Processamento dos materiais
cerâmicos
Aspersão Térmica - Recobrimentos
com materiais cerâmicos
• Plasma: Se
caracteriza por uma
nuvem de gás
ionizado, resultado da
passagem de gás por
campo elétrico de
altíssima intensidade.
• As partículas podem
atingir velocidades de
até 300 m/s, com
temperaturas entre
13.000 e 30.000 K
Aspersão Térmica - Recobrimentos
com materiais cerâmicos
• HVOF (High Velocity
Oxigen Fuel): Ocorre a
queima do combustível com
o oxigênio dentro de uma
câmara na pistola de
aspersão. Os combustíveis
mais comumente
empregados são o
querosene e o hidrogênio.
• Devido a elevada pressão
dentro da câmara a
velocidade da chama pode
chegar a velocidade do
som. As partículas de
material em estado pastoso
atingem velocidades da
ordem de 2000 m/s. As
temperaturas, no entanto
ficam menores 2600 C com
querosene como
combustível.
Aspersão Térmica pelo método HVOF
Ferro fundido nodular recoberto
com zircônia – ZrO2
Processamento dos materiais cerâmicos:
Principais etapas
Matéria prima básica: Pós
cerâmicos
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•
Alguns pós são obtidos na natureza:
Al2O3 - Bauxita
MgO - Água do mar
Outros são sintetizados em laboratório.
SiC – Reação química entre SiO2 e o
coque a 2200 C (processo Acheson)
• Si3N4 – Sintetizado a partir da reação do
silício em pó com o nitrogênio entre 1200
e 1400 C
Fatores de influência
• Pureza: Quanto mais puro maior a resistência mecânica, mas
principalmente melhora propriedades elétricas, óticas,
magnéticas e outras
• Tamanho das partículas:
• Quanto menor o tamanho melhor. Normalmente menor que
1μm para cerâmicas avançadas.
• Em geral se utiliza vários tamanhos de partículas pois isso
conduz à um cerâmico com menor porosidade a “verde”
(porosidade a verde: porosidade depois da compactação
mas antes da sinterização)
• Ex: 1 Tamanho de partículas: 30 % de porosidade a verde
•
2 Tamanhos de partículas: 26% de porosidade a verde
•
3 Tamanhos de partículas: 23% de porosidade a verde
Influência do tamanho das
partículas na porosidade final
• Quanto menor o tamanho das partículas
maior a reatividade entre elas (maior
superfície total a ser eliminada na
sinterização) reduzindo a temperatura e o
tempo necessários na sinterização e a
porosidade final do cerâmico.
Influência da porosidade a verde na
porosidade final e no tamanho de grão do
material cerâmico
Classificação dos pós
•
Peneiras:Colocadas em série
podem classificar pós com até
400/500 mesh
Classificadores por ar: classifica
parículas entre 40 e 400 mesh.
Redutores dos tamanhos de
partícula
• Moinho de bolas:
• Moinho de atrito:
Moinho de bolas
Aditivos: Produtos adicionados aos
pós cerâmicos
• Principais:
• Ligantes: Conferem
plastificação e resistência a
verde após a conformação.
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•
• Plastificantes: Modificam os
ligantes conferindo maior fluidez
(capacidade de preencher o
molde)
•
•
• Lubrificantes: Reduzem o atrito
entre partículas e o atrito entre
as partículas e as paredes do
molde.
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•
Outros aditivos:
Defloculante
Agente anti-estática
Estabilizador de
espumas
Fungicida
Auxiliar de
sinterização
Agente “molhante”
Agente antiespumas
Etc...
Aglomerados esféricos de pós, contendo um nível uniforme
de aditivos
Exemplos de ligantes
Alguns plastificantes e lubrificantes
usuais
• Pressão de ejeção do
material cerâmico após
compactação em função
do teor de lubrificante na
mistura.
Exemplos de aditivos
Conformação: Processos de
compactação na forma desejada
• Quantidade de pó: Razão de compactação de
2:1. A esquerda peça compactada a direita
quantidade de pó requerida
Conformação: Processos de
compactação na forma desejada
• Prensagem:
• Uniaxial a frio:
Atuação do êmbolo é
em apenas um
sentido
• Ocorrem variações de
densidade ao longo
da peça cerâmica.
Prensagem uniaxial a frio
automatizada ou seriada
Prensagem uniaxial automatizada
ou seriada
• Variação de
densidade em uma
peça prensada
uniaxialmente devido
ao atrito partícula –
partícula e partícula
parede do molde
• Prensagem:
• Isostática: Aplica-se
pressão em várias
direções
• Densidade bastante
uniforme no corpo do
material cerâmico
•
Prensagem isostática a frio pode ser em meio
Em meio seco: ( Capaseco ou meio líquido
elastomérica:Poliuretano, isoprene
borracha butílica, nitrílica, PVC
siliconas)
• Em meio líquido: (H2O,
glicerina, óleos)
Características da Prensagem
isostática
Etapas de fabricação de um sensor de oxigênio de zircônia
feito por prensagem isostática em meio seco
Prensagem a quente (Hot Pressing)
• Pressão uniaxial e
temperatura são aplicados
simultaneamente, logo se
realiza a compactação e a
sinterização ao mesmo tempo.
• Moldes e equipamentos são
caros.
• Ex: Grafita (maior T maior
resistência mecânica)
• Se a grafita pode reagir com a
carga é recoberta com BN
(nitreto de boro)
• Ligas refratárias (Tântalo
molibdênio)
• Ligas refratárias recobertas
com MoSi2 silicieto de
molibdênio e Al2O3
Equipamento de prensagem a quente (HP)
Prensagem Isostática a quente (Hot
Isostátic Pressing)
• Prensagem em
múltiplas
direções na
temperatura de
sinterização
• Moldes : Al2O3 ,
T até 1200 C e
de SiC T até
1400 C
Equipamentos para Prensagem Isostática a quente (Hot Isostatic
pressing)
Colagem (casting) usado em geral
no processamento de cerâmica tradicional
• Moldes são de
gesso:
• Usa-se uma mistura
de água e pós
chamada de
BARBOTINA
• CONVENCIONAL
(ao lado).
• Sob-pressão
• Sob-vácuo
• Centrífuga (moldes
giram)
Processo de colagem
Preparação da barbotina pesagem dos pós
e mistura com água
Moldes de gesso
Após a colagem – secagem antes
da queima
Colagem em fita (tape casting)
• Substratos cerâmicos
para componentes
eletrônicos e circuitos
integrados.
• Uma mistura cerâmica é
espalhada (juntamente
com um ligante) em uma
superfície móvel de
teflon, celofane, acetato
de celulose
• Até uma espessura
controlada por uma
lâmina. A fita é flexível
pela presença do ligante
podendo ser enrolada
em bobinas antes de ir
para a sinterização
Colagem em fita (tape casting)
Moldagem – extrusão : para cerâmica
tradicional de seção constante
• Processamento cerâmico
onde o material,
juntamente com aditivos
(ligantes plastificantes
lubrificantes e outros) é
forçado a passar por uma
matriz.
• Extrusora de pistão
• Extrusora de rosca
• Compostos cerâmicos que
já contenham argilas não
necessitam de aditivos.
• Aplicados em produtos
cerâmicos com seção
transversal constante
(tubos por ex.)
Extrusora de rosca a esquerda e formas
típicas de produtos fabricados por extrusão
a direita
Moldagem – por injeção (Injection
molding)
• A mistura de
cerâmicos e aditivos
é aquecida
(plastificante funde
mistura fica plástica)
passando por uma
pré-compactação
para reduzir a
porosidade e após é
injetado em um
molde.
• Aplicado para formas
complexas.
Sinterização - Densificação
• Processo de ligação entre
as partículas por difusão de
átomos entre elas
acompanhada de uma
remoção de poros entre as
partículas e de uma
diminuição de volume.
• Volume reduz em
aproximadamente 50%
• Sempre realizada em altas
temperaturas para acelerar
o processo difusional.
• Mecanismo de união:
• Calor aumenta a difusão
entre as partículas.
• Redução da energia de
superfície pela redução da
área exposta entre as
partículas de pó que se
unem no processo
• Temperatura correta de
sinterização para o Si3N4:
1750 C
• Quando se utiliza 1650 resta
muita porosidade
• Quando se utiliza 1850 há
muito crescimento de grão.
Sinterização - Densificação
• Estágios da sinterização:
• Primeiro estágio:
• Rearranjo: leve movimento de rotação
das partículas adjacentes para
aumentar os pontos de contato
• Formação do pescoço: Difusão nos
pontos de contato
• Segundo estágio:
• Crescimento do pescoço: os
tamanhos dos pontos de contato
cresce e a porosidade decresce.
• Crescimento de grão: Partículas
maiores agora chamadas de grão
crescem consumindo os grãos
menores.
• Terceiro estágio:
• Sinterização final: Remoção final da
porosidade por difusão de vazios ao
longo dos contornos de grão
Sinterização - Densificação
• Secagem para
remoção da água 100
ºC
• Remoção dos ligantes
: 200 a 300ºC ou mais
altas para alguns
hidrocarbonetos.
• Calcinação 950ºC :
retirada de gases (CO
CO2 SO2 ) impurezas
como C e S reagem
com o oxigênio do ar
e podem ficar presas
devido a primeira
camada sinterizada
não permitir a saída
desses gases
Efeito na peça da ausência da etapa de
calcinação prévia a sinterização
Redução de volume em um rotor de turbina feito
de SiC compactado por injeção, após a
sinterização
Fotografia do MEV (microscópio eletrônico
de varredura)
Sinterização em fase líquida
• Cerâmicas que tenham silício nas suas composições, podem
formar uma fase vítria, durante a sinterização, quando esse
elemento se combina com os aditivos incorporados á mistura
cerâmica. Essa fase vítria fica plástica nas temperaturas de
sinterização eliminando grande parte da porosidade residual.
No entanto a resistência à fluência cai muito nesses
compostos, pois essa massa plástica cede pela presença de
pequena carga quando a temperatura é alta.
• Si3N4 e SiC são exemplos de cerâmicos avançadas que
podem receber aditivos de sinterização (MgO; Al2O3 ; Y2O3óxido de Itrio) para criar silicatos (vidros) nos contornos de grão
durante a sinterização que ficam pastosos e reduzem a
porosidade. Nas porcelanas (cerâmica tradicional tambem
forma uma fase vitria durante a queima)
Efeito da fase vítria no processo de sinterização: nesses
casos o tempo e as temperaturas são menores que na
sinterização em fase sólida