Porto Alegre, março de 2012.
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Introdução aos Materiais Cerâmicos
Por Delmonte Friedrich, Msc. Eng.
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6.4.1 Conceito
6.4.2 Histórico dos Materiais Cerâmicos
6.4.3 Principais Tipos de Cerâmicas, Características e Aplicações
6.4.4 Propriedades das Cerâmicas/Relação das Mesmas com as Causas de Falha
6.4.5 Tecnologia de aplicação
6.4.6 Justificativa para o Emprego de Cerâmicas
6.4.1 Conceito
Cientificamente, as cerâmicas são definidas como sólido não-metálicos
inorgânicos, o que amplia consideravelmente o significado da palavra grega “keramos”
que se refere a louça ou artefato de barro queimado, sendo classificadas em cerâmicas
tradicionais e cerâmicas avançadas. Enquanto que nas cerâmicas tradicionais são
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utilizadas maiores quantidades de matérias primas naturais como os argilo-minerais e a
areia, e processos simples de manufatura, nas cerâmicas avançadas são empregadas
matérias primas sintéticas como óxidos, nitretos, boretos e carbetos , sob processos
sofisticados (RUMBÃO, 2002).
Sob o ponto de vista de Diniz e Cupini, 1993, os materiais são compostos
formados a partir de elementos mais simples, através de ligações interatômicas. Nestas
ligações, os átomos podem se unir através do compartilhamento, ou não, dos elétrons
da sua última camada de valência. Somente uns poucos elétrons de valência de um
átomo metálico pode ser removido e dado para átomos não-metálicos ou grupos de
átomos, cujas últimas camadas estão completas ou quase completas e que os átomos
não metálicos podem também compartilhar elétrons por covalência. Partindo desta
premissa, diversas combinações são possíveis entre os átomos de um elemento
metálico e um elemento não-metálico, fato que leva a produzir arranjos com estruturas
diferenciadas para uma mesma combinação. Os materiais cerâmicos possuirão,
portanto, muitas combinações diferentes, uma vez que são compostos de elementos
metálicos e não metálicos, possibilitando propriedades diferenciadas dos materiais
metálicos e poliméricos. Então, o termo cerâmico como adjetivo, procura designar
certos objetos de arte, porém, para o Engenheiro, o termo procura abranger uma
grande variedade de substâncias naturais e sintéticas, tais como, vidro, abrasivos,
materiais magnéticos e não magnéticos, ferramentas de corte, refratários, etc. Porém,
todos esses materiais apresentam uma característica em comum, que é a de serem
constituídos de elementos metálicos e não metálicos e possuírem estrutura cristalina
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semelhante a dos metais. Como citado, os cerâmicos não possuem um grande número
de elétrons livres, portanto, os poucos elétrons são compartilhados por ligação iônica
ou covalente, fato que explica a maior estabilidade destes materiais.
6.4.2 Histórico dos Materiais Cerâmicos
Desde os primórdios o homem tem usado materiais cerâmicos com diferentes
finalidades. Na construção de ferramentas para usinagem, a primeira patente data de
1912 e foi usada na Inglaterra. Segundo a literatura, as primeiras demonstrações com
ferramentas cerâmicas foram realizadas na feira de Leipzig, em 1938 (BOEHS, 1986).
Devido a escassez de matéria-prima, como tungstênio e cobalto, usados na
fabricação do metal duro, houve na Europa, durante a Segunda Guerra Mundial, uma
intensificação nas pesquisas com materiais cerâmicos para utilização na fabricação de
ferramentas para usinagem. Como conseqüência dos aperfeiçoamentos atingidos, as
ferramentas de cerâmica pura (Al2O3) foram demonstradas com sucesso na feira
industrial de Chicago, em 1956 (BOEHS, 1986).
Ainda, segundo BOEHS (1986), até 1986, data em que o referido autor publicou
o referenciado artigo, as pesquisas haviam sido caracterizadas pelo desenvolvimento
de uma nova classe de material cerâmico para ferramentas de usinagem, à base de
nitreto de silício (Si3N4), que pelo seu baixo percentual de elementos óxidos é
considerada uma cerâmica não oxida. Até aquele momento, investigações haviam
permitido concluir que estas ferramentas apresentavam excelentes características de
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resistência ao desgaste e aos choques mecânicos e térmicos, mesmo na usinagem em
altas velocidades e corte interrompido (fresamento) (BOEHS, 1986).
