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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão Departamento de Ensino Superior – DESU Departamento de Mecânica e Materiais – DMM Curso: Engenharia Mecânica Industrial Disciplina: Materiais Cerâmicos Nome do Aluno: Natan Carlos Santana Pereira EM 0321019 - 21 PRÁTICA 1:Construção de material cerâmico através do processo de prensagem. Relatório de atividade experimental Profº Dr. Ricardo Bedoya Neves

Prensagem de argila e ensaio de flexão

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Relatório de materias cerâmicos-argila + caulim

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Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão

Departamento de Ensino Superior – DESU

Departamento de Mecânica e Materiais – DMM

Curso: Engenharia Mecânica Industrial

Disciplina: Materiais Cerâmicos

Nome do Aluno: Natan Carlos Santana Pereira

EM 0321019 - 21

PRÁTICA 1:Construção de material cerâmico através do processo de prensagem.

Relatório de atividade experimental

Profº Dr. Ricardo Bedoya Neves

São Luís, 10 de dezembro de 2009.

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RESUMO

Materiais cerâmicos são materiais inorgânicos e não-metálicos. A maioria dos materiais cerâmicos são compostos entre elementos metálicos e não-metálicos para os quais as ligações interatômicas são ou totalmente iônicas ou predominantemente iônicas mas tendo algum caráter covalente. O termo cerâmica vem da palavra grega keramikos, que significa "material queimado", indicando que as desejáveis propriedades destes materiais são normalmente encontradas através de um processo de tratamento térmico de alta temperatura denominado queima.

Até cerca de 40 anos atrás, os mais importantes materiais nesta classe eram denominados "cerâmicas tradicionais", aquelas para as quais a matéria prima básica é a argila; produtos considerados como cerâmicas tradicionais são louça, porcelana, tijolos, telhas, ladrilhos, azulejos, manilhas e, em adição, vidros e cerâmicas de alta temperatura.

Ultimamente, significativos progressos têm sido feitos no entendimento do caráter fundamental destes materiais e dos fenômenos que ocorrem neles que são responsáveis pelas suas únicas propriedades. Conseqüentemente, uma nova geração destes materiais foi desenvolvida e o termo "cerâmica" tem sido tomado com um significado muito mais amplo. Num grau ou noutro, estes materiais têm um efeito bastante dramático sobre as nossas vidas; eletrônica, computador, comunicação, aeroespacial e um grande número de outras indústrias apóiam no seu uso.

OBJETIVOS

Acompanhar as etapas de construção de corpo de prova; Estudar as propriedades intrínsecas do material.

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1. INTRODUÇÃO

Umas das matérias primas cerâmicas mais largamente empregadas é a argila. Este ingrediente barato, encontrado na natureza em grande abundância, às vezes é usado na forma como minerado sem nenhuma melhoria de qualidade. Outra razão para sua popularidade reside na facilidade com que produtos de argila podem ser conformados; quando misturados nas apropriadas proporções, argila e água formam uma massa plástica que é muito susceptível à conformação. A peça formada é seca para remover alguma umidade, após o que é queimada numa temperatura elevada para melhorar sua resistência mecânica.

A maioria dos produtos baseados na argila cai em duas largas classificações: os produtos estruturais de argila e as louças brancas. Os produtos estruturais de argila incluem tijolos de construção, telhas e tubos de esgoto (manilhas) - aplicações nas quais a integridade estrutural é importante. As cerâmicas de louças brancas se tornam brancas após queima em alta temperatura.

Incluídas neste grupo estão a porcelana, olaria (cerâmica de barro), louças de mesa, porcelana chinesa e instalações de encanamento (louças sanitárias). Em adição à argila, muito destes produtos também contém ingredientes não-plásticos, que influenciam as mudanças que ocorrem durante os processos de secagem e de queima e as características da peça acabada.

AS CARACTERÍSTICAS DA ARGILA

Os minerais de argila desempenham dois muito importantes papéis nos corpos cerâmicos. Primeiro, quando água é adicionada, eles se tornam plásticos, condição denominada hidroplasticidade. Esta propriedade é muito importante nas operações de conformação, como discutido abaixo. Em adição, argila se funde ao longo de uma faixa de temperatura; assim uma peça cerâmica densa e forte pode ser produzida durante a queima sem fusão completa de tal maneira que a desejada forma é mantida. Esta faixa de temperatura de fusão, naturalmente, depende da composição da argila.

Argilas são aluminossilicatos, sendo compostos de alumina (Al2O3) e sílica (SiO2), que contém água quimicamente combinada. Elas têm uma larga faixa de características físicas, composições químicas e estruturas; as impurezas comuns incluem compostos (usualmente óxidos) de bário, cálcio, sódio, potássio e ferro, e também alguma matéria orgânica.

Estruturas cristalinas para os minerais de argila são relativamente complicadas; entretanto, uma característica predominante é uma estrutura em camadas. Os minerais de argila mais comuns que são de interesse têm o que é chamada a estrutura da caolinita. A argila caolinita [Al2(Si2O5) (OH)4] tem a estrutura cristalina mostrada na Figura 1.

figura 1.

