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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico
Fluxograma básico para fabricação de um produto cerâmico convencional
EXTRAÇÃO/BENEFICIAMENTODA MATÉRIA-PRIMA
MOAGEM/FORMULAÇÃO
CONFORMAÇÃO
SECAGEM/EXTRAÇÃO DE ADITIVOS
QUEIMA
PRODUTO FINAL
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico
CONFORMAÇÃO
Objetivo: dar forma de uma peça a um material sem formaExistem muitos tipos de processos para fabricação de um material cerâmico. A escolha do mesmo depende tanto da forma final da peça quanto das propriedades desejadas.
PÓ CORPO POROSO PARTÍCULAS: alto grau de homogeneidade
alto empacotamento
menor distorção microestruturaldurante sinterização
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico
CONFORMAÇÃOPRINCIPAIS PROCESSOS USADOS PARA A FABRICAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS
PRENSAGEMUNIAXIALISOSTÁTICAPRENSAGEM A QUENTEPRENSAGEM ISOSTÁTICA A QUENTE
COLAGEMDRENAGEMDE SÓLIDOSA VÁCUOSOB PRESSÃOCENTRIFUGADAMOLDE PERDIDOGEL CASTINGDEPOSIÇÃO ELETROFORÉTICATAPE CASTING
CONFORMAÇÃO FLUIDOPLÁSTICAEXTRUSÃOMOLDAGEM POR INJEÇÃO
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PRENSAGEM Empregado na produção de:placas cerâmicasferramentas de corte refratários
O processo consiste em:
Consolidar pós cerâmicos em uma cavidade com formato pré-determinado mediante o emprego de uma força.
Estágios:
1) Preenchimento do molde
2) Compactação
3) Extração da peça
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Compactação do pó em uma matriz metálica através de uma pressão que é aplicada em uma única direção.
PRENSAGEM UNIAXIAL
•hidráulica (transmissão da pressão por um fluido): menor produtividade •mecânica: alta produtividade, fácil automatização
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PRENSAGEM UNIAXIAL
Método restrito a formas relativamente simples.
Baixo custo
Alta taxa de produção
Preenchimento da matriz durante a prensagem:
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PRENSAGEM UNIAXIALTipos 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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PRENSAGEM UNIAXIAL
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PRENSAGEM UNIAXIAL
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PRENSAGEM UNIAXIAL
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
PRENSAGEM À QUENTE
-Mecanicamente idêntica à prensagem a frio;
-Diferença: aquecimento do molde, que sinteriza 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)
A prensagem e a queima ocorrem simultaneamente. O agregado é compactado a uma temperatura elevada
Depende da temperatura de queima
O molde é de fabricação cara
Exige muito tempo: é necessário resfriar a matriz antes de uma nova compactação
2. Processamento Cerâmico: Conformação
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PRENSAGEM À QUENTEPISTÃO
CARCAÇA
REFRIGERAÇÃO Á ÁGUA
MOLDE COM PÓ
RESISTÊNCIA ELÉTRICA
BOMBA DE
REFRIGERAÇÃO
FONTE E PAINEL DE CONTROLE
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PRENSAGEM ISOSTÁTICA
Formas mais complexas
Custo elevado
Baixa taxa de produção
Material pulverizado está contido em um molde de borracha. A pressão é aplicada através de um fluido em todas as direções
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PRENSAGEM ISOSTÁTICA
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.
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PRENSAGEM ISOSTÁTICA
molde WETBAG molde DRYBAG
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PRENSAGEM ISOSTÁTICA À QUENTE ou HIP
-A pressão é aplicada por todos os lados quando a peça encontra-se a elevada temperatura.
-O processo combina conformação isostática e queima, em uma só etapa.
-O processo permite obter densificação a temperaturas mais baixas do que sem a aplicação da pressão ou a densidade teórica do material, o que seria difícil, ou mesmo impossível, por outro processo.
-Requer projeto especial tanto para as partes do forno quanto à geometria da peça conformada.
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PRENSAGEM ISOSTÁTICA À QUENTE ou HIP
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PRENSAGEM ISOSTÁTICA À QUENTE ou HIP
Prática industrial / Equipamentos industriais
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COLAGEM
SLIP CASTING
TAPE CASTING
GEL CASTING
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COLAGEM Empregado na produção de:
louça sanitárialouça de mesa cerâmica artísticacadinhosfiltrosimplantes ósseoscomponentes para equipamentos térmicos
Processo econômico e utilizado na fabricação de formas complexas
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Características• Produção de peças com formas complexas (louças sanitárias e de
mesa), cadinhos, tubos, implantes ósseos, etc)• Conformação de material através da remoção da parte líquida por
um molde poroso;• Barbotina - suspensão coloidal de um pó em um líquido imiscível;• Molde poroso: gesso• É um processo controlado por difusão
COLAGEM – SLIP CASTING
molde poroso
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COLAGEM – SLIP CASTINGO processo consiste em:1) Preparação da barbotina: matéria-prima em suspensão aquosa (40 a 60%)
2) Preenchimento com a barbotina do molde poroso (gesso)
3) Remoção do líquido (água) pelos capilares do molde
4) Drenagem do excesso de barbotina
5) Desmoldagem
6) Rebarbação
7) Secagem
8) Queima
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COLAGEM – SLIP CASTING
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COLAGEM – SLIP CASTING
Fatores Importantes• Reologia - grau de defloculação da barbotina;• Viscosidade;• pH;• Concentração de sólidos;• Granulometria
Vantagens• Produção de componentes de forma complexa;• Baixo custo dos moldes porosos;• Viabilidade econômica de pequenas produções;• Dispersão de partículas finas.
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COLAGEM – TAPE CASTING• Obtenção de finas folhas com grande área superficial, empregadas
na construção de blocos para substratos eletrônicos;• Desaeração do pó após moagem → vácuo e peneiramento;• Material pronto → aplicado sobre um substrato contínuo: vidro, inox,
papel, filme de polímero. • Deposição é feita através de uma rede micrométrica;• A fina película do material (0,76 mm, por exemplo) é posteriormente
sinterizada, produzindo as propriedades finais. • O processo é utilizado na fabricação de capacitores e substratos
eletrônicos.
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COLAGEM – TAPE CASTING
Fluxograma do processo de tape casting
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COLAGEM – TAPE CASTING
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
COLAGEM – TAPE CASTING
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COLAGEM – TAPE CASTING
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FLUIDOPLÁSTICA
EXTRUSÃO
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
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EXTRUSÃO
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
EXTRUSÃO Empregado na produção de:ladrilhostijolos blocos cerâmicostubos
Processo contínuo ou semi-contínuo com o emprego de uma extrusora ou maromba
O processo consiste em: Uma massa cerâmica plástica é forçada através de um orifício de uma matriz que possui a geometria da seção reta desejada
Matriz Peça Massa cerâmica Rosca sem fim
Bomba de vácuo
Maior densificação
Umidade: 14 a 20% Acionada por motor
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EXTRUSÃO
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
EXTRUSÃO
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MOLDAGEM POR INJEÇÃO Empregado na produção de:velas de igniçãoguias de fios têxteis componentes eletrônicos
O processo consiste em: Aquecer a massa cerâmica (com ligantes) até amolecer a injetar na cavidade de um molde onde se resfria e se solidifica para produzir a forma desejada
Estágios:
1) Preparação do pó
2) peletização
3) Injeção no molde
4) Remoção dos ligantes
5) sinterização
Desenvolvimento de formulações e ligantes orgânicos
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MOLDAGEM POR INJEÇÃOMoldagem por injeção de um polímero em um molde (processo da indústria de transformação de plásticos).Para cerâmicos: Uma mistura de pó cerâmico e polímero é aquecida até amolecer e injetada em um molde metálico. CIM (ceramic injection molding) ou PIM (powderinjection molding). Termoplasticidade: propriedade que proporciona ductilidade ~100-200oC e rigidez a temperatura ambiente.Após resfriamento, o polímero deve ser removido para poder ser queimado (sinterizado).
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MOLDAGEM POR INJEÇÃO
Matérias-PrimasPós cerâmicos: Al2O3, ZrO2 (convencionais);Plastificantes: polietileno, poliacetatos, polietilenoglicol, poliacrilatos
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MOLDAGEM POR INJEÇÃO
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
Vantagens• Fabricação de peças com geometria complexa;• Bom acabamento - pós-queima mínima;• Alta produção;• Reutilização das misturas injetadas;• Automatização
Desvantagens• Custo elevado da matriz e dos pós (baixa granulometria)• Estabilidade dimensional;• Baixa resistência mecânica à verde;• Retirado do plastificante - aquecimento ou extração por
solventes.
Campos de Aplicação• Indústrias de armas, componentes eletrônicos, indústria têxtil
(guias-fios), etc.
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MOLDAGEM POR INJEÇÃO
Mistura: pó cerâmico + polímero
Injeção
Extração do polímero
Queima
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PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICAEmpregado na produção de:
barreiras térmicas: em motores de automóveis, câmara e cabeçote do pistãoProteção contra atrito e desgaste: componentes da indústria têxtil,
componentes de bombas e equipamentos de impressão bicos injetoresProteção contra corrosãoImplantes médicos: próteses de ossos cobertas com hidroxiapatita em locais
de atrito elevado
O processo consiste em: Pulverização de partículas finamente divididas sobre um substrato formando um revestimentoEstágios:
1) Fonte de calor: plasma, oxiacetileno
2) Fusão ou estado semi-plástico das partículas
3) Aceleração das partículas pela expansão dos gases da combustão
4) Choque das partículas com o substrato – formação do revestimento
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
As partículas fundidas ou plástica impactam a superfíciepreparada, achatam-se, e aderem ao substrato, construindo um revestimento denso e de alta aderência.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICACaracterística comum: estrutura lamelar do revestimento, partículas, fundidas, não-fundidas, porosidade, inclusões.
Espalhamento da partícula no choque contra o substrato
Microestrutura típica de um revestimento metálico: lamelas, porosidade e inclusões de óxidos.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
Aplicações: enorme variedade de revestimentos espessos, multicamadas, partes livres, reparo dimensional, corpos de sustentação livre. Pode-se aspergir metais, cerâmicos, polímeros e compósitos.
Funções: desgaste, oxidação/corrosão, barreira térmica, coeficiente de atrito, biocompatibilidade, propriedades elétricas, opticas, magnéticas.
Critério de qualidade: propriedade objetivada e aderência!
Mercado: rápido crescimento (5-10% ao ano). Mercado de 1,35 bilhões de dólares (1997). Processos elétricos sustentaram o crescimento.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA• SETORES INDUSTRIAIS QUE UTILIZAM ASPERSÃO TÉRMICA• Aeronáutica/Aeroespacial• Turbinas a Gás/Energia• Petroquimica• Papel e Celulose• Automotiva• Mineração• Transporte• Aciarias• Marítima• Industria Pesada• Movimentação de Terra• Elétrica• e muitas outras
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
•VANTAGENS•Altas taxas de deposição•Baixo aquecimento do substrato•Tecnologia comprovadamente eficiente•Vários materiais de revestimento•Alto grau de repetibilidade•Versatilidade•Economicamente interessante•Tecnologia a prova de recessão
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
•LIMITAÇÕES•Aplicações de alto stress
–Impacto–Cargas pontuais
•Não adiciona reforço estrutural (NÃO é solda)•Adesão mecânica•Porosidade•Estresses do revestimento•Espessura do revestimento•Limitações dimensionais do processo•Usinabilidade
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA•CUIDADOS•PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE•Remoção do metal fatigado ou corroído•Reparação dos defeitos estruturais com solda•Limpeza e desengraxe da peça•Proteção das partes que não se quer revestir•Manutenção da peça limpa•Jateamento da superfície• Uso de Al2O3 ou granalha de aço (pode causar oxidação, areia NÃO é aceitável) -Para aspersão a arco, combustão e materiais de baixa adesão -perfilrugoso- uso de grão 36 a 40 Al2O3• Para aspersão com HVOF e plasma: perfil fino rugoso é o melhor -- use grão 60, Al2O3• Um bom material multi propósito é o Al2O3 grão 40 a 50
Em torno de 85% das falhasem aspersão podem ser relacionadas à preparaçãode superficie!
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
MICROESTRUTURA DO REVESTIMENTO:•Estrutura lamelar, paralela à superfície ⇒ anisotropia. RM 5 a 10 vezes maior na longitudinal do que na transversal.•Estrutura amorfa (metais vítreos) e fases metaestáveis incomuns: taxa de resfriamento (106 Ks-l).•Inclusões: spray em atmosfera com ar: interações químicas - oxidação, mesmo superficial da partícula. Outros ex.: W reage com H2 e N2.•Estrutura heterogênea: as lamelas têm diferentes tamanhos e aderência (partículas com diferentes tamanhos, temperatura e velocidade)•Porosidade (em aspersões convencionais): 0,025% to 50%. Causas:
•baixa energia no impacto (partículas não fundidas / baixa velocidade) •efeito sombra (partículas não fundidas / ângulo de aspersão) •efeito da contração e relaxação de tensões residuais
•Modificação da natureza química e física. Interações podem modificar significativamente (química e fisicamente) o material de partida
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICATENSÕES NOS REVESTIMENTOS
•Resfriamento e a solidificação ⇒ contração ⇒ tensões trativas na partícula e compressivas na superfície do substrato.
•Com o aumento da espessura do revestimento ⇒ tensão superior a sua aderência ou as forças coesivas, ⇒ desprendimento do revestimento.
•Materiais com alta contração como aços austeníticos ⇒ altos níveis de tensão ⇒ limitações na espessura máxima do revestimento.
•Revestimentos denso ⇒ mais tensionados que os porosos.
•O método de aspersão e a microestrutura influenciam o nível de tensionamento do revestimento.
• HVOF que produz revestimentos com baixa tensão e densos. Isto é devido às tensões compressivas formadas pelas deformações mecânicas (similar ao shot peening) durante o impacto da partícula, atuando contra as tensões trativas devido à solidificação e resfriamento.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
PROCESSOS DE ASPERSÃO TÉRMICA
FONTE ELÉTRICA DE CALOR
FONTE QUÍMICA DE CALOR
(COMBUSTÃO)
PLASMA ARCO
ELÉTRICO DETONAÇÃOCHAMA H.V.O.F
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PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
PLASMA (plasma spray)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
Indústria petroquímicaPlasma: aplicação em palheta de
turbina (ZrO2+Y2O3).
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
Versatilidade: aspersão a
plasma de uma turbina de
hidroelétrica in loco.
Plasma aplicado na superfície interna de motores a combustão (BMW)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
PROCESSOSHIPERSÔNICO (HVOF = High Velocity Oxygen Fuel)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICA
Cilindros da indústria de
papel.Trem de pouso de
space shuttles.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICAPROCESSOSCHAMA (Flame spray ou LPOF - Low Pressure Oxygeb Fuel)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
PULVERIZAÇÃO OU ASPERSÃO TÉRMICAPROCESSOSCHAMA (Flame spray ou LPOF - Low Pressure Oxygeb Fuel)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
INDÚSTRIA DO VIDRO
ELABORAÇÃO DOS VIDROS
processo complexo , que pode ser dividido:Reação dos componentes
Dissolução do excedente de sílica que não reagiu
Refino e homogeneização
Repouso e acondicionamento térmico
Ocorrem dentro do
forno
Programa térmico controlado, com aumento progressivo da temperatura, seguido de um resfriamento e de um
período de estabilização para que a massa vítrea alcance a homogeneidade térmica requerida para a conformação
FORNOS DE FUSÃOObjetivo:
TRANSFORMAR A COMPOSIÇÃO EM VIDRO FUNDIDO
Trabalham com temperaturas de 1500º a 1650ºC
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Reação dos componentes e formação dos vidros
Formação do vidro:Série de transformações físicas e reações químicas a altas temperaturas, através das quais a massa vitrificável se converteem uma massa vítrea
Os componentes da mistura experimentam múltiplas modificações:- transformações cristalinas
- evaporação da água de umidade
- desidratação dos sais hidratados
- dissociação dos carbonatos e sulfatos
- reações entre as distintas espécies químicas
- fusão das espécies químicas e dos produtos das reações e dissolução no fundido que está se formando
O estudo do equilíbrio de
todas as reações é
muito complexo
Se prefere a abordagem do estudo de equilíbrio das reações em sistemas mais simples
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Dissolução do excedente de sílicaApós a reação de todos os componentes da mistura vitrificável e de ter ocorrido a formação de uma fase fundida, pode haver um
excesso de sílica não dissolvido no vidro
A incorporação deste excedente ocorre através de um lento processo de dissolução regido por mecanismos de difusão
O tempo que as partículas de areia levam para se dissolver é:
- proporcional ao quadrado de seu raio
- inversamente proporcional a seu coeficiente de difusão
Com isto, se esperaria que fosse mais conveniente diminuir o mais possível seu tamanho, acelerando a sua dissolução, mas se produziria um aumento prematura da viscosidade do fundido, sem existir tempo suficiente para a eliminação dos gases, dificultando o processo de afinamento.
