Introdução aos Materiais Cerâmicos. É proibido reproduzir total ou parcialmente esta publicação sem prévia autorização do

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1 Grupo Caet - Divisão de Conteúdos Introdução aos Materiais Cerâmicos Por Delmonte Friedrich, Msc. Eng. Todos os direitos reservados. É proibido reproduzir total ou parcialmente esta publicação sem prévia autorização do autor. Entre em contato conosco pelo conteúdo@caet.com.br Conceito Histórico dos Materiais Cerâmicos Principais Tipos de Cerâmicas, Características e Aplicações Propriedades das Cerâmicas/Relação das Mesmas com as Causas de Falha Tecnologia de aplicação Justificativa para o Emprego de Cerâmicas Conceito Cientificamente, as cerâmicas são definidas como sólido não-metálicos inorgânicos, o que amplia consideravelmente o significado da palavra grega keramos que se refere a louça ou artefato de barro queimado, sendo classificadas em cerâmicas tradicionais e cerâmicas avançadas. Enquanto que nas cerâmicas tradicionais são

2 utilizadas maiores quantidades de matérias primas naturais como os argilo-minerais e a areia, e processos simples de manufatura, nas cerâmicas avançadas são empregadas matérias primas sintéticas como óxidos, nitretos, boretos e carbetos, sob processos sofisticados (RUMBÃO, 2002). Sob o ponto de vista de Diniz e Cupini, 1993, os materiais são compostos formados a partir de elementos mais simples, através de ligações interatômicas. Nestas ligações, os átomos podem se unir através do compartilhamento, ou não, dos elétrons da sua última camada de valência. Somente uns poucos elétrons de valência de um átomo metálico pode ser removido e dado para átomos não-metálicos ou grupos de átomos, cujas últimas camadas estão completas ou quase completas e que os átomos não metálicos podem também compartilhar elétrons por covalência. Partindo desta premissa, diversas combinações são possíveis entre os átomos de um elemento metálico e um elemento não-metálico, fato que leva a produzir arranjos com estruturas diferenciadas para uma mesma combinação. Os materiais cerâmicos possuirão, portanto, muitas combinações diferentes, uma vez que são compostos de elementos metálicos e não metálicos, possibilitando propriedades diferenciadas dos materiais metálicos e poliméricos. Então, o termo cerâmico como adjetivo, procura designar certos objetos de arte, porém, para o Engenheiro, o termo procura abranger uma grande variedade de substâncias naturais e sintéticas, tais como, vidro, abrasivos, materiais magnéticos e não magnéticos, ferramentas de corte, refratários, etc. Porém, todos esses materiais apresentam uma característica em comum, que é a de serem constituídos de elementos metálicos e não metálicos e possuírem estrutura cristalina

3 semelhante a dos metais. Como citado, os cerâmicos não possuem um grande número de elétrons livres, portanto, os poucos elétrons são compartilhados por ligação iônica ou covalente, fato que explica a maior estabilidade destes materiais Histórico dos Materiais Cerâmicos Desde os primórdios o homem tem usado materiais cerâmicos com diferentes finalidades. Na construção de ferramentas para usinagem, a primeira patente data de 1912 e foi usada na Inglaterra. Segundo a literatura, as primeiras demonstrações com ferramentas cerâmicas foram realizadas na feira de Leipzig, em 1938 (BOEHS, 1986). Devido a escassez de matéria-prima, como tungstênio e cobalto, usados na fabricação do metal duro, houve na Europa, durante a Segunda Guerra Mundial, uma intensificação nas pesquisas com materiais cerâmicos para utilização na fabricação de ferramentas para usinagem. Como conseqüência dos aperfeiçoamentos atingidos, as ferramentas de cerâmica pura (Al 2 O 3 ) foram demonstradas com sucesso na feira industrial de Chicago, em 1956 (BOEHS, 1986). Ainda, segundo BOEHS (1986), até 1986, data em que o referido autor publicou o referenciado artigo, as pesquisas haviam sido caracterizadas pelo desenvolvimento de uma nova classe de material cerâmico para ferramentas de usinagem, à base de nitreto de silício (Si 3 N 4 ), que pelo seu baixo percentual de elementos óxidos é considerada uma cerâmica não oxida. Até aquele momento, investigações haviam permitido concluir que estas ferramentas apresentavam excelentes características de