Quando água é adicionada, as moléculas da água se ajustam no meio.

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destas folhas em camadas e formam um filme fino ao redor das partículas da argila. As partículas ficam assim livres para se mover entre si, o que responde pela resultante plasticidade da mistura água-argila.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

CONFORMAÇÃO MECÂNICA: PRENSAGEM

PRENSAGEM DE PÓ

Um interesse principal na aplicação de materiais cerâmicos é o método de fabricação. Muitas das operações de conformação de metais baseiam-se em fundição e/ou técnicas que envolvem alguma forma de deformação plástica. De vez que materiais cerâmicos têm relativamente altas temperaturas de fusão, ligotá-los é normalmente impraticável.

Além disso, em muitas instâncias a fragilidade destes materiais impede sua deformação. Algumas peças cerâmicas são conformadas a partir de pós (ou agregados de partículas) que devem finalmente ser secas e queimadas. Então é necessários que alguns pós tenham algumas características:

-distribuição de tamanho de partículas e forma das partículas

-estado de aglomeração

- alta densidade volumétrica

- grânulos deformáveis

- elevada fluidez

- estável em condições ambientes

- mínima abrasão ao molde e não aderir aos punçõesVárias técnicas de conformação cerâmica já têm sido discutidas em relação à

fabricação de vidros e produtos de argila. Outro importante e comumente usado método que garante um tratamento breve é a prensagem de pó. Prensagem de pó, o análogo cerâmico à metalurgia do pó, é usada para fabricar composições tanto de argila quanto de não-argila, incluindo cerâmicas eletrônica e magnética bem como alguns produtos de tijolos refratários. Em essência, uma massa em pó, usualmente contendo uma pequena quantidade de água ou outro ligante, é compactada para dar a forma desejada, por pressão. O grau de compactação é maximizado e a fração de espaço vazio é minimizada pelo uso de partículas grossas e finas misturadas em apropriadas proporções.

Não há nenhuma deformação plástica das partículas durante a compactação, como haveria com os pós metálicos. Uma função do ligante é lubrificar as partículas do pó quando elas se movem umas em relação às outras no processo de compactação.

Existem 3 procedimentos básicos de prensagem de pó: uniaxial, isostático (ouhidrostático) e prensagem à quente, mas a nossa experiência só contempla a prensagem uniaxial. Para prensagem uniaxial, o pó é compactado numa matriz metálica por pressão que é aplicada numa única direção. A peça conformada toma a configuração da matriz e dos pratos através dos quais a pressão é aplicada. Este método é confinado a formas que são relativamente simples; entretanto, taxas de produção são altas e o processo é barato. As etapas envolvidas numa tal técnica são estão ilustradas na Figura 2.

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figura 2- Representação esquemática das etapas na prensagem uniaxial de pó. (a) A cavidade da matriz é enchida com o pó. (b) O pó é compactado por meio de pressão aplicada ao topo da matriz. (c) A peça compactada é ejetada por ação elevante do punção da base. (d) o sapato

de enchimento empurra para longe da matriz a peça compactada e a etapa de enchimento é repetida.

Para prensagem isostática, o material em pó é contido num envoltório de borracha e a pressão é aplicada por um fluido, isostaticamente (isto é, ela tem a mesma magnitude em todas as direções). São possíveis formas mais complicada do que com a prensagem uniaxial; entretanto, a técnica isostática consome mais tempo e é mais cara.

Para os procedimentos tanto uniaxial quanto isostático, uma operação de queima é requerida após a operação de prensagem. Durante a queima a peça conformada se contraí e experimenta uma redução de porosidade e uma melhoria da integridade mecânica. Estas mudanças ocorrem pela coalescência das partículas de pó numa massa mais densa num processo denominado sinterização.

Após a prensagem, muitas das partículas do pó se tocam entre si (Figura 1c). Durante o estágio inicial de sinterização, pescoços se formam ao longo da região de contato entre partículas adjacentes; em adição, um contorno de grão se forma dentro de cada pescoço, e todo o interstício entre partículas se torna um poro (Figura 1b). À medida que a sinterização progride, os poros se tornam menores e mais esféricos, ou seja, com o aumento do tempo de sinterização existe um decréscimo na porosidade total e um aumento do tamanho de grão.

Com prensagem à quente, a prensagem de pó e o tratamento térmico são executados simultaneamente - o agregado de pó é compactado numa temperatura elevada. Este procedimento é usado para materiais que não formam uma fase líquida exceto numa temperatura muito alta e impraticável; em adição, ela é utilizada quando altas densidades sem apreciável crescimento de grão são desejadas. Esta é uma técnica de fabricação cara que tem algumas limitações. Ela é custosa em termos de tempo, de vez que tanto o molde quanto a matriz devem ser aquecidos e resfriados durante cada ciclo. Em adição, o molde é usualmente caro para fabricar e ordinariamente tem uma curta vida.

SECAGEM, SINTERIZAÇÃO OU QUEIMA.

Muitos processos de conformação de peças cerâmicas requerem adição intencional de água à mistura de matérias primas iniciais. Uma vez que essas peças conformadas vão ser queimadas em altas temperaturas, que transformaria essa água em vapor e literalmente levaria a explosão do produto, deve-se usar processos de secagem bem controlados para a remoção dessa água antes da etapa de Queima propriamente dita.

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A Secagem é a remoção da água mecanicamente combinada e alguma vez envolve a vaporização de aditivos orgânicos tais como plastificantes e ligantes. As cerâmicas que são conformadas sem a adição de água, incluindo muitos componentes eletrônicos, certas formas refratárias e isoladores como as velas de ignição, não requerem uma etapa de secagem antes da queima.

A Queima do produto cerâmico é uma das mais importantes etapas no seu processo de produção. É durante a queima que o produto à “verde” se “matura”- ou seja, que as suas propriedades e utilidades finais são desenvolvidas. São complexas as mudanças físicas, químicas e mineralógicas que ocorrem enquanto o material está sendo queimado.

Uma grande variedade de fornos (geralmente chamados de Kilns) são usados para efetuar a queima dos produtos cerâmicos e para a fusão de vidros. Métodos como lixamento, esmaltagem e soldagem a outros materiais são usadas no acabamento de produtos cerâmicos.

Secagem

A superfície e as partes mais finas de uma peça cerâmica vão sempre secar mais rápido. Isso leva ao desenvolvimento de trincas na superfície da peça. Para se evitar essa situação, costumasse aquecer inicialmente a peça em um ambiente fechado com uma umidade relativa mantida alta na superfície e nas partes mais finas da peça. Quanto maior for a umidade do ar circundante à peça, mais lenta vai ser a taxa de evaporação da água na superfície da peça. A peça vai secar uniformemente se inicialmente a taxa de evaporação na superfície for mantida praticamente igual à taxa de infiltração (ou difusão) da água do interior da peça para a sua superfície. A temperatura de secagem pode ir sendo gradualmente aumentada e a umidade gradualmente diminuída. O estágio final da secagem vai ser feito sob umidade muita baixa e a temperaturas maiores que 100º C, a temperatura de ebulição da água. Isso deve resultar em uma peça seca e isenta de trincas de encolhimento. Utiliza- se algumas vezes envolver as peças, principalmente suas partes mais finas em panos úmidos durante a parte inicial da secagem. Deve-se também usar uma ventilação constante do ar em volta da peça de forma a não deixar desenvolver uma camada saturada de água na sua superfície.

Produtos com seções transversais muito delgadas ou que tenham baixo conteúdo de água podem ser secos simplesmente por uma circulação de ar em uma área ligeiramente morna.

A maioria dos produtos, no entanto requer que a secagem seja processada em fornos secadores onde temperatura, umidade e circulação de ar possam ser controladas. Para a facilidade de manuseio, o produto é usualmente colocado em carros transportadores que podem descarrilar-lhe tanto para dentro quanto para fora dos secadores. Hoje em dia já se está usando secagens assistidas por vácuo e por microondas.

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Quando uma grande variedade de artigos estão sendo produzidos é necessário utilizar-se secadores ciclicamente programados. Esses secadores consistem de câmaras que uma vez preenchidas com os produtos a serem secos, são aquecidas através de uma programação envolvendo tempo- temperatura- umidade. Quando termina o ciclo de secagem, o forno secador é parcialmente resfriado e os produtos secos são removidos. Quando se esvazia o forno, um novo carregamento de produtos é efetuado, e o ciclo de secagem é repetido.

Secadores à túnel são secadores contínuos que são adequados para uma operação contínua de queima. Eles consistem de longas câmaras através das quais o produto é lentamente empurrado para dentro. Ao longo de toda a extensão do túnel, várias zonas de temperatura e umidade constantes são mantidas.

No caso de produtos cerâmicos granulados, como os cimentos, por exemplo, podem-se usar bandejas secadoras com o material espalhado sobre elas, que se movem progressivamente através de uma câmara de secarem. Esses materiais também podem ser secos em um secador rotatório, que consiste de longo cilindro ligeiramente inclinado da horizontal e lentamente girado em torno de seu eixo. O ar quente é soprado a partir da parte mais baixa e retirado na sua parte mais alta. O material ainda úmido é alimentado na parte mais alta e descarregados já secos na parte mais baixa.

Queima ou Cozimento do Corpo Cerâmico

A maturação de um corpo cerâmico pode ocorrer de duas maneiras:

Por Vitrificação: quando, durante a queima, ocorre a formação de uma quantidade grande de fase vítrea no produto.

Por Sinterização: quando pequena ou mesmo nenhuma quantidade de líquido é formada durante a queima do produto.

Em ambos os casos o resultado final da queima são os mesmos – ou seja, a redução ou a quase total eliminação dos poros, acompanhada pelo encolhimento e aumento na densidade do produto, e uma junção dos grãos cristalinos ou seus constituintes mineralógicos individuais de modo a formar um massa rígida e resistente.

A maioria das cerâmicas, incluindo todos os produtos de cerâmica branca, produtos estruturais de argila e refratários argilosos, sofrem vitrificação durante a queima. Os termos, não vitrificado, semi-vitrificado e vitrificado são descritivos da quantidade de porosidade presente no produto final (Normas ASTM C242-90a). A maioria dos produtos cerâmicos vitrificáveis contém argila ou talco junto com outros silicatos.

Quando se aumenta a temperatura do corpo, as impurezas carbonáceas são eliminadas, a água quimicamente ligada as matérias primas é evoluída e os carbonatos e sulfatos começam a se decompor. Todos esses processos produzem gases que devem escapar do produto passando para a sua superfície através dos seus poros.

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Com o posterior aquecimento, alguns dos minerais começam a se transformar em novas formas estruturais, e os fluxos presentes começam a reagir com os minerais que estão se decompondo para formar líquidos de silicatos viscosos ou fases vítreas. (Se essa formação de líquido procede rapidamente pode começar a bloquear os poros antes que todos os gases sejam ventilados para fora e o corpo cerâmico pode inchar em um processo indesejável conhecido “bloating”).

Quando a temperatura vai sendo ainda mais aumentada, mais líquido vai se formando que começa, por forças de tensões superficiais, a empurrar os grãos não derretidos para junto um dos outros, provocando o encolhimento e o aumento de densidade da peça. Se o processo de formação de fase vítrea (líquida) se estende por muito tempo (ou porque a temperatura é muito alta ou porque o tempo de permanência naquela temperatura é muito longo), a massa cerâmica vai se tornando muito líquida e não mais conseguindo suportar seu próprio peso. Quando isso ocorre, a massa vai se deformar e/ou empenar, e o artigo se torna sem utilidade. Algumas vezes pode-se eliminar esse empenamento suportando a peça com formas refratárias especiais conhecidas como mobília de fornos cerâmicos.

Quando se tenha atingido um grau de maturidade próprio- densidade e quantidade remanescente de porosidade apropriadas – deve-se resfriar o artigo. O resfriamento provoca que a fase líquida (vítrea) se torne rígida e forme uma ligação rígida entre os remanescentes grãos cristalinos.

Uma microestrutura típica de uma cerâmica que tenha passado por vitrificação é dada por amostras de porcelana. Nela, grandes grãos de quartzo podem ser vistos circundados por fase vítrea. Vários cristais com aparência de agulhas são de mulita (3Al2O3. 2SiO2) e alguns amontoados são de argilas não decompostas.

O papel dos grãos de “flint” de poteria (sílica) na vitrificação da porcelana é crítico. A sílica passa por várias mudanças de estrutura cristalina durante o aquecimento e resfriamento da peça. Essas mudanças, chamadas transformações polimórficas, resultam em uma mudança abrupta em volume com uma conseqüente tendência a provocar o trincamento dos grãos; tais trincas podem se propagar através do produto.

O quartzo comum se transforma abruptamente em uma forma conhecida como alto quartzo (quartzo ) quando aquecido até 573º. Se o corpo ainda não está “maturado” tudo bem, essa grande mudança em volume devido a transformação polimórfica pode ser acomodada sem gerar trincas. Tem-se fase líquida presente, esse alto quartzo pode lentamente ser convertido em outra forma cristalina (tridimita) em temperaturas acima de 867 C e para uma forma chamada cristobalita acima de 1470 ºC. Geralmente se forma alguma cristobalita quando o produto cerâmico é queimado em altas temperaturas, mas a maioria dos grãos de sílica permanecem não convertidos na forma de quartzo . Deve-se, portanto Ter cuidado com as transformações que podem ocorrer no resfriamento. Abaixo de 600 ºC o quartzo vai abruptamente se transformar em quartzo comum com uma repentina mudança em volume. Se o corpo já está suficientemente maturado, ou seja,

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rígido, essa transformação vai causar sérios problemas de trincas no produto final. Por essa razão o resfriamento do produto na faixa dos 600-500º C deve ser feito de maneira muito lenta. A moagem da sílica em partículas bem finas ajuda em alguns casos a superar esse problema. Nos produtos cerâmicos queimados em ciclos rápidos (fast-fire ceramics – como aqueles revestimentos cerâmicos feitos por mono-queima “single-fired”; o produto é queimado junto com o seu esmalte), substitui-se parte da sílica por alumina, que não sofre transformações alotrópicas nem no aquecimento e nem no resfriamento.

As cerâmicas que consistem de óxidos puros tais como as de Al2O3, MgO, BaTiO3 e as ferritas e que não contém qualquer constituinte de fase vítrea, não passam por vitrificação. Ao invés disso sofrem sinterização que é um processo acompanhado por vários tipos de mecanismos de movimentação atômica. Quando um artigo que consista de grãos desses óxidos compactados é aquecido, os seus átomos se movem um a um a partir de pontos de contato entre os grãos para as paredes dos poros, resultando numa união dos grãos individuais até a obtenção de uma massa coerente. Usualmente são necessárias temperaturas muito altas para conduzir, à uma taxa razoável, a densificação.

