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Materiais Cerâmicos

- Introdução O significado original da palavra “cerâmico”, derivada do termo grego “keramikós”, especifica os produtos “feitos de argila”, embora o mineral argila seja apenas um dos diversos constituintes das muitas misturas cerâmica utilizadas atualmente. Argila é a denominação comum dos compostos naturais de Silício, Oxigênio, Alumínio e água, ou silicatos hidratados de AIumínio, genericamente chamados de “argilo-minerais”. Esses minerais, de grande ocorrência na crosta terrestre, são formado por partículas de tamanho inferior a dois microns (2 x 10-3 mm). Quando misturados a um teor suficiente de umidade, fornecem a plasticidade necessária para a moldagem da massa cerâmica. - Conceito: Os materiais cerâmicos são compostos ou misturas de compostos inorgânicos, não metálicos, formados por elementos metálicos e não metálicos, unidos quimicamente por ligações iônicas e/ou covalentes. - Características: Suas estruturas podem ser cristalinas, amorfas, ou uma mescla desses dois tipos de arranjos atômicos, em fases distintas. A sua textura é normalmente granulada, obtida por etapas de compactação e de sinterização (“queima”) no processamento das partículas dos seus componentes, evidenciando uma porosidade variável. - Principais Propriedades: Os tipos de ligação química dos materiais cerâmicos, associados às suas estruturas e à sua textura (presença de poros), implicam nas seguintes propriedades: — ausência de elétrons livres, com acentuada isolação térmica e elétrica — elevadas temperaturas de amolecimento (refratariedade) e de fusão — grande inércia química. mesmo em ambientes agressivos — alta dureza e elevada fragilidade Alguns exemplos de compostos cerâmicos, com suas temperaturas de fusão são fornecidos na tabela abaixo.

- CIassificação (quanto às aplicações): 1. CerâmicaTradicional: as misturas ou massas cerâmicas utilizadas são geralmente constituídas de três componentes fundamentais: argila, sílica e feldspato (outro tipo de silicato). Dependendo da composição química, porosidade e da coloração obtida no produto final, após a sua sinterização ou “queima‟, as cerâmicas tradicionais são subdivididas em: 1.1. “Cerâmica Vermelha”: Classe de produtos cerâmicos tradicionais que incluem os tijolos, telhas e demais produtos comuns, utilizados na construção civil.

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1.2. “Cerâmica Branca”: Classe de produtos cerâmicos tradicionais que abrange as porcelanas e vidrados em geral, utilizados tanto na fabricação de louças como de isolantes elétricos, entre outros. 2. Cerâmica Técnica: as misturas são constituídas por compostos e produtos obtidos por processos com maior grau de refinamento, tais como o quartzo (Si02), óxido de Alumínio (Al203), o carbeto de Silício (SiC) e o nitreto de Silício (Si3N4). Os produtos da cerâmica técnica são utilizados em aplicações de alto desempenho, em relação a elevadas condições de temperatura, agressividade do meio, abrasividade, etc, ou de pureza, como nos substratos para circuitos integrados e outros dispositivos eletrônicos. - Algumas das principais matérias primas utilizadas na indústria cerâmica a) Argila - Características: Argila é um material natural, de textura terrosa, de granulação fina, constituída essencialmente de argilominerais, podendo conter outros minerais que não são argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc), matéria orgânica e outras impurezas. Os argilominerais são os minerais característicos das argilas; quimicamente são silicatos de alumínio ou magnésio hidratados, contendo em certos tipos outros elementos como ferro, potássio, lítio e outros. Graças aos argilominerais, as argilas na presença de água desenvolvem uma série de propriedades tais como: plasticidade, resistência mecânica a úmido, retração linear de secagem, compactação, tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas que explicam sua grande variedade de aplicações tecnológicas. - Aplicações: Pode-se dizer que em quase todos os segmentos de cerâmica tradicional a argila constitui total ou parcialmente a composição das massas. De um modo geral, as argilas que são mais adequadas à fabricação dos produtos de cerâmica vermelha apresentam em sua constituição os argilominerais ilita, de camadas mistas ilita-montmorilonita e clorita-montmorilonita, além de caulinita, pequenos teores de montmorilonita e compostos de ferro. As argilas para materiais refratários são essencialmente cauliníticas, devendo apresentar baixos teores de compostos alcalinos, alcalinos-terrosos e de ferro; podendo conter ainda em alguns tipos a gibbsita (Al2O3.3H2O). As argilas para cerâmica branca são semelhantes às empregadas na indústria de refratários; sendo que para algumas aplicações a maior restrição é a presença de ferro e para outras, dependendo do tipo de massa, além do ferro a gibbsita. No caso de materiais de revestimento são empregadas argilas semelhantes àquelas utilizadas para a produção de cerâmica vermelha ou as empregadas para cerâmica branca e materiais refratários. b) Feldspato - Características: O termo feldspato cobre uma série de alumino-silicatos alcalinos ou alcalinos terrosos. Os feldspatos naturais são normalmente uma mistura em diversas proporções de alumino-silicatos de potássio, de sódio, de cálcio, de lítio e ocasionalmente de bário e de césio. Para a indústria cerâmica os feldspatos de maior importância são o patássico (K2O.Al2O3.6SiO2) e o sódico (Na2O.Al2O3.6SiO2), por terem temperatura de fusão relativamente baixa e assim sendo empregados como geradores de “massa vítrea” nas massas cerâmicas e nos vidrados. No entanto eles dificilmente são encontrados puros, em geral se apresentam em mistura, podendo também estar associados a outras impurezas. - Aplicações: Fabricação de vidro, fritas, esmaltes (vidrados), placas cerâmicas, isoladores elétricos de porcelana, louça de mesa e louça sanitária. c) Quartzo - Características: O quartzo é uma das formas cristalinas da sílica (SiO2), sendo as outras duas a cristobalita e a tridimita. Ele cristaliza no sistema hexagonal, apresenta densidade 2,65g/cm 3 e ponto de fusão da ordem de 1720 ºC. O quartzo é estável abaixo de 870 ºC, apresentando-se em variedades cristalinas como quartzo hialino, ametista, quartzo leitoso, esfumaçado, etc

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- Aplicações: em massas de cerâmica branca e de materiais de revestimento, sendo um dos componentes fundamentais para controle da dilatação e para ajuste da viscosidade da fase líquida formada durante a queima, além de facilitar a secagem e a liberação dos gases durante a queima, na fabricação de isolantes térmicos, em composições de vidro e esmaltes (vidrados), na fabricação de materiais refratários. d) Chamotes - Características: Chamote (ou Chamota) é uma argila ou misturas de argila, que foram marombadas, na forma de blocos (chamados briquetes), secas e depois queimadas em alta temperatura (normalmente acima de 1400 ºC). Depois de calcinados, os chamotes são britados, moídos e classificados de acordo com o uso que vai ter. Também podemos obter chamotes moendo tijolos refratários usados, nesse caso devemos tomar muito cuidado com misturas de vários tipos de tijolos e também com contaminações que podem ser prejudiciais no uso. - Aplicações: Quando adicionado a uma massa cerâmica, o chamote possibilita uma menor quantidade de água para torná-la plástica, pois ele, ao contrário das argilas, não absorve água. A retração de secagem será menor, bem como a retração de queima, a resistência mecânica da peça crua diminui, e aumenta a resistência mecânica da peça queimada. A refratariedade das massas com chamote é também maior. A quantidade de chamote que pode ser introduzida numa massa cerâmica depende muito do tipo de uso que ela vai ter e principalmente do método de conformação que vai ser usado. Normalmente a porcentagem correspondente não deve ser maior do que 30%, quando se utiliza chamotes moídos finos.

Processamento dos Materiais Cerâmicos As principais etapas que constituem esse processamento podem ser agrupadas na seqüência mostrada a seguir:

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- Principais aspectos no processamento dos materiais cerâmicos Para a maioria dos produtos fabricados, tanto na cerâmica tradicional quanto na cerâmica técnica, podemos destacar três etapas fundamentais no seu processamento: preparação das matérias primas, conformação e tratamentos térmicos. Abordaremos a seguir alguns dos principais pontos das operações de cada uma dessas etapas: 1) Preparação das matérias primas -SeIeção: As matérias primas para os cerâmicos são selecionadas em função das propriedades requeridas no produto final. Na grande maioria dos casos, elas já se apresentam na forma pulverizada, com ou sem uma classificação prévia por tamanho de partícula (peneiramento). - Moagem: Como já discutido em seções anteriores, quando as matérias primas apresentam-se na forma de blocos ou torrões, elas são moídas em britadores de diversos tipos, para a diminuição do seu tamanho de partícula. O material moído é levado por correias transportadoras para armazenagem ou diretamente para o peneiramento. - Peneiramento: Como também já comentado anteriormente,uma classificação por faixas de tamanhos (para a uma melhor compactação posterior dessas partículas), para cada matéria prima, é obtida por meio de peneiras, com malhas de diversas aberturas. Essa operação pode ser feita num jogo de peneiras, sucessivas e vibratórias. - Pesagem: As diferentes matérias primas, nos tamanhos de partícula apropriados, são então pesadas separadamente, nas quantidades pré determinadas para a composição da massa cerâmica a processar, especificada em função das propriedades desejadas no produto final. - Mistura e Amassamento: Em seguida, essas quantidades são misturadas e aglomeradas, podendo ser ao mesmo tempo amassadas, em misturadores, providos ou não de mós para o amassamento. Nesta etapa, podem ser adicionados outros ingredientes, como ligantes, lubrificantes e outros aditivos, juntamente com água (“via úmida”), ou mesmo sem esta (“a seco”), com o que se obtém a plasticidade necessária para a conformação dessa mistura. 2. Métodos de conformação Os métodos de conformação de peças cerâmicas são geralmente divididos em quatro classes, baseadas na consistência da mistura: - prensagem a seco - extrusão - moldagem de massas plásticas moles - colagem. As principais características de cada um desses métodos são abordadas em seguida. 2.1 Prensagem a seco - Aplicação: Esse método é usado na fabricação de pequenos isoladores elétricos, ladrilhos, azulejos, telhas e refratários. - Características principais: O teor de água da mistura de prensagem é baixo (5 a 15%) e a pressão é alta (centenas de quilogramas-força por centímetro quadrado). - Preparação da mistura: A mistura para cerâmica branca é preparada, geralmente, passando os “bolos do filtro-prensa” (filter cakes), parcialmente secos, através de um pulverizador e, em seguida, por uma peneira. As misturas de chamotas são, geralmente, preparadas em galgas ou em misturadores especiais. - Uniformidade de pressão: Um dos problemas na prensagem a seco é a obtenção de uma densidade uniforme dentro de todo o molde. Tomando como exemplo um molde cilíndrico, a distribuição da densidade ocorre como mostra a próxima figura.

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Se a pressão aplicada for apenas de um lado, verifica-se uma distribuição como na parte (a) da figura acima. Se a pressão atuar no topo e na base do molde, como indicado em (b), esta distribuição será muito mais uniforme. Por outro lado, como é mostrado em (c), se for usado um lubrificante nas paredes do molde ou na mistura, ocorrerá um aumento ainda maior da uniformidade obtida para a densidade. Por essa razão, pequenas peças assim prensadas requerem um lubrificante, principalmente quando contêm baixos teores de lubrificantes naturais, como argilas ou talco. - Ordem de grandeza da pressão: A pressão usada varia desde algumas dezenas de kgf/cm2, para massas contendo apenas argilas, a 7000 kgf/cm2 para refratários especiais. Na maioria dos casos, é desejável obter a maior densidade possível, que seja compatível com o desgaste do molde. Entretanto, há um limite superior para a pressão usada no ciclo de produção, uma vez que o ar fica preso nos poros da peça, sem tempo para escapar. Aliviando-se a pressão, esse ar muito comprimido expande e produz trincas ao redor dos lados externos da peça, as quais são chamadas “laminações por pressão”. Há duas formas pelas quais essas trincas podem ser minimizadas, e, ao mesmo tempo, permitindo-se uma pressão maior: a) prensar primeiramente pouco abaixo da pressão em que se formam as trincas, aliviar essa pressão por um certo tempo para permitir o escape do ar e, então, prensar novamente, a uma pressão muito mais alta Esse método é eficiente, mas reduz a capacidade da prensa. b) eliminar o ar da mistura pela conexão do molde, logo após a entrada do macho, com um reservatório sob vácuo. Esse método é muito usado para peças grandes, como, por exemplo, peças refratárias industriais. - Misturas para a prensagem a seco: As misturas para prensagem de peças da cerâmica branca são semelhantes àquelas para moldagem plástica. Entretanto, massas ricas em talco, às quais pode faltar a plasticidade para outros métodos de conformação, podem ser facilmente prensadas. Massas contendo apenas componentes não-plásticos, como óxidos fundidos, também podem ser prensadas quando são usados plastificantes adequados. Na indústria de refratários, massas que contêm uma grande proporção de chamota são prensadas com sucesso em moldes metálicos endurecidos superficialmente. - Lubrificantes e plastificantes: Compostos orgânicos, como amido, produtos derivados de milho e ceras, podem ser adicionados à mistura para aumentar a plasticidade ou escoamento e reduzir o atrito nas paredes do molde. - Projeto do molde: O projeto dos moldes requer muita experiência e não será, aqui, tratado em detalhes. Entretanto, como exemplo, um molde de um pequeno cadinho, com detalhes das peças móveis e respectivas tolerâncias, é mostrado na próxima figura (uma superfície perfeitamente polida é sempre desejável para as paredes internas).

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Exemplo de um molde de cadinho. Todas as partes utilizadas devem ser bem polidas e o molde, de aço-carbono-cromo, deve ser tratado termicamente, para que se obtenha uma dureza de 58 a 62 Rocwelll-C em suas superfícies. Os moldes para este método, em geral, são feitos também com ferro fundido, aço temperado, “estelita” ou carbeto de tungstênio, dependendo das propriedades abrasivas da mistura considerada. - Conformação por impacto (“ramming”) - Aplicação: O método de prensagem, descrito anteriormente, não é econômico para a fabricação de peças refratárias grandes, uma vez que o custo do molde seria extremamente elevado e a uniformidade na pressão seria muito difícil de ser obtida através de toda a massa. Nessas condições (e também na condição “a seco”), verificou-se que é melhor “socar” a mistura aos poucos no molde, com um martelo de ar comprimido. Cada adição deve ser adequadamente consolidada com a anterior, para evitar as “laminações” já referidas. - Prensas: Vários tipos de prensas são usados na indústria. Pequenas peças eram feitas com prensas de parafuso ou balancim, onde uma parte metálica correspondente, em movimento, causava um certo impacto (proporcional à sua massa). Atualmente, as fábricas modernas usam prensas hidráulicas rápidas, para a conformação de ladrilhos, azulejos e isoladores elétricos. Alguns refratários são feitos com prensas hidráulicas, porém geralmente usa-se uma prensa de fricção pesada, devido á sua rápida ação. Ainda neste caso, uma prensa hidráulica especialmente projetada pode eventualmente substituir a de fricção. 2.2 Conformação por extrusão - Características principais: Este método utiliza uma mistura cerâmica úmida na forma de uma pasta plástica, porém suficientemente rígida para a correspondente conformação. Essa mistura, de um modo geral, é forçada através de um molde para formar colunas contínuas, as quais podem ser cortada em comprimentos apropriados. -Aplicação: O método de conformação por extrusão é normalmente utilizado na indústria cerâmica em geral, quando se deseja melhorar a “trabalhabilidade” da massa cerâmica plástica, pela sua “desaeração”, obtida neste método de conformação, assim como a obtenção, pelo corte subsequente, de muitas peças cerâmicas plásticas, para novas conformações. - Extrusão por pistão: Algumas máquinas de extrusão, como por exemplo a prensa para manilhas, forçam a mistura através do molde por meio de um pistão, movimentado por vapor ou pela pressão

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de ar. Todavia esse é um processo intermitente, pouco usado na indústria cerâmica de um modo geral, devido à sua baixa produtividade. - Marombas (“augers’’): A máquina usual de extrusão é chamada maromba (ou “auger”, em Inglês, que significa broca, ou “maromba” (em Português), devido à semelhança no aspecto do parafuso de alimentação desta máquina. A presença de ar adsorvido na massa cerâmica plástica é prejudicial para a sua trabalhabilidade e é difícil remover os últimos traços de ar adsorvidos por meios usuais. Isso causa uma falta de homogeneização na estrutura e uma redução na densidade aparente da massa. Portanto, a extrusão, que inclusive permite o tratamento a vácuo dessas massas plásticas, tornou-se um método de conformação muito utilizado no processamento cerâmico de massas plásticas. Uma extrusora ou maromba, a vácuo, para argila, é esquematizada figura abaixo:

Extrusora ou Maromba, a vácuo

A argila é alimentada na câmara A com a quantidade adequada de água; em seguida, é trabalhada e então forçada através da placa perfurada B pelo parafuso sem-fim (auger) C, como num moedor de carne. Quando os pequenos cilindros de argila emergem da placa perfurada, são fragmentados pela lâmina D e caem na câmara G, a qual é mantida sob vácuo. Nessa câmara, a massa de argila é, então, trabalhada e consolidada em uma estrutura homogênea, sem ar, e extrudada pelo parafuso E, através do bocal (molde) F. A argila tratada a vácuo é, em geral, mais plástica do que a argila não tratada. Este tratamento permitirá o uso de argilas não plásticas ou “magras”, as quais, de outra forma, não poderiam ser trabalháveis. Essa não é a única forma de remover o ar, porém é a mais eficiente. - Bocal de extrusão: O molde ou bocal de uma extrusora (ou maromba) pode ser de qualquer formato, para produzir a coluna ou tarugo desejado, mesmo que a seção transversal seja mais complexa, como no caso mostrado abaixo:

Seção transversal de um bocal de extrusão No caso da mistura ser abrasiva, a maromba e o bocal podem ser feitos de um metal resistente ao desgaste, como a “estelita”. É necessária muita experiência para projetar um bocal que produza um tarugo liso e uniforme, Em muitos casos o bocal é aquecido e lubrificado, para reduzir o atrito associado. O material cerâmico assim extrudado, na forma de coluna (ou cilindro), é mais homogêneo e mais denso, o que otimiza o seu processamento posterior, principalmente quando este método é efetuado a vácuo.

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- Extrusão de materiais não plásticos: Massas não plásticas quando finamente divididas, podem ser extrudadas através de um molde, desde que contenham plastificantes. - Conformação por injeção - Aplicação: Esse processo foi desenvolvido para conformação, em alta velocidade e com precisão, na indústria de plásticos orgânicos (polímeros). É possível usar o mesmo método para forçar um material cerâmico não plástico, finamente dividido, misturado com cerca de 15 % de uma mistura de resinas termoplástica e termofixa, a partir de uma câmara aquecida, para um molde resfriado. A peça refrigerada é aquecida para remover a matéria orgânica, ficando assim pronta para operação de queima. Esse método é usado para a produção de peças pequenas, como no caso do corpo de alumina sinterizada, para velas de ignição. 2.3 Moldagem de massas plásticas moles - Características principais: Este é o método mais antigo de conformação de argilas, que pode ser efetuado manualmente, como na fabricação de vasos, ou em “tornos de oleiro” (“potter‟s wheel”). Os primeiros tipos de tijolos de alvenaria também eram feitos manualmente, em moldes de madeira, a partir de urna massa plástica. Atualmente, a chamada “cerâmica artística” é ainda quase toda feita manualmente. O método antigo é ainda usado em alguns processos de produção, principalmente em olarias regionais para tijolos e telhas. - Moldagem por torneamento e estampagem manual, em molde giratório (ou estampo) - Aplicações: Esse processo é usado amplamente na indústria de cerâmica branca, para moldar pratos (e alguns outros tipos de peças similares) sobre moldes de gesso, do tipo estampo, giratórios, fixados no mandril de um torno manual, ou “roda de oleiro” (“jigger”). - Características principais: A moldagem começa com uma quantidade suficiente da massa plástica cerâmica especificada, que é pré moldada na forma de um disco, por batidas com um instrumento de gesso, ou por espalhamento da mesma num molde de gesso em revolução (estampo), seguido de um torneamento, com uma ferramenta de ponta que sobe e desce, como mostrado abaixo:

Sendo essa a única parte do processo onde a massa é consideravelmente deformada, torna-se vital que o disco acabado de massa plástica seja completamente homogêneo. Em seguida, o disco é transferido para um outro estampo de gesso, cuja superfície externa é igual à superfície superior do prato a ser moldado. Este último estampo é então colocado num mandril, na extremidade superior de uma haste vertical, que gira à velocidade de 300 a 400 rpm, para o subsequente torneamento. Uma ferramenta de perfil (gabarito), com a superfície inferior igual à do prato a ser conformado, é então aplicada ao disco de massa plástica, lubrificado com água, formando assim, de modo preciso, a superfície inferior do mesmo.

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Nas duas etapas deste método, a eliminação do excesso de massa e de umidade ocorre, respectivamente, pelo torneamento e através do gesso do molde. Em contato com a superfície do estampo,forma-se considerável quantidade de partículas de massa cerâmica com orientação preferencial, o que também contribui para o acabamento mais liso da peça moldada. Esta operação de estampagem da massa plástica cerâmica requer grande habilidade, quando se quer moldar pratos grandes e livres de empenamento, pois qualquer deformação diferencial nas diversas etapas do processo será refletida na “queima” posterior do mesmo. 2.4 Colagem - Aplicação: Este método, usada para moldar diferentes tipos de peças cerâmicas, é aplicado a toda peça cerâmica que não tenha o contorno de uma superfície de revolução, a qual seria possível obter no torno. Molda formas como as de louças domésticas e peças artísticas, peças grandes, como encanamentos industriais e sanitários, grandes recipientes e blocos de revestimento de tanques industriais, entre muitas outras formas. - Características principais: A colagem é, fundamentalmente, um método de conformação que constitui no vazamento de uma mistura de materiais cerâmicos pulverizados e água, formando uma suspensão (ou colóide), chamada de “barbotina”, para o interior de um molde poroso, normalmente de gesso, que absorva uma grande parte da umidade da mistura, tornando-a suficientemente rígida para suportar o próprio peso. A barbotina é, portanto, uma suspensão aquosa de materiais cerâmicos suficientemente fluída para ser vazada (ou escoar), que forma um sistema coloidal, semelhante ao de uma cola (daí o nome “colagem” associado). Neste sistema, as partículas cerâmicas encontram-se defloculadas (separadas, não formando flocos, pela ação de substâncias defloculantes adicionadas à mistura), e suspensas, entre as moléculas de água. Esta suspensão é então vazada em moldes secos de gesso, nos quais o excesso de água é absorvido, o que eleva o limite de escoamento da massa cerâmica resultante, acima do necessário para suportar o peso próprio da peça moldada, ainda úmida, e o seu manuseio ou transporte para novas etapas do processamento. - Colagem por drenagem: Nesse método, a colagem é feita a partir de uma única interface, a interface molde de gesso-barbotina, sendo portanto, especialmente adequado para peças com paredes finas, como mostra a próxima figura.

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A sequência das operações efetuadas é a seguinte: - montagem do molde - vazamento da barbotina, - drenagem, - rebarbamento da parte superior, - desmontagem do molde e remoção da peça acabada. Este método não é aconselhável para barbotinas que contenham chamota de granulometria grossa, uma vez que, nesse caso, a superfície interna drenada seria áspera. - Defeitos mais comuns: Uma das dificuldades encontradas na colagem é uma pequena deposição extra de barbotina, o que causa maior espessura da parede “colada”, no fundo da peça. Isso é causado por uma densidade muito baixa para a barbotina ou por uma defloculação insuficiente. Outros defeitos podem ocorrer, como o dos “furos de alfinete”, causado por bolhas de ar presentes na barbotina ou o defeito denominado “enrugamento”, onde linhas finas aparecem ao redor da peça, devido a depósitos irregulares de barbotina na superfície do molde. Este último defeito pode ser evitado com um enchimento mais rápido do molde no vazamento, ou com uma vibração provocada no molde. - Colagem maciça (“sólida”) A colagem sólida ocorre através de duas interfaces: a interface molde de gesso-barbotina e a interface camada “colada”-barbotina. Uma colagem sólida típica é semelhante à fundição de metais, como se pode observar na figura abaixo:

Como no processo de fundição, necessita de canais de vazamento para entrada da barbotina, respiros para saída do ar e um reservatório (massalote; para suprir de barbotina a peça em conformação), para compensar a retração de volume associada, pela saída de água, da barbotina para o molde poroso. A sequência das operações efetuadas, neste caso, é: - montagem do molde (com o(s) respectivo(s) “macho(s)”, se necessário(s)), - vazamento, - absorção de água da barbotina, - desmontagem do molde e remoção da peça. 3) Processos Térmicos Estes processos incluem a secagem, a sinterização (“queima”) e a vitrificação, os quais serão analisados em seguida: a) Secagem: Este processo objetiva a remoção da umidade da massa “verde”, evaporando lentamente a água absorvida, geralmente em temperaturas iguais ou inferiores a 100 °C, nas chamadas “estufas”. Essa evaporação é assim efetuada para evitar fissuras nas peças moldadas, decorrentes da contração de secagem ou da formação de bolhas de vapor d‟água, nesta operação ou na da sinterização (subsequente), onde as temperaturas são muito mais elevadas.

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- Alterações dimensionais na secagem As alterações lineares e volumétricas que ocorrem durante a secagem são muito importantes na conformação das peças cerâmicas. Se a contração é uniforme, o cuidado principal é estabelecer uma tolerância de contração que permitirá à peça tomar as formas finais desejadas. Entretanto, como a contração não se processa uniformemente, a superfície pode contrair-se mais rapidamente que as camadas internas, o que representa um perigo potencial de surgimento de trincas. As tensões de tração aparecem nas zonas secadas mais rapidamente e as tensões de compressão, nas zonas de maior umidade. Se tais tensões aparecem enquanto o produto ainda está plástico, pode ocorrer empenamento; também, as resistências mecânicas nunca são excepcionalmente elevadas nas peças “cruas” ou “verdes”, o que é potencialmente outra causa de ruptura. - Redução na contração de secagem A contração pode ser reduzida pela adição de matérias-primas não coloidais (que possuam maiores tamanhos de partícula do que os colóides). O melhor exemplo disso é a adição de chamota (argila previamente queimada), finamente moída, à uma argila não queimada. As partículas da chamota reduzem a quantidade de água entre as partículas ou entre as camadas, que está retida na peça úmida, pois a estrutura da chamota não pode ser considerada apenas bidimensional, pois possui uma espessura associada bem maior, relativamente. - Tipos de secadores Em geral, a secagem é efetuada em câmaras aquecidas, ou “secadores”, pelo movimento de ar quente sobre as peças, ou por calor radiante aplicado às mesmas. Por este último procedimento, é possível a secagem de peças de espessura muito fina. A figura abaixo esquematiza alguns dos secadores utilizados na indústria cerâmica:

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Na figura anterior temos, respectivamente, (a): secador-túnel contínuo, aquecido a vapor; (b): secador-túnel com perda de calor; (c): secador contínuo de umidade controlada; (d) secador de piso quente; (e) secador de calor radiante. b) Sinterização: Este processo, também denominado de “queima”, promove a chamada “ligação cerâmica” entre as partículas da massa seca, proporcionando, entre outras propriedades, a resistência mecânica final para o produto cerâmico acabado. A sinterização é, portanto, um processo de aquecimento que promove a aglomeração de partículas, pelo estabelecimento de ligações fortes entre essas partículas. Isso é obtido ou través da formação de uma fase líquida, para a mistura de átomos de partículas distintas (e posterior solidificação), ou através de difusão desses átomos, no estado sólido. - Mecanismos de sinterização Os mecanismos de sinterização são complexos e incluem as seguintes etapas para os movimentos atômicos: a) vaporização dos átomos das superfícies de certas partículas e subsequente condensação em outras superfícies, de outras partículas (transferência em fase vapor) b) difusão atômica ao longo das superfícies das partículas em contacto, formando novas ligações químicas entre os seus átomos superficiais. c) fluidez plástica ou viscosa de uma porção superficial de átomos (estado vítreo), agora comuns às partículas adjacentes, fechando parte dos poros entre elas (diminuição da porosidade da peça). Após a sinterização, as partículas ficam como que caldeadas, fundidas superficialmente por suas arestas, com uma ligação que aumenta muito as suas propriedades, principalmente as mecânicas, diminuindo consideravelmente a sua porosidade. - Sinterização”Vítrea” O processo de sinterização mais amplamente empregado é o da queima de massas cerâmicas contendo silicatos, também denominado “sinterização vítrea”. Neste processo, o tijolo comum, a porcelana, vela de ignição ou qualquer outro corpo cerâmico similar, à base de silicatos, é aquecido a uma temperatura acima da linha de “sólidus” do diagrama de equilíbrio, tendo-se pois a formação de algum líquido. O líquido, em um material à base de silicatos, é um vidro que pode ser esfriado até a temperatura ambiente sem se cristalizar. Entretanto, mesmo não sendo cristalizado, é extremamente viscoso e forma uma ligação vítrea muito resistente, como esquematizado abaixo:

A figura acima mostra esquematicamente a microestrutura destas ligações, entre partículas adjacentes, obtidas na sinterização vítrea. A aderência do vidro às partículas (e as ligações entre estas) pode ser muito forte, em virtude da continuidade (ou coerência) entre as respectivas estruturas atômicas, do vidro formado e a das partículas de silicato cristalino, conforme esquema abaixo:

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- Sinterização sólida A sinterização também pode ser feita sem a formação de uma fase líquida e, neste caso, necessita da difusão de átomos no estado sólido, que ocorre mais ràpidamente em temperaturas logo abaixo da linha de “sólidus”. Peças de várias massas cerâmicas, com características elétricas e magnéticas, como também metais sinterizados, são produzidas por sinterização sólida. Essas peças não podem ser produzidas por fusão ou por sinterização vítrea porque suas características finais sofreriam alterações. Em virtude da dificuldade de se dispor de cadinhos e moldes adequados, resistentes às elevadas temperaturas de vazamento que seriam necessárias, os metais refratários, tais como Tungstênio e Nióbio também são, normalmente, conformados por sinterização sólida. O princípio envolvido na sinterização sólida está mostrado na figura abaixo:

As partículas representadas na figura acima, antes da sinterização (a) possuem duas superfícies adjacentes. Estas regiões são de alta energia, pois os átomos nas superfícies das partículas possuem vizinhos em apenas um lado. Desde que o tempo seja suficiente, em temperaturas elevadas, os átomos podem se mover por difusão e as regiões de contato efetivo entre as partículas podem aumentar, formando apenas uma interface, no lugar das duas superfícies anteriores (b). Além disso, essa interface, que é um contorno de grão, possui menor energia que qualquer uma das duas superfícies que lhe deram origem, pois no contorno de grão os átomos têm vizinhos próximos (embora não perfeitamente alinhados), com os quais podem se ligar, reduzindo a energia local. A força motriz da sinterização é a redução da área superficial e, portanto, da energia superficial associada, o que estabiliza o sistema nas condições consideradas. Durante a sinterização sólida, os movimentos atômicos podem ocorrer pelos seguintes mecanismos: - vaporização em uma superfície e subsequente condensação em outra; - difusão ao longo da superfície dos grãos; - difusão de átomos e vazios (em sentidos contrários) ao longo dos grãos, propriamente ditos. - Controle da temperatura de sinterização As propriedades de um material contendo ligações vítreas dependem, entre outras coisas, da quantidade de vidro presente. Em virtude de sofrer abrasão, um ladrilho para pisos deve conter uma porcentagem relativamente elevada de fase vítrea, para a obtenção de ligações mais intensas, ao contrário de uma telha comum, que atua simplesmente apoiada, sem outros tipos de solicitação mecânica. Embora torne uma peça cerâmica mais dura, um teor elevado de vidro introduz uma fase semi fluída na peça em sinterização, aumentando assim a possibilidade de distorção dimensional. É, portanto, necessário um controle rigoroso da temperatura de sinterização (ou de “queima”), bem como dos outros parâmetros deste processo. - Velocidade de aquecimento na sinterização Um cuidado especial deve ser tomado nesta etapa do processo, em relação à velocidade de aquecimento para a „„queima‟‟, pela possibilidade de mudanças de estruturas cristalinas,como por exemplo no caso de misturas contendo Si02. A variação de volume que acompanha essas mudanças, se não ocorrer lentamente, acarreta trincas nas peças sinterizadas.

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- Diagrama temperatura-tempo Para uma determinada massa cerâmica, pode ser estabelecido um ciclo total mínimo de queima e associado um diagrama temperatura-tempo (teórico), onde se possa assegurar a perfeita queima, sem a ocorrência de fissuras no corpo cerâmico, como exemplificado abaixo:

A linha contínua do diagrama acima mostra uma curva teórica temperatura-tempo estabelecida para a queima de ladrilhos em um forno túnel, com um empilhamento de cerca de 0,80 m de largura e 1,00 m de altura, em pacotes sobre placas. O ciclo de queima total correspondente é de 40 horas. Seguindo a linha do diagrama, nota-se uma elevação nas 3 primeiras horas até 180 ºC, uma permanência nesta temperatura por 2 horas e meia, uma ascensão mais rápida (4 horas e meia) a 600 ºC, uma permanência nesta temperatura por 2 horas e meia, uma ascensão mais rápida e depois mais lenta até atingir a temperatura de queima, 1050 ºC e permanência nesta por 6 horas e meia. Em seguida, um resfriamento mais rápido, até 600 ºC (o que, no caso do ladrilho em sinterização não foi prejudicial); uma permanência por 3 horas nesta temperatura, para neutralizar eventuais tensões mecânicas nos ladrilhos, e, então, finalmente, um resfriamento mais lento, até a temperatura de saída do forno. O diagrama temperatura-tempo que se obtém no forno de queima não coincide certamente com o teórico, mas deve-se aproximar deste o mais possível, como a linha tracejada no exemplo dado. É através da tiragem, ou capacidade produtiva do forno, que se faz, na pratica, essa aproximação. No forno túnel, o diagrama temperatura-tempo coincide com o diagrama temperatura-espaço, espaço este que é medido a partir da extremidade de entrado do forno, substituindo-se a linha da base do diagrama (eixo das abscissas), expressa em horas, por outra, expressa em metros. O comprimento do forno do exemplo é de 80 metros, de onde se deduz que a velocidade do carro é de (80m/40h) = 2 m/h. Tal forno pode dar uma produção de, aproximadamente, 1 600 m2 desses ladrilhos, em 24 horas. - Tipos de fornos para a sinterização Os principais tipos desses fornos podem ser classificados como periódicos ou contínuos. a) Fornos periódicos: são aqueles em que as operações de empilhamento, aquecimento, queima, resfriamento e descarregamento das peças é feito em uma única câmara (ou compartimento). A figura abaixo mostra os esquemas de um forno periódico com uma única câmara e de um forno periódico com diversas câmaras e respectivos carros, para a queima de tijolos comuns :

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b) Fornos contínuos: aqueles que apresentam, pelo menos, três zonas distintas: a de aquecimento, a de queima e a de resfriamento. Estes fornos podem ser rotativos (como os usados para a queima de cal ou de argilas refratárias, para a fabricação de chamotas) ou fixos. O forno fixo mais comum, em indústrias cerâmicas, em geral, é o forno túnel (“Tunnel Kiln”). - Forno Túnel: Neste forno, o carregamento com as peças secas, empilhadas em carros sobre trilhos, é feito continuamente, com um aquecimento progressivo, até alcançar-se a zona de queima, situada aproximadamente na metade do forno, a qual é mantida a uma temperatura constante. Após o tempo de residência necessário, o resfriamento é efetuado, também progressivamente, pela movimentação dos carros, mais ou menos lenta, pela zona correspondente, que se estende até a saída do forno. As principais vantagens do forno túnel, em relação aos outros tipos de fornos, são: - permite uma temperatura de queima estável e bem controlada - não há perdas apreciáveis de calor, que seriam causadas, principalmente, por ciclos intermitentes de aquecimentos e resfriamentos, o que também abala a estrutura do forno - o carregamento e o descarregamento são feitos de maneira continua e automática, conforme programação efetuada em função do tipo de massa cerâmica considerado, o que constitui grande economia de tempo e mão-de-obra para o processo. A figura abaixo mostra uma vista lateral, externa de um forno túnel para a indústria cerâmica:

- Vitrificação: também chamada de “sinterização na fase líquida”, é um prolongamento da etapa de fluidez viscosa citada na sinterização no estado sólido. Esta vitrificação é obtida pela presença de certas substâncias na composição da mistura cerâmica, que formam fases de menor ponto de fusão, tornando-se líquidas, e assim preenchendo os poros restantes na peça. Assim são formadas estruturas vítreas (ou vidrados), o que torna possível a obtenção de uma peça impermeável, entre outras propriedades. - Métodos de empilhamento O empilhamento das peças cerâmicas secas, ou “biscoitos”, para serem queimados, é de vital importância para a obtenção de produtos sinterizados sem deformações ou fissuras. Esse empilhamento é feito com as peças apoiadas em dispositivos ou “caixas” de material cerâmico refratário, que são dispostas sobres os carros do forno, formando um comboio. A figura abaixo mostra a disposição de tipos distintos de peças cerâmicas secas para a queima, em diversos tipos de empilhamento: