densificação.pdf

Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
* Sinterização por difusão de partículas
* Sinterização com formação de fase vítrea
Transporte de matéria durante os estágios iniciais da sinterização
Sinterização
2.4 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: DENSIFICAÇÃO
2.4.1 SINTERIZAÇÃO

* Ocorre ao longo do contorno de grão e nas superfícies de contato
entre as partículas, providenciando o ligamento e conexão dos grãos
individuais;
* Transporte de material ocorre por difusão - movimento de átomos ou
vacâncias pela superfície dos contornos de grão;
* A difusão no contorno de grão promove o fechamento dos poros e o
aumento da densidade;
* Força-motriz: diferença de energia livre potencial ou química entre as
superfícies livres das partículas e os pontos de contato entre as
partículas adjacentes.
2.4.2 SINTERIZAÇÃO POR DIFUSÃO DE PARTÍCULAS

* Ocorre na presença de um líquido viscoso na temperatura de sinterização;
* Formação de corpos de alta densificação;
* O líquido viscoso penetra entre as partículas do sólido  aumenta a pressão
capilar  auxilia na densificação
MECANISMOS DE DENSIFICAÇÃO:
* Rearranjo das partículas para se alcançar o melhor empacotamento;
* Aumento da pressão de contato entre as partículas  aumenta a taxa de
transferência de material por solução/precipitação, deformação plástica,
transporte de vapor e contorno de grão.
* Temperaturas elevadas  degradação da resistência mecânica do material
 deformação da fase vítrea
2.4.3 SINTERIZAÇÃO COM FASE VÍTREA

i) primeiro estágio: fluxo líquido e rearranjo de partículas ocorrem no instante em que
pontes de fase líquida são formadas entre as partículas. Essas partículas podem ser
atraídas ou repelidas pelo líquido. O rearranjo de partículas ocorre enquanto os
pescoços assimétricos são formados e os novos contatos são criados.
ii) segundo estágio: pode ocorrer a dissolução da fase sólida, quando a fase líquida
reage com as partículas sólidas, levando à desintegração, ou ao alto encolhimento
do rearranjo. Normalmente, ocorre o crescimento de grão, dependendo da maneira
com que o grão se acomoda. Pequenas partículas são dissolvidas e reprecipitadas,
de modo não uniforme, como grandes grãos, se o espaço permitir. Se a fase líquida
não dissolver quantidades substanciais de partículas sólidas, o rearranjo cessa
quando as partículas formarem uma malha consistente.
iii) terceiro estágio: se o equilíbrio químico for alcançado, começa o estágio final. No
caso das partículas formarem um esqueleto resistente de fase sólida, uma
densificação suplementar pode ser obtida por sinterização no estado sólido. O
crescimento dos grãos dentro de uma fase líquida resulta no aumento do tamanho
médio das partículas, proporcional à raiz quadrada do tempo de sinterização.
ESTÁGIOS DA SINTERIZAÇÃO VÍTREA

Esquema de sinterização por difusão
de partículas e com fase vítrea
Esquema de sinterização com
fase vítrea
Sinterização sem e com fase vítrea

W-Co: sinterização fase líquida
Rearranjo: fusão (formação fase líquida)
Solução-reprecipitação
(densificação por difusão)
Coalescência de poros
crescimento de grão

Sinterização fase líquida

Porosidade
aberta e fechada
Pó de urânia: 0,5 e 5 m
T de sinterização: 1400oC
tempo: 60 minutos

2.4.4 TIPOS DE POROS

Efeito da temperatura
e do tempo
T1>T2
(a) crescimento do pescoço
(b) contração
(c) densidade
2.4.5 EFEITO TEMPERATURA E TEMPO

Pó de titânia: 0,34 m
e do tempo

Pó de alumina: 0,4 m
e do tempo

Efeito do tamanho
de partícula
Pó de alumina bimodal: 0,5 e 5 m
T de sinterização: 1600oC
tempo: 60 minutos
2.4.6 EFEITO DO TAMANHO DE PARTÍCULA

