PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO
ABRASIVO À BASE DE POLIÉSTER-SÍLICA PARA
DESBASTE DE ROCHAS ORNAMENTAIS
Sergio Rangel de Azeredo, Raul Ernesto Lopez Palácio*, Marcello Filgueira
Universidade Estadual do Norte Fluminense – UENF, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PPGECM, Grupo de Compósitos e Ferramentas de Materiais de Alta Dureza – GFer, Av. Alberto
Lamego, 2000, Pq. Califórnia, 28013-600, Campos dos Goytacazes/RJ *Autor para correspondência: relp@uenf.br; 22 2726 1533
Universidade Estadual do Norte Fluminense – UENF, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PPGECM, Grupo de Compósitos e Ferramentas de Materiais de Alta Dureza – GFer, Av. Alberto Lamego,
2000, Pq. Califórnia, 28013-600, Campos dos Goytacazes/R - relp@uenf.br;
Development and characterization of a quartz-polyester abrasive composite for grinding dimensions of ornamental
stones.
A series of crowns were prepared using polyester with 85, 80 and 75% (in weight) of silica in form of quartz, cured in moulds with the shape of the industrial crowns. The final tests were made at industrial level in a company of this job line. The results showed that the abrasive crowns of silica (quartz) soaked in polyester, processed in SMSD/LAMAV/UENF can be used as commercial abrasive tools, resulting in an alternative product of satisfactory quality. The abrasive crowns of silica (quartz) soaked in polyester presented smaller weight loss when compared to the crowns abrasive, commercially available what results in a larger time of useful life of the tool. Added to this the abrasive crowns of polyester 85% (in weight) of silica when compared the available abrasive ones provided a surface quality of same level.
Introdução
Para a realização do polimento de rochas ornamentais, tais como os granitos e mármores, são usadas corôas (rebolos-sapatas) abrasivas, que são fixadas em cabeçotes rotativos (satélites), onde o principal elemento abrasivo utilizado nestas corôas é o carbeto de silício - SiC, embebido em matriz de cimento de magnésio (Sorel) (1-3). A superfície obtida neste tipo de acabamento é plana e lisa, utilizando-se para isso, sucessivas operações, em que a granulometria do abrasivo utilizado no rebolo decresce a cada operação. A caracterização da superfície é dada pela granulometria do último abrasivo utilizado (2-5).
Para essas operações, é necessário que se tenha um fluxo de água constante, para se eliminar os resíduos e também para refrigeração do sistema (1). Quando se aplica uma cera virgem no polimento fino, obtem-se o “encerado” (2).
O lustro geralmente é obtido através de três maneiras distintas: através de uma corôa abrasiva “dak flash”, com a menor granulometria de todas as corôas; através de um prato de chumbo e um pó de óxido de estanho (potéia); ou através de um prato de feltro com algumas
Embora todas as etapas apresentem especial importância, o beneficiamento das rochas ornamentais apresenta especial importância pois a eficiência do mesmo afeta significativamente os outros fatores em estudo. O processo de beneficiamento das rochas ornamentais consiste na serragem em chapas, no desbaste, polimento e corte preciso dos blocos extraídos da rocha. A etapa final do beneficiamento exclui o polimento e lustração das pedras cortadas.
O presente trabalho visa o processamento de corôas abrasivas do sistema sílica-poliéster, fato inédito, e o estudo de seu desempenho de desbaste, e acabamento superficial atingido, em comparação com as corôas comerciais.Considerando as observações anteriores fica clara a importância do trabalho, pois a o mesmo permite a diminuição significativa dos custos da indústria de pedras ornamentais, aumentando a competitividade desta indústria.
Experimental
1-
MateriaisNa tentativa de preparação das corôas abrasivas com os materiais mais baratos possíveis, foi coletada areia na praia do Farol de São Tomes. A mesma foi utilizada como matéria prima no processo de obtenção das corôas. A areia foi caracterizada por ensaios químicos, granulométricos e de difração de raios X, podendo ser concluída que a mesma apresentou uma porcentagem de quartzo no intervalo de 94 a 98 % e um tamanho de partícula abaixo dos 40 mesh. Como matriz do compósito utilizou-se a mistura da resina poliéster (4055) com o respectivo par iniciador-acelerador. Ambos oferecido numa casa de tintas da região.
Para a avaliação do rendimento das corôas preparadas a partir do compósito quartzo-resina poliéster, foram utilizas 12 corôas comerciais de uso comum nas marmorarias da região de Campos dos Goytacazes. As mesmas apresentam na composição finas partículas de carbeto de silício, entre 20 a 30 % em peso, embebidas numa matriz de cimento de elevada resistência.
1- Metodologia da pesquisa e Técnicas de análises.
Para a preparação dos compósitos foi utilizada a técnica simples de mistura mecânica dos componentes. Dessa forma se adicionou a quantidade de carga necessária à mistura, previamente realizada, do poliéster com o par iniciador-acelerador. Utilizou-se a proporção do para iniciador recomendada pelo fabricante. Após a mistura dos componentes, a amostra foi deixada em repouso por duas horas.
Os compósitos foram preparados com três níveis diferentes de carga; máximo, intermédio e mínimo. A porcentagem de carga para o nível máximo foi determinada de forma experimental, sendo a quantidade máxima de carga que a matriz conseguia “molhar” sem o desprendimento dos
componentes no compósito final. Esse valor foi de 80 % em peso. O nível mínimo foi de 10 % a menos e o intermédio foi de 75 % em peso de carga.
A efetividade das corôas fabricadas com o compósito em estudo foi testada em duas condições diferentes; no laboratório e na marmoraria. Em ambos os casos foram preparadas 5 amostras por grupos. As corôas comerciais só foram testadas nas marmorarias. Os dados coletados foram processados estatisticamente com uma margem de significância do 0,05%, quando comparados entre eles e com os resultados apresentados pelas 5 amostras comerciais.
No teste de laboratorio os compósitos foram fixados a uma furadeira industrial para a realização dos ensaios de desbaste e polimento de pequenas amostras de granito. Para os ensaios realizados na marmoraria, novos compósitos foram preparados em moldes específicos para obtenção de corôas. A marmoraria escolhida para o ensaio foi a São Salvador, situada na lapa em Campos dos Goytacazes. Os testes foram realizados numa mesma pedra de granito, sendo a mesma dividida em quatro áreas iguais no que diz respeito ao tamanho e as características da superfície a ser desbastada. O tempo total de desbaste aplicado a cada seção da pedra de granito foi e 3 minutos, sendo este tempo especificado pelo operador do equipamento.
Antes de iniciar o teste foram realizadas as medidas dimensionais das 20 corôas em estudo; 5 para cada nível em estudo e 5 corôas comerciais. As medições foram repetidas a cada minuto de desbaste.
Como etapa final do processo de avaliação das corôas foi realizada a análise da superfície desbastada. Para tal, se realizaram ensaios de microscopia óptica e rugosidade das superfícies do granito e das corôas antes e após o desbaste. Os ensaios de microscopia óptica foram realizados no LAMAV/CCT/UENF, utilizando um microscópio óptico modelo Jenavert, com máquina fotográfica acoplada. Por ser considerado um teste preliminar as amostras na foram observadas num microscópio eletrônico.
Os testes de rugosidade das amostras retiradas das placas de granito desbastadas na marmoraria foram realizados no CEFET/CAMPOS com bloco e mesa Mitutoyo com relógio comparador da TESA de precisão de 0,001 mm. As medidas de rugosidade se determinaram de forma indireta a partir das variações da relieve, detectadas na superfície das amostras, ao passar pela a ponta do relógio comparador. O teste foi realizado as amostras antes e após o desbaste.
Resultados e discussão
os resultados relativos ao desgaste das corôas após o desbaste das amostras de granito por 8 minutos.
Tabela 1. Resultados das medições das corôas.
Nível do compósito (corôa) Altura média inicial Altura média final % de desgaste 01 (85 % sílica e 15 % PE) 30,3 ± 0,5 30,1 ± 0,4 1,7 ± 0,2 02 (80 % sílica e 20 % PE) 35,9 ± 0,6 35,6 ± 0,3 1,8 ± 0,1
03 (75 % sílica e 25 % PE) 34,8 ± 0,3 34,5 ± 0,6 1,8 ±0,2
De acordo com os dados reportados na tabela 1 é possível observar que a diminuição de altura, causada pelo desgaste na ferramenta abrasiva, é muito maior no grupo 4 de corôas abrasivas, que corresponde as corôas abrasivas de SiC-Sorel utilizