AplicaçÃo de cerâmicas de alta resistência ao desgaste em moldes de extrusão utilizados na indústria de cerâmica vermelha



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Anais do 45º Congresso Brasileiro de Cerâmica 040290

30 de maio a 2 de junho de 2001 - Florianópolis – SC.



APLICAÇÃO DE CERÂMICAS DE ALTA RESISTÊNCIA AO DESGASTE EM MOLDES DE EXTRUSÃO UTILIZADOS NA INDÚSTRIA DE CERÂMICA VERMELHA

J. Duailibi Filho(1), A. J. N. Dias(1) e C. A. Vilardo(1)

(1) Instituto Nacional de Tecnologia - INT

Av. Venezuela, 82 sala 604

20.081 - Rio de Janeiro, RJ

email: duailibi@int.gov.br


RESUMO
O alto desgaste dos moldes de extrusão causado pela presença nas argilas de materiais altamente abrasivos como a areia (quartzo), constituí-se em um dos principais fatores que afetam a qualidade e a produtividade do Segmento de Cerâmica Vermelha. Com o acentuado desgaste dos componentes metálicos, observa-se um rápido aumento da espessura das paredes dos produtos, acarretando um maior consumo de matérias-primas, perda de produtividade e frequentes paradas de produção. Foram testados em produção componentes metálicos com insertos cerâmicos constituídos dos seguintes materiais: cerâmica de alta alumina contendo titânia e talco, compósitos alumina-zircônia utilizando zircônia monoclínica e parcialmente estabilizada com ítria, zircônia (PSZ) e cerâmica de nitreto de silício. Foram verificados expressivos aumentos da vida útil dos componentes de moldes de extrusão com a utilização de insertos cerâmicos, gerando melhoria na qualidade dos produtos e grande economia de matérias-primas. Com o emprego de materiais que aliam alta dureza e alta tenacidade, como as cerâmicas de zircônia, os compósitos alumina-zircônia (ZTA) e as cerâmicas de nitreto de silício, a durabilidade dos componentes é até 9 vezes superior à verificada para os componentes de aço rápido.
Palavras-chaves: cerâmica vermelha, moldes de extrusão, resistência ao desgaste,

cerâmicas especiais.


INTRODUÇÃO
Face a situação de carência verificada no Segmento de Cerâmica Vermelha, onde a grande maioria das 10.000 unidades produtivas espalhadas pelo País é de pequeno e médio porte, utilizando, em geral, tecnologias desenvolvidas há mais de 50 anos(1), ações sistemáticas voltadas para a melhoria da qualidade e produtividade podem vir a gerar ganhos expressivos para este importante segmento do Setor Cerâmico, cujos números impressionam: cerca de 5 bilhões de reais de faturamento anual, mais de 250.000 empregos diretos e consumo anual de mais de 60 milhões de toneladas de argilas(2,3). Neste sentido, a implantação de técnicas relativamente simples como o pré-preparo e descanso (sazonamento) das argilas e a utilização de componentes de maior resistência ao desgaste nos equipamentos de produção, pode gerar economias expressivas de matérias-primas e energia, melhorando a qualidade dos produtos e aumentando a produtividade das empresas.

O grande desgaste verificado nos equipamentos de produção, em particular, no eixo sem fim, carcaça e molde (boquilha) da extrusora é, principalmente, função da alta abrasividade de alguns componentes das argilas, como o quartzo (areia) presente, em muitos casos, em quantidades apreciáveis. Dependendo do grau de abrasividade das matérias-primas, ocorre um rápido aumento da espessura das paredes do produto, atingindo, em um curto espaço de tempo, o peso limite tolerado a partir do qual o processo sai fora de controle. Como conseqüência, tem-se um maior consumo de matérias-primas, maiores variações dimensionais, aumento do consumo específico de energia na secagem e queima, maior esforço do equipamento de extrusão e maior frequencia de parada das máquinas.



