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Introdução aos Materiais Cerâmicos- PPGEM-DEMAT-EE-UFRGS
Alteração do comportamento de um ligante com a adição de plastificante
PVA com PEG
Prensagem de Al2O3:
ligante + plastificante
PVA + PEG
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Alteração do comportamento de um ligante com a adição de plastificante
PVA com PEG e água
Tg PVA > 60oC (comportamento vítreo)
com 50% de água
Tg PVA 50oC
com 50% (PEG + água)
Tg PVA 10oC
Efeito da adição
de PEG e água
no Tg do PVA
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Lubrificante e agente de compactaçãocompostos com baixa tensão de cisalhamento
Diminuem atrito entre
partículas, grânulos, entre
estes e as paredes da matriz e
a pressão para extração da
peça compactada
Aumentam a uniformidade da
compactação, a densidade a
verde, a vida útil da matriz e
punção
Redução da pressão de
extração de compactados
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EFEITO DO USO DE LUBRIFICANTES / AGENTES DE COMPACTAÇÃO na Al2O3:
AGENTE QUANTIDADE DENSIDADE APÓS RETRAÇÃO% em peso VERDE (g/cm3) QUEIMA (g/cm3) %
SEM 0 2,53 3,85 13,1
ÁCIDO ESTEÁRICO 1,0 2,86 3,85 9,45
ÁCIDO ESTEÁRICO 2,0 3,00 3,89 8,27
ÁCIDO ESTEÁRICO 3,0 3,06 3,88 7,67
ÁCIDO OLÉICO 2,0 2,97 3,90 8,63
pressão de compactação: 34,5 MPa
queima: 1 hora a 1700oC
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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LUBRIFICANTES / AGENTES DE COMPACTAÇÃO usados no processamento cerâmico:
PARAFINA ÁCIDO ESTEÁRICO
CERAS SINTÉTICAS ESTEARATO DE ZINCO
ÓLEOS ESTEARATO DE LÍTIO
ÁCIDO OLEÍCO ESTEARATO DE POTÁSSIO
ÁCIDO NAFTÊNICO ESTEARATO DE SÓDIO
ÁCIDO BÓRICO ESTEARATO DE AMÔNIO
TALCO ESTEARATO DE MAGNÉSIO
GRAFITE
NITRETO DE BORO (HEXAGONAL)
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Remoção do aditivo
•O aditivo deve ser compatível com a natureza química do cerâmico e
com a pureza requerida
•O aditivo deve ser removido antes da densificação do material cerâmico
•Freqüentemente remoção por decomposição térmica
•Se a reação entre o aditivo e o material cerâmico ocorre abaixo da
temperatura de decomposição ou o material cerâmico densifica acima
desta temperatura, pode haver contaminação crítica (trincas ou bolhas)
•Se a taxa de aquecimento é demasiadamente alta, ou se atmosfera do
forno é redutora, o aditivo pode pirolizar (resíduo: carbono)
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Exemplo automatização: 6 a 100 vezes por minuto (depende da forma da peça e da pressão)
Prensas: 1 a 20 ton até 100 ton (refratários: 800 ton) tipos: rotativas até 100 ton (2000 peças/min!)
Simples efeito / duplo efeito: depende da geometria e tamanho da peça
PRENSAGEM SIMPLES•mecânica ou hidráulica (transmissão da pressão por um fluido): menor produtividade •mecânica: alta produtividade, fácil automatização
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PRENSAGEM SIMPLES
•preenchimento da matriz durante a prensagem
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PRENSAGEM SIMPLES
•TIPO DE PRENSA / MATRIZ em função da peça
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Tipos de Prensagem (umidade massa)
•Seca: 0 a 4% umidade-compactação ocorre cominuindo o granulado e por redistribuição mecânica do pó-ação dos aditivos-alta pressão necessária para romper os granulados e distribuir uniformemente o pó-alta produtividade (ex.: produção de capacitores elétricos de 0,5 mm; substratos de ME)-tolerâncias de 1% ou menor são obtidas
•Úmido: 10 a 15% de umidade -normalmente produtos argilosos-deformação plástica da massa (pode escoar por distribuição não homogênea da umidade)-não susceptível a automatização-tolerâncias de 2%
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Compactação de uma
alumina atomizada, massa
para azulejos e pó de KBr
como uma função da
pressão de compactação
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ESTÁGIOS DA PRENSAGEM•ESTÁGIO I: ligeira densificação devido ao escorregamento e redistribuição dos grânulos.
