Produção de peças de cerâmica avançada com perfil complexo

Abstract

Nesta Tese são estudados o processo de moldagem por injeção a baixa pressão de pós cerâmicos submicrométricos e a extração dos ligantes orgânicos utilizados durante a moldagem, com o objetivo de ampliar o entendimento dos aspectos científicos envolvidos no processo, bem como desenvolver tecnologia nacional para a produção robusta de peças cerâmicas de alta qualidade. A moldagem por injeção a baixa pressão apresenta vantagens na produção de peças cerâmicas complexas, quando comparada à moldagem por injeção tradicional. É mais simples e barata, porém apresenta problemas na remoção da mistura de ligantes. As dificuldades envolvidas neste processo são ainda maiores quando se considera a confecção de peças cerâmicas espessas preparadas com pó submicrométrico. Este último, por outro lado, permite a obtenção de corpos sinterizados com alta densidade e excelentes propriedades mecânicas. Para viabilizar o emprego desta técnica, fez-se necessário desenvolver, neste trabalho, uma formulação de ligantes adequada para a injetora utilizada, bem como otimizar os parâmetros de injeção, além do desenvolvimento e confecção dos moldes necessários à injeção das peças. O pó cerâmico utilizado foi alumina (Al2O3) submicrométrica de alta pureza e o ligante principal foi a parafina. O processo desenvolvido permitiu a produção de lotes de peças de cerâmica de ótima qualidade, com excelente reprodutibilidade, que foram muito bem aceitas no mercado, em um projeto de interação com a indústria. O processo se mostrou robusto, confiável e adequado para suprir uma importante demanda, que está surgindo no Brasil, por pequenos lotes de peças de cerâmicas avançadas, com diferentes formas e características. Com o objetivo de verificar se os defeitos observados em algumas peças sinterizadas poderiam ter sua origem rastreada até a etapa de conformação da peça cerâmica, foi desenvolvido um método para medida da distribuição de pó cerâmico em corpos "a verde", baseado na absorção de radiação X e 1 de diferentes energias. A variação da distribuição de material cerâmico é obtida através da medida da absorção relativa da radiação de diferentes comprimentos de onda, proveniente de uma fonte de 241 Am, ao atravessar seções finas de um corpo injetado a baixa pressão. Esta medida, feita em distintas posições, permitiu traçar o perfil de densidade relativa ao longo de diferentes eixos da amostra. Os resultados obtidos demonstram que a concentração de Al2O3 em diferentes pontos da amostra a verde não varia mais que 1% em peso, e não pode ser responsável pelas rachaduras que surgem durante a etapa de extração dos ligantes. Também utilizou-se radiografias para verificar macrodefeitos decorrentes da injeção, defeitos esses que foram sanados após a otimização dos parâmetros de injeção. Para a remoção de ligantes de peças com paredes finas (até cerca de 7 mm), mesmo quando injetadas com pó submicrométrico, o método da extração por capilaridade, que utiliza leito de pó, mostrou-se bastante adequado. No entanto, para a remoção dos ligantes de peças espessas, fez-se necessário desenvolver dois métodos: o primeiro utiliza a técnica do fluxo capilar em leito de pó convencional (wicking) , com um longo patamar em 170°C, e o segundo, totalmente desenvolvido por nós, utiliza ao mesmo tempo pressão externa, vácuo nas regiões intersticiais entre as partículas do leito de pó e capilaridade. Neste último, o corpo a verde é envolvido em pó cerâmico, sob vácuo e compactado pela ação da pressão externa que atua sobre o pó, através de uma membrana. Este método propicia uma redução substancial no tempo de extração dos ligantes, sem a formação de bolhas e rachaduras indesejáveis. Ambos os métodos foram implementados com sucesso neste trabalho. Durante o processo de extração de ligantes ao ar, ocorrem complexas reações químicas superficiais, dando origem a uma casca dura nas peças parcialmente queimadas a 250°C. Para melhor compreender alguns aspectos do mecanismo de decomposição dos ligantes, foi estudado o processo de queima dos corpos a verde, em diferentes atmosferas, utilizando diversas técnicas de análise. Durante a extração dos ligantes ocorre um acúmulo de carbono na superfície das peças, que escurecem significativamente. Este acúmulo é devido aos ligantes que migram para a superfície com o aquecimento e sofrem degradação oxidativa. A película que se forma na superfície das peças apresenta uma dureza significativa, cerca de 10 vezes maior do que no centro da amostra. Esta casca mostrou ser prejudicial ao processo de extração dos ligantes de peças espessas. Foi observado, por meio de medidas de absorção no infravermelho (FTIR), que os ácidos carboxílicos presentes na mistura ligante reagem com a superfície da alumina, formando sais carboxilatos. A presença destes sais torna-se mais acentuada nas peças queimadas em 250°C, temperatura na qual se forma a casca dura. O conjunto de resultados obtidos sugere que a superfície das peças, enriquecida das frações mais pesadas dos ligantes, fica sujeita, sob condições oxidativas, à formação de ligações cruzadas (cross-linking) entre as longas cadeias carbônicas, o que acaba enrijecendo a matriz orgânica. Esta matriz, por sua vez, encontra-se ancorada às partículas do pó cerâmico com a formação de sais carboxilatos, do que resulta que a superfície das peças cerâmicas se torna rígida e, possivelmente impermeável à saída dos ligantes, dificultando a sua extração. A compreensão deste mecanismo de endurecimento da superfície das peças cerâmicas queimadas ao ar foi de suma importância para a proposta de processos alternativos de extração de ligantes, que resultaram na obtenção de peças sinterizadas de excelente densidade e livres de defeitos.

