Extrusao_em_Materiais_Ceramicos

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Extrusão em Materiais Cerâmicos
Processamento de Materiais
Igino Giordani da Silva Guerra
Introdução
A extrusão é usada para o processamento de produtos cerâmicos há mais de 150 anos, tendo a tecnologia sofrido pequenas alterações a partir da década de 50 do século passado. 
É uma técnica de produção associada a uma elevada produtividade, gerando produtos de seção transversal constante.
No entanto este processo de conformação industrial tem se revelado essencial nas industrias cerâmicas de barro vermelho (telhas e tijolos). 
Introdução
Materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos.
Geralmente são óxidos, nitretos e carbetos
São geralmente isolantes de calor e eletricidade
São mais resistêntes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros
Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis
Em geral são leves
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Introdução
MATERIAIS CERÂMICOS SÃO TODOS OS MATERIAIS COMPOSTOS EM SUA QUASE TOTALIDADE DE ARGILA, E QUE SÃO LARGAMENTE UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO CIVIL. 
ELES SÃO POLIFÁSICOS, CONTENDO ELEMENTOS METÁLICOS E NÃO METÁLICOS. 
Introdução
A EXISTÊNCIA DE VÁRIAS FASES CERÂMICA POSSIBILITA AS COMBINAÇÕES DE ÁTOMOS METÁLICOS E NÃO METÁLICOS, FORMANDO MUITOS ARRANJOS ESTRUTURAIS. ISSO POSSIBILITA A OBTENÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS PARA UMA LARGA APLICAÇÃO NA ENGENHARIA. 
OS PRINCIPAIS MATERIAIS CERÂMICOS SÃO: TIJOLOS, TELHAS, VIDROS, CONCRETOS, ABRASIVOS, VIDRADOS PARA PORCELANA, ISOLANTES ELÉTRICOS, ETC. 
Introdução
O objetivo deste trabalho é apresentar o processo de conformação plástica da extrusão, que é usado na fabricação de produtos utilizando matérias-prima como a cerâmica vermelha para produzir telhas, tijolos, etc e também os principais parâmetros usados para garantir uma boa peça fabricada.
Cerâmicas
As cerâmicas são sólidos compostos de estruturas que contém elementos metálicos e não metálicos, e os átomos dos componentes são ligados por forças de ligações fortes (iônica ou covalente).
Cerâmicas
Cerâmicas
As maiores características dos materiais cerâmicos são fragilidade e fratura com pequena ou nenhuma deformação. 
Este comportamento está em contraste com os metais, os quais escoam e deformam. 
Como resultado disso, os materiais cerâmicos não podem ser formados por deformação, como os metais. 
Dois processos básicos foram desenvolvidos para conformar materiais cerâmicos.
Cerâmicas
O primeiro usa partículas cerâmicas misturadas com um líquido, a combinação destes geram propriedades reológicas que permitem a conformação. Então através de tratamento térmico as partículas são aglomeradas dentro de uma forma coesiva. 
A parte essencial deste processo é primeiro encontrar ou preparar partículas finas, conforma-la e mantê-la coesiva por tratamento térmico.
O segundo processo básico é fundir o material para formar um líquido e então conforma-lo durante o resfriamento e solidificação, este é usado principalmente na fabricação de vidros.
Propriedades
AS PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CERÂMICOS DEPENDEM DE SUAS ESTRUTURAS. 
A BAIXA CONDUTIVIDADE ELÉTRICA É DEVIDA À IMOBILIDADE DOS ELÉTRONS DAS LIGAÇÕES IÔNICAS COVALENTES.
Propriedades
OS MATERIAIS CERÂMICOS TÊM ALTA RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO E BAIXA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO E CONSEQUENTEMENTE, NÃO APRESENTAM FRATURA DÚCTIL. 
ISSO OCORRE DEVIDO À AUSÊNCIA DE ESCORREGAMENTO ENTRE OS CRISTAIS (GRÃOS).
	TIPO DE
MATERIAL	CARACTERÍSTICAS	CONSTITUINTES
	CERÂMICO	ALTA RESISTÊNCIA MECÂNICA.
ALTA DUREZA.
ALTA FRAGILIDADE.
BOM ISOLANTE TÉRMICO E ELÉTRICO.
ALTA TEMPERATURA DE FUSÃO.	ÓXIDOS
SILICATOS
NITRETOS.
Propriedades
CERÂMICOS APRESENTAM AS SEGUINTES PROPRIEDADES:
NÃO TEM DUCTILIDADE; 
PODEM TER ALTA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO, DESDE QUE NÃO SE TENHAM POROS PRESENTES;  
TÊM POSSIBILIDADE DE APRESENTAR UM ELEVADO LIMITE DE RESISTÊNCIA. 
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Processamento dos materiais cerâmicos: Principais etapas
Matéria prima básica: Pós cerâmicos
Pós obtidos na natureza: 
Al2O3 - Bauxita
MgO - Água do mar
Pós sintetizados em laboratório:
SiC – Reação química entre SiO2 e o coque a 2200 C (processo Acheson)
Si3N4 – Sintetizado a partir da reação do silício em pó com o nitrogênio entre 1200 e 1400 C
Fatores de influência
Quanto mais puro for o material, maior é a resistência mecânica, mas principalmente melhora propriedades elétricas, óticas, magnéticas e outras;
Quanto menor o tamanho das partículas os produtos apresentarão melhores propriedades mecânicas. 
Influência do tamanho das partículas na porosidade final
Quanto menor o tamanho das partículas maior a reatividade entre elas (maior superfície total a ser eliminada na sinterização) reduzindo a temperatura e o tempo necessários na sinterização e a porosidade final do cerâmico.
Influência da porosidade na porosidade final e no tamanho de grão do cerâmico
Extrusão para a cerâmica
Processamento cerâmico onde o material, juntamente com aditivos (ligantes plastificantes lubrificantes e outros) é forçado a passar por uma matriz.
Extrusora de pistão
Extrusora de rosca 
Compostos cerâmicos que já contenham argilas não necessitam de aditivos.
Aplicados em produtos cerâmicos com seção transversal constante (tubos por ex.) 
Extrusora de rosca a esquerda e formas típicas de produtos fabricados por extrusão a direita
Extrusão
A extrusão é um processo de conformação plástica, limitada à fabricação de objetos de seção constante, muito utilizada na indústria cerâmica vermelha: conformação de tijolos e tarugos (bastonetes) e para a prensagem plástica de telhas. 
Extrusão
Existem vários fatores que afetam o rendimento do processo e a qualidade dos produtos finais:
Composição e a preparação das massas cerâmicas; 
Plasticidade das massas; 
Tipo de extrusora e a qualidade do vácuo;
Moldes/Boquilhas usados (figura abaixo).
Extrusão
Dentre os fatores referidos a plasticidade é uma propriedade de difícil caracterização, uma vez que a maior ou menor plasticidade de uma massa depende de múltiplos aspectos, entre os quais se destacam: 
Teor de umidade da massa;
Diferentes tipos de minerais argilosos existentes (a composição da massa);
Forma dos cristais;
Granulometria das partículas envolvidas. 
Extrusão
Há ainda o fato da determinação da plasticidade depender frequentemente da habilidade do operador, fornecendo, por isso mesmo, uma avaliação meramente qualitativa. 
Além disso os valores obtidos para diferentes ensaios não são diretamente comparáveis.
Extrusão
Podemos definir dois tipos diferentes de plasticidade: “boa” e “má”.
Se a massa se adapta perfeitamente a um processo específico de conformação, define-se a plasticidade como “boa”.
Se a massa ao ser conformada origina defeitos no produto ou demonstra dificuldades na conformação, a plasticidade é considerada como “má”. 
Esta análise traduz, de certa forma, o conceito prático de plasticidade e que é muitas vezes definida como sendo o grau de deformação de uma massa até ela entrar em ruptura.
Extrusão
Deve-se, sempre que possível, extrudar as massas na zona de máxima plasticidade do material evitando situações desvantajosas em termos de extrusão.
Nas massas com elevados teores de umidade, perto do limite líquido (Ll), facilmente ocorre o deslizamento entre partículas, pelo que a massa argilosa tenderá a agarrar-se às hélices da extrusora e fluir pelo centro da fieira com maior velocidade. 
Extrusão
Algo semelhante ocorrerá se diminuirmos o teor de umidade e trabalharmos abaixo da zona de máxima plasticidade. O atrito nas paredes da extrusora aumenta e a massa argilosa tenderá também a fluir com maior velocidade no centro, enquanto que as forças de compressão desenvolvidas no interior da extrusora e o desgaste dos diversos componentes metálicos aumentam.
Extrusão
As forças de compressão no interior de uma extrusora apresentam dois picos em zonas diferentes. 
O primeiro, de baixaintensidade, surge logo no fim da primeira hélice junto ao cortador interno na entrada da câmara de vácuo, onde surge a primeira restrição à passagem da massa.
O outro pico, com início na zona de pré-compressão e máximo à entrada da sobre boca, tem maior intensidade e define a zona onde se desenvolvem as forças de compressão do material e onde se desenvolvem desgastes elevados dos componentes da extrusora.
Quanto menos plástica for a massa argilosa, maior sensibilidade terá a possíveis variações de umidade.
Extrusão
Extrusão
Dado que as condições de fluxo do material argiloso através da extrusora dependem basicamente da sua plasticidade, compreende-se facilmente a necessidade de manter o mais constante possível as características da massa (composição, grau de moagem, teor de umidade, etc.) para que o valor da plasticidade se mantenha. 
Nesse sentido pode-se observar como diferem as pressões de extrusão e consequentemente os gastos com energia elétrica no motor, quando se extruda duas massas com plasticidades muito diferentes
Extrusão
Extrusão
O transporte, a compactação e a extrusão das massas cerâmicas são ações desenvolvidas pelas hélices da extrusora. 
A economia energética, a regularidade do fluxo e a pressão adequada de extrusão são fatores que estão dependentes do tipo de fieira (diâmetro na saída, conicidade e comprimento da foca) e da plasticidade da massa.
Extrusão
A fieira, conjunto composto pela foca e pelo molde deve cumprir com as seguintes funções:
Eliminar as variações ou diferenças de fluxo argiloso que não se conseguiram corrigir pela ação das hélices;
Diminuir as laminações que se formam devido ao ordenamento das partículas argilosas;
Transformar o fluxo helicoidal de argila num fluxo retilíneo paralelo ao eixo da extrusora;
Extrusão
A fieira, conjunto composto pela foca e pelo molde deve cumprir com as seguintes funções:
Compensar as diferenças de transporte de massa entre a periferia e o eixo da hélice;
Igualar as velocidades ao longo da seção, para que a entrada de massa no molde se faça de modo completamente uniforme (evitando, deste modo, deformações na hélice e/ou descentragem do molde, em consequência das diferenças de pressão no fluxo argiloso).
Sinterização - Densificação
Processo de ligação entre as partículas por difusão de átomos entre elas acompanhada de uma remoção de poros entre as partículas e de uma diminuição de volume.
Volume reduz em aproximadamente 50%
Sempre realizada em altas temperaturas para acelerar o processo de difusão.
Mecanismo de união:
Calor aumenta a difusão entre as partículas.
Redução da energia de superfície pela redução da área exposta entre as partículas de pó que se unem no processo
Temperatura correta de sinterização para o Si3N4: 1750 C
Quando se utiliza 1650 resta muita porosidade
Quando se utiliza 1850 há muito crescimento de grão.
Sinterização - Densificação
Estágios da sinterização:
Primeiro estágio:
Rearranjo: leve movimento de rotação das partículas adjacentes para aumentar os pontos de contato
Formação do pescoço: Difusão nos pontos de contato
Segundo estágio:
Crescimento do pescoço: os tamanhos dos pontos de contato cresce e a porosidade decresce.
Crescimento de grão: Partículas maiores agora chamadas de grão crescem consumindo os grãos menores.
Terceiro estágio:
Sinterização final: Remoção final da porosidade por difusão de vazios ao longo dos contornos de grão 
Sinterização - Densificação
Cerâmica Vermelha Extrudada
No processo de fabricação industrial da cerâmica vermelha extrudada, o barro (argila) preparado sem adição de componentes que alteram as suas características, é conformado em uma extrusora, também conhecida como maromba, que lhe dá a forma desejada antes da queima. 
Cerâmica Vermelha Extrudada
Extrusora Maromba
Cerâmica Vermelha Extrudada
A cerâmica vermelha extrudada e outros materiais fabricados por este processo, quando não esmaltados, se caracterizam pelo aspecto natural, tornando o ambiente rústico e muito aconchegante.
Cerâmica Vermelha Extrudada
Para a fabricação de cerâmica vermelha extrudada, a composição da massa deve ser ajustada de forma a atender as exigências técnicas necessárias como retração, perda ao fogo, plasticidade, absorção de água, dilatação térmicas, etc. 
O controle do produto final de cerâmica vermelha extrudada de boa qualidade é bastante exigente, devendo seguir rigorosamente as respectivas normas técnicas.
Cerâmica Vermelha Extrudada
Cerâmica vermelha extrudada é indicada para vários tipos de obra, como por exemplo, para ambientes de tráfego intenso como áreas públicas e externas em geral, devido à sua elevada resistência à abrasão.
Cerâmica Vermelha Extrudada
O detalhe que chama a atenção de arquitetos, construtores e decoradores é a disponibilidade que a cerâmica vermelha extrudada tem para acabamentos como degrau, acabamento para cantos, rodapés, etc.
Referências Bibliográficas
http://www.cmc.ind.br/?link=ver_produto&cd_categoria=29&cd_produto=79
http://www.ceramica6.com.br
Cordeiro, P. “Moldes de fieira, fatores de funcionamento acerto e afinação-Parte I”, Cerâmicas, n. 17, p. 81- 84, Set.-Nov., 1993.
Referências Bibliográficas
Carty, W.M.; Lee, C. “The Characterization of Plasticity”, Science of Whitewares, Published by the American Ceramic Society, p. 89-101, USA, 1996.
Gomes, C.F. “Argilas - O que são e para que servem”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1988.
ALUMINA