Partículas movem-se para preencher os interstícios e maximizar o empacotamento. O ar é
colocado para fora através da folga entre o punção e as paredes da matriz. Alguma
fragmentação pode ocorrer durante o processo de rearranjo. Os interstícios entre os grânulos
são muito maiores que o tamanho médio dos poros dentro dos grânulos. Quase metade do
movimento da ferramenta ocorre durante este estágio da compactação.
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ESTÁGIOS DA PRENSAGEM•ESTÁGIO II: grânulos deformam-se ou fraturam, reduzindo o volume dos interstícios
relativamente grandes. Os interstícios entre os grânulos ainda persistem, mas uma
significativa consolidação e fragmentação conduz ao enchimento destes espaços vazios.
Uma rede de contatos de partícula-partícula é armada por todo o compacto. O movimento
do punção durante este estágio de compactação contém quase 50% do total.
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ESTÁGIOS DA PRENSAGEM
ESTÁGIO III: começa quando a maioria dos grandes poros entre os grânulos deformados
tenha desaparecido e as pressões mais altas aplicadas causam o escorregamento e o
rearranjo de partículas ou dos fragmentos fraturados dentro dos grânulos em uma
configuração de empacotamento mais densa. Pressões de compactação alcançam seu
pico neste estágio e podem alcançar de 50 a 200 MPa.
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Diagrama de compactação indicando os estágios de compactação e a dependência
na deformabilidade do grânulo onde Py é a pressão de escoamento aparente do pó e
U.R. a umidade relativa
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Modelo de base empírica iguala a porosidade (), a densidade a verde (Dg) ou o volume do
compactado (Vg) a uma função baseada na pressão aplicada (Pa):
/ o = exp [-(Pa/R)]
Dg - Do = S.Pa2
Vg - Vo = T.Pa1/3
R, S e T: constantes empíricas (variam baseadas na dureza do material ou plasticidade,
geometria da partícula e o método de ensaio)
Vo ou Do: volume ou densidade inicial
o: porosidade inicial
Aplicação restrita. As constantes são experimentalmente obtidas e relações fundamentais
entre as características do pó e comportamento de compactação não são levadas em
conta.
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O modelo de base semiquantitativa relaciona a variação relativa na densidade a verde àvariação relativa na pressão aplicada:
Dg = Df + m.ln(Pa/Py)
Dg: densidade do compactado a pressão aplicada;
Df : densidade do pó
m: constante de compactação (dependente do empacotamento e deformabilidade dos pós);
Py: pressão de escoamento aparente dos grânulos
Pa: pressão aplicada
Se a densidade a verde é plotada
como uma função do logaritmo da
pressão de prensagem para um pó
granulado, dois segmentos de linha
reta são observados. A quebra na
curva é interpretada como o início do
colapso do grânulo.
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Colapso de agregados em pó de alumina durante a compactação: é assumido que a
relação semilogarítmica observada para pós granulados é análoga à relação
semilogarítmica entre a resistência mecânica () de materiais frágeis e sua densidade:
=o.e-(b.p)
o: resistência de um corpo não poroso;
b: constante empírica
p: fração de poros
Desta relação foi mostrado que a
densidade do prensado é
proporcional ao logaritmo da
pressão de prensagem.
Conseqüentemente quando a
densidade do prensado é plotada
contra o logaritmo da pressão de
prensagem, uma relação linear é
observada.
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Exemplo: prensagem de pós metálicos e agregados de alumina a várias pressões
A pressão na qual ocorre esta
“quebra” na curva log pressão x
densidade relativa é chamada de
pressão de escoamento aparente,
pressão de escoamento ou
pressão do ponto de quebra e
representado por Py . Dependendo
da constituição do pó Py pode ser
baixo (<1MPa) para pós
granulados com ligantes
orgânicos ou alto (>5MPa) para
pós agregados.Curva pressão-densidade mostrando Py e a pressão de junção
Quebra do granulado
(alumina) ou deformação
plástica (pó metálico)
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O modelo quantitativo para a compactação: descreve os vários estágios de compactação de
pós cerâmicos em termos da probabilidade de preenchimento de vazios de diversos
tamanhos durante os estágios subseqüentes da compactação.