Naquela época, 1986, a cota de ferramentas cerâmicas absorvidas pelo
mercado consumidor já era representativa. No Japão estava na faixa de 5 a 7%,
enquanto que nos Estados Unidos e na Alemanha Ocidental estava na ordem de 2%
(BOEHS, 1986).
Até 1993, segundo Diniz e Copini, os materiais para corte cerâmicos e os
materiais sintéticos, utilizados nos processos de corte, adquiriram uma importância
crescente quanto a níveis econômicos, principalmente na usinagem de ferro fundido,
aços ferramenta, aços endurecidos e super ligas, representando uma proporção na
utilização de pastilhas da ordem de 2 a 60%, dependendo da natureza da operação e
do tipo de material a ser trabalhado.
Atualmente, com a modernização das máquinas-ferramenta este percentual é
bem maior, porém esta informação não está disponível de forma objetiva em nenhum
tipo de literatura, isto de acordo com a pesquisa até então realizada pelo Doutorando.
Após este período, outras composições de cerâmicas foram surgindo, sempre
visando melhorar o desempenho das ferramentas e aumentar a resistência à choques
mecânicos, para evitar a falha por fragilidade do gume.
Em 1987, J. Vigneau, P. Bordel, A. Leonard (Vigneau, Bordel, Leonard, 1987)
publicaram resultados referente ao estudo da influência da microestrutura do material
que eles chamavam de “uma nova cerâmica”, composta de Al2O3 + Whisker de SiC,
sobre seu desempenho quando aplicado na forma de ferramenta e na usinagem de
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uma liga de níquel. Naquela época, os autores divulgaram que tanto a adição de uma
fase secundária de TiC na cerâmica oxida (Al2O3) bem como a cerâmica a base de
nitreto resultaram no aumento da tenacidade e em uma significante melhoria
no
desempenho das ferramentas cerâmicas.
6.4.3 Principais Tipos de Cerâmicas, Características e Aplicações
Al2O3 – Refere-se a alumina pura, que é branca na cor e, usualmente, é
simplesmente referida como uma “cerâmica branca”. O material é prensado a frio, o
que permite uma geometria próxima da final para muitas ferramentas de corte, mas não
gera a alta densidade da prensagem a quente. Embora as ferramentas de corte de
cerâmica branca tenham relativamente baixa resistência ao choque térmico, esta
condição pode ser melhorada pela adição de carboneto de titânio (TiC).
Al2O3 + TiN - Tais compósitos são pretos na cor e , portanto, são conhecidos
como “cerâmicas pretas”. Um outro composito que combina alumina com nitreto de
titânio é designado como cerâmica marrom ou cerâmica mista [WERTHEIM, 1986].
Além desses, adiciona-se ainda a zircônia com a finalidade de aumentar a tenacidade
das cerâmicas brancas.
Al2O3 + SiCW – É uma cerâmica reforçada com whiskers de carboneto de silício,
orientados aleatoriamente dentro do material básico. É particularmente apropriada para
a usinagem de materiais endurecidos e super ligas resistentes ao calor (SANDVIK,
2000).
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Al2O3 + ZrO2 – É um óxido cerâmico puro, baseada em alumina com um
pequeno acréscimo de óxido de zircônio para proporcionar melhor tenacidade. É
apropriada para aplicações em ferros fundidos e aços, com altas velocidades de corte
(SANDVIK, 2000).
Si3N4 - A fórmula da composição do nitreto de silício é conhecida desde o século
XIX. Porém, apenas em 1950 é que o nitreto de silício mostrou-se promissor como um
material para ferramenta de corte com boa resistência ao choque térmico e com as
necessárias propriedades mecânicas. Mas apenas na metade dos anos setenta é que
esse material passou a ser usado comercialmente como cerâmica estrutural ou como
material para fabricação de ferramentas de corte [WERTHEIM, 1986]. Desde então,
diversos compósitos cerâmicos foram desenvolvidos com o intuito de aprimorar as
propriedades mecânicas
desses materiais. Surgiram compósitos oriundos da
combinação de materiais CERâmicos com materiais METálicos, os conhecidos
CERMETS, muito aplicados na indústria automobilística. Outro exemplo é um
compósito cerâmico-cerâmico, zircônia endurecida com alumina (ZTA), com boas
propriedades mecânicas. A tenacidade e resistência aumentada tem feito as ZTAs mais
largamente aplicáveis e mais produtivas que a cerâmica simples e cermets na
usinagem
de aços e ferros fundidos [SORNAKUMAR; GOPALAKRISHNAN;
KRISHNAMURTHY, 1994].
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A cerâmica a base de carboneto de silício é a mais recente dentre elas, porém
também é pouco conhecida tanto em nível de pesquisa quanto em aplicações
industriais.
As Si3N4, graças a sua boa tenacidade, são apropriadas para desbaste e semiacabamento de ferros fundidos (SANDVIK, 2000).
Si3N4 + TiN – São cerâmicas que tem substrato de nitreto de silício com uma
cobertura de nitreto de titânio. São altamente recomendadas para desbaste leve,
usinagem média e aplicações de acabamento em ferros fundidos (SANDVIK, 2000).
6.4.4 Propriedades das Cerâmicas/Relação das Mesmas com as Causas de Falha
As ferramentas de corte cerâmicas apresentam, em geral, uma série de
propriedades que serão conseqüência da atuação de variáveis como composição
química, microestrutura, processo de prensagem e sinterização. Das propriedades
resultantes, deve-se destacar algumas de particular interesse para ferramentas de
usinagem, quais sejam:
- Estabilidade Química;
- Resistência/Tenacidade;
- Dureza;
- Resistência ao Desgaste;
- Flutuaçao da resistência à tensão térmica.
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Estabilidade química – Cada material ou composto apresenta diferentes
energias livres de formação (entalpias), que estão associadas aos diversos tipos de
ligações interatômicas. Através da figura abaixo, nota-se que existe uma relação
entre a resistência ao desgaste químico e a energia livre de formação. A partir da
ilustração, torna-se evidente que a alumina como tem o valor mais elevado dentro
das escalas de entalpia, também possuirá o maior valor de resistência ao desgaste
químico. Desta forma, desgastes por escamação e difusão
são praticamente
inexistentes dentro do grupo das cerâmicas a base de alumina pura. Já na outra
extremidade da escala estão os carbonetos, que apresentam pequena resistência a
oxidação. Os nitretos estão situados em uma faixa intermediária, conforme tabela 1.
Resistência/tenacidade – A simples análise das características mecânicas de
cada material de corte em particular, não confere uma base sólida no estudo do
comportamento típico do material quando em usinagem. Para tanto, deve-se
correlacionar tais valores aos dados de desempenho. Conforme o diagrama da
figura 6, onde podem ser apreciadas as cargas em função da dilatação, nota-se que
os materiais de corte que ainda possuem um teor de ligação metálica apresentam
os valores de resistência e tenacidade altamente melhorados (DINIZ; CUPINI,
1993).
Dureza – esta é uma das propriedades de grande importância para as
ferramentas de corte, porém, não só no sentido mecânico de resistência a
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penetração, mas também no aspecto de característica metalúrgica de manter esta
dureza a elevadas temperaturas. Este aspecto é de relevante importância quanto a
determinação da faixa de velocidades de corte na qual a ferramenta poderá operar,
uma vez que a temperatura de corte é função da velocidade. Em se tratando da
dureza única e exclusivamente como a resistência que um material oferece ao ser
penetrado por outro, fica evidente que quanto maior a dureza menor será sua
tenacidade e, consequentemente, apresentará menor resistência a choques
mecânicos (DINIZ; CUPINI, 1993).
Resistência ao desgaste – Como a quantificação dos fenômenos de desgaste
ainda são muito problemáticos, costuma-se utilizar como critério de definição da
resistência ao desgaste os parâmetros de ductilidade, dureza e módulo de
elasticidade de Evans. Desta forma, nota-se que materiais com valores de “E”
elevados apresentam menores concentrações de tensões locais. Isto se deve ao
fato de que as partículas que compõem a matriz possuem módulos de elasticidade
diferentes do da própria matriz, levando a uma grande melhora na resistência ao
desgaste. Com o intuito de melhorar ainda mais os resultados, para efeito na
prática, deve-se correlacionar também, os valores de estabilidade química.