A taxa de densificação é aumentada se o tamanho de grão inicial for diminuído. Freqüentemente, pequenas adições de outros óxidos podem aumentar a taxa de sinterização de um material puro através da formação de pequenas quantidades de fase líquida nos pontos de contato entre os grãos. Quando a maioria da porosidade é removida, um alargamento gradual dos grãos (crescimento de grãos) pode ser observado.

Uma microestrutura típica de um produto sinterizado mostra os grãos principais, as fases intergranulares e alguma porosidade remanescente do próprio processo de sinterização ou arrancada durante a preparação ceramográfica.

Atmosfera de Forno figura 3

A composição da atmosfera na qual um produto cerâmico é queimado tem uma forte influência nos resultados da operação, independentemente se o produto passa por vitrificação ou por sinterização. O teor de oxigênio da atmosfera dentro do forno é particularmente importante.

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Se a atmosfera tem suficiente oxigênio para permitir que a cerâmica absorva algum oxigênio, essa atmosfera é dita oxidante; se a atmosfera tende a roubar oxigênio da cerâmica, é dito que a atmosfera é redutora. Quando uma cerâmica absorve oxigênio da atmosfera, ela pode queimar carbono e converte todos os compostos instáveis presentes para óxidos. Se ocorrer uma atmosfera redutora, íons de valência variáveis presentes na cerâmica tenderão a mudar para seu estado menos positivo, resultando em mudanças nas características óticas (especialmente cor), elétricas etc.AS atmosferas dos fornos aquecidos por combustão terão uma mistura de gases como o CO2, N2, CO, O2, H2O e usualmente algum SO2. Se presente em grandes quantidades o SO2 é bem prejudicial para as cerâmicas. Nesse caso, a prática comum tem sido o uso de muflas nos fornos. A mufla é um recinto no qual o produto pode ser colocado de forma que os gases de combustão que passam pelo lado de fora da mufla nunca entrem em contato com o produto. A mufla também protege o produto de ser inflamado o que pode provocar encolhimentos diferenciados durante a queima. Se não se tem disponível uma mufla, ou se proteção extra se faz necessária, "saggers" (caixas de argila refratárias em que se leva louças de barro para cozer) são utilizadas.

Fornos Cerâmicos (KILNS)

Figura 4

Estrutura na qual um material ou produto é queimado, calcinado, sinterizado, ou de outra forma submetido a temperaturas elevadas.

O forno no qual se dá a queima de produtos cerâmicos, comumente chamado de kiln, pode ser classificado ou como periódico (intermitente - figura 5ª ou de bateladas - figura 5b ) ou à túnel (contínuo), dependendo de sua construção e modo de operação.

Um kiln periódico é aquele no qual todo o forno é aquecido e resfriado de acordo com um programa (schedule) particular para aquele produto;

Um kiln à túnel, por outro lado, mantém continuamente certas zonas de temperatura e o produto é movido de uma zona para outra para atender o requerido ciclo de tempo-temperatura. A figura abaixo mostra um tipo de forno à túnel e seu painel de controle.

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Figura 5 a e b

O forno periódico é mais flexível uma vez que se pode mudar os ciclos tempo-temperatura para diferentes tipos de produtos. O forno à túnel é mais econômico em termos de trabalho (para carregar e descarregar os produtos no forno) e combustível (embora os revestimentos fibrosos e o isolamento nos carros fornos -kiln car - tenham tornado os fornos periódicos eficientes) mas é relativamente inflexível, sendo limitado para a queima de longas jornadas envolvendo somente um tipo de produto. Muitas fábricas adotam ambos os tipos de fornos, sendo que os periódicos são usados para as linhas de produtos especiais e os fornos à túnel para os produtos de linha padrão e alto volume de produção. O investimento inicial para o forno à túnel é alto, e sistemas de controle mais sofisticados que os dos fornos periódicos são requeridos.

Os fornos periódicos consistem de uma única câmara forrada e selada refratários (figura 6),

possuem portinholas para entrada dos gases quentes (burner port) e saídas para os produtos de combustão. A menos que seja construído com uma mufla, o forno aquece o produto pela passagem de gases quentes de combustão através dos produtos.

Nos fornos de sucção para baixo - downdraft kiln (corrente de ar descendente), também chamados de fornos colméia - beehive kiln, a soleira ou fornalha (hearth) é forrada

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com refratários perfurados com muitas aberturas para permitir que os gases saiam para o subsolo.

Deve-se ter cuidado que gases de baixo ponto de orvalho não comecem a condensar água nos produtos nas partes mais frias do forno durante os primeiros estágios de aquecimento.

Esses fornos são carregados e descarregados a mão, resultando em considerável custo de mão de obra. Eles não podem ser descarregados até que o forno esteja frio o bastante para permitir que as pessoas possam trabalhar no seu interior, o que significa que em períodos longos o forno fica improdutivo. Um ciclo total de várias semanas é comum para grandes fornos de sucção para baixo.

O forno "shuttle" é um forno popular do tipo periódico onde o produto é carregado em um carro que chega até a câmara de queima. Após a queima, a porta do forno é aberta e o carro do forno pode sair tão logo os refratários e os produtos estejam frios o suficiente para resistir ao choque térmico envolvido no processo. Dessa forma o forno não precisa ser completamente resfriado e se perde pouco tempo entre os ciclos.

Os fornos elevadores são também populares como fornos periódicos de turnos rápidos. A carcaça do forno (paredes e o teto) podem ser elevados (forno de cume tipo sino) enquanto que a sua base permanece no nível do solo. Depois que o produto é colocado na soleira (geralmente em um carro transportador), o resto do forno é abaixado até circundar toda essa base. Depois da queima, a carcaça do forno é levantada antes que o produto esteja completamente resfriado, encurtando o tempo improdutivo que representa o período de resfriamento. Em alguns projetos de fornos elevadores a carcaça do forno é fixada acima da base da fábrica, e a soleira (fornalha) é elevada até o nível para que então se dê a queima.

O forno à túnel ou forno contínuo consiste de uma câmara refratária, geralmente vários metro de comprimento, através dos quais o produto é lentamente movido para passar por um gradual aquecimento e um lento resfriamento. O túnel é mantido cheio de produtos ao longo de todo o seu comprimento. A zona de temperatura mais alta, ou zona de queima, é geralmente perto do meio do comprimento do túnel; essa é a zona onde a maioria dos queimadores estão localizados. A primeira seção do túnel onde o produto a verde entra no forno é chamada de zona de pré-aquecimento. Uns poucos queimadores são localizados nessa zona, com a maioria deles concentrados perto do começo da zona de queima. A seção final do túnel é chamada de zona de resfriamento. (na realidade, os modernos fornos à túnel e os fornos de soleira móvel têm várias subzonas controladas dentro das quais existem três principais zonas).

Grandes ventiladores localizados no final da zona de resfriamento forçam a entrada de ar frio nessa zona. Esse ar frio passa pelos produtos que estão sendo resfriados, roubando calor deles e acelerando o processo de resfriamento. O ar quente resultante desse processo é soprado para a zona de queima, onde aumenta a eficiência da combustão e também assegura uma atmosfera oxidante. Os produtos de combustão

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quente são soprados da zona de queima para a zona de pré-aquecimento onde eles perdem calor ajudando a aquecer o produto não queimado. Finalmente esses produtos de combustão resfriados são exauridos através da chaminé da zona de preaquecimento antes que eles encontrem produtos tão frios que provoquem uma condensação desses gases na forma de umidade sobre os produtos. O modelo de fluxo nos fornos à túnel é portanto: o produto se move através do túnel em uma direção, pegando calor na zonas de pré-aquecimento e de queima e dando de volta esse calor na zona de resfriamento; os gases se movem através do túnel na direção oposta, pegando calor do produto nas zonas de resfriamento e de queima e dando calor na zona de pré-aquecimento. Uma eficiência térmica muito alta é o resultado dessa complicada operação. Geralmente o ar de fora é soprado através de uma dupla parede e duplo telhado para dentro da zona de resfriamento de modo a pegar qualquer desperdício de calor e ser aproveitado nos secadores.

O movimento de produtos através de grandes fornos à túnel são realizados por carros refratários que se deslocam em trilhos. Os carros são geralmente empurrados para dentro da zona de pré-aquecimento em escalas de tempo pré-fixadas. Uma vez que o túnel é mantido completamente cheio de carros, quando se empurra um para dentro da zona de pré-aquecimento se força um carro a sair da zona de resfriamento - ao mesmo tempo cada carro dentro do forno se move de um comprimento para frente. Algumas vezes são usadas correias transportadoras ao invés de carros-forno para transportar os produtos. Se parte do forno onde fica a fornalha é móvel é possível obter ciclos de queima bem rápidos e mais flexíveis que os dos fornos à túnel convencionais. Esses chamados "rollers kilns" são agora usados em muitos setores da indústria cerâmica para queimar uma diversidade de produtos desde os componentes de circuitos eletrônicos até produtos da indústria de sanitários.

Materiais cerâmicos não consolidados podem ser calcinados em fornos rotatórios, que são tubos cilíndricos de aço forrados com refratários. Os "rotatory kilns" podem ser

bem longos (vários metros) com alguns metros de diâmetro. Veja a seguir o comportamento de um cerâmico no processo de sinterização:

figura 7

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3. MATERIAIS E METÓDOS

Britador

Argila caulitica

Caulim

Feldspato

Quartzo

Moinho

Peneira

Estufa

Balança digital

Água

Prensa

Matrizes

PaquímetroForno

FABRICAÇÃO DA CERÂMICA

Extração do barro:_ Escolha criteriosa, pois as propriedades da argila regulam as propriedades da cerâmica;

Preparo da matéria-prima:_ Apodrecimento: argila é deixada ao ar livre, sendo revolvida, para descansar. Finalidade: fermentação de partículas orgânicas;_ Retirada de blocos grosseiros de argila para isso utilizamos um britador para a moagem;_ Maceração: obtenção de partículas menores que se obtém através de um peneiramento adequado, no caso em questão usou-se peneiras com mesh 60. Consiste em selecionar a materia-prima um pó com predefinida distribuição granulométrica;_Retirada de umidade ambiente, pois queremos controlar o teor de umidade para isso colocamos nossa argila em uma estufa._Separamos 175g da argila para cada amostra (sete) com a utilização de uma balança digital.