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Refino e homogeneização do vidro
Objetivo da fusão – transformar materiais granulados em líquido homogêneo e muito viscoso
Quando a composição se funde – reações entre as partículas – geram gases
Devem ser eliminados para que o vidro apresente o grau de homogeneização
que um vidro pronto requer
GASES
Processo de homogeneização e eliminação dos gases e bolhas
REFINOADIÇÃO DE AGENTES AFINANTES
CORRETA CONDUÇÃO DO FORNO
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Refino e homogeneização do vidroConstituem a atmosfera exterior em contato com a superfície livre do vidro
Se encontram aprisionados no interior da massaGASES
Incorporação de gases nos vidros:
Reações de decomposição: produzem o desprendimento de gases
A aparição das primeiras fases líquidas dificulta a desgaseificaçãoe obriga os gases liberados a borbulhar através do fundido buscando uma saída até a atmosfera
Durante a dissolução da sílica, com o aumento da acidez, diminui a solubilidade de alguns gases, que se segregam e se difundem até a atmosfera ou aumentam as bolhas já existentes
Outra fonte de gases é o o contato do vidro com os refratários dos fornos, que são liberados durante a corrosão destes
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Principais fontes de aporte gasoso no vidro durante a etapa de reações de seus componentes
Atmosfera do forno
Mistura vitrificável
Refratários
Contaminações
Ar intergranular
evaporação
Produtos de desidratação
dissociação
Poros
Reações vidro-refratário
Matéria orgânica
N2, O2, CO2, H2O, Ar
H2O, CO2, SO3
N2, O2, CO2
SO2, CO2, O2
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Refino e homogeneização do vidro
Procedimento de refinoAgentes químicos
Adição de substâncias que se decompõem termicamente, dando lugar a um intenso desprendimento gasoso
As bolhas formadas são, em geral, de tamanho grande, com uma força ascensional apreciável, que permite que em pouco tempo subam até a superfície, englobando as bolhas pequenas que encontram, além deromperem e homogeneizarem as camadas estratificadas que atravessam.Principais agentes afinantes:
sulfatos que liberam SO2óxidos de arsênio e antimônio com a união de nitratos que liberam O2Óxidos e peróxidos que aportam O2Cloratos e percloratos que aportam O2
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do VidroConformaçãoPrincipais métodos empregados
Sopro manual e automático – vidros ocos
Centrifugação – tubos de imagem de TV
Prensagem – travessas, pratos, isoladores
Estiramento – tubos e bastões
Laminação – vidro plano
Fibragem – fibras de vidro
Baseados em processos antigos, mas que sofreram modificações
para permitir a produção de vidro com fins industriais
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
SoproDesenvolvido no Oriente Médio, na costa fenícia
Consistia em soprar o vidro e expandí-lo para obter todo tipo de forma
CANA: tubo de metal com cerca de 1,2 a 1,5m de comprimento
Extremidades da CANA:de um lado, um bocal, para soprardo outro lado, um alargamento no tubo
Processo ManualO ar é soprado pelo vidreiro
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Sopro Manual 1) Na extremidade alargada: é colocada uma quantidade de massa vítrea - posta
2) O artesão confere à massa uma forma mais ou menos cilíndrica, fazendo-a girar sobre uma chapa de ferro fundido
3) A massa resfria um pouco
4) O artesão começa a soprar no tubo, formando uma bolha na massa, até obter forma e espessura desejadas
5) A massa é reaquecida junto à porta do forno quantas vezes forem necessárias (Para aumentar a espessura, a massa é submersa novamente na massa fundida dentro do forno)
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Indústria do Vidro
Fabricação de vidros ocos – Sucção - SoproSistema de alimentação por sucção
Primeira máquina para fabricação automática de garrafas Criada por Owens em 1899
A retirada da massa vítrea do forno é feita por sucção direta através da base de um pré-molde
- Sucção do vidro em uma cuba que se mantém girando na razão de 1 a 3 rpm, que conta com sistema de aquecimento para manter o vidro na temperatura de trabalho
- se retira o pré-molde da superfície do banho e se fecha a base
- se insere a cabeça de sopro e se injeta uma pequena quantidade de ar
- o pré-molde é aberto em duas partes; a forma preliminar ou “parison” fica um instante livre e sob seu próprio peso, tem sua base um pouco alargada
- colocação do “parison” no molde de acabamento onde recebe o sopro final
- abertura do molde e retirada da garrafa pronta
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Fabricação de vidros ocos – Sucção - SoproSistema de alimentação por sucção
Processo:
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Fabricação de vidros ocos – Sopro - SoproSistema de alimentação por gota
O vidro é conduzido do forno até a máquina de moldagem através de um canal – “feeder” – cujo comprimento pode variar de 3 a 10m.
Feederalimenta a máquinacondiciona a temperatura do vidro aquecendo-o ou
resfriando-o quando necessário (pode-se regular com uma precisão de até ± 0,5°C
Desemboca em um orifício cuja abertura se pode regular
Acima do orifício, é colocado um tubo refratário, no qual está inserido um punção ou agulha que sobe e desce continuamente
O vidro é empurrado através deste orifício formando a gota
A gota é cortada por lâminas metálicas e cai dentro do molde
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Fabricação de vidros ocos – Sopro - Sopro
PRODUÇÃO DE GARRAFAS
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Estiramento
Consiste em estirar uma massa cilíndrica de vidro semi-fluido ao mesmo tempo que se aplica um jato de ar no centro do cilindro.
Se obtém tubos, lâminas e varetas com um parede uniforme.
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EstiramentoProcesso Danner : filete de vidro flui sobre um mandril
refratário (manga) – movimento de rotação e sopro de ar. O vidro recobre toda a manga – o tubo é puxado sobre rolos de grafite e por duas esteiras (tração do tubo) – fim da linha – corte dos tubos
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Vidros Planos – Processo FloatDesenvolvido por Alastair Pilkington em 1959
Idéia do processo: Pilkinton observou que porções de óleo não se misturavam com a água em uma pia, permanecendo na forma de lâminas sobre esta. A partir daí, ele procurou um metal que fizesse o mesmo papel da água, onde o óleo seria o vidro
atuaria como a água, pois é mais denso que o vidro e continua líquido, não se misturando com ele, nas temperaturas em que se dá o enrijecimento do vidro (de 1100ºC a 600ºC)
ESTANHO
Produz placas perfeitamente planas e polidas
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líquido menos denso sobre outro mais denso (ambos imiscíveis)
o menos denso vai formar uma lâmina sobre o mais denso
com uma espessura “de equilíbrio”
Vidro fundido sobre o estanho, a tendência é de se formar uma lâmina com 5 a 6 mm de espessura.
O banho de estanho deve ser longo o suficiente para que dê tempo para o vidro esfriar, dos 1100ºC na sua entrada, até 600ºC, na saída, quando estará rígido.
Vidros Planos – Processo Float
ESTANHO - Inconvenientese oxida em contato com o oxigênio, nas temperaturas exigidas pelo vidro
é necessário que todo o banho de estanho fique enclausurado dentro de uma grande caixa, onde se injeta nitrogênio.
na caixa, há, também, uma série de resistências elétricas que garantem um perfil térmico conveniente desde a entrada até a saída do vidro
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INDÚSTRIA DO VIDRO
PRODUÇÃO DE VIDRO PLANO
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Vidros Planos – Processo Float
↑ vel. – lâmina afina
↓ vel. – lâmina engrossa
proporcionada pela tração destes rolos na fita contínua de vidro
Top-roll
rodas dentadas que pinçam o vidro pelas
bordas e que têm rotação e ângulos
variáveis e regulados por motores
Espessura do vidro:
balanço entre as tensões superficiais
força da gravidade
velocidade de extração:
controlada pelo uso de até 8 máquinas chamadas de “top-roll”:
• Para vidros com 5 a 6 mm de espessura, os top-rolls são paralelos ao fluxo de vidro e o controle da espessura se faz pela velocidade de extração.
• Para vidros mais finos, os top-rolls formam ângulos divergentes, tendendo a esticar a lâmina, em conjunto com uma maior velocidade de extração.
• Para vidros mais grossos, os top-rolls formam ângulos convergentes, tendendo a empurrar o vidro da borda para o centro, em combinação com uma menor velocidade de extração
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
TRATAMENTOS TÉRMICOSRecozimento
Todos os artigos fabricados com vidro fundido
Durante ou após a conformação
Resfriamento brusco ou irregular
Surgimento de tensões internas não uniformes
Objetivo do recozimento – eliminar estas tensões
O vidro deve passar do estado rígido com tempo suficiente para relaxar a sua estrutura o mais uniformemente possível e para que adquira em todos os pontos o mesmo volume específico
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TRATAMENTOS TÉRMICOSRecozimento
Origem das tensões
Em uma lâmina plana resfriada a velocidade constante:
Gradiente térmico
Distribuição de tensões originadas pelo rápido desaparecimento do gradiente térmico
Máxima diferença de temperatura – ∆T:
v – velocidade de resfriamento
e – espessura do vidro
K – difusividade térmica κ8
2veT =∆
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
TRATAMENTOS TÉRMICOS Origem das tensões
Recozimento Processo
Reaquecimento até a temperatura de recozimento
viscosidade está entre 1013 à 1014 poises
Varia conforme o artigoManutenção na temperatura de recozimento
Resfriamento lento e controlado até a temperatura ambiente
Galeria de recozimento:resfriamento controlado até aprox.
120ºC.
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Medida das tensões
peça após conformação: as tensões não são observadas a olho nu
Recozimento
POLARISCÓPIOObservação no polariscópio:
visualização das tensões
Observação no polariscópio após recozimento: peça livre de tensões
Perfil de tensões
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Têmpera Térmica
Obtenção de ‘Vidro Temperado’
Indução de tensões para conferir maior resistência ao objeto
tensões residuais superficiais compressivas
ProcessoAcima da transição vítrea
Abaixo do ponto de amolecimento
40s/mm de espessura
630 a 640°C
Aquecimento até uma temperatura
Resfriamento com jato de ar ou banho de óleo
Espessura do vidro temperado: 2,8 a 19mm
Aquecimento e resfriamento semelhantes em ambas as faces: minimizar distorções
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Têmpera TérmicaTensões Similares após a conformação de um vidro:
região interna – tensão de traçãoregião externa – tensão de compressão
Quase sempre inicia em trincas na superfície sob tensão de tração
FALHA em Cerâmicos
Para fraturar uma peça de vidro temperado
a magnitude da tensão de tração aplicada deve superar a tensão de compressão da superfície e deve ser suficiente para iniciar e propagar trincas
Em caso de ruptura do vidro temperado
o centro libera a energia da tensão de tração e resulta na formação de pequenos pedaços de vidro sem corte
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: ConformaçãoTêmpera Térmica
janelas laterais e traseiras de automóveis vidros de segurança para edifíciosvidros expostos a radiações solares
USOS
maior resistência ao choque térmico
Têmpera Química
Têm sido desenvolvidos métodos químicos para aumentar a resistência:
- Processos de troca de íons alteram a composição ou estrutura da superfície do vidro:
Combinação de troca iônica e cristalização superficial – reduzem o coeficiente de expansão térmica
Ex.: vidros com alto teor de sódio são submetidos a banhos com sal de lítio fundido – a temperatura permite a difusão do íon alcalino e alivia tensões por fluxo viscoso. Um tratamento térmico posterior permite a cristalização da superfície, reduzindo o coef. de expansão térmica, deixando-a sob compressão
- Pode-se obter uma resistência superior a 7.000 kg/cm2
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Materiais de Construção Mecânica II - 2ª Área2. Processamento Cerâmico: Conformação
Vidro Plano Comum Vidro Laminado Vidro Temperado