-base: probabilidade com que uma partícula fina preencha um poro formado pelo
agrupamento de partículas maiores (a equação deveria conter tantos termos, quanto os
diferentes tamanhos dos poros)
-dois mecanismos de preenchimento dos poros: (i) escorregamento das partículas finas,
através da pressão aplicada; (ii) ruptura das partículas, para altas pressões (fragmentos
ocupam os vazios, aumentando o empacotamento)
-Considera dois processos independentes: o enchimento de grandes vazios e o enchimento
de pequenos vazios:,
V* = (Vo -Vp)/(Vo -V)
V* = a1.exp(-k1/P) + a2.exp(-k2/P)
V*: volume fracional de compactação, variando de 0 a 1;
Vo: volume inicial do pó;
Vp: volume do compactado a uma determinada pressão;
V : volume do compactado a densidade teórica ou pressão infinita;
a1, a2, k1 e k2 são constantes associadas com o mecanismo de compactação
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL•TAMANHO E DENSIDADE INSUFICIENTES
•fácil detecção; teoricamente fácil de resolver
•DESGASTE DA MATRIZ
•controle de qualidade; seleção de materiais; uso de lubrificantes;
•LAMINAÇÃO•mais difícil: design da matriz, encapsulamento de ar; relaxamento do ligante durante a extração do molde; atrito com as paredes da matriz, desgaste da matriz; outras causas;•freqüentemente inicia no canto superior da peça durante o alívio da tensão de compactação ou extração da peça•soluções (caso a): (1) lubricante; (2) ligante(aumento da RM); (3) controle do comportamento viscoelástico do ligante (principalmente caso b); (4) manter o punção baixo
durante a extração da peça;
•FALTA DE HOMOGENEIDADE NA COMPACTAÇÃO•causa distorções e trincas durante a queima; só aparece após a queima!•ocorre devido à falta de lubrificação entre as partículas (e matriz) durante a compactação•distribuição da pressão, alimentação da matriz e dureza dos grânulos não homogênea;•durante a queima: diferenças na densificação do material cerâmico (diferença na retração: trincas)•soluções: aditivos; uso de dupla-ação (ou conforme a geometria e tamanho: prensagem isostática
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: LAMINAÇÃO
Relaxamento da pressão pelo
punção superior: fricção entre a
parede da matriz e a peça
Recuperação da massa na parte
superior da peça
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PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
Compactação não
uniforme
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PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
Compactação não
uniforme: simples e
dupla ação
ação simples dupla ação
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MgCO3: distribuição de pressão e compactação
PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Surgimento de um defeito durante a queima: A) corpo verde;
B) 5 minutos de queima e C) 20 minutos de queima
PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
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Variação da densidade em seis corpos de prova prensados
PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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estampo isostático empregado na prensagem de revestimentos cerâmicos
PROBLEMAS NA PRENSAGEM UNIAXIAL: HOMOGENEIDADE
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2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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Prensagem de revestimentos cerâmicos
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PRENSAGEM A QUENTE
-Mecanicamente idêntica à
prensagem a frio;
-Diferença: aquecimento do molde,
que sintetiza o pó durante a
operação de prensagem;
-Densificação a uma temperatura
mais baixa, comparada as
sinterizações sem prensagem;
-Normalmente sem aditivos
(qualquer aditivo orgânico seria
transformado pela temperatura em
um resíduo carbonizado sem
qualquer efeito na massa
cerâmica)
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PISTÃO
CARCAÇA
REFRIGERAÇÃO Á
ÁGUA
MOLDE COM PÓ
RESISTÊNCIA
ELÉTRICA
BOMBA DE
REFRIGERAÇÃO
FONTE E PAINEL DE
CONTROLE
PRENSAGEM A QUENTE
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CIP - HIP
PRENSAGEM ISOSTÁTICA
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Maior homogeneidade
PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO
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A prensagem axial tem limitações prensagem por todos os lados em vez
monoaxial
PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO
prensagem isostática simples
PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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DRY BAG: o
molde está
integrado à
câmara de
pressão da
prensa. O pó é
carregado no
molde, prensado
e após extraído.
Método simples e
rápido.
WET BAG: o pó é
carregado em um
molde no lado
externo da prensa. O
molde então é
colocado na prensa
e é aplicada uma
pressão hidrostática
até a compactação
desejada. O molde e
a parte compactada
são removidos da
prensa e após, a
peça é retirada do
molde. Este
processo envolve
muitas etapas e é
trabalhoso.
PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
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PRENSAGEM ISOSTÁTICA A FRIO
2.2.1 PRENSAGEM2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO