma partícula de diamante, em termos de altura de protusão (extraído e modificado de [6]).

O uso de abrasivos numa superfície sólida resulta em remoção de material. Do ponto de vista do material a ser trabalhado, o mecanismo de desgaste depende das propriedades mecânicas do sólido. Em um sólido dúctil, o mecanismo básico de desgaste está relacionado com a deformação plástica; paralelamente, a dureza é o parâmetro que governa a quantidade de material a ser removido. Entretanto, o mecanismo dominante de abrasão em material frágil depende predominantemente da fratura na superfície, de forma tal que a propriedade dominante é a tenacidade [8].

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Visando o aumento na resistência à abrasão de uma ferramenta de desbaste, polimento e lustre à base de um compósito, adições de fases podem ser introduzidas no sistema, dentro de uma matriz dúctil ou frágil. Entretanto, as propriedades mecânicas requeridas do reforço e sua respectiva função, são bem diferentes para cada tipo de matriz (dúctil ou frágil). Para uma matriz dúctil, uma fase secundária dura é necessária para reduzir o desgaste da ferramenta. Por outro lado, um reforço tenaz é necessário para aumentar a resistência à abrasão em matriz frágil, pois a presença da fase tenaz reduz a tendência de fratura superficial do compósito [8].

O presente trabalho visa o processamento um novo compósito para o polimento de rochas ornamentais, e posterior teste de desgaste, frente à corôas comerciais, e constituição qualitativa de seu mecanismo de desgaste. Estes compósitos são constituídos de pó de diamante, como partícula abrasiva e baquelite, como matriz ligante polimérica. Trata-se uma matriz polimérica frágil, com partículas super duras finamente dispersas, fato este que foge inteiramente aos comportamentos de desgaste ora mencionados. Com isto, espera-se trazer uma contribuição a um assunto ainda muito pouco explorado.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

O fluxograma da fig.2 mostra a rota desenvolvida para a produção dos compósitos à base de diamante-baquelite. Foram utilizados como matérias-primas: a baquelite que é um homopolímero reticulado formada pelos monômeros fenol e formaldeído, apresentando ligações covalentes. Este material foi fabricado pela Struers; e o diamante sintético de origem russa, de tamanho médio de partícula e densidade igual a 20μm (própria para o último passe da etapa de polimento) e 3,48g/cm3, respectivamente.

As sinterizações/polimerizações das pastilhas de baquelite foram feitas em prensa a quente (Tempopress 2). Para definir a granulometria do diamante a ser empregado nas amostras, procedeu-se com metalografia quantitativa em amostras de corôas abrasivas de polimento comercial, à base de cimento magnesiano (tipo SOREL) – carbeto de silício (SiC). O mesmo se aplicou para a definição das granulometrias do diamante (STP nº 504, contida na referência ASTM pp.3-38, 1972). Após os testes foram estipulados três grupos com 5, 10 e 15% em peso de diamante.

As definições das massas foram realizadas através de cálculos simples de estequiometria, com base nas densidades e volumes ocupados pelas amostras. Por se tratar de pequenas quantidades, as misturas foram preparadas manualmente e pesadas em balança Sartorius de resolução 0,001g.

Caracterização das Matérias-Primas

- Baquelite - Diamante

↓ Misturas

- Diamante + baquelite ↓

Prensagem a quente - Pressão = 28,3MPa

- Temperatura = 250ºC - Tempo = 7min

↓ Caracterização

- Dureza, microestrutura, teste de desbaste/polimento, medidas de rugosidade

Figura 2: Fluxograma geral da metodologia empregada

Na etapa de prensagem a quente dos compósitos diamantados, foi utilizado uma pressão de 28,3MPa, uma temperatura de 250ºC e um tempo de 7min. Posteriormente, seguiu-se com testes de polimento em granito, medidas de rugosidade e avaliação microestrutural.

Na etapa final de caracterização, a qual culmina com testes laboratoriais de polimento em granito cinza Corumbá, utilizou-se uma furadeira radial modelo- Szerszámgépgyár, tipo RFH 75/1500 nº 76172 com refrigeração a água, e medidas de rugosidade na superfície granito feitas com relógio comparador eletrônico tipo Mu-Checker marca Mitutoyo, antes e após os testes de polimento. Cada etapa de caracterização foi realizada em grupos de 13 amostras, para determinação de valores médios e desvios padrão.

