A técnica de secagem com agitação manual também apresentou vantagens e desvantagens. Foi ideal para preparação de pequenos lotes pela praticidade e utilização de simples corrente de ar quente e movimentação manual. Diferentemente da secagem por pulverização, possui baixa dependência tecnológica, não requer longos períodos e cuidados na preparação e limpeza do sistema.
Entretanto, devido à evaporação do solvente, a agitação deve ser feita dentro de uma capela com exaustão de gases. A secagem em atmosfera não controlada tem grande potencial de contaminar a cerâmica, por exemplo, com pó, pêlo humano, pele, talco da luva de procedimento e resquícios de outras cerâmicas manipuladas dentro da capela. O talco ou esteatita, de composição Mg3Si4O10(OH)2, pode gerar defeitos. Sugere-se, portanto, lavar bem
a luva antes de utilizá-la ou usar modelos isentos de talco e, no caso das mulheres, não usar maquiagem de qualquer tipo, assim como se prescreve na indústria de cerâmicas eletrônicas.
A cuba de secagem usada foi de vidro de borossilicato (Pyrex). Este material tem dureza muito inferior a da zircônia tetragonal - 405 HV contra 1300 HV (MatWeb) - deste modo, a agitação de secagem pode promover desgaste abrasivo do vidro. A presença desse material, de baixo ponto de fusão (~821 °C), nos contornos de grãos, pode deteriorar as propriedades mecânicas da zircônia.
A Figura 4.13 ilustra alguns dos aglomerados produzidos com esta técnica se secagem. Os de maior massa, de dimensões próximas a 2 mm, não aderiram à fita adesiva de carbono usada para MEV-FEG e, consequentemente, não possuem microscopias.
Figura 4.13 – Microscopia eletrônica de varredura (MEV-FEG) da zircônia Tosoh TZ-3Y-E aglomerada após secagem e antes de desaglomerados.
4.2.4 Granulação
A homogeneização promovida pela granulação tem o objetivo de facilitar o fluxo cerâmico durante sua conformação.
Após a secagem, o material ficou grosseiramente granulado em aglomerados aproximadamente esféricos de até 2 mm de diâmetro médio equivalente.
A primeira fragmentação foi realizada manualmente em uma cuba e pistilo cerâmicos enquanto o pó ainda úmido ofereceu boa ductilidade. A ação mecânica quebrou os aglomerados e beneficiou a granulação/seleção final na peneira de malha de aço #80 (180 µm).
A granulação foi realizada com extrema cautela para não expandir a malha da peneira cujo alargamento da malha implicaria na passagem de aglomerados maiores.
O processo foi extremamente moroso e exigiu que o pó fosse constantemente retrabalhado no pistilo.
Nesta técnica vale também os cuidados apontados quanto à contaminação externa e por desgaste abrasivo dos instrumentos.
Aspectos geométricos e dimensionais dos grânulos (aglomerados fracionados) são mostrados na Figura 4.14.
Foram produzidos grânulos poligonais relativamente equiaxiais, amplo espectro de distribuição, mas com dimensão máxima menor ou igual a abertura de 180 µm da malha da peneira.
Figura 4.14 – Microscopia eletrônica de varredura (MEV-FEG) da TZ-3Y-E granulada em malha #80 (180 µm).
4.2.5 Conformação
Durante a preparação do teste piloto da prensagem uniaxial definiu-se que o molde fosse lubrificado a cada cinco ciclos de prensagem com ácido oleico visando evitar o engripamento dos pistões, diminuir o atrito e impedir também a delaminação da peça na sua ejeção do molde.
Embora existam prensas isostáticas com capacidades superiores a 200 MPa, elas não são amplamente usadas pela indústria, ficando restritas ao uso acadêmico ou aplicações específicas. Por esse motivo adotou-se aquela pressão.
A Figura 4.15 apresenta microscopias eletrônicas de varredura do compactado em diferentes ampliações, identificadas sequencialmente de (a) a (d) da menor para maior.
Observam-se na Figura 4.15-a formações de novos aglomerados de dimensões superiores as dos aglomerados antes da prensagem (Figura 4.14). Também é possível ver a porosidade interaglomerado (não se usa o termo intergranular, pois não houve sinterização) residual similar a descrita por German (1987) (Figura 2.21). As Figuras 4.15-b e c mostram que uma parcela de material de baixa densidade fica aderida a superfície da peça. Por último, a Figura 4.15-d ilustram as partículas submicrométricas de zircônia.
Figura 4.15 – Microscopia eletrônica de varredura (MEV-FEG) da TZ-3Y-E conformada a 200 Mpa em diferentes ampliações.
As consequências da falta de cuidado com a limpeza do molde nos exercícios preliminares de conformação podem ser vistas nas microscopias da Figura 4.16, que
(a) (b)
exemplificam o resultado da presença de corpos estranhos na superfície do compactado que, após a sinterização, incitaram (a) trincas e (b) canais superficiais.
Figura 4.16 – Peça de TZ-3Y-E sinterizada e lapidorretificada ainda com heterogeneidade superficial oriunda de contaminação durante etapa de conformação.
