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



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RESULTADOS E DISCUSSÃO

Para todos os materiais testados, foi observada uma boa correlação linear entre a massa do bloco "Mn" e a quantidade "n" de peças produzidas, conforme pode ser visto na Tabela I, podendo ser utilizado a expressão:

Mn = Mo + bn (C)
onde, "Mo" é a massa inicial do bloco, e "b" é o coeficiente angular da reta. Embora o peso inicial desejado para o bloco 20x30 seja de 3.700 g, em cada teste o peso inicial do bloco variou de acordo com a regulagem da boquilha.

Tabela I - Relação entre a Massa do Bloco e a Quantidade de Peças Produzidas




Material

Código

Mn = Mo + bn

R2

Aço rápido (VC 131)

AÇO

Mn = 3759,2 + 1,31  10-3 n

0,99

Alumina – 5,0% titânia - 4,3% talco

AL-Ti-Ta

Mn = 3746,9 + 0,96  10-3 n

0,98

Al2O3 – ZrO2-M (0,15%)

AL-ZRM

Mn = 3608,7 + 0,53  10-3 n

0,92

Vídea (WC )

WC

Mn = 3774,6 + 0,36  10-3 n

0,98

ZrO2 (PSZ)

ZRPSZ

Mn = 3757,1 + 0,23  10-3 n

0,98

Al2O3 – ZrO2 - PSZ (15%)

AL-ZRPSZ

Mn = 3723,9 + 0,15  10-3 n

0,93

Si3N4 ( Nitreto de silício)

SN

Mn = 3768,9 + 0,14  10-3 n

0,98

ZrO2-M: Zircônia monoclínica; ZrO2 – PSZ: Zircônia parcialmente estabilizada com ítria;
A massa total processada (MTn) até a peça "n", é igual ao somatório das massas de todos os blocos produzidos, dada pela integral da equação (C) no intervalo n=1 a n.

MTn = Mn =Mndn =(Mo + bn) dn = M0 + b/2 n2 (D)
onde o termo "b/2 n2", corresponde ao somatório dos acréscimos de massa até a peça "n", devido ao desgaste dos componentes do molde.

De forma a poder comparar o desempenho de materiais testados em boquilhas 20x30 e 20x20, Foram construídos gráficos plotando o ganho de massa Mn expresso em percentagem do peso inicial Mo, em função da massa total processada, fornecido pela equação (D), conforme mostrado na Figura III.




Figura III – Ganho de Massa do Bloco em Função da Quantidade de Argila Processada


Com base nas equações (C) e (D), e considerando que o peso limite para o bloco 20x30 praticado pela Empresa na época do início dos testes era e de 4.350 g, para cada material testado foi calculado o número de peças processadas até se atingir o peso limite, a quantidade total de massa processada (Mo + b/2 n2) correspondente e o número de ciclos equivalentes em relação ao aço (NEQA), conforme mostrado na Tabela II. A partir das faixas de valores de Dureza (H) e do fator de Intensidade de Tensão Crítica (K1C) fornecidos pela literatura e de trabalhos anteriores para os materiais cerâmicos testados(9-15), foram calculados os respectivos valores de “K1C3/4 H1/2”, os quais seguem a mesma tendência mostrada na Figura II.
Tabela II - Quantidade de Blocos Produzida até o Peso Limite Admitido


Material

No de Peças Produzidas

Ciclos Eq.

(NEQA)

Toneladas

Processadas



H

(GPa)


K1C

(MPam1/2)


K1C3/4 H1/2



AÇO

451.000

1

1.828,6

-

-

-

AL-Ti-Ta

628.200

~ 1,4

2.353.8

10 – 12

2 – 3

5,3 – 7,9

AL-ZRM

1.398.700

~ 3,1

5.565.9

16 – 18

4 – 5

11,3 – 14,2

WC

1.598.300

~ 3,5

6.032,9

-

-

-

ZRPSZ

2.577.800

~ 5,7

9.685,8

10 – 12

8 – 10

13,6 – 16,5

AL-ZRPSZ

4.174.000

~ 9,2

16.850.2

14 – 18

6 – 8

14,3 – 19,0

SN

4.150.700

~ 9,2

16.849,6

14 – 18

5 – 6

12,5 – 18,3

Pelos valores de dureza (H) e da tenacidade(K1C) da alumina tenacificada com a zircônia monoclínica pelo mecanismo de microtrincamento(11), era de se esperar um melhor desempenho da composição AL-ZRM. Creditamos este desempenho relativamente fraco, quando comparado às composições com zircônia parcialmente estabilizada com ítria e com nitreto de silício, à dificuldade de dispersão de forma uniforme da pequena quantidade de zircônia (0,15%) na matriz de alumina.

A literatura mostra que é possível aumentar o valor de K1C para o compósito alumina-zircônia PSZ, aumentando o teor de zircônia PSZ até 21% em peso (~15% em volume), o que levaria o valor do termo K1C3/4 H1/2 a ser ligeiramente superior ao do Si3N4, conforme mostrado na Tabela II, substituindo-o com vantagens em função do menor custo de processamento.

Considerando os valores de “NEQA” para os machos com insertos de materiais de alta tenacidade como a zircônia, o compósito alumina-zircônia e o nitreto de silício (Tabela II) e, desde que o preço dos referidos componentes não exceda o custo dos machos de aço multiplicado pelo "NEQA", os benefícios já seriam consideráveis: menores tempos de parada para troca dos componentes e ajustes dos moldes, diminuição da mão de obra para manutenção e maior constância da produção.

Porém, como mostra os dados apresentados na Tabela III, o grande ganho para o produtor de cerâmica pode advir das economias de matérias-primas e insumos do processo produtivo, se os componentes forem trocados próximos ao número de ciclos equivalentes ao aço onde a economia de matérias-primas é maximizada.
Tabela III - Economia de Argila em Função do Nº de Ciclos Equivalentes do Aço


PRODUÇÃO

CICLOS

CONSUMO ADICIONAL DE ARGILA (ton.)

ECONOMIA DE ARGILA (ton.)

Nº Peças

AÇO

AÇO

AL-ZR

(Mon.)


Zircônia

(PSZ)


AL - ZR

(PSZ)


Nitreto

AL-ZR

(Mon.)


Zircônia

(PSZ)


AL - ZR

(PSZ)


Nitreto

451.000



133,2

53,9

23,4

15,3

14,2

79,3

109,8

117,9

119,0

902.000



266,4

215,6

93,6

61,0

57,0

50,8

172,8

205,4

209,4

1.353.000



399,6




210,5

137,3

128,1




189,1

262,3

271,5

1.804.000



532,8




374,3

244,1

227,8




158,5

288,7

305,0

2.225.000



667,0




569,3

371,3

346,5




107,7

295,7

320,5

2.706.000



799,2







549,2

512,6







250,0

286,6

3.157.000



932,4







747,5

697,7







184,9

234,7

3.608.000



1.065,6







976,3

911,2







89,3

154,4

4.059.000



1.198,8










1.153,3










45,5


E
sta região de máxima economia de argila está localizada após a tangente da curva “Economia de Massa” vs. “Número de Peças Produzida” passar a ser negativa, conforme mostrado na Figura IV.
Figura IV – Economia de Massa Vs. Quantidade de Blocos Produzidos
Quanto mais a curva se aproxima do “NEQA“, onde a peça atinge o peso máximo estipulado, aumenta a taxa do consumo adicional de massa e, consequentemente, diminui a economia de argila. Embora o ponto de máxima economia para os machos contendo insertos de alumina-zircônia PSZ e nitreto de silício esteja próximo ao 5o ciclo equivalente, respectivamente 295 e 320 toneladas de argila, as economias em torno do 6o ciclo continuam consideráveis, entre 250 a 300 toneladas, o suficiente para produzir cerca de 100.000 blocos 20x20. Os ganhos vão muito além da economia de argila propriamente dita, sendo expressivas as economias em termos da redução do número de horas.máquina e homem.hora gastos na preparação da massa e conformação dos produtos, da redução do consumo de energia elétrica até a extrusão e de energia térmica para secagem e queima.