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As microscopias eletrônicas de varredura foram realizadas no microscópio de marca Zeiss – modelo DSM 962. Para os testes de dureza utilizou-se o Durômetro – modelo RBSM, e para a caracterização metalográfica as amostras passaram pelo processo de lixamento e polimento em Politrizes Panambra – modelo DP-10 e analisadas em microscópio ótico Zeiss Jenavert.

A fig.3 mostra a morfologia dos cristais de diamantes empregados no presente trabalho. Pode-se observar a uniformidade do tamanho das partículas de 20µm, que é a granulometria ideal especificada para o uso em corôas na última etapa de polimento, antes do lustre final. Outro aspecto importante é o formato multifacetado e pontiagudo dos cristais de diamante, pois aumenta a área específica de contato com o material a ser polido.

Figura 3: Morfologia do pó de diamante, de tamanho médio de partícula 20μm, com um aumento de 925X.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

A fig.4 mostra o aspecto microestrutural de amostra de baquelite com 5% em peso de diamante (5%p diamante), onde observa-se a matriz de baquelite apenas um pouco degradada, mantendo os diamantes bastante aderidos e as suas faces se apresentam bem planas – evidenciando dois fatos importantes: (1) a matriz de baquelite conseguiu reter os cristais de diamante durante a operação de polimento, para esta estequiometria; (2) os cristais de diamantes (setas na fig.4), pela sua aparência plana, cumpriu com a sua função abrasiva.

Para as figs.5 e 6, que mostram os aspectos microestruturais das amostras com 10 e 15%p diamante, a matriz baquelite ficou bastante degradada, e os diamantes ficaram praticamente soltos (protusão) na matriz, e as suas faces apresentam-se bastante pontiagudas (círculo na fig.5 e setas na fig.6). Esta é uma forte evidência de dois mecanismos distintos: (1) para estas estequiometrias, a baquelite não consegue reter a maior parte dos cristais de diamante; (2) os diamantes não produziram qualquer trabalho de polimento no granito. Contudo, face à maior parte dos diamantes terem ficado soltos durante a operação de polimento, os mesmos provocaram o riscamento da superfície de granito e desgaste prematuro da matriz ligante, onde observa-se inclusive o lascamento da mesma (vide seta na fig.5), o que é altamente indesejável.

Microestruturas similares às das figs.4-6 foram encontradas por Luo [9] ao estudar o comportamento abrasivo de compósitos diamante-resinas fenólicas. Vale também salientar que todas as micrografias (4, 5 e 6) apresentam as fraturas previstas por Lee et al [8].

Do ponto de vista de mecanismo de desgaste da ferramenta, e à luz das micrografias apresentadas, verifica-se que não há qualquer indício do processo de auto afiação das partículas de diamante, e a matriz ligante ficou bastante degradada após os ensaios, o que nos leva a propor o seguinte modelo de mecanismo de desgaste de ferramentas de corte do tipo matriz polimérica frágil com reforço de material de alta dureza para uso em desbaste e polimento de rochas ornamentais –vide fig.7: Região 1 – desgaste inicial da matriz polimérica frágil, e exposição das partículas abrasivas; região 2 – zona de trabalho, curto intervalo de tempo no qual a ferramenta opera sem soltura de partículas abrasivas; região 3 – embotamento (aplainamento) de

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parte das partículas abrasivas, e desgaste contínuo da matriz, devido à abrasão da mesma com a pedra, considerando que no presente mecanismo, consideramos que o desbaste e polimento ocorre pela combinação entre força vertical e rotação sobre a ferramenta, o que torna o desgaste ainda mais drástico do que no caso descrito por Wright e Wapler [6] e por Davis et al [7], ou seja, devido ao giro relativo ferramenta-pedra, ocorre soltura prematura de partículas abrasivas, sobretudo em se tratando de matriz ligante polimérica frágil; região 4 – soltura das partículas abrasivas e deterioração da matriz ligante. Vale novamente frisar que o processo de auto afiação das partículas abrasivas não ocorre, o que está em plena acordância com estudos anteriores de Warnecke e Wimmer [10], ao avaliar o desgaste de corôa de diamante em matriz polimérica dúctil, durante o desbaste e polimento de cerâmicas avançadas.

Figura 4: Aspecto microestrutural do compósito baquelite 5% p diamante após polimento em granito.

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Figura 7: Diagrama esquemático de modelo de mecanismo de desgaste de compósitos à base matriz polimérica frágil – partículas abrasivas de elevada dureza.

Figura 8: Granito polido com o compósito baquelite 5% p diamante.