Atmosfera: coração negro
A atmosfera redutora é necessária para se obter a cor branca das peças, já que em
condições oxidantes a pequena quantidade de ferro passa a forma trivalente,
deixando as peças mais ou menos amareladas. A forma bivalente do ferro resulta
numa coloração branca. A queima em condições redutoras também impede a
formação de uma segunda porosidade, a qual seria gerada pela decomposição de
compostos de ferro trivalente [Shuller, 1981].
2.4.7 EFEITOS NA QUEIMA

Queima de materiais argilosos

* até 200ºC: eliminação da água higroscópica ou residual e da água interfoliar ou zeolítica
* 350º a 650ºC: combustão das substâncias orgânicas e dissociação dos sulfetos com
liberação de CO2 e SO2;
* 600º a 800ºC: colapso do retículo dos argilo-minerais com liberação da água de constituição;
* 800º a 950ºC: decomposição dos carbonatos com liberação de CO2;
* 900º a 1000ºC: reações da sílica e da alumina com outros elementos, e formação de silico-
aluminatos complexos que conferem ao corpo cerâmico as propriedades físico-mecânicas
características;
* acima de 1000ºC: amolecimento e fusão dos silico-aluminatos com formação de uma fase
vítrea que, englobando as partículas menos fusíveis, confere ao corpo cerâmico dureza,
compactação, impermeabilidade e resistência mecânica características.

* Área A: aumento da temperatura na zona de pré-aquecimento, dos 200ºC aos 800ºC num
tempo de 10 minutos, desde a entrada do forno;
* Área B: aumento da temperatura dos 800ºC aos 1000ºC num tempo de 5 minutos, ainda na
zona de pré-aquecimento;rea C: aumento da temperatura dos 1000ºC aos 1150ºC num tempo
de 2 minutos, ainda na zona de pré-aquecimento;
* Área D: zona de queima propriamente dita, em que a temperatura atinge os 1150ºC e se
estabiliza, e o corpo cerâmico percorre esta zona em 3 minutos;
* Área E: zona de resfriamento rápido e natural do corpo cerâmico
* O aquecimento do corpo cerâmico nas áreas A, B e parte da C, é obtido através de
queimadores situados abaixo do plano dos rolos, de modo a criar um certo gradiente de
temperatura entre a parte baixa e alta do forno, para manter-se “frio” e “permeável” o esmalte
durante a fase de eliminação dos gases. Sucessivamente nas áreas C e D, a temperatura
torna-se uniforme por meio de queimadores superiores. O sistema de queima adotado
comporta sofisticadas regulagens (microprocessadores) que permitem o controle e a
regulagem do forno nas várias zonas, obedecendo rigorosamente o diagrama pré-fixado.

Curva de gresificação

Reações de queima em
porcelanas
relacionadas com o
volume ocupado pelas
matérias-primas na
peça.

Reações de
queima em
porcelanas

Porcelanas

Dilatometria: contração durante a queima

DTA E TG

Tipos de fornos
2.4.8 TIPOS DE FORNOS

2.5.1 USINAGEM
2.5.2 ESMALTAÇÃO
2.5 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: ACABAMENTO

2.5.1 USINAGEM
Como fabricar
peças como
algumas destas?
INTRODUÇÃO

Normalmente, um melhor acabamento superficial ocorre via de regra para materiais que tenham
fratura dúctil. Para a usinagem de materiais cerâmicos é necessário que a iniciação e propagação
da fratura frágil sejam minimizadas.
Isto depende de fatores como: i) material; ii) abrasivo; iii) equipamento; iv) fatores operacionais
Comparação com os metais:
-Materiais cerâmicos são mais rígidos (maior E): menor deformação plástica na usinagem.
Conseqüência: podem ser usinados a tolerâncias menores, geometria mais precisa e melhor
planicidade que os metais.
-Materiais cerâmicos são mais resistentes quimicamente que os metais. Conseqüência: não
queimam por exemplo durante a usinagem.
-A dureza dos materiais cerâmicos advém da energia de suas ligações e não diretamente da
microestrutura (tratamento térmico) como os metais. Conseqüência: não perdem propriedades
durante o aquecimento da superfície na usinagem, como pode ocorrer com os metais.
2.5.1 USINAGEM
INTRODUÇÃO

-Influência da condutividade térmica: mais difíceis de usinar materiais com baixa K. Exemplo em
metais: W e Inconel. Metais e cerâmicos têm variada K. Alguns cerâmicos combinam
desvantajosamente baixo K e baixa RChoqueT.
-baixa tenacidade (absorção de energia até a fratura) ou baixa resistência à propagação de trincas
ou entalhes pré-existentes.
-As propriedades dos materiais dependem do tipo, composição, microestrutura e processamento:
grande variação nas propriedades nos cerâmicos!
Aplicação:
-biomateriais
-ferramentas de corte, rolamentos, componentes para motores
-refratários
-componentes para a indústria eletrônica (cabeças magnéticas, microchips, substratos)
-A usinagem pode degradar a resistência mecânica dos materiais cerâmicos.
2.5.1 USINAGEM
INTRODUÇÃO

escala de dureza de
diferentes materiais
Material Densidade K relativo 
ToC
degradação
C 3,52 100-350 4,8 800
Al2O3 3,92 1 8,6 1.750
SiC 3,21 10 4,5 1.500
2.5.1 USINAGEM
MATERIAIS

Diamante
Peça
Profundidade de
corte
1. Abrasivo / peça
2. Cavaco / ligante
3. Cavaco / peça
4. Ligante / peça
Usinagem otimizada: mecanismo 1
INTERAÇÕES NA ZONA DE DESGASTE
2.5.1 USINAGEM

Resistência mecânica após
usinagem:
Resistência mecânica em
função da direção de
usinagem e da granulometria
do abrasivo.
(HPSN)
PROPRIEDADES
2.5.1 USINAGEM

Resistência mecânica após
usinagem:
Resistência mecânica em
função da granulometria do
abrasivo.
(HPSN)
PROPRIEDADES
2.5.1 USINAGEM

(SiAlON)
Energia requerida na
usinagem:
Energia específica em função
da granulometria do abrasivo.
PROPRIEDADES
2.5.1 USINAGEM

(SiAlON)
Carga requerida na
usinagem:
Força normal / granulometria
do abrasivo em função da
granulometria do abrasivo.
PROPRIEDADES
2.5.1 USINAGEM

Forma dos cavacos:
fratura frágil e dúctil
FERRITA
Al2O3
ZrO2
Frágil Dúctil Dúctil
Dúctil
Frágil
PROPRIEDADES
2.5.1 USINAGEM

abrasivo grosseiro
abrasivo fino
ZrO2
ZrO2
Al2O3
Al2O3
Si3N4
Ferrita
Ferrita
HPSN
(2255 x)
ACABAMENTO
SUPERFICIAL
2.5.1 USINAGEM

Fatores de influência:
CORTE
SULCO
ATRITO/FRICÇÃO
MATERIAL
DISCO ABRASIVO
EQUIPAMENTO
PARÂMETROS OP
FORÇÃO
ABRASIVAS E
ENERGIA
GERAÇÃO DE
SUPERFÍCIES
DESGASTE DO
DISCO ABRASIVO
CAVACOS
TROCA DE CALOR
QUALIDADE
ECONOMICIDADE
DESENVOLVIMENTOS
INTEGRIDADE DA
SUPERFÍCIE
STRESS RESIDUAL
PROCESSO
FATORES DE INFLUÊNCIA
2.5.1 USINAGEM

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