Para minimizar o alto desgaste verificado nas boquilhas, principalmente nos componentes metálicos responsáveis pelos furos internos dos blocos, denominados machos, e nas molduras que definem as paredes externas dos produtos de cerâmica vermelha, também conhecidas como telares, surgiram soluções alternativas nos últimos anos, como o emprego de aço cromado nas molduras e machos e o uso de porcelana nos machos. A literatura relata o uso da porcelana na Europa desde o início dos anos oitenta, porém, até o final dos anos 90 o seu uso não estava muito difundido em função da mesma ser quebradiça(4). A utilização de proteção metálica em machos maciços de porcelana de alta alumina, tornou possível a utilização dos mesmos, já sendo comercializados em larga escala no País(4). Também tem sido observado nas principais feiras européias de equipamentos e produtos voltados para a indústria de cerâmica, como a CERAMITEC - Alemanha e a TECNARGILA - Itália, a oferta de machos maciços de cerâmica de alta alumina. Porém, mesmo na Europa, seu uso ainda não se encontra difundido, provavelmente em função da relação custo/benefício, uma vez que os machos fabricados em cerâmica de alta alumina (>99 % de Al2O3), devido à complexidade das geometrias observadas, exigem processos especiais de conformação.

Da reflexão sobre estas questões e da observação de que a resistência ao desgaste dos materiais cerâmicos é uma função que depende não apenas da dureza, mas também da tenacidade do material, conforme explicitada no Item subsequente deste Trabalho e, ainda, que componentes maciços de cerâmica estariam mais sujeitos a danos em situações onde o operador da extrusora retira possíveis contaminações, como raízes que impedem a passagem da massa cerâmica argilosa entre os vãos do molde, foi desenvolvido e testado em produção sistema constituído de base metálica – mantendo-se a ductilidade necessária para evitar rupturas catastróficas -, onde são aplicados insertos cerâmicos em sulcos abertos apenas nas superfícies das peças que ficam em contato com o fluxo argiloso, conforme mostrado na Figura I. O referido sistema, objeto de Pedido de Privilégio de Invenção depositado no Instituto Nacional de Propriedade Industrial - INPI em agosto de 1999(5), permite a utilização de materiais cerâmicos estruturais de alta performance, como os compósitos alumina-zircônia, zircônia parcialmente estabilizada e nitreto de silício, cujos custos de fabricação seriam proibitivos se fossem utilizados como componentes maciços.

Figura I - Sistema de Montagem dos Insertos na Base Metálica(5)


O presente Trabalho tem como objetivo apresentar os resultados dos testes em produção de componentes de moldes de extrusão contendo insertos de diferentes materiais cerâmicos, bem como analisar o efetividade dos mesmos quando comparados com a utilização de componente confeccionados com aço rápido.
RESISTÊNCIA AO DESGASTE DOS MATERIAIS CERÂMICOS
Ocorre desgaste por abrasão quando uma superfície áspera dura contendo protuberâncias, ou quando uma superfície mole contendo partículas duras, desliza sobre uma outra superfície (relativamente menos dura), abrindo uma série de ranhuras, e removendo material da mesma(6). Nos materiais frágeis, a fratura lateral exerce papel de destaque nos mecanismos de desgaste quando comparada com as forças normais e paralelas (friccionais) à superfície(7). As trincas laterais se desenvolvem exclusivamente pelas forças residuais criadas pela indentação da partícula ou protuberância da superfície que desliza sobre o material sob desgaste(7). Considerando a dependência da profundidade da indentação e do comprimento da trinca com a dureza (H) e da tenacidade à fratura (k1C), Evans and Wilshaw(8) desenvolveram a seguinte expressão relacionando o volume de material removido (V) pelo sistema de indentação em operação de desbaste ou em desgaste por abrasão:
V  1/k1C3/4H1/2  N(P)5/4 (A)
Onde "N" é o número de partículas abrasivas, sendo "P" a força normal sobre a partícula e "" a distância percorrida. Experimentos realizados com materiais cerâmicos dos seguintes grupos de materiais: Al2O3 monolítico, compósitos Al2O3-ZrO2, compósitos Al2O3-TiO2 e Si3N4 monolítico, mostraram que a resistência ao desgaste (1/v) comporta-se como uma função linear conforme a equação(9):
1/v  k1C3/4H1/2 (B)
cujo espalhamento dos dados observado em cada sistema, é mostrado na Figura II(9).


