A cerâmica escolhida foi a zircônia tetragonal policristalina parcialmente estabilizada com 3 mol% de ítria (Y2O3) da fabricante Tosoh, modelo TZ-3Y-E, por apresentar
propriedades atrativas ao estudo como dureza de 1250 HV, módulo elástico de 210 GPa, tenacidade à fratura de 5 MPa.m0,5, resistência à flexão de 1200 MPa e tamanho de partícula inferior a 0,3 µm. Segundo o fabricante, o material apresenta propriedades superiores de sinterização e elevada resistência ao envelhecimento (<3% - 20 horas, água 140 °C) com menor temperatura de sinterização (1350 °C) devido à utilização dos últimos processos de hidrólise e nanotecnologias. O corpo sinterizado tem estrutura cristalina composta por finos grãos (<0,3 µm) que promovem melhora da resistência, tenacidade à fratura, assim como resistência superior ao desgaste e envelhecimento. A Tabela 3.2 apresenta as principais características do pó e propriedades do corpo sinterizado de zircônias Tosoh estabilizadas com Y2O3. O certificado de análise química do material fornecido é mostrado na Tabela 3.3.
Tabela 3.2 – Propriedades do pó e corpo sinterizado de zircônias Tosoh TZ-3Y-E. Característica do pó TZ-3Y-E
Y2O3 (mol%) 3
Área superficial específica (m2/g) 16±3
Aparência grânulo
Propriedades típicas do sinterizado TZ-3Y-E
Densidade (g/cm3) 6,05
Resitência à flexão (MPa) 1200
Dureza (HV10) 1250
Fonte: http://www.tosoh.com/our-products/advanced-materials/zirconia-powders.
Tabela 3.3 – Certificado de análise do pó de zircônia Tosoh TZ-3Y-E lote número Z305181P. Constituinte Unidade Especificação Resultado da análise
Y2O3 % 4,95~5,35 5,32 Al2O3 % 0,15~0,35 0,257 SiO2 % Máx. 0,02 0,004 Fe2O3 % Máx. 0,01 0,004 Na2O % Máx. 0,04 0,026 Perda Ig % Máx. 1,2 0,77
Área superficial específica m2/g 13~19 14,9
Parâmetro de rede ̇ - 270
Os aditivos foram misturados com o pó da zircônia no mesmo mini-moinho de bolas a 104 rpm. O jarro teve 30 vol% do volume útil preenchido com o pó de zircônia (ρ = 6,05 g/cm3), 0,5 kg de agentes de moagem e 70 vol% do volume útil de álcool
isopropílico (ρ = 0,786 g/cm3, ACS da Labsynth Ltda.) como solvente e meio líquido da
barbotina.
O ligante escolhido foi o Polivinil-butiral (PVB - Butvar B98; ρ = 1,1 g/cm3).
Inicialmente, foram adicionados 0,5% da massa de ZrO2 de PABA (ácido 4-aminobenzóico)
como defloculante e a mistura foi agitada por 12 horas. Em seguida, acrescentou-se mais 2,0% da massa de ZrO2 de PVB como ligante, e a homogeneização perdurou por mais
2 horas.
Após a etapa de mistura e desaglomeração, o conteúdo do jarro foi despejado em uma cuba de vidro, dentro da capela do LTC para evitar a inalação de vapor. Com ajuda de um soprador térmico, a mistura foi agitada manualmente. Foram utilizadas luvas de procedimento isentas de talco para evitar a contaminação. A Figura 3.21 mostra a etapa da mistura e as diferentes fases da secagem.
Figura 3.21 – Mistura em moinho de bolas e secagem manual da cerâmica.
A granulação do pó aconteceu manualmente durante a secagem e a classificação/seleção em peneira (Solotest) malha #80 (NBR 180 µm) para conferir homogeneidade dimensional aos aglomerados e facilitar a prensagem. Peneira e cuba coletora são ilustradas na Figura 3.22.
Figura 3.22 – Peneira Solotest com abertura de malha de 180 µm utilizada para granular e selecionar a cerâmica.
Mistura Secagem
Peneira
3.3.1.3 Conformação
A conformação dos corpos cerâmicos incidiu em duas etapas, respectivamente prensagem uniaxial e isostática.
Primeiramente, por meio da prensagem uniaxial de simples efeito em molde de aço com diâmetro de 37 mm e área da seção transversal de 10,75 mm2 (Figura 3.23) disponível no Laboratório de Tribologia e Compósitos (LTC).
Figura 3.23 – Molde para prensagem uniaxial de simples ação.
A espessura almejada para a peça sinterizada foi de aproximadamente 3,5 mm. Adotando uma máxima contração de sinterização de 20%, determinou-se a espessura do corpo verde de 4,75 mm. Para cada amostra, portanto, foram necessários 13,6 g de TZ-3Y-E. A massa do pó foi mensurada em uma balança analítica OHAUS®, modelo TS4000D.
O pó foi inserido manualmente no molde com ajuda de uma vasilha plástica, nivelado com uma espátula de aço inoxidável e levemente agitado por uma mesa vibratória da Labortechnik GmbH, modelo THYR2, buscando homogeneização de preenchimento.
A prensagem uniaxial ocorreu na prensa hidráulica Skay de 60 toneladas de capacidade máxima. O manômetro do equipamento, calibrado para leitura de força em kgf, tem divisão da escala de 2000 kgf. A pressão desejada era de 80 MPa, entretanto, o manômetro não possibilita a leitura exata de 8600 kgf necessária para a pressão de 80 MPa. Adotou-se, portanto, a força de 9000 kgf, resultando em uma pressão efetiva de 83,7 MPa.
Após a prensagem, os compactados ficaram com espessura de 4,72±0,03 mm.
A preparação das amostras para prensagem isostática em molde úmido envolveu a inserção das peças em balões elastoméricos e a evacuação do ar por uma bomba de vácuo (Figura 3.24).
Durante 30 s manteve-se a pressão a 200 MPa para homogeneizar a compactação, minimizando os maiores gradientes de densidade característicos da prensagem uniaxial. O alívio da pressão da câmara foi lento e levou 10 s, aproximadamente. A prensa empregada foi do tipo molde úmido, marca AIP e modelo CP360.
Figura 3.24 – Preparação das amostras em recipiente elastomérico hermético para prensagem isostática em molde úmido.
3.3.1.4 Sinterização
A sinterização ocorreu em atmosfera ambiente em forno elétrico tipo câmara (Lindberg, modelo Blue M). A temperatura de sinterização sugerida pelo fabricante é de 1350 °C, entretanto o fabricante não especifica as condições de sinterização, prensagem, tão pouco os aditivos utilizados.
Para as condições desta pesquisa, a determinação da temperatura ideal de sinterização foi obtida submetendo-se cada conjunto de três peças a diferentes temperaturas de sinterização, a saber: 1350, 1400, 1420 e 1450 °C, com rampa de aquecimento de 3,89 °C/min e 2 horas de patamar. O objetivo foi encontrar a temperatura que proporcionou menor porosidade sem o crescimento acentuado dos grãos. Empregou-se a norma ASTM C73, que faz uso da técnica de Arquimedes, para cálculo da porosidade aparente aberta e densidade.
A observação da microestrutura foi feita por microscopia eletrônica de varredura (MEV/FEG) sem ataque térmico nem polimento, apenas com a deposição física a vapor de ouro na superfície das amostras para torná-las condutoras elétricas.