Produção de peças de cerâmica avançada com perfil complexo - Zorzi, Janete Eunice (2001)
Nesta Tese são estudados o processo de moldagem por injeção a baixa pressão de pós cerâmicos submicrométricos e a extração dos ligantes orgânicos utilizados durante a moldagem, com o objetivo de ampliar o entendimento dos aspectos científicos envolvidos no processo, bem como desenvolver tecnologia nacional para a produção robusta de peças cerâmicas de alta qualidade. A moldagem por injeção a baixa pressão apresenta vantagens na produção de peças cerâmicas complexas, quando comparada à moldagem por injeção tradicional. É mais simples e barata, porém apresenta problemas na remoção da mistura de ligantes. As dificuldades envolvidas neste processo são ainda maiores quando se considera a confecção de peças cerâmicas espessas preparadas com pó submicrométrico. Este último, por outro lado, permite a obtenção de corpos sinterizados com alta densidade e excelentes propriedades mecânicas. Para viabilizar o emprego desta técnica, fez-se necessário desenvolver, neste trabalho, uma formulação de ligantes adequada para a injetora utilizada, bem como otimizar os parâmetros de injeção, além do desenvolvimento e confecção dos moldes necessários à injeção das peças. O pó cerâmico utilizado foi alumina (Al2O3) submicrométrica de alta pureza e o ligante principal foi a parafina. O processo desenvolvido permitiu a produção de lotes de peças de cerâmica de ótima qualidade, com excelente reprodutibilidade, que foram muito bem aceitas no mercado, em um projeto de interação com a indústria. O processo se mostrou robusto, confiável e adequado para suprir uma importante demanda, que está surgindo no Brasil, por pequenos lotes de peças de cerâmicas avançadas, com diferentes formas e características. Com o objetivo de verificar se os defeitos observados em algumas peças sinterizadas poderiam ter sua origem rastreada até a etapa de conformação da peça cerâmica, foi desenvolvido um método para medida da distribuição de pó cerâmico em corpos "a verde", baseado na absorção de radiação X e 1 de diferentes energias. A variação da distribuição de material cerâmico é obtida através da medida da absorção relativa da radiação de diferentes comprimentos de onda, proveniente de uma fonte de 241 Am, ao atravessar seções finas de um corpo injetado a baixa pressão. Esta medida, feita em distintas posições, permitiu traçar o perfil de densidade relativa ao longo de diferentes eixos da amostra. Os resultados obtidos demonstram que a concentração de Al2O3 em diferentes pontos da amostra a verde não varia mais que 1% em peso, e não pode ser responsável pelas rachaduras que surgem durante a etapa de extração dos ligantes. Também utilizou-se radiografias para verificar macrodefeitos decorrentes da injeção, defeitos esses que foram sanados após a otimização dos parâmetros de injeção. Para a remoção de ligantes de peças com paredes finas (até cerca de 7 mm), mesmo quando injetadas com pó submicrométrico, o método da extração por capilaridade, que utiliza leito de pó, mostrou-se bastante adequado. No entanto, para a remoção dos ligantes de peças espessas, fez-se necessário desenvolver dois métodos: o primeiro utiliza a técnica do fluxo capilar em leito de pó convencional (wicking) , com um longo patamar em 170°C, e o segundo, totalmente desenvolvido por nós, utiliza ao mesmo tempo pressão externa, vácuo nas regiões intersticiais entre as partículas do leito de pó e capilaridade. Neste último, o corpo a verde é envolvido em pó cerâmico, sob vácuo e compactado pela ação da pressão externa que atua sobre o pó, através de uma membrana. Este método propicia uma redução substancial no tempo de extração dos ligantes, sem a formação de bolhas e rachaduras indesejáveis. Ambos os métodos foram implementados com sucesso neste trabalho. Durante o processo de extração de ligantes ao ar, ocorrem complexas reações químicas superficiais, dando origem a uma casca dura nas peças parcialmente queimadas a 250°C. Para melhor compreender alguns aspectos do mecanismo de decomposição dos ligantes, foi estudado o processo de queima dos corpos a verde, em diferentes atmosferas, utilizando diversas técnicas de análise. Durante a extração dos ligantes ocorre um acúmulo de carbono na superfície das peças, que escurecem significativamente. Este acúmulo é devido aos ligantes que migram para a superfície com o aquecimento e sofrem degradação oxidativa. A película que se forma na superfície das peças apresenta uma dureza significativa, cerca de 10 vezes maior do que no centro da amostra. Esta casca mostrou ser prejudicial ao processo de extração dos ligantes de peças espessas. Foi observado, por meio de medidas de absorção no infravermelho (FTIR), que os ácidos carboxílicos presentes na mistura ligante reagem com a superfície da alumina, formando sais carboxilatos. A presença destes sais torna-se mais acentuada nas peças queimadas em 250°C, temperatura na qual se forma a casca dura. O conjunto de resultados obtidos sugere que a superfície das peças, enriquecida das frações mais pesadas dos ligantes, fica sujeita, sob condições oxidativas, à formação de ligações cruzadas (cross-linking) entre as longas cadeias carbônicas, o que acaba enrijecendo a matriz orgânica. Esta matriz, por sua vez, encontra-se ancorada às partículas do pó cerâmico com a formação de sais carboxilatos, do que resulta que a superfície das peças cerâmicas se torna rígida e, possivelmente impermeável à saída dos ligantes, dificultando a sua extração. A compreensão deste mecanismo de endurecimento da superfície das peças cerâmicas queimadas ao ar foi de suma importância para a proposta de processos alternativos de extração de ligantes, que resultaram na obtenção de peças sinterizadas de excelente densidade e livres de defeitos.