10

4


10

Al2O3

Si3N4

Al2O3+ZrO2

Al2O3+TiC

KIC3/4H1/2


6

5

0

3



2

0


0

2

4


6

8



12

14

16


Figura II - Resistência à Abrasão de Sistemas Cerâmicos em Função de k1C3/4H1/2


No processo de extrusão, a mistura de argila ao passar pelas paredes do molde comporta-se como uma superfície mole contendo partículas duras, como os grãos de quartzo (areia) presentes. Para os moldes exclusivamente confeccionados em materiais metálicos, o desgaste se dá pelo arrancamento do metal por deformação plástica, causados, principalmente, pelas forças friccionais, formando ranhuras na superfície das paredes do molde em contato com o fluxo argiloso, sendo mais acentuado nos machos e molduras onde a massa argilosa passa em alta velocidade e maior pressão, devido à contrição no fluxo do sistema argila-água.

Para os machos e molduras maciças de cerâmica ou contendo material cerâmico, o mecanismo de desgaste predominante é a propagação de trinca e fratura nas superfícies laterais, obedecendo as equações (A) e (B). Em ambos os casos, a taxa de desgaste dos componentes dos moldes será, em princípio, diretamente proporcional ao número de partículas duras presentes na massa cerâmica, ou seja, ao teor de material não plástico, principalmente a areia. Porém, argilas de alta plasticidade com alto teor de partículas  2 m e/ou com alto conteúdo de matéria orgânica, podem admitir teores relativamente elevados de areia, sendo menos abrasivas que argilas pouco plásticas.


MATERIAIS E MÉTODOS
Foram confeccionados insertos cerâmicos a partir de corpos de prova de geometria prismática (espessura 5,0 mm, profundidade de 4,1 mm), conformados por prensagem uniaxial, utilizando as seguintes composições:

  • Cerâmica de alta alumina (Al2O3) contendo 5,0% talco e 4,3% de titânia (TiO2)(10);

  • Compósito Alumina-zircônia (Al2O3 - ZrO2-M) - 0,15% de zircônia monoclínica(11);

  • Compósito Alumina-zircônia (Al2O3-ZrO2-PSZ) contendo 15% de zircônia parcialmente estabilizada com ítria (Y2O3)(12);

  • Zircônia (ZrO2 – PSZ) parcialmente estabilizada com ítria (Y2O3);

  • Nitreto de silício (Si3N4) obtido via sinterização normal, contendo 5% de ítria (Y2O3), 5% de alumina (Al2O3) e 1% de ferro silício (FeSix) como aditivos de sinterização (13).

Os insertos foram confeccionados obedecendo as seguintes etapas: mistura e/ou moagem das matérias primas utilizando moinho de alta energia, secagem e granulação, pesagem, prensagem, corte, eliminação do plastificante e sinterização dos materiais à base de óxidos em forno tipo mufla e do nitreto de silício em forno com atmosfera controlada a 1750°C. Os insertos cerâmicos foram fixados nos sulcos de bases metálicas de aço rápido, utilizando cola polimérica de alta resistência, conforme esquema mostrado na Figura 1. Após a fixação dos insertos, os machos sofreram acabamento final em rebolo adiamantado para a quebra dos cantos vivos das bordas.



Na primeira etapa dos testes em produção foi montada em uma das quatro saídas de boquilha de tijolo 20x30, conjunto de 8 machos contendo insertos de alumina-titânia-talco, sinterizados a 1400oC(10). Em outra saída, foi montado conjunto de machos com nitreto de silício, e nas duas saídas restantes foram colocados machos com insertos de wídia (WC – carbeto de tungstênio). Utilizou-se uma extrusora marca BONFANTI MB 18" - 200 Cv, pertencente a empresa localizada no Município de Itaboraí – RJ, região conhecida pela alta abrasividade das argilas utilizadas. Em todas as molduras foram utilizados insertos de wídia, inclusive nos testes subsequentes. Após ajuste inicial da boquilha, iniciou-se o acompanhamento do ganho de massa dos blocos de cada saída, pesando-os no início da manhã e no final do expediente.

Em função da diferença acentuada no desgaste entre as saídas, o teste foi interrompido quando a massa dos blocos da saída contendo insertos de Alumina-Titânia-Talco atingiu o peso limite tolerado para o bloco 20x30. Os testes subsequentes de produção foram realizados na mesma extrusora, com todas as 4 saídas contendo insertos do mesmo material, mantendo-se duas pesagens ao dia em todas as saídas. Os testes com insertos de zircônia e do compósito alumina-zircônia foram realizados em boquilha para a produção de blocos 20x20 de 10 furos.






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