4 resistência ao desgaste e aos choques mecânicos e térmicos, mesmo na usinagem em altas velocidades e corte interrompido (fresamento) (BOEHS, 1986). Naquela época, 1986, a cota de ferramentas cerâmicas absorvidas pelo mercado consumidor já era representativa. No Japão estava na faixa de 5 a 7%, enquanto que nos Estados Unidos e na Alemanha Ocidental estava na ordem de 2% (BOEHS, 1986). Até 1993, segundo Diniz e Copini, os materiais para corte cerâmicos e os materiais sintéticos, utilizados nos processos de corte, adquiriram uma importância crescente quanto a níveis econômicos, principalmente na usinagem de ferro fundido, aços ferramenta, aços endurecidos e super ligas, representando uma proporção na utilização de pastilhas da ordem de 2 a 60%, dependendo da natureza da operação e do tipo de material a ser trabalhado. Atualmente, com a modernização das máquinas-ferramenta este percentual é bem maior, porém esta informação não está disponível de forma objetiva em nenhum tipo de literatura, isto de acordo com a pesquisa até então realizada pelo Doutorando. Após este período, outras composições de cerâmicas foram surgindo, sempre visando melhorar o desempenho das ferramentas e aumentar a resistência à choques mecânicos, para evitar a falha por fragilidade do gume. Em 1987, J. Vigneau, P. Bordel, A. Leonard (Vigneau, Bordel, Leonard, 1987) publicaram resultados referente ao estudo da influência da microestrutura do material que eles chamavam de uma nova cerâmica, composta de Al 2 O 3 + Whisker de SiC, sobre seu desempenho quando aplicado na forma de ferramenta e na usinagem de

5 uma liga de níquel. Naquela época, os autores divulgaram que tanto a adição de uma fase secundária de TiC na cerâmica oxida (Al 2 O 3 ) bem como a cerâmica a base de nitreto resultaram no aumento da tenacidade e em uma significante melhoria no desempenho das ferramentas cerâmicas Principais Tipos de Cerâmicas, Características e Aplicações Al 2 O 3 Refere-se a alumina pura, que é branca na cor e, usualmente, é simplesmente referida como uma cerâmica branca. O material é prensado a frio, o que permite uma geometria próxima da final para muitas ferramentas de corte, mas não gera a alta densidade da prensagem a quente. Embora as ferramentas de corte de cerâmica branca tenham relativamente baixa resistência ao choque térmico, esta condição pode ser melhorada pela adição de carboneto de titânio (TiC). Al 2 O 3 + TiN - Tais compósitos são pretos na cor e, portanto, são conhecidos como cerâmicas pretas. Um outro composito que combina alumina com nitreto de titânio é designado como cerâmica marrom ou cerâmica mista [WERTHEIM, 1986]. Além desses, adiciona-se ainda a zircônia com a finalidade de aumentar a tenacidade das cerâmicas brancas. Al 2 O 3 + SiC W É uma cerâmica reforçada com whiskers de carboneto de silício, orientados aleatoriamente dentro do material básico. É particularmente apropriada para a usinagem de materiais endurecidos e super ligas resistentes ao calor (SANDVIK, 2000).

6 Al 2 O 3 + ZrO 2 É um óxido cerâmico puro, baseada em alumina com um pequeno acréscimo de óxido de zircônio para proporcionar melhor tenacidade. É apropriada para aplicações em ferros fundidos e aços, com altas velocidades de corte (SANDVIK, 2000). Si 3 N 4 - A fórmula da composição do nitreto de silício é conhecida desde o século XIX. Porém, apenas em 1950 é que o nitreto de silício mostrou-se promissor como um material para ferramenta de corte com boa resistência ao choque térmico e com as necessárias propriedades mecânicas. Mas apenas na metade dos anos setenta é que esse material passou a ser usado comercialmente como cerâmica estrutural ou como material para fabricação de ferramentas de corte [WERTHEIM, 1986]. Desde então, diversos compósitos cerâmicos foram desenvolvidos com o intuito de aprimorar as propriedades mecânicas desses materiais. Surgiram compósitos oriundos da combinação de materiais CERâmicos com materiais METálicos, os conhecidos CERMETS, muito aplicados na indústria automobilística. Outro exemplo é um compósito cerâmico-cerâmico, zircônia endurecida com alumina (ZTA), com boas propriedades mecânicas. A tenacidade e resistência aumentada tem feito as ZTAs mais largamente aplicáveis e mais produtivas que a cerâmica simples e cermets na usinagem de aços e ferros fundidos [SORNAKUMAR; GOPALAKRISHNAN; KRISHNAMURTHY, 1994].

7 A cerâmica a base de carboneto de silício é a mais recente dentre elas, porém também é pouco conhecida tanto em nível de pesquisa quanto em aplicações industriais. As Si 3 N 4, graças a sua boa tenacidade, são apropriadas para desbaste e semiacabamento de ferros fundidos (SANDVIK, 2000). Si 3 N 4 + TiN São cerâmicas que tem substrato de nitreto de silício com uma cobertura de nitreto de titânio. São altamente recomendadas para desbaste leve, usinagem média e aplicações de acabamento em ferros fundidos (SANDVIK, 2000) Propriedades das Cerâmicas/Relação das Mesmas com as Causas de Falha As ferramentas de corte cerâmicas apresentam, em geral, uma série de propriedades que serão conseqüência da atuação de variáveis como composição química, microestrutura, processo de prensagem e sinterização. Das propriedades resultantes, deve-se destacar algumas de particular interesse para ferramentas de usinagem, quais sejam: - Estabilidade Química; - Resistência/Tenacidade; - Dureza; - Resistência ao Desgaste; - Flutuaçao da resistência à tensão térmica.

8 Estabilidade química Cada material ou composto apresenta diferentes energias livres de formação (entalpias), que estão associadas aos diversos tipos de ligações interatômicas. Através da figura abaixo, nota-se que existe uma relação entre a resistência ao desgaste químico e a energia livre de formação. A partir da ilustração, torna-se evidente que a alumina como tem o valor mais elevado dentro das escalas de entalpia, também possuirá o maior valor de resistência ao desgaste químico. Desta forma, desgastes por escamação e difusão são praticamente inexistentes dentro do grupo das cerâmicas a base de alumina pura. Já na outra extremidade da escala estão os carbonetos, que apresentam pequena resistência a oxidação. Os nitretos estão situados em uma faixa intermediária, conforme tabela 1. Resistência/tenacidade A simples análise das características mecânicas de cada material de corte em particular, não confere uma base sólida no estudo do comportamento típico do material quando em usinagem. Para tanto, deve-se correlacionar tais valores aos dados de desempenho. Conforme o diagrama da figura 6, onde podem ser apreciadas as cargas em função da dilatação, nota-se que os materiais de corte que ainda possuem um teor de ligação metálica apresentam os valores de resistência e tenacidade altamente melhorados (DINIZ; CUPINI, 1993). Dureza esta é uma das propriedades de grande importância para as ferramentas de corte, porém, não só no sentido mecânico de resistência a

9 penetração, mas também no aspecto de característica metalúrgica de manter esta dureza a elevadas temperaturas. Este aspecto é de relevante importância quanto a determinação da faixa de velocidades de corte na qual a ferramenta poderá operar, uma vez que a temperatura de corte é função da velocidade. Em se tratando da dureza única e exclusivamente como a resistência que um material oferece ao ser penetrado por outro, fica evidente que quanto maior a dureza menor será sua tenacidade e, consequentemente, apresentará menor resistência a choques mecânicos (DINIZ; CUPINI, 1993). Resistência ao desgaste Como a quantificação dos fenômenos de desgaste ainda são muito problemáticos, costuma-se utilizar como critério de definição da resistência ao desgaste os parâmetros de ductilidade, dureza e módulo de elasticidade de Evans. Desta forma, nota-se que materiais com valores de E elevados apresentam menores concentrações de tensões locais. Isto se deve ao fato de que as partículas que compõem a matriz possuem módulos de elasticidade diferentes do da própria matriz, levando a uma grande melhora na resistência ao desgaste. Com o intuito de melhorar ainda mais os resultados, para efeito na prática, deve-se correlacionar também, os valores de estabilidade química. Flutuação da resistência à tensão térmica Sabe-se que as ferramentas de corte cerâmicas apresentam baixos coeficientes de condutibilidade térmica e baixos coeficientes de dilatação térmica. Estes fatores tendem a diminuir o efeito

10 do choque térmico e da fadiga térmica, pois existe uma redução das tensões entre os pontos quentes e frios da pastilha. A resistência a tensão térmica consiste, portanto, em um requisito indispensável em operações de usinagem com corte interrompido ou onde haja aplicação intermitente de fluido de corte. As ferramentas de cerâmica a base de nitreto de silício apresentam os melhores valores quanto a resistência a flutuação térmica. Conforme ilustra a figura Tecnologia de aplicação A aplicação eficiente do material cerâmico está sujeita ao uso correto das técnicas de usinagem e da escolha do tipo de material cerâmico adequado para cada operação em particular. Para o início de uma operação de usinagem com cerâmica devem ser considerados uma série de requisitos prévios, principalmente a nível de processo, que garantirão a obtenção de resultados satisfatórios da ferramenta, quais sejam: - Seleção correta do material da pastilha e sua geometria, bem como o porta-pastilhas, de acordo com o material a ser usinado e seu estado, e as condições de estabilidade do conjunto máquina-peça-ferramenta; - Verificação das condições geométricas e dimensionais da peça, escolhendo corretamente a seqüência operacional. As ferramentas cerâmicas têm sido usadas com sucesso no acabamento e desbaste de ferro fundido com dureza Brinell superior a 180 kg/mm2 (com velocidade vc de 100 a 400 m/min e avanço f de 0,08 a 0,8 mm) e ferro fundido coquilhado.

11 6.4.6 Justificativa para o Emprego de Cerâmicas Atualmente, para determinadas aplicações envolvendo alta temperatura, os materiais metálicos atingiram o limite em seu potencial de desenvolvimento em função da temperatura de fusão. Enquanto isso, as cerâmicas vêm ganhando espaço porque são uma das poucas opções de materiais que suportam utilização em altas temperaturas de serviço. Sua baixa densidade, inércia química e alta dureza oferecem um potencial adicional para estender os limites de desempenho além do oferecido pelos materiais metálicos. A busca por maior produtividade e menor custo de fabricação está impondo o desenvolvimento de ferramentas de corte capazes de operar em velocidades cada vez mais altas e, consequentemente, gerando temperaturas mais elevadas na interface peça/ferramenta. Outro fator importante que justifica o emprego de ferramentas cerâmicas e novas ferramentas revestidas diz respeito a redução na utilização de fluidos de corte. Essas ferramentas podem proporcionar uma adicional resistividade ao calor, mas não contemplam todos os outros benefícios do fluido de corte, tais como, remoção do calor gerado no corte e que pode afetar a peça de trabalho, redução da fricção, remoção do cavaco da região de corte, proteção da peça contra a oxidação e outras reações indesejáveis, dentre outros. Os custos (mão-de-obra e os diretos) com usinagem nos EUA sozinho é estimado em U$300 bilhões/ano. Os custos com o uso de fluidos de corte é estimado em aproximadamente 16% dos custos de manufatura.

12 Consequentemente, a eliminação do uso de fluidos de corte, se possível, pode ser um significante incentivo. Os principais benefícios da usinagem a seco com cerâmicas e outras ferramentas é mais do que apenas a redução de custos, dizem respeito também a um ambiente de manufatura saudável, segurança do trabalhador, proteção dos efeitos adversos das químicas e proteção do nosso precioso meio ambiente. Por um longo tempo, em função das limitações dos materiais para ferramentas disponíveis, o uso de fluidos de corte foi considerado parte integral essencial do sistema máquina/ferramenta.