De forma a maximizar a economia de matérias-primas e demais insumos de produção, mantendo a boquilha funcionando o maior tempo possível, pode-se admitir como limite para o número de peças a ser produzido, o valor intermediário entre o número de peças correspondente ao ciclo que gera a maior economia e o imediatamente posterior. Para a curva referente ao nitreto de silício (Figura IV), os componentes deveriam ser trocados quando fosse atingida a marca de 2.465.000 peças. Calculando o termo “bn” da equação (C) que fornece o incremento de massa do bloco em função do número de peças produzidas, ter-se-ia um ganho de massa máximo de 10%, para uma produção total de cerca de 9.750 toneladas.

Para efeito de comparação, todas as boquilhas testadas continham molduras com insertos de vídea, que apresentam uma resistência ao desgaste considerável (3,5 vezes o número de ciclos equivalente ao aço). A utilização de molduras contendo insertos dos materiais que apresentam uma combinação de alta dureza e alta tenacidade, como o compósito alumina-zircônia-PSZ, certamente melhorará o desempenho dos moldes de extrusão, principalmente no que concerne à maior constância dimensional dos produtos.

Uma outra possibilidade de se ampliar a vida útil dos componentes seria de aumentar a espessura "" do inserto cerâmico. Este recurso se aplicaria melhor para os materiais que apresentam valores baixos para o termo “K1C3/4 H1/2” , como é o caso da composição alumina-titânia-talco. Para os materiais de alta tenacidade, a espessura de 5 mm utilizada tem-se mostrado adequada, principalmente para a utilização em molduras onde a espessura total do componente fica, em geral, em torno de 10 a 13 mm (3/8" a 1/2").

Outro vantagem da utilização dos insertos de zircônia, alumina-zircônia e nitreto de silício quando comparado aos demais materiais, é a formação de superfície espelhada no inserto que diminui a resistência ao fluxo de argila, exigindo um menor esforço da extrusora. Além disso, permite com relativa facilidade a confecção de molduras responsáveis pela manutenção da constância dimensional, onde a utilização de materiais cerâmicos é praticamente inexistente



CONCLUSÕES

Foram verificados expressivos aumentos da vida útil dos componentes de moldes de extrusão utilizados em cerâmica vermelha com o emprego 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 os compósitos alumina-zircônia parcialmente estabilizada com ítria e as cerâmicas de nitreto de silício, a durabilidade dos componentes é até 9 vezes superior à verificada para os componentes de aço rápido.



Os resultados obtidos com a aplicação de sistema onde se une a alta ductilidade do aço e a alta resistência ao desgaste dos materiais cerâmicos, mostraram ser possível a utilização de cerâmicas de alta tecnologia em aplicação relativamente simples, porém com enormes benefícios em termos de redução dos custos de produção e melhoria da qualidade dos produtos da Indústria de Cerâmica Vermelha, Segmento do Setor Cerâmico altamente carente em termos de desenvolvimento tecnológico.

Agradecimentos

Os Autores agradecem pelo inestimável apoio logístico durante o desenvolvimento deste trabalho aos empresários Manuel Pinto e Djalma Motta Pinto da Tijolar Indústria e Comércio Ltda e aos seus dedicados funcionários, André Cantareli da Silva e Adailton Inácio Ferreira, pela valiosa colaboração.

6. REFERÊNCIAS


  1. “Estudo do Setor de Cerâmica Vermelha – Região Sudeste”, SENAI, Projeto Estratégico – SD 011. Relatório, 1997.