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As superfícies polidas do granito também foram submetidas a microscopia eletrônica de varredura. Os resultados obtidos foram: as superfícies polidas com o compósito com 5%p diamante forneceram os melhores resultados de acabamento com regiões superficiais bem lisas e uniformes (setas na fig.8). As partes com fissuras correspondem à porosidade residual do granito e seus defeitos naturais, onde pode-se ver um destes defeitos no círculo da fig.8. Já as superfícies polidas com os compósitos de 10% e 15%p diamante forneceram acabamentos com riscos profundos e muita rugosidade (vide setas nas figs.9 e 10), que são oriundos do desprendimento das partículas de diamante da matriz, ficando soltos na superfície do granito, produzindo durante o polimento, estes defeitos.

Nos compostos diamantados também foram medidas as variações dimensionais (redução percentual da altura = [(altura inicial – altura final) X 100] ÷ altura inicial), bem como em amostra extraída de corôa comercial de desbaste e polimento de granitos, à base de SOREL (cimento magnesiano)-5% em peso SiC. Dentre os compósitos diamantados produzidos, os melhores resultados foram obtidos nos compostos com 5% em peso de diamante, com uma redução percentual de altura de apenas 3,13%; já os compostos com 10% e 15% tiveram, respectivamente, 5,26% e 6,54% de redução percentual. Já a amostra da corôa comercial apresentou resultado melhor que os dos compósitos diamantados tais resultados podem ser conferidos na tab.1. Isto reflete o que foi afirmado por Lee et al [8], uma vez que estas diferenças em redução percentual de altura (caracterização da resistência à abrasão e do tempo de vida do compósito) podem ser explicadas pelas distintas naturezas das matrizes ligantes (cimento SOREL e baquelite - frágeis) para com as partículas abrasivas (SiC – tenaz e diamante – super duro).

Tabela 1: Resultados de redução percentual dos compósitos diamantados após 5min de polimento em pedra de granito, frente ao compósito SOREL-SiC das corôas de desbaste e polimento comerciais.

baquelite 5%p diamante



Corôa comercial: cimento magnesiano SOREL – 5%pSiC

Antes do polimento

3,20±0,12mm 3,23±0,08mm 2,60±0,11mm 2,85±0,21mm

Após 5min 3,10±0,30mm 3,06±0,63mm 2,43±0,49mm 2,78±0,38mm Redução

percentual de altura

3,13±0,21% 5,26±0,35% 6,54±0,30% 2,46±0,30%

Os testes de rugosidade mostraram que os compostos com 5% em peso de diamante propiciaram

uma superfície polida de granito com rugosidade 2,00±0,16μm, enquanto os compostos com 10% e 15% em peso de diamante apresentaram, respectivamente, 4,00±0,37μm e 5,00±0,24μm. Testes de rugosidade também foram feitos em superfícies de rocha polidas com corôas comerciais e o resultado encontrado foi de uma rugosidade de 3,00±0,21μm. Isto mostra que a qualidade do acabamento superficial dos compostos diamantados com 5% em peso de diamante é superior ao acabamento superficial das corôas comerciais.

Assim sendo, fica claro que o compósito baquelite-5%p diamante produz qualidade de superfície superior do que o compósito à base de SOREL-SiC das corôas comerciais. Entretanto perdem no quesito resistência à abrasão e, conseqüentemente, tempo de vida, visto que a variação dimensional foi maior para o compósito diamantado. Desta forma, estudos mais profundos acerca da relação custo benefício devem ser conduzidos para que se possa afirmar se o presente compósito pode ser um forte candidato ao uso comercial na indústria de rochas ornamentais.

4 CONCLUSÕES

Neste trabalho, de cunho exploratório, destacam-se os seguintes pontos: • o teor de diamantes que proporcionou melhores resultados nos compósitos encontrados foi de

5% em peso, o que é bastante interessante do ponto de vista econômico; • os melhores resultados de polimento foram conseguidos para os compósitos baquelite com 5%

de diamante, atingindo qualidade de superfície superior à das corôas comerciais; • o compósito SOREL-SiC apresentou melhores resultados de variação dimensional; • um modelo de mecanismo de desgaste foi proposto com base nos resultados de avaliação

microestrutural, e o mesmo evidencia que no desbaste e polimento de rochas ornamentais, com ferramentas do sistema matriz polimérica frágil – partículas abrasivas de alta dureza, não ocorre quebra das partículas abrasivas, contudo ocorre drástica deterioração da matriz e soltura das partículas abrasivas.

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5 REFERÊNCIAS

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[9] LUO, S.Y., “Effect of Fillers of Resin-Bonded Composites on Diamond Retention and Wear Behavior”, Wear, N.236, pp.339-349, 1999.

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