 Flutuação da resistência à tensão térmica – Sabe-se que as ferramentas de
corte cerâmicas apresentam baixos coeficientes de condutibilidade térmica e
baixos coeficientes de dilatação térmica. Estes fatores tendem a diminuir o efeito
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do choque térmico e da fadiga térmica, pois existe uma redução das tensões
entre os pontos quentes e frios da pastilha. A resistência a tensão térmica
consiste, portanto, em um requisito indispensável em operações de usinagem
com corte interrompido ou onde haja aplicação intermitente de fluido de corte. As
ferramentas de cerâmica a base de nitreto de silício apresentam os melhores
valores quanto a resistência a flutuação térmica. Conforme ilustra a figura 3.
6.4.5 Tecnologia de aplicação
A aplicação eficiente do material cerâmico está sujeita ao uso correto das
técnicas de usinagem e da escolha do tipo de material cerâmico adequado para cada
operação em particular.
Para o início de uma operação de usinagem com cerâmica devem ser
considerados uma série de requisitos prévios, principalmente a nível de processo, que
garantirão a obtenção de resultados satisfatórios da ferramenta, quais sejam:
-
Seleção correta do material da pastilha e sua geometria, bem como o
porta-pastilhas, de acordo com o material a ser usinado e seu estado, e as
condições de estabilidade do conjunto máquina-peça-ferramenta;
-
Verificação das condições geométricas e dimensionais da peça,
escolhendo corretamente a seqüência operacional.
As ferramentas cerâmicas têm sido usadas com sucesso no acabamento e desbaste
de ferro fundido com dureza Brinell superior a 180 kg/mm2 (com velocidade vc de 100
a 400 m/min e avanço f de 0,08 a 0,8 mm) e ferro fundido coquilhado.
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6.4.6 Justificativa para o Emprego de Cerâmicas
Atualmente, para determinadas aplicações envolvendo alta temperatura, os
materiais metálicos atingiram o limite em seu potencial de desenvolvimento em função
da temperatura de fusão. Enquanto isso, as cerâmicas vêm ganhando espaço porque
são uma das poucas opções de materiais que suportam utilização em altas
temperaturas de serviço. Sua baixa densidade, inércia química e alta dureza oferecem
um potencial adicional para estender os limites de desempenho além do oferecido
pelos materiais metálicos.
A busca por maior produtividade e menor custo de fabricação está impondo o
desenvolvimento de ferramentas de corte capazes de operar em velocidades cada vez
mais altas e, consequentemente, gerando temperaturas mais elevadas na interface
peça/ferramenta.
Outro fator importante que justifica o emprego de ferramentas cerâmicas e
novas ferramentas revestidas diz respeito a redução na utilização de fluidos de corte.
Essas ferramentas podem proporcionar uma adicional resistividade ao calor, mas não
contemplam todos os outros benefícios do fluido de corte, tais como, remoção do calor
gerado no corte e que pode afetar a peça de trabalho, redução da fricção, remoção do
cavaco da região de corte, proteção da peça contra a oxidação e outras reações
indesejáveis, dentre outros. Os custos (mão-de-obra e os diretos) com usinagem nos
EUA sozinho é estimado em U$300 bilhões/ano. Os custos com o uso de fluidos de
corte
é
estimado
em
aproximadamente
16%
dos
custos
de
manufatura.
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Consequentemente, a eliminação do uso de fluidos de corte, se possível, pode ser um
significante incentivo. Os principais benefícios da usinagem a seco com cerâmicas e
outras ferramentas é mais do que apenas a redução de custos, dizem respeito também
a um ambiente de manufatura saudável, segurança do trabalhador, proteção dos
efeitos adversos das químicas e proteção do nosso precioso meio ambiente. Por um
longo tempo, em função das limitações dos materiais para ferramentas disponíveis, o
uso de fluidos de corte foi considerado parte integral essencial do sistema
máquina/ferramenta.