I
Fernando Jorge Lino Alves * Joao Rocha *'Manu~acture
o~
Metallic Tool6
U6ing Compound
Ceramic Moulding6
L IntroductionT
Tile manuuacture DU metallic tool6. Well 06 mou/do uor tile injection Db piOJtiC6 or metallic 01l0Y6. diedbor
barging. die6 and punchc6 bor 6iJeet metal Mamping and ma/riceo por coMing. generally involuc6 tlie machining
Db Meel block6. opark erooion and polio/ling. etc. h-fetal/ie tOOl6 pro{itlced in t/li6 manner are capable
ob
witliMandinga con.:'Jiderable number Db cyclco. however. dclivclY limed bor
ouch tool6 are long and are relatively inblexible.
Very obten tile number Db parto required i6 amall 06 i6 tlie co",e with bunetlonal and pre-production run prototyped bor
which tile deliuclY time i6 quite 6hort. Tllia can be acllieved by producing metallic tool6 by preci<'Jion coMing. By coMing liquid metal into ceramic moulding<'J. it i<'J pOMible to repro-duce exact <'JlIape<'J and bine delail<'J. thlM obtaining metallic tool<'J directly without any need to machine working ~ace<'J, Thi<'J proceM allow<'J tool<'J to be obtained in mucll <'Jllorter time<'J. However, it muM be borne in mind that the<'Je delivery time<'J can be even <'Jl1orter ib rapid prototyping teclmologie<'J are integrated into tile productive proceM {I-S/.
To monubacture <'Jmall <'Jized part<'J (sox50X:25 mm /0 250.\'250X:250 mm.J the coM o~ tlte raw material<'J u<'Jed in the product'ion ob ceramic 1110ulding<'J i~ not particularly <'Jignibi-cant. However. in order to manubacture large <'Jized tool<'J (bigger titan 250X250X500 111m). the quantitie<'J ob ceramic material and bonder requirec/ begin /'0 involve <'Jignihicant coM<'J, Wllic/l make<'J tile proceM much leM attractive {6l. Tile aim ob ti!i<'J Mlldy wa<'J to develop a proceM o~ manuhac
-turing large <'Jized metallic tool<'J (bigger t/tan 250X:250X500 mm) at a lower coM tllan tile proceM wllich lMe<'J tradition-al ceramic moulding<'J, Tile proceM to be developed u<'Je~ a
Fabrico de Ferramentas
Metalicas Utilizando
Molda~6es
Ceramic as
Compositas
r. Introdu~ao
O
fabrico de ferramentas m
e
talicas
,
tais
co
m
o
m
o
l
d
es
para injec,ao de plastic
os
ou
d
e
liga
s
m
e
t
a
li
c
a
s,
matri-zes
para f
o
rjament
o
,
matrizes e
pun~6espara
es
t
ampa-gem de chapa
e
coquilhas para fundi,a
o
,
env
o
lv
e
g
e
r
a
lm
e
nt
e a
rna quina gem de blocos de a,
o
,
a electroerosa
o,
°
p
o
lim
e
nt
o
,
e
t
c
.
As ferramentas metalicas assim pr
o
duzida
s
r
es
i
ste
m
a
urn
e
l
eva
-do mlmero de ciclos, n
o
entant
o
, t
e
rn
prazas
d
e e
ntrega
ba
s
tan
-tes
elevados e flexibilidade reduzida.
Muitas vezes,
0numer
o
de
pe~asque
s
e
pr
e
t
e
nd
e
produ
z
ir
e
pequeno,
como
e
a case
d
o
s pr
o
t
o
tip
os
funci
o
nai
s e
pr
e-se
ri
es,
e
com a exigencia de praza
s
de
e
ntr
ega
bast ant
e
cu
rt
os
. Es
te
objectivo podera
ser atingido
produzind
o
as
f
e
rram
e
nta
s
m
e
t
a
li
-cas
por fundi,a
o
de precisa
o.
Vazand
o
m
e
talliquid
o e
m m
o
ld
a
-~oes
ceramicas, e
passlvel r
e
pr
o
duzir rig
oros
am
e
nt
e
f
o
rma
s e
detalhes
fin~s,obtendo-se
directarnent
e
ferram
e
nta
s
m
e
t
a
li
cas
sem necessidade de maquinag
e
m das
fac
es
de
tr
aba
lh
o
. E
s
t
e
pr
o-cesso
permite assim
o
bt
e
r ferramentas
e
m
t
e
mp
os bas
t
a
nt
e
reduzidos, no en tant
o
, dev
e
t
e
r-s
e e
m
co
m
a
qu
e es
t
es
pr
azos
poderao ainda ser mais encurtad
os
se forem
int
eg
r
adas
n
o
p
ro
-cesso produtivo as tecn
o
l
o
gias
d
e
pr
o
totipag
e
m r
Ap
i
da
[1-
5
[.