Moldagem:_A Moldagem foi a seco e com um conteúdo predefinido de água (em torno de 8% de umidade), equivalente 14g, utilizanmos a balança digital.

Prensagem:_A prensagem consiste na compactação do pó sobre um molde, através da pressão de um punção, onde alimentamos a fôrma da matriz com a argila preparada para reassentar e colocar os grãos da massa em íntimo contato, mas antes definimos a força necessária para a prensa hidraúlca através da fórmula:

_Alimentação da matriz:.Matriz 7x 2 cm = 14 cm2

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resultando assim, em um produto compactado e cru. Veja a relação do material prensado, na estufa e depois de sinterizado, respectivamente.

figura 8

Tabela1

Tabela 2

Tabela 3Obs. O corpo de prova I apresentou flambagem

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Logo abaixo está o processo estatístico das amostras, resultado do ensaio de flexão aplicado nas amostras 2,3,4,5 e 6:

Na máquina:

Na teoria:

Os corpos I e VII não entraram na análise.O corpo de prova VI apresentou uma medida fora da média, o que foi descartada da analisa estatística.

4. RESULTADOS E DISCURSÕES

Materiais cerâmicos são limitados em aplicabilidade por suas propriedades mecânicas, que em muitos aspectos são inferiores àquelas de metais. A principal

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desvantagem é uma disposição à fratura catastrófica de uma maneira frágil com pouca absorção energia.

À temperatura ambiente a cerâmica quase sempre se fraturam antes que qualquer deformação plástica possa ocorrer em resposta a uma carga de tração aplicada. Os tópicos de fratura frágil e mecânica da fratura, também se relacionam à fratura de materiais cerâmicos.

O processo de fratura frágil consiste da formação e propagação de trincas através da seção reta de material numa direção perpendicular à carga aplicada. Crescimento de trinca em cerâmicas cristalinas é usualmente através dos grãos (isto é, transgranular) e ao longo de planos cristalográficos (ou de clivagem) específicos, planos de alta densidade atômica.

As resistência à fratura medidas de materiais cerâmicos são substancialmente menores do que previstas pela teoria das forças de ligação interatômicas. Isto pode ser explicado pelo defeito no material que servem como elevadores de tensão (pontos nos quais a magnitude de uma tensão de tração aplicada é amplificada). Estes elevadores de tensão podem ser trincas da superfície ou do interior (microtrincas), poros internos e cantos de grão, que são virtualmente impossível de eliminar ou controlar. Por exemplo, mesmo umidade e contaminantes na atmosfera podem introduzir trincas superficiais em fibras de vidro recém conformadas; estas trincas afetam deterioradoramente a resistência mecânica. Uma concentração de tensão numa ponta de defeito pode causar a formação de uma trinca, que pode propagar-se até eventual falha.

A medida da capacidade de um material cerâmico para resistir à fratura quando uma trinca estiver presente é especificada em termos tenacidade à fratura.

Valores de tenacidade à fratura por deformação plana para materiais cerâmicos são menores do que aqueles para metais; tipicamente eles estão abaixo de 9000 psi (polegada)1/2 ou, 10 Mpa (m)1/2.

Este fenômeno é chamado fadiga estática, ou fratura retardada; o uso do termo "fadiga" é algo enganador porquanto uma fratura possa ocorrer na ausência de tensões cíclicas. Observou-se que este tipo de fratura é especialmente sensível às condições ambientais, especificamente quando umidade estiver presente na atmosfera. Relativamente ao mecanismo, um processo de corrosão sob tensão provavelmente ocorre nas pontas das trincas; isto é, a combinação de uma tensão de tração aplicada e dissolução de material conduzem a um afilamento e a um acompridamento das trincas até que, por fim, uma trinca cresce até um tamanho de rápida propagação. Além disso, a duração da aplicação da tensão que precede a fratura decresce com o aumento da tensão.

Conseqüentemente, quando se especifica a resistência à fadiga estática,o tempo de aplicação da tensão deveria também ser estipulado. Vidros de silicado são especialmente susceptíveis a este tipo de fratura; ele tem sido também observado em outros materiais cerâmicos para incluir porcelana, cimento portland, cerâmicas de alta alumina, titanato de bário e nitreto de silício.

Existe usualmente considerável variação e dispersão na resistência à fratura para muitas amostras de um específico material cerâmico frágil. Este fenômeno pode ser explicado pela dependência da resistência à fratura em relação à probabilidade da existência de um defeito que seja capaz de iniciar uma trinca. Esta probabilidade varia de amostra a amostra do mesmo material e depende da técnica de fabricação e de qualquer subseqüente tratamento. Tamanho ou volume da amostra também influencia a resistência à fratura; quanto maior a amostra tanto maior esta probabilidade de existência de defeito e tanto menor a resistência à fratura.

Para tensões compressivas, não existe nenhuma amplificação de tensão associada com quaisquer defeitos existentes. Por esta razão, cerâmicas frágeis exibem muito

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maiores resistências em compressão do que em tração e elas são geralmente utilizadas quando condições de carga são compressivas. Também, a resistência à fratura de uma cerâmica frágil pode ser melhorada acentuadamente pela imposição de tensões compressivas residuais em sua superfície. Uma maneira de realizar isto é por revenimento térmico.

Foram desenvolvidas teorias estatísticas que em conjunção com os dados experimentais são usadas para determinar o risco de fratura de um dado material. Entretanto, devido à dispersão nas resistências à fratura medidas de materiais cerâmicos, o uso de valores médios e de fatores de segurança não são normalmente empregadas para os propósitos de projeto.

Como uma conseqüência do processo de fabricação, alguns sistemas cerâmicos retêm porosidade residual, que normalmente existe como poros isolados pequenos, aproximadamente esféricos. Porosidade é usualmente deletéria à resistência à fratura destes materiais por duas razões: (1) poros reduzem área de seção reta através da qual uma carga é aplicada; e (2) eles também agem como concentradores de tensão - para um poro esférico isolado, uma tensão de tração aplicada é amplificada por um fator de 2. A influência da porosidade é bastante acentuada; experimentalmente tem sido observado que a resistência de muitas cerâmicas decresce exponencialmente com o aumento da porosidade.

5. CONCLUSÃO

Os processos de fabricação empregados pelos diversos segmentos cerâmicos assemelham-se parcial ou totalmente sendo que o setor que mais se diferencia quanto a esse aspecto é o do vidro.

Grande parte das matérias-primas utilizadas na indústria cerâmica tradicional é natural, encontrando-se em depósitos espalhados na crosta terrestre. Após a mineração, os materiais devem ser beneficiados, isto é desagregados ou moídos, classificados de acordo com a granulometria e muitas vezes também purificadas. O processo de fabricação, propriamente dito, tem início somente após essas operações. As matérias-primas sintéticas geralmente são fornecidas prontas para uso, necessitando apenas, em alguns casos, de um ajuste de granulometria.

Os materiais cerâmicos geralmente são fabricados a partir da composição de duas ou mais matérias-primas, além de aditivos e a água ou outro meio. Mesmo no caso da cerâmica vermelha, para a qual se utiliza apenas argila como matéria-prima, dois ou mais tipos de argilas com características diferentes entram na sua composição. Raramente emprega-se apenas uma única matéria prima. Dessa forma, uma das etapas fundamentais do processo de fabricação de produtos cerâmicos é a dosagem das matérias primas e dos aditivos, que deve seguir com rigor as formulações de massas, previamente estabelecidas. Os diferentes tipos de massas são preparados de acordo com a técnica a ser empregada para dar forma às peças.

Existem diversos processos para dar forma às peças cerâmicas, e a seleção de um deles depende fundamentalmente de fatores econômicos, da geometria e das características do produto. Neste texto trataremos somente da prensagem.

O processamento térmico é de fundamental importância para obtenção dos produtos cerâmicos, pois dele dependem o desenvolvimento das propriedades finais destes produtos. Esse tratamento compreende as etapas de secagem e queima.

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Normalmente, a maioria dos produtos cerâmicos é retirada dos fornos, inspecionada e remetida ao consumo. Alguns produtos, no entanto, requerem processamento adicional para atender a algumas características, não possíveis de serem obtidas durante o processo de fabricação. O processamento pós-queima recebe o nome genérico de acabamento e pode incluir polimento, corte, furação, entre outros.

Muitos produtos cerâmicos, como louça sanitária, louça de mesa, isoladores elétricos, materiais de revestimento e outros, recebem uma camada fina e contínua de um material denominado de esmalte ou vidrado, que após a queima adquire o aspecto vítreo.

Esta camada vítrea contribui para os aspectos estéticos, higiênicos e melhoria de algumas propriedades como a mecânica e a elétrica. Muitos materiais também são submetidos a uma decoração, a qual pode ser feita por diversos métodos, como serigrafia, decalcomania, pincel e outros. Neste caso são utilizadas tintas que adquirem suas características finais após a queima das peças.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] Norton, F.H. Introdução à tecnologia cerâmica – Editora Edgard Blucher – 1973-São

Paulo.

[2] Tomasi, R. Introdução a materiais cerâmicos. Apostila da disciplina materiais

cerâmicos I do curso de Engenharia de materiais da UFSCar. São Carlos- SP, 1992.

[3] www.fe.up.pt/~falves – Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial acessado

em 7 de novembro de 2009.

[4] Callister Jr.,W. D. – “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução”, 5ª Ed. LTC

Editora, Rio de Janeiro, 2002.