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    MATERIAIS DE CONSTRUO MECNICA II (EM307)2 Semestre

    2005/06

    4. Processamento de Materiais Cermicos

    F. Jorge Lino Alves

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    Resumo

    4. Processamento de Materiais Cermicos

    Processos utilizados na fabricao dos materiais cermicos.

    Processamento e mistura dos ps (uso de ligantes orgnicos e inorgnicos.

    Conformao.

    Densificao.

    Maquinagem final e avaliao da qualidade final do produto acabado.

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    Produo de Peas Cermicas

    As peas cermicas podem ser obtidas por FUSO ou SINTERIZAO

    Devido s elevadas temperaturas de fuso dos materiais cermicos torna-se muito dispendioso e tecnologicamente complicado utilizar as tcnicas tradicionais de vazamento (fuso) com este materiais.

    1. Preparao dos Materiais

    1.1. Seleco das matrias primas

    Ps cermicos (reactividade)

    Importante ter em ateno o grau de pureza ( ($) extremamente importante nas cermicas tcnicas, caso da alumina) e a distribuio granulomtrica

    Ligantes

    Lubrificantes

    Desfloculantes

    Ajudantes de sinterizao

    Molochites

    Ps obtidos por spray-drying

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    Esferas de moagem

    Revestimentoresistente ao desgaste

    Cilindro com tampa amovvel

    Barbotina contendo em suspenso as partculas a moer

    Rolos revestidos com borracha ligados por uma correia a um motor

    1.2. Moagem e mistura

    P

    Pasta

    Suspenso

    Dimetro esfrico equivalente (m)

    Mas

    sa a

    cum

    ulad

    a (%

    )

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    Matrias Primas

    Seleco + Purificao

    Moagem + Mistura

    P Pasta Suspenso (barbotina)

    Extruso Filtro-Prensagem Atomizao Vazamento

    Prensagem

    Secagem

    MATERIAL CERMICO

    Cozedura (Sinterizao)

    Cermico Verde

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    2. CONFORMAO

    2.1. Prensagem

    2.1.1. Prensagem uniaxial

    Prensagem uniaxial a frio

    A mistura prensada uniaxialmente num molde com a forma da pea a obter (tem que se ter em conta contraces, contra-sadas, etc.).

    Vantagens: produo rpida de grande variedade de formas

    uniformidade de formas e tolerncias apertadas

    Desvantagens: no uniformidade de propriedades ao longo de toda a pea

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    Cermicos tradicionais

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    Prensagem uniaxial a quente (HP - Hot Pressing)

    Melhores propriedades mecnicas e maiores densidades do que na sinterizao sem presso (pressureless sintering).

    Isolamento trmico

    Espaador da cavidade

    Bobines de arrefecimento

    Elemento estrutural

    Vedante arrefecido a gua

    Elemento estruturalde isolamento

    Espaador

    Blocos da cavidade

    Base arrefecida a gua

    Veio hidrulico arrefecido a gua

    Forno tpico de prensagem a quente (HP)

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    2.1.2. Prensagem isosttica

    Prensagem isosttica a frio

    O cermico (pr-forma ou p) colocado num molde flexvel (geralmente borracha) dentro de uma cmara com um fluido hidrulico ao qual aplicado uma presso isosttica.

    A presso aplicada compacta uniformemente o p ou pr-forma em todas as direces.

    Aplicaes: Ferramentas de corte

    Cadinhos

    Velas de ignio

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    Prensagem isosttica a quente (HIP - Hot Isostatic Pressing)

    Melhores propriedades mecnicas e maiores densidades do que na sinterizao sem presso ou com presso uniaxial (HP).

    Encapsulamento para HIP

    Presso em todas

    as direces,

    a uma dada

    temperatura e tempo

    Membrana impermevel

    P

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

    Processo utilizado para obter loua sanitria, jarros, etc.

    FASES DO PROCESSO

    1. Preparao (pesagem, moagem, etc.) de uma suspenso estvel (partculas cermicas + gua + aditivos)

    Preparaoda

    barbotina

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    2. Vazamento num molde poroso (normalmente gesso).