Para a fabrico de pe,as de pequ
e
nas dim
e
n
soes
(50X50X25mm •
'50X'50X'50 mm
)
0custo d.s materi
as
-prima
s
utili
z
ada
s
na
pro-du~ao
de
rnolda~6esc
e
ramica
s
na
a
e
muit
o s
i
g
nifi
c
ati
vo
,
No
entanto, para
0fabric
o
d
e
f
e
rram
e
n
tas
de
g
rand
es
d
im
e
n
soes
(maiores
do que
250X250X500mm
)
,
as
quantid
a
d
es
n
ecessa
ri
as
de material ceramico
e
de ligante
come~ama
e
nv
o
lv
e
r
c
u
stos s
i
g
·
nificativos, tornando
0pr
o
cess
o
p
o
u
ee
atractiv
o
1
6
1,
Pretende-se com este trabalh
o
d
ese
nv
o
lv
e
r urn
pr
ocesso
d
e
fabrico de ferramentas metalicas d
e
gran d
es
dim
e
n
soes (s
up
e
-riores a 250x250x50
0mm), c
o
m cust
o
s
inf
e
ri
o
r
es ao
do processo
que utiliza as
molda~6e5ceramicas tradici
o
n
a
i
s.
0
pr
ocesso a
desenvolver utiliza uma
molda~aoc
e
ramica
co
mp
os
it
a,
a qua
l
e
constitufda por duas camadas c
o
m
espess
ura
s
dif
e
r
e
nt
es
, A
camada mais fin a, responsavel pel
a
r
e
pr
o
du
,ao
d
os
d
e
talhe
s
d
o
modelo,
e
identica iI
utilizada nas m
o
lda,
oe
s
ceriim
i
cas
tr
ad
i
c
i
o-nais, a outra camada, realizada num mat
e
rial
ce
rami
co
d
e g
r
a
nu-lornetria
elevada,
possui urn
custo
muit
o
mai
s
bai
xo
e
d
es
tin
a-se
ao
enchimento
("back
up
")
da m
o
lda,a
o co
mp
os
it
a
[
6,
7
1.
and tilrollgll a reaction to the 60/id pha6e. Tile microbiMured ~urbace Ila6 increaded permeability to ga6ed brom the ce ram-ic mouldillg whicll allowd bor the thennal expalldioll Db the ceramic pO/tic/ed during cOMing. Next. the moulding id placed ill an oven where it i6 heated to vel)' lliS/l tempera
-lured to obtain a rigid mould with a high quality 6urbace bin -i~h that i~ permeable alld ready to be u~ed [". 8f.
The Shaw proceM can be automated and adapted 10 complex delicate ~/IQpe~ with bine
delail. Model~ can be reuaed.
Tlw main di~adv(lI1lage Db ille proceM i6 con~i(lered to be it~ coM and tile bact that it i~ quite a lengthy proceM. It 61JOuld be pointed out however. that by tiding rapid prorotyping tecll -nologie6 in the manllbacl"lIre ob mode/6. the production time por tool6 call be dignibicantly
0 0
-o
processo
Shaw
e
susceptiveI
de automatizac;tio,
sendo
adapta-vel
a
form as
complexas,
delicadas e co
m d
etalhes
finos, pod
en-do os
m
odelos
ser
reutilizaveis.
Como
d
esvantagem do
pr
ocesso
e
geralmente apontado 0 seu cu
sto e
0 fact
o
de
se
r demorada.
Deve-se
no
entanto sa
lien tar,
que utilizand
o as
t
ecno
l
ogias
de
prototipagem
nipida
no fabrico
d
os
m
odelos, 0 pra
za
de
execu-~ao
das ferramentas pode
ser sig
nificativament
e enc
urtada
II
, 51.
o
processo
Unicast p
ode
ser
considerado com
o uma variante
do
6hor/ened
II.
51.The UnicaM procedd can be con~id ered a6 a variant ob the Shaw proceM. Tlte main dib'berence Iie~ in tile uae ob a ~o/ution a~ a Mabilia
-Fig. 2 - Mo!da~ao cl!riunica comp6slta constituida por uma casca ccr"mlca (cor escura) que reproduz os deta!hes do modelo e por um enchimento que
dii a resislimcia il molda~"o compoSita.
processo
S
haw. A
diferen~aprincipal res
ide na
utilJza~aode
uma
so
luc;ao
co
m
o
meio
estabU
izador. Apos gelifi
ca-~ao,
a
molda~iioe
imersa
durante
aI
gum
tempo
numa
solu~iio
de
al
coo
l
e
tili
co.
Por
vezes
e
utili
zado
urn
proces-so misto.
0qual consis
le
em
estabilizar a
molda~iio,co
l
o-cand
o-a em olcoo
l
,
proce-dendo-se
poste
riormente
II
sua
quel
ma
1
6,
101.
T
al com
o
n
o processa S
haw,
o
Unicast
e
abj
ecto
de
uma
Ceramic compound moulding con6iMing ob a ceramic ~hell (darl.: colour)wilirh rcproducc6 fllr. r/eWilj ob rllr model (lnd (I tWIns fa Mrensrhell rhe compollnd mOlllclittg.
Iicen~a de ulilJza~ao.
A apli
-ca~ao
destes processos
no fabrico de
f
er
rame
ntas
de pequenas
dimensoes, ou seja, de
dimensoes ap
r
oximadas
d
e 50x50x15
mm
a
.250X250X.250mm
e bastante
int
eressa
nt
e,
no entanto,
qua
nd
o
as
ferramentas
come~ama
ter dimens
oes
ntais
elevadas
(como
p
or exempla coquilhas para vazamento
de tarneiras e
m
latao), 0
pre\=o das materias prim as
passa
a te
r urn p
eso s
igniricativo
no
custo
final das ferrantentas obtidas,
tornand
o estes p
r
acessos
poueo
atractivos.
Para
reduzir
este ineonveni
ent
e,
tern vindo
a
ser
utilizadas
molda~oesceramicas composi
tas
1
6,
7
, 9
1.
er. AbleI' gelation. tile moulding i~ immerded in a do/ution obethyl alcollol
bar
a period Db time. Occa~ionally. a mixed proce06 i~ u~ecl. wliich con6iMd ob Mabili~ing tile moulding by placing it in alcohol and then burning 16,lOJ
.
JUM a~ with Ihe SIJaw proceM. UnicaM required a u6er'6 licence. The application ob Ihe6e proceMed 10 tile manuuac-ture ob drnall 6ized 100/6. approximately 50X50X25 mm to 2,50X250X250 mm. i~ Db ~ome intereM. However. wilen /0016 approach larger dimen6ion~ (bor example. mal rice~ bor coM
-ins bra~d tap~). Ute price ob raw material~ becomed a ~isniu icantly higher proportion ob the Mnal coM ob tile toold obtained wllich maked tlle~e proceMe6 leM attractive. In order to counteract tiJi6. ceramic compound mouldins~ are
now
being"oed
/6. 7. 9/.2.2 - Ceramic compound moulding6
To overcome tile drawback~ mentioned above. the Shaw and UnicaM compollnd proceMe6 were developed wllich Ude a ceramic 6iJelf and a Uilling ob grog (rebraclory clay calcined at liigh temperolure6J. An example can be 6een in bigure 2.
To produce compound mou/ding6. bour modeld are necedo -daly. two bor the upper part and two
bar
tile lower part ob tile moulding box. To produce one ob tile pQlt6 it i~ l1ece~6Q1y to have a model ob greater 6ize which will mould tile billing layer and one ob aUitable dimen6iona /"0 mould tile ceramic 6/JeIl (6ee bisure 3). A~ an alternative. compound moulding~ can al~o be produced by covering the model witll Q mould-able wax ob adequate tlIickncM (corre~pondiIlS to the
thick-2.2 - Molda-;oes ceramicas compositas
Para
obviar
as inconveniente
s
atras cHados, surgifElm os
proces-sos Shaw
e Unicast
compositos,
os
quais
utilizam uma
casca
cera-mica
e
urn enchimento de chamote
(barro
refrawi
ri
o ca
leinada a
temperatura
elevadal,
tal
como se
pode observa
r na
fig
ura
2.P
ara
produzir
m
alda,oes compositas sao
necessa
ri
os
qu
atro
m
odelos, doi
s para
a
p
arte superior
e do is
para a
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da
caixa
de moIdal;clo.
Para produzir
uma
das
partes
e
necessar
ia
urn madelo de tamanho superior
que vai
m
old
a
r a cant
ada
de
enchimento
e
urn
com as dimens
oes
iild
eq
u
adas
pa
r
a
mol
dar a
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cenimica (ver
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J).Com
o
alt
e
rn
ativa
podem tambent
produzir-se estas
molda~oescomp
os
lt
as,
cabr
indo
0 modele
com
uma
cera
moldavel de
espessura ad
equada
(co
rr
espondente a
espessura da casca cenimica
a
obler,
f1gura
" a) ou
utilizar
uma
sobreespessura
na base d
o
m
od
e
lo (ver
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<I-b)
. A
utill
zapio
de
cera
moldavel
miDe
muito
recom
endada,
uma vez
que
as
par-liculas
grasseiras da
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nchimento
tendem
a
introduzir-se na
cera,
difi
cultando a
desmolda~ao.A
m
lslu
r
a rerractaria para 0 e
nchim
e
nt
o
e
d
o
tip
o
chamote
ligada
co
rn
sllicalo
de
sod
i
o.
Apos
0
vazamento da chamote
e
habitual
executarel11-se pequenos ruros que VaG permitir a passagem doCOz
,
que e 0
r
es
p
o
n
save
l
pel
a e
ndur
ec
iment
o
de
sta
c
ama
da
.
A casca ce
r
a
mi
ca
e
r
ea
li
za
da d
e
acord
o
com
os
pro
cessos Shaw ou
Unicasl,
lendo-se 0 c
uidad
o
d
e
utilizar uma barb
o
tina com grande
nuidez para
r
eprod
u
zir
Fi
e
lm
e
nt
e 0
m
o
delo
.
Para
racililar esta
opera~aopode ser
ulili
za
d
o vacuo
elouuma mesa
vibratoria
[61.
Deve ler
-
se e
rn
co
nta
que apesar
do cust
o
das materias-primas ser
inrerior aD
das
m
olda
c6es
ceramicas tradicionais, este processolem
um
lempo
de prepara,.io
da
s m
olda~6essup
e
rior
,
0que
sig-niFica urn
a
um
e
nt
o
d
o c
u
sto
da ma
o
-de-obra
.
Ap
esa
r d
es
la
des-vamagem, 0 processoe
mesma assim mais rentavel.] - Parte
Experimental
Neste capitu
lo sao
caracterizadas as
materias-primase descritos
os ensaios q
u
e
p
e
rmitiram
obter as
condi~6esde proce
ssame
nto
mais adeq
u
adas
p
a
ra
0
rabric
o
de
molda~6esceramica
s
composi-las
.
Na
parle
Final d
escreve
-
se
um pr
oc
ed
i
mento para
obler
uma
molda~ao ce
r
a
mi
ca co
mp
osi
t
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qual r
o
i
vazada uma liga
de
Cu-Be. A
coqu
ilha
o
btida d
est
ina-s
e a ser
utilizada no r
a
brico de
tor-neiras metaiicas (vaza
m
e
nt
o
d
e
lata
o
s
o
b pressao)
.
].1 - Materials utilizados
Os maleriais
cera
mi
cos
utilizados
r
ora
m seleccionados
lendo
em
considera~ao a
r
ev
i
sao
bibliogrMica
realizada
,
0
pre~o e aresis-tencla adeq
uada
ao co
ntact
o
com
0
metal rundido.
Para a realizacao da barborina que vai
ncar
emcentaclO
com0
melalliquido
u
t
ili
zo
u-
se 0 si
lic
a
t
o
de
zirconio
(z
irca
o
- Zr
si0
4
)
da
Mario Pilalo B
lat
SA
,
Espanha (areia (
particulas de
100a '50
~m)e
p
articulas abaixo de JZ5
m
es
h
(
m
e
n
ore
s do que
45
~m)e
da Kreutz
,
Alemanha (
r
ari
nh
a
d
e -zoo
m
es
h
(
particulas abaixo d
e
75
~m).Este
material resiste a temperaturas bastante elevadas, tais como as do
vazamento
d
os
a~os,p
o
d
e
nd
o se
r utilizado para
0
vazamento de
direrentes tlpos
de li
gas
metalicas. N
o
caso
de
se vazar
ligas com
pOntOS de rusao
mai
s baixos
p
o
d
e-se o
p
t
ar
, por
quest
a
es
econo-micas, per materiais mais baratos, tais como malachites(consti-lUidas por 55
%d
e
mulil
e (A
l
zOj.2
siO
z) e
45
%de
silica amorra
(siO,» o
u mistura
s de
mol
oc
hil
e
s
e
de zircao.
Para 0 enchimento utilizou-se urn material
cerami
co
grosseiro, asmolochites J1I6-8 (particulas
de
z a
4-75 mm)
e -8
mesh
(particu-las de
dim
ensao
inr
e
ri
o
r
a z
mm
)
da ECC International,
Inglaterra
e
um
a areia de smca (AFs
55/60)da
Urp
o
l. Portugal,
que sao
mate-ria is relativamente baratos e faceis de processar.As partfculas
d
e
cenimico
d
a casca
ceramicaforam liga
das
entre si
com 0 silicato
d
e e
til
o
hidr
o
lizad
o
TEs
40 da Wacker, Al
e
manha. A
hidrolise d
o s
ilical
o
d
e e
tll
o
roi realizada de acordo com
as
indica-~oes do rornecedo"
p
o
d
e
nd
o ser
o
blid
o
s mais detalhes na
rere-rencia [41. Os grossos
da
camada
de
enchimento
roram Iigado
s com
o
sillcato de sodio
l7 d
a
Fundip
o
r
,
P
o
rtugal
,
endurecido
com
CO
2.
iteM ab the ceramic dhell that i6 required, bigure 4 (0» or by uMns an DUel' thickneM on tile bOlle
ab
tlie model (dee bigure -1(u»,
The UoEob
mouldable WQX i6 not recommended, 06 the tlliek partie/eo in tile billing layer tend to inuiltrate the waxand make demoulding dibbicuU.
The rebractory mixture bor the billing i6 ob the srog type
men
Honed earlier, bonded with oodium oilicate. Abter COMins tlte biller. it i6 uwal to open omall holed 60 Q6 to allow the pOMQse ob C02. wiliell promoted the hardening ab tltia layer. Tlte ceramic 61tell i6 made bollowing tile SI1QW or Un;cotJ! prOCCMC6. Care muM be token to U6e a Vfly bluid 61ip 60 06to endure an exact reproduction
Ou
tile model. To bacilitate thid operation, it can be carried out in a l1acuum and/or ona vibration tablel61.
It muM be borne in mind tliat dedpite the ~act tllat tile coM
o~ raw materiald id leM tllan tliat por traditional ceramic
mou/dingd, thi6 proceM mean6 greater preparation lime bar
the mouidinS6 which meand an increa6e in labour COU6.
De6pHe thid dl6advantage, the proceM 16 Mill more prob -Hable.
3. experimental Part
In tIJi6 chapter, the raw mal'eria/6 are c/taracl"er/ded and teUd are dedcribed whic/l allow the moM 6uitab/e proce66ing
conditiOl1d to be obtained bor the manubacture ob ceramic
compound mouldinS6. In tile binal part, a procedure i6 dedcrihed to obtain a ceramic compound moulding whicll wad lIded bor caMing a eu-Be alloy. The matrix obtained /6 to
be u6ed in tile monubactllre
ob
metallic tap6 (coMingDb
braM under prcMure).3.1 - Material4 u4ed
TIle ceramic materiald tided were deleeted bOded on inbor-motion brom the bibliography aMociated to tll1d Mudy. price
and 6uitable red/Mance to contact with tlie molten metal.
To produce the 6lip willcil will be ill contact witl! tile liquid
metal. zirconium Mlicale (zircon - ZrSi04) wad u6ed brom MariO Pilato Blat SA Spain (6and (partieled brom 100 to 250 11m) and particle6 leM than 325 mediI ((eM than 45 11m) alld
brom Kreutz, Germany (blour ob -200 medii (particled le66
than 75 11m). Tltid material re6/Md relatil1ely lIig/1 tempera
-hIred, well a6 thOde bound in tile caMing Db Meel. It can be uded bor caMing dibberent Jype6 ob metallic aJJoYd. WllCn coMing aJloYd ob lower melting point6. bor economic readon6
clleaper material6 can be lIded. duell 06 moloellited (eon6 iM-ing ob 55 % mullite (AI203·2Si02) and 45 % amorphoud dilica
(SID:?) or mixture6 ob molocllite6 and zircon.
For Jhe billing a thick ceramic material wad uded, 3//6-8
molocllited (particJe6 brom 2 to 4.75 mm) and -8 me6l1 (par-tic/e6 le6d tllOl1 2 mm in dize) brom eee International.
Cng-land and a Mllca Mnd (AFS 55160) urom Urpol. Portugal.
o
b
·
o TIbl
m til be PI'an
eelIb
gre POI pie...
wliicli are fe/aUuety inexpen~ive material", and eo..,y to
proccM.
Tlw ceramic partie/eo ~or tlie ceramic 6IICJl were bonded with TES 40 Ilydro/yocd ethyl ..,ilicate brom Wacker. Germany. The hydro/Yol6 Db the ethyl Mlicate wa6 carried out in acco
r-dance with tlte 6upplier'6 inolrtlc/'i0I16. more detai/.~ can be
obtained in the re.:'>pective reverence /.~J. The bulk oli tllC liil/
-ing layer wa6 bonded with L7 ,",odium oilicale brom Fundipor.
Portugal. hardened wilh C02.
3.2 - Manuliacture
ab
6ample&During the manubacture ob <'Jamp/e6, care WQ", taken that tliey 61wuld duplicate 06 clo6dy 06 pOMible the 6eruice con
-dit'iOl1o ali the ceramic compound moulding..,. Therebore. two mOllldo were developed. which would allow the compound wmp/co to be obtained in
two Mageo. Figure 5 (a) ",how",
3.2 - Fabrico de provetes
No fabrico de provetes reve-s
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A barbotina de zircao, de baixa vis
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-bacture ob the billing layer. which can be made ob grog bonded with ",odium 6iHcate
and hardened witll C02. or in "'i/- Fig. 1- Fabrico de meiil moldil~iio cenimicil compOsltil utlllzilndo dois modclos.
ranhura c
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(
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iea ",and. Auter tlli'" Mage. tile ",ample", are placed in the mould a", in b/gure 5 (b). The ...ample", incorporate a ",mall clip to keep them ",u~pended
in thi~ mould. They are ",epa-rated by a diMance ob 5 mm at tile bottom. which i~ to be u~ed
bar billing wi til file zircon ~lip
(ceramic 61wW.
The low ui",co6ity zircon olip i~ caM in /"/Ie central grooue. bigure 5 (b). It blow~ toward~ tile lower
,uanubocture o~ hal~ crromic compound mouldins II~Ins two modc/~.
,I bl
Fig. 4 -Fabrico de meias molda~6es ceramiGIS rompOsiras; a) cubrlndo 0 mode-10 com uma cera mold<ivel de espessura adequildil. e b) util!zilndo uma sobrecs
-peSSlIril num material adl'quado.
Aionuba('!ure ob !wo hnlb ceramic rompound mouldlllS.t a) coverins fhe model with a mouldable wax ob odeQuotr tltickllr.M and b) u~!ns on aver thicknc~~ ill a 6u/table matrrial.
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ob ceramic materia/. Tile adllC~ive propertie", ob tlli'" i nter-bace will cnwre the integrity
ob tile ceramic compound
moulding", dllrillg handling. Tile tilickneM ob tile ceramic
bini~lling 61lel/ generally
meaoure~ bram 5 to 15 mm. III tlti'" Mlldy. 5 mm wa", cho~en
becall",e anything tllinner could prove to be inwbbicient to create
an area di~p/aying typical
ceramic behaviour. Furtilermore. ib the tlIickneM were to be greater. it would be out ob pro
-,I b)
Fig. 5 - Moldes para 0 fabrico dos provetes; ill provetes em chamote (,2 provetes com IOUX4ox 20 mm) obtidos em molde de silicone. e b) provClcs
cerflmicos comp6silOs.
!dould~ ~or the mallutarllirc ob wmpleJ: 0) srog MmpleJ (,:2 wmplcJ
me06llrillg 100X";:OX20 mm) obloined brom a Jiliconc mould. and b)
crramlc compound ~ample~.
20
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Tabela I
Especificariies dos provetes rnonof<isicos
respeitantes it ramada de enchimento
Espcclflca~Oes Provetcs Provetes Provetes
EorlElI E02 Eo)
Peso de chamate de m
o-lochile )"6·8 mesh (~) 100 100
Peso de (hamate de m
o-loch!t.·8 mesh (~) 100
Peso de areJa de silica
AFS ,;160 (~) SlIIcato de sOdlo (I Tela -(Iva iI massa de cerilm[co) 10 12 Tempo de mlslura 6 6 6 (min) Velocldade de rota~ao do mIslUrador (rpm) 400 400 400 Caudal (l/mln,) I Tempo 2160 2160 2160 de insuna,ao de CO,(s) Provetes E04 100 6 400 2160 Nos provetes E02 aumentou-se a quanti dade de silicato de sodio,
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r;;ncias
[lle [41.
Tabela II
Materials e condiriies de processarnento da barbotina
para a casca ceramica
Espoonca~Ocs
ZlreRo -]1.5 mesh ('1)
Zlrcao -lOO mesh (I)
ZIrc40 arcla (I)
SiIlcalO de cillo hldrolizado
(I rclatlvll i1 maSs.l de ceriimlco)
C.llallsador -hidr6xido de am6nlil (NH40H) il 1.S'1
(I rclallvamcme ao 5i1lcato dc cillo)
Tempo de mi5tura (min.) Velocldade de ml51ura (rpm) Barbotina )0 40 )0 20 1.7 6 400
Ap
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Four typeJ ob monopila6ic Jample6 were manubactured (tJee table f). Tlte aim wa6 to Mudy the inbluence ob the billing
material6 (malachite and MUca 6and) and the % ob· 60dium Mlicate uJed to bond them on the propertieJ ob the com-pound mouldingJ. The JUp utJed bar the ceramic 6/telJ wa6
the 6ame becau6e ob ex/"enMve experience in tlte preparation
o~ thi6 type o~ ,lip £2. /,. 8£.
Table I
Specibication6 ob the monopha6lc 6ample6
with regard to the billing layer
Specl~icalion~ Samplr~ Sample~ Samples Samples
CoriEll f02 C'3 C'4 Weighl o~ molorhlle grog
100 100 -
-3/r6-8 me6h (1) Weighl o~ molochlte grog
-
-
100--8 meMI ('I) Wrighl o~ 6llica 6and
- -
-
I"AFS 55160 (II Sodium ~ilirale (~ in
relation /0 ceramic maul 5
"
f.:! 5 MixinS" lime 6 6 6"
(min) Mixer rolation 6pced (rpm) 4" 4" 4" 400 flow (/Imin.) 1 CO, 2160 2160 2160 2160 blow lime (6)In the [02 6GmpletJ, tile quantity ob 60dium 611icate wa6 increa6ed to aM eM tile inbluence ob tile % ob bonder on the
mechanical 6trength ob the 3/16-8 moloelliteJ.
Abter being hardened with C02, the tJample6 were removed brom the birM mould and placed in the 6econd mould in
order to cany out tile 6Jip caMing ob the ceramic 6/lClI.
To manubacl"ure the 611p bar the ceramic MleJj, tile mixture de6cribed in table 11 wa6 U6ed, Abt"er tile ceramic particletJ
were mixed with tile bonder, the cataly6t wa6 added. Thi6 mixture wa6 poured into the mould. Further detail6 on tile preparation ob tlliJ type ob oJip can be bound in the re6pec
-tive reberenceJ 121 and 14/.
Table"
Material6 and 6lip proce66ing condition6
bor ceramic 6hell
Specl~lcalion6
Zircon '325 me6h ('ll Zlrron -200 mCJh (Xl ZIrcon Jand (:-:) HydrolY6ed ethyl di!ictlre (;{ in relation 10 ceramic ma6s)
CalalyM -ammonium hydroxide (NIf,{OHJ!lI 2.5~
(i in re/alion 10 elhyl Jilicalel A1ixin5' time (m!n.) ,\!iXlI1S" ~peed (rpm) Slip 3'
"
3'"
I
.
,
6,M
Abter gelatiOn. the compound oampleo were removed brom
the mould, pulveri6ed witll ethyl alcohol and placed on a
bum grill to MOp the gelation reaction. The 6ample6 were tllen 6intered bar 2 hour6 at 10508C. Tile time and tempera
-ture were Jelected to take into account tile bact tilat there
Tem-perature6 61lOUld not be 60 high a6 to caU6e den6iMcation 06
fhi6 would lead to the alteration aU mea6Urement6 in tile binal pQ11 and paMible rupture aU fhe in/erbace 112/. Later.
during 6abtenins teM6. it wa6 6een tllat the 6elected temper
-a/lIre ob I050C wa6 too Itigll bar tile malachite srOS6 and 6il
-ica 6and bonded Wit/I 60dium 6ilicate.
3.3 - Den.ity
Tile den6ity ou the compound 6ompte6 wa6 obtained by
meo6uring and weigh ins them.
Con6idering tlte ceramic zircon 61tell ob 5 mm and t'he
mala-chite billins layer ob 15 mm a6 being Independent' and u6ing
tlte theoretical den6itle6 ob tlte raw materio/6 obtained witIt
a pycnometer, tile theoretical den6ity ob the compound 6am -ple6 WQ6 calculated. U6ing tlle6e and the real del16itie6. the
poro6i1y level6 ob the compound 6Omple6 were calculated.
The reMlit6 are 6hown in table Ill.
Table /II
Theoretical and real den&itic6 and % ob por06ity
ob
the compound 6amptc6Compound 7hcorcfieal Real j!oro.~lty
Sampr~6 drnMry (g/cmJ) dell~lry (gtcm3)
•
Al%dult 1.86 38." 3116·8hircon 3-02 M%c/lilr 1.62 46.9 ·8hireon l05It can e06ily be 6eell in table Ill. that the fower ~ ob pOrD6i -ty in the 3116-8/ zircon malachite 60mple6 ;6 a re6ult ob the
bact 1'1101' the zircon penetrale6 more ea6i1y info lite malo
-chlte. w/licl! 16 thicker (particle6 brom 2 to /,. 75 mm) than the
-8 malachite (partiele6 {eM tllan :2 mm).
3 .• - 3-point bending .rrength
Bending Mrengtil wa6 determined by employins lite 3 poinl'
bend teM (6ee bigure 6), can"ied out In batched ob 10 6am -ple6. The re6u/t6 can be deen in
uigure 7. Tile name6 dedignated to
tile 6Gmple6 are rile dOme 06 1/1O<'le
in table I. with tlie addition ob the
letter C to repre6ent compound 6Omple6. Tile CCOI and C[II 6am -ple6 were produced u6ing totally
identical procedure6. TIle dibber
-enee obtained i6 due to tile inher -ent didper6ion in tire experimen -tal method.
Tlte ([02 6ampie6 were produced willi a greater % au 60dium dilicate in the
billing loyer. An onolY6i6 ob the
TIIrf~e-poinr !lend reM.
re611H6 did not allow Ud to conclude flral' tile greal'er
qUQnli-fy ob 60dium 6ilicate wa6 re6pon6ible uor an alteration in
3-3 -
Densidade
A
densidad
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pesagem.
Considerando
a
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a
d
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zircao
com 5
mm
e a camada de
enchimento
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com 15
mm
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uti-lizando
a
s densidades
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ricas das m
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atra-ves de picnometros, calcul
ou-se
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compositos
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Utilizando
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nsid
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as denSidades
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calculara
m-se
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e
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compositos,
os quais e
stao
indicado
s
n
a
tabela III
.
Tabela III
Densidades teoricas e reais e
:tde porosidade
dos provetes compositos
Provetes Densldade Densldadc Porosldilde Composltos te6nca (glcm)) real (g/on) %
Molochlte 1.86 JB·4 31r6-81z!rcao J,0l Molochite 1.6l 4609 -8/zircao 3.05
Da
observa~aod
a
tabela III
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nclui
que a
menor
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oloc
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resulta
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acto
de a zirdio
pen
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fa
c
ilm
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nesta
malochite, a
qual
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mais gros
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(
particulas d
e
2 a4.75
mm
)
da
que a molo
-chite -8 (partlcu
l
as
menores d
o
que
2mm
).
J.4
-
Resistencia
a
f1exao
em J po
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A
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ex
a
a
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i determinada atraves d
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J
pont
os (ve
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6)
. r
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lizad
o e
m l
o
t
e
s
d
e
10provetes,
estando as resultadas
ob
tid
as
indicad
os
na
figura
7. As design a
-~oesdas provetes sa
o
as m
es
m
as
da
tab
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la
I
,
tendo
apenas sido
acrescentada
a s
igla
C,
uma
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u
e se
trat
a dos
provetes
com
-positos. as provetes CEol
e
CEil f
o
ram fabricados utilizando
pro-cedimentas
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ment
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ntic
os,
devendo-se
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dlferen~aabt
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C[0lMlmple6 were t'e6led with tile zircon uace turned
down-ward6 (CCOI* 6ampl(6) and tili6 clearly revealed greater
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tenn6 ou bend MrengtlJ, a6 tlli6 i6
not tile llwal working po6ition (met'al require6 tlte ceramic 61ielO. tile re6ult6 61lOUld be treat
-ed Wit/I 60me caution.
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The U6e aU -8 molocilite in the CC03 type wmple6 generate6 greater bend 61rengt/M. Sample6 ou the wme type tltat were 6in-tered at' gooC (CCI36ample6) di 6-played lower value6. a re6ult OU lower diubu6ion 6peed6 between the contact pOint6 ob the ceramic Fig. 7 - Reslstcncla il nexi\o dos provetes comp(lsitus
/lend 6trenS/h o~ Ihe compound wl1lp'e~
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Tlte CC04 6ample6 were not teMed due to tile bact tllat they
/tad deteriorated during 6intering. Tilereuore, tile U6e oU
6i1-iea 6and i6 only viable a6 long Q6 the compound moulding doe6 not reacil very higl! 6interins temperature6.
3.5 - Thermal ,hock
Thermal 6ilOCk teM6 were carried out bor a qualitative
aMeMment ob tile ability Db tile compound moulding6 to
witlJ6Iand rapid temperature vQria/'i0116.
Standard te6t6
"31
are ob much greater 6everity than wouldbe bound in the actual wO/'king condition6 ob tile compound
mOUlding. In reality. the moulding would only be u6ed once
and cooling would take place under normal room condi
-tion6. which i6 much leM extreme than Ute cyclical te6t6 and cooling in running water called bor under the 61andard.
The wmple6 were placed in an electric oven at' dibberent tempe/" -at'ure6 6eleeted within a range brom 1/00 C to 1600 C. bar 3 and /0 min. Abter thi6 time, tlley were removed and cooled under room condition6 c/o6e /'0 tIJ06e bound during working.
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FIg. 8 - Derorma~i\o de urn provete composito de molochitelzircao ap6s
enS<1]o a 1600 C durante [0 minutos e arrefecimento em aT calma
The m%c/litelzirco'n compound 6ample6 witlIMood up to 1600 C bar 3 minute6, however. abter 10
minute6 60me debormation wa6
Debonnation ob Q molochlte/zircon compound !>ample aMer leMing at 1600 (bor 10 minute!> and ('ooling under room eondifion~
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temperaturas proximas dos
1500vi6ible. a6 can be 6een in uigLlre 8.
The 6ilica wnd /zircon 6ample6 did no/' witlJ6tal1d tempera-ture6 higher than L~ooC. Thi6 rewlt i6 not a wrpri6e a6
problem6 /wd already been encountered in the tJintering ob
7
TI d