In this Thesis we study the process of low-pressure injection molding (LPIM) of submicrometric ceramic powder and particularly the debinding of the organic matrix employed for molding. LPIM presents many advantages for complex ceramic parts production, in comparison with traditionai high-pressure injection moiding. LPIM is more simple and cheap, but it present some problems mainly in the debinding step. The difficulties encountered in the debinding process increase for large ceramic parts made with submicrometric powder. But, on the other hand, the use of submicrometric ceramic powder permits the attainment of sintered bodies with high density and excellent mechanical properties. To overcome these difficulties, it was necessary to develop a binder formulation for the LPIM machine, to optimize the injection parameters, and also to develop adequate molds for the injection of ceramic parts. The ceramic powder used was high-purity submicrometric alumina (Al2O3) and the major binder was paraffin. The process we developed permitted the production of high quality ceramic parts, with very good reproducibility. These ceramic parts were well accepted in the market, through a research program made in cooperation with industry. The overall process resulted robust, reliable and adequate for the supply of an important demand, in Brazii, for smalllots of diversified ceramic parts. To verify whether the defects observed in some sintered pieces arose in the forming process, it was developed a new method for ceramic powder distribution measurement, in green bodies, based in the absorption of 1 and x-ray radiation of different energies. The variation of density in ceramic green bodies was obtained through the measurement of the relative absorption of photons with different energy, emitted by a 241 Am source, as they cross a fine section of a low pressure injected green body. This measurement, made in distinct positions, allow us to obtain a relative density profile along different axis of the sample. The results obtained show that the Al2O3 concentration in different points of green ceramic samples do not vary more than 1 wt%, and cannot be responsible for the cracks that appear during the debinding step. Conventional radiography was also used to observe internal macrodefects that result from injection. These macrodefects do not appear anymore after optimization of the injection parameters. For debinding of thin ceramic pieces (up to 7 mm), even when injected with submicrometric powder, wicking in a powder bed showed to be very adequate. But, for large section pieces, it was necessary to develop new debinding methods: the first one uses a conventional wicking with a long hold at 170°C; the second method, totally developed by us, makes use concomitantly of external pressure, vacuum on the intergrain regions and wicking. In the latter, the green body is embedded in a ceramic powder, under vacuum, and compacted by the action of the external pressure acting on the powder through a membrane. With this method we had a substantial time reduction for debinding, without the formation of bubbies and cracks. During the debinding process in air, complex chemical reactions take place on the surface, originating a hard-skin in partially-fired parts at 250°C. To better understand what occurs during binder degradation at different temperatures, we have studied the debinding process in different atmospheres, with the aid of several analytical techniques. It was observed a darkening resulting from carbonaceous residues accumulating on the surface of the ceramic parts. This carbon accumulation originates from the binder migration from the inner parts of the ceramic bodies toward its surface, followed by binder oxidative degradation. The carbon-enriched film that forms on the ceramic surface presents a significative hardness, tenfold higher than that at the center of the sample. This hard-skin is harmful for the debinding process of large pieces and its formation should be avoided. It was observed, by means of Fourier-Transformed Infrared Spectroscopy (FTIR), that the carboxylic acids present in the binder mixture react with alumina surface, forming carboxylate salts. The salt production is more intense in pieces fired at 250°C, the same temperature at which the hard-skin is formed. The whole set of experimental results suggests that the ceramic surface, enriched with the binder heavy fractions, can undergoes, under oxidative conditions, cross-linking between long carbon chains, thus increasing the hardness of the organic matrix. This cross-linked organic matrix anchors on the surface of the ceramic powder particles by means of bridging carboxylate salts, with the consequent hardening of the surface of the ceramic pieces, that becomes rigid and probably impermeable for the binder exit, hampering the debinding. The understanding of the hardening mechanism of the ceramic pieces surface fired in the air was very important for the proposal of alternative debinding processes, that resulted in the obtention of excellent sinterized ceramic pieces, free of defects.