A limpeza e a lubrificação manual do molde utilizaram papel toalha e algodão embebido em ácido oleico, respectivamente. Mesmo com relativa pequena temperatura de degradação, esses materiais orgânicos podem ficar aderidos à peça, ocasionando a formação de macroporosidade (Figura 4.16-b). Porém, outros materiais exógenos podem alterar as propriedades localmente gerando danos mais sérios (Figura 4.16-a). Esses problemas são mais evidentes na produção de pequenos lotes e podem ser minimizados com a automação do processo e ambiente controlado.
A lubrificação do molde favoreceu a adesão de material no compactado. A observação macroscópica a olho nu da região indicada na Figura 4.16-a mostrou a presença de coloração escura (contaminação) tanto na peça verde como na sinterizada, mas nesta última também foi possível ver a trinca. A sinterização fez com que trincas se formassem na vizinhança da aberração. Embora a Figura 4.16-a mostre as trincas, não foi possível distinguir a mancha escura, que se encontra demarcada pelo circulo tracejado de cor branca.
Em aplicações onde a camada mais externa da peça será removida, por exemplo, por usinagem, o problema pode ser controlado desde que o defeito não seja maior que a camada extraída. No caso de corpos delgados processados por métodos de baixa remoção de material, entretanto, a contaminação pode perdurar e comprometer o desempenho e o acabamento, conforme exemplificado nas Figuras 4.16.
Figura 4.17 – Peça de TZ-3Y-E sinterizada com impressão da rugosidade do molde adquirida na prensagem uniaxial.
O acabamento do molde tem forte influência no acabamento do compactado e, portanto, na peça sinterizada. A Figura 4.17 mostra a reprodução da rugosidade do molde na peça. Nota-se que o acabamento do moldado foi inferior ao do molde. Mesmo após a prensagem isostática a impressão permaneceu. A distribuição homogênea da pressão sobre o molde elastomérico apenas promoveu o aumento da compactação sem, contudo, alterar os desvios de forma, dimensão ou rugosidade.
4.2.6 Sinterização
Diferentes microestruturas são mostradas na Figura 4.18 em resposta as distintas temperaturas de sinterização.
A Figura 4.18 ilustra o fenômeno do crescimento de grão com o aumento da temperatura de sinterização. A elevação da temperatura fez com que grãos menores fossem absorvidos por grãos maiores. A Tabela 4.1 apresenta a média aritmética e o desvio padrão do tamanho de grão em resposta as temperaturas de sinterização e a Figura 4.19 representa graficamente o fenômeno.
Figura 4.18 – Microscopia eletrônica de varredura das superfícies das amostras sinterizadas a (a) 1350, (b) 1400, (c) 1420 e (d) 1450 °C para 6 horas de aquecimento, 2 horas de patamar e 6 horas de
resfriamento.
Tabela 4.1 – Tamanho médio de grãos da TZ-3Y-E em diferentes temperaturas de sinterização. Temperatura de sinterização (°C) Média aritmética (µm) Desvio padrão (µm)
1350 0,29 0,08 1400 0,35 0,07 1420 0,45 0,08 1450 0,51 0,12 1350 °C 1400 °C 1420 °C 1450 °C 1350 °C
Figura 4.19 – Microscopia eletrônica de varredura das amostras sinterizadas a (a) 1350, (b) 1400, (c) 1420 e (d) 1450 °C para 6 horas de aquecimento, 2 horas de patamar e 6 horas de resfriamento.
Os gráficos das Figuras 4.20 e 4.21 apresentam a porosidade aparente aberta (%) e a densidade (g/cm³), respectivamente, em função das quatro temperaturas de sinterização avaliadas. Verificou-se que a 1400 °C foi alcançada menor porosidade aparente e densidade.
Segundo Marcomini e Souza (2011) a técnica de Arquimedes permite quantificar somente a porosidade aberta, enquanto a análise da imagem (micrografias) da seção transversal quantifica também os poros fechados. Acredita-se que a 1400 °C poros formados no interior das amostras justifiquem a menor densidade.
Figura 4.20 – Porosidade aparente aberta em função da temperatura de sinterização da TZ-3Y-E para 6 horas de aquecimento, 2 horas de patamar e 6 horas de resfriamento.
0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500 0,550 0,600 0,650 1340 1360 1380 1400 1420 1440 1460 T am anh o m édio de grã o Z rO 2 ( µ m ) Temperatura de sinterização (°C) 1350 °C 1400 °C 1420 °C 1450 °C 0,000 0,003 0,005 0,008 0,010 0,013 1325 1350 1375 1400 1425 1450 P oro sida de apa re nte a bert a (%) Temperatura de sinterização (°C) 1350 °C 1400 °C 1420 °C 1450 °C
Figura 4.21 – Densidade aparente em função da temperatura de sinterização da TZ-3Y-E para 6 horas de aquecimento, 2 horas de patamar e 6 horas de resfriamento.
No âmbito do acabamento, principalmente visando à usinagem de ultraprecisão, os poros comprometem a rugosidade e devem, consequentemente, ser evitados ou, pelo menos, minimizados. Por essa razão, ao induzir a menor porcentagem de poros abertos (0,00154%), adotou-se a temperatura de 1400 °C para a sinterização dos corpos de prova desta pesquisa.
A 1400 °C a densidade foi 0,84% menor que a alcançada pelo fabricante Tosoh segundo a Tabela 3.2.