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

    Fabrico do molde em gesso

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    4. Secagem do material moldado, retirar dos moldes.

    5. Preparao e pr-cozedura a 900C (chacotagem)

    Colagem dos diversos componentes das peas

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    6. Pintura, aplicao do vidrado e cozeduraAs peas podem ir diversas vezes ao forno porque as diferentes cores no podem ser aplicadas de uma nica vez. H casos em que as pinturas so aplicadas por cima do vidrado (suspenso rica em quartzo, previamente misturado com sais de sdio (carbonatos, bicarbonatos, sulfatos ou cloretos) e/ou outros aditivos).

    Vantagens:

    Obteno de paredes finas e formas complicadas de espessura uniforme

    Desenvolvimento de prottipos e obteno de pequenas sries

    A evoluo deste processo passa pela utilizao de presso e vcuo

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    2.3. Vazamento de uma barbotina cermica em moldes no porosos

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    2.4. Processo dos modelos perdidos

    Processo da cera perdida (investment casting)

    Processo extremamente verstil com cadncias de produo extremamente baixas.

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

    BARBOTINAS Contm um agente molhante e um agente anti-espumante Slica coloidal (seca ao ar durante 2-3 dias), silicato etilo de secagem mais rpida. Molochite (resiste at temperaturas de cerca de 1200C) com diferentes granulometrias. Zirco quando se pretende vazar ao (utiliza-se apenas na primeira e/ou 2 camada porque resiste a temperaturas

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

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    Para a injeco das ceras podem ser utilizados diferentes tipos de moldes (silicone, resina carregada com partculas de alumnio, moldes maquinados em Al, moldes revestidos por metalizao, etc.).

    A condutividade trmica deste tipo de moldes bastante importante uma vez que condiciona o nmero de peas de cera que podem ser injectadas por unidade de tempo.

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    Modelos perdidos (converso directa)

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    2.5. Extruso

    Utilizada na produo de tubos, tijolos refractrios e telhas de canudo

    Nalguns tipos de cermicos utiliza-se a extruso com pisto, aplicando-se grandes presses (tolerncias dimensionais mais apertadas).

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    Secagem remove gua (< 100C) - 24 h em peas grandes

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

    CalcinaoImpurezas tais como o C e S combinam-se com o oxignio (CO / CO2 e SO2) e difundem-se para o exterior .Sem esta fase do tratamento trmico as peas podem inchar devido a formar-se inicialmente uma pelcula exterior (primeira a sinterizar) dura e no porosa que impede a difuso dos gases para o exterior.

    3. Tratamentos Trmicos

    3.1. Secagem e remoo dos ligantes e impurezas

    1650C, 1/2 h

    2 h 20 m

    950C, 16 h

    3 h

    910C

    T

    t

    CICLO ALUMINA(cermico tcnico)

    Ar que no consegue escapar devido existncia de uma capa exterior

    sinterizada

    Pea correctamente sinterizada

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    3.2. SinterizaoSinterizao no estado slido

    Processo pelo qual pequenas partculas de material so ligadas umas s outras por difuso no estado slido.

    Material Poroso Material Denso ( )

    Densidade

    Tamanhode

    Gro

    Durante a sinterizao as partculas de p cermico ligam-se umas s outras devido a mecanismos de difuso que ocorrem s temperaturas inerentes ao processo (abaixo da temperatura de fuso - geralmente 75 % Tf).

    Exemplo:Exemplo:

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

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    medida que t geram-se partculas maiores custa das mais pequenas (Ostwald Ripening)

    Tam

    anho

    de

    Gr

    o,

    m

    Tempo, minutos

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    Sinterizao com fase lquida (vitrificao)

    As porcelanas, alguns componentes electrnicos, o nitreto de silcio, etc., contm uma fase vtrea

    A fase vtrea serve como meio de reaco atravs do qual ocorre a difuso (temperaturas menores do que as necessrias para a difuso no estado slido).

    O lquido enche os poros e reage com as pa