Fundição por Suspensão de Cerâmica

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Fundição por suspensão
Aluna: Rosilda Martins de Sales
Professor: Antônio Ernandes Macêdo Paiva
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO MARANHÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
Suspensão: suspensão de argila e/ou outros minerais não-plásticos em água.
Quando derramada dentro de um molde poroso (feito em geral de gesso-de-paris), a água da suspensão é absorvida no interior do molde, deixando para trás uma sólida camada sobre a parede do molde cuja espessura irá depender do tempo.
Fundição por suspensão
O processo pode ser continuado até que a totalidade da cavidade do molde se torne sólida (fundição sólida) (a).
Ou ele pode ser interrompido quando a camada sólida atingir a espessura desejada, pela inversão do molde e o derramamento da suspensão em excesso (fundição com dreno) (b).
Na medida que a peça seca e se contrai em volume ela se separa do molde, que pode ser desmontado e a peça removida.
Fundição por suspensão
Fundição por suspensão
 Fabricação de Louças
Fundição por suspensão
 Molde de gesso
Fundição por suspensão
A peça cerâmica conformada através de fundição por suspensão:
Retém uma porosidade significativa e também possui uma resistência insuficiente para maioria das aplicações práticas.
Pode conter ainda algum líquido o qual pode ser removido por secagem. 
A densidade e resistência são melhoradas como resultado de um Tratamento Térmico a alta Temperatura ou de um procedimento de Cozimento 
Material seco mas não cozido  Cru.
Fundição por suspensão
Secagem e Cozimento são críticas:
podem gerar defeitos que tornam a peça imprestável.
De onde vem os defeitos???
Defeitos (empenamento, distorções e trincas) resultam de tensões que são estabelecidas por uma contração de volume não-uniforme.
Veremos então a contração de volume que ocorre no processo de SECAGEM!
Fundição por suspensão
Secagem e Cozimento
Na medida que um corpo cerâmico à base de argila seca, ocorre contração de volume.
No início da secagem as partículas de argila estão virtualmente envolvidas e separadas uma das outras por uma fina película de água.
Com a secagem a separação diminui provocando uma contração de volume. 
Torna-se crítico controlar essa remoção de água durante a secagem.
Fundição por suspensão
Secagem
Fundição por suspensão
Secagem
Remoção de água. (a) Corpo molhado, (b) corpo parcialmente seco e (c) corpo seco
A secagem das regiões internas ocorre pela difusão de moléculas de água para a superfície, onde ocorre a evaporação.
Se a taxa de evaporação > taxa de difusão a superfície irá secar (e contrair em volume) mais rapidamente que o interior 
poderão se formar defeitos mencionados anteriormente.
O que FAZER???
Taxa de evaporação da superfície deve ser diminuída para, no máximo, a taxa de difusão da água. Ela pode ser controlada pela temperatura, umidade e taxa de escoamento do ar.
Fundição por suspensão
Secagem
O que mais influi na contração de volume???
Espessura do corpo também influencia a contração de volume  peça mais espessas têm contração de volume não-uniforme e formação de defeitos mais pronunciada.
Teor de água no corpo também é crítica. Quanto mais água, mais intensa a contração de volume.  teor deve ser mantido baixo.
Tamanho das partículas de argila também influencia: maior contração de volume com menor tamanho da partículas. O QUE FAZER???
 
 tamanho de partículas deve ser aumentado, 
ou elementos não-plásticos com partículas grandes podem ser adicionados à argila. 			E APÓS A SECAGEM???
Fundição por suspensão
Secagem
Após a secagem, o corpo é geralmente cozido a uma temperatura entre 900 e 1400oC.
Esta temperatura depende da composição e das propriedades desejadas para a peça acabada. 
Durante a operação de cozimento, 
a densidade é novamente aumentada (com uma consequente diminuição na porosidade),
e a resistência mecânica é melhorada.
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Cozimento
Quando materiais à base de argila são aquecidos a temperaturas elevadas, ocorrem alguma reações consideravelmente complexas. Uma delas é a vitrificação. 
Vitrificação é a formação gradual de um vidro líquido que flui para o interior e preenche parte do volume dos poros. 
O grau de vitrificação depende da temperatura e do tempo de cozimento, bem como da composição do corpo.
Fundição por suspensão
Cozimento
A temperatura na qual a fase líquida se forma é reduzida pela adição de agentes fundentes, como o feldspato.
Essa fase escoa ao redor das partículas não fundidas e preenchem os poros, pelas forças de tensão superficial (ação capilar)  se segue uma contração de volume. 
Com o resfriamento, essa fase fundida forma uma matriz vítrea que resulta em um corpo denso e resistente.
Dessa forma, a microestrutura final consiste em uma fase vitrificada, quaisquer partículas de quartzo que não reagiram e alguma porosidade. 
Fundição por suspensão
Cozimento
A figura mostra uma MEV de uma porcelana cozida onde esses elementos microestruturais podem ser vistos.
 
Fundição por suspensão
Cozimento
Fundição por suspensão
Reologia de suspensões
Barbotinas para moldagem são tipicamente formuladas para ter um comportamento pseudoplástico. 
Viscosidade aparente abaixo 2000 mPa·s sob uma taxa de cisalhamento de 1-10 s-1.
Esta faixa de viscosidade é conveniente para a mistura, bombeamento e preenchimento do molde. 
Densidade e viscosidade aparente devem ser altas o suficiente para minimizar sedimentação de partículas durante a colagem. 
Fundição por suspensão
Reologia de suspensões
Gráfico do comportamento reológico típico de uma suspensão usada no processo de colagem de barbotina.
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Parâmetros de controle
A formação de uma camada consolidada de partículas na superfície do molde ocorre através de filtração. 
Para filtração uniaxial: 
J é o volume da torta/volume do líquido removido, 
ΔP é a sucção aparente do molde,  
η é a viscosidade do líquido transportado e 
Rc é permeabilidade da torta formada.
Fundição por suspensão
Parâmetros de controle
Variação da espessura da torta ao longo do tempo.
Fundição por suspensão
Parâmetros de controle
A separação da peça da parede do molde ocorre por retração do moldado durante a secagem. 
Ar pode ser pressurizado na face externa do molde na desmoldagem pneumática acelerando o processo.
As peças parcialmente secas 
devem ter resistência suficiente 
para resistir à fratura e deformação 
durante manuseio. 
Fundição por suspensão
Parâmetros de controle
Efeito da concentração de defloculante na viscosidade da barbotina.
Fundição por suspensão
Controle de defeitos nas peças
Defeitos comuns  COMO EVITAR???
Poros são formados a partir de pequenas bolhas de ar presas na interface do molde e a peça. 
Distorção é um padrão ondulatório na superfície drenada , causado por variações na taxa de fundição em diferentes regiões da peça.
O empenamento é causado pelo encolhimento diferencial na secagem.
Espessura irregular da parede fundida devido ao assentamento gravitacional, taxa de absorção desigual do molde e drenagem desigual.
Referências Bibliográficas
Callister W. D.; Materials Science and Engineering: An Introduction; Wiley Interscience; Fourth Edition; 1997
Jedyn F.; Materiais Não Metálicos: Revisão de Estrutura Atômica e Ligação Interatômica e Introdução aos Materiais Cerâmicos. DEMEC – UFPR; 
Neto D. V. R et al; Produção de barbotina cerâmica com incorporação de resíduo de granito do município de taipu-rn. CONIMAS; 2019. 
Reed J. S.; Principles of Ceramics Processing; Wiley Interscience; Second
Edition; 1995.