  2. J. Duailibi Filho, Mercado de Cerâmica Vermelha Estrutural. Informativo ABC, Ano 7, No 26, nov./dez./1999.

  3. G. M. Bustamante e J. C. Bressiani, A Indústria Cerâmica Brasileira, Ceramic News, Volume 7, Nº 1(2000), pp. 55-59.

  4. "Corroendo o lucro". Mundo Cerâmico, 34 (1997), p.24-26.

  5. J. Duailibi Filho, “Insertos Cerâmicos em Machos e Telares Metálicos das Boquilhas de Extrusão de Massas Cerâmicas”, Pedido de Privilégio de Invenção depositado no INPI em 09/07/1999 ( No PI 9903233-3).

  6. E. Rabinowicz, "Friction and Wear of Materials", John Wiley & Sons Inc., New York, 1965.

  7. A. G. Evans and D. B. Marshall, "Wear mechanisms in ceramics", in: Fundamentals of Friction and Wear of Materials, Ed. By David A. Rigney. American Society for Metals, Metals Park, Ohio,1981, pp.439-450.

  8. A. G. Evans and T. R. Wilshaw, Quasi-static solid particle damage in brittle solids. I. Observations, analysis and implications. Acta Metal. 24 (1976), pp 939-956.

  9. S. F. Wayne and S. T. Buljan. Microstructure and wear resistance of silicon nitride composites. In: Friction and Wear of Ceramics. Ed. By S. Jahanmir. Marcel Dekker, Inc., New York (1994), pp. 261-285.

  10. J. C. da Rocha e J. Duailibi Fh. Propriedades mecânicas e evolução da microestrutura de cerâmicas de alta alumina de baixa temperatura de sinterização. Anais do 34o Congresso Brasileiro de Cerâmica, V.1:328-336, Blumenau, 1990.

  11. J. C. da Rocha, A. L. M. Teixeira e J. Duailibi Fh. Aumento da tenacidade da alumina com adições de zircônia pelo mecanismo de microtrincamento. Anais do 35o. Congresso Brasileiro de Cerâmica, Belo Horizonte, 1991.

  12. J. Wang and R. Stevens, Review: Zirconia-toughened alumina (ZTA) ceramics, Journal of Materials Sceince, 24 (1989), pp. 3421-3440.

  13. J. Duailibi Fh. e J. C. Bressiani. Effect of iron and silicon addition on the densification, microstructure and mechanical properties of silicon nitride. Materials Science & Engineering, Elsevier, A209 (1996), 164-168.

  14. S. Jahanmir. Advanced ceramics in tribological application. In: Friction and Wear of Ceramics. Ed. By S. Jahanmir. Marcel Dekker, Inc., New York (1994), pp.3-12.

  15. J. Larsen-Basse. Abrasive wear of ceramics. In: Friction and Wear of Ceramics. Ed. By S. Jahanmir. Marcel Dekker, Inc., New York (1994), pp. 99-115.


APPLICATON OF HIGH WEAR RESISTANT CERAMICS IN EXTRUSION DIES USED IN THE RED BRICK INDUSTRY

Abstract

The high wear observed in the extrusion dies caused by the presence in clays of high abrasion materials, as sand, is one of the main problem of the Red Brick Industry. The low wear resistance of metallic components causes a fast increase in the thickness of the product walls, resulting in a growth of raw materials consumption and a decrease of productivity. This work presents the results of a widespread production trial of extrusion die components (cores and frames) made from a metallic base with ceramic inserts of high alumina, zirconia toughened alumina (ZTA), partially stabilized zircônia (PSZ) and normal sintering silicon nitride. It was observed expressive gains in the useful life time of extrusion die components with ceramic inserts, leading to an improvement in the quality of products, mainly in dimensional stability, and a great economy of raw materials. When zirconia toughened alumina, partially stabilized zirconia and silicon nitride ceramics - materials that combine high hardness and high fracture toughness -, are used as inserts onto the metallic base, the number of pieces produced until the brick reaches the maximum allowed weight gain, can be ten times greater than the number of pieces produced employing only hard steel die components.


Key words: wear parts, ceramic components, red brick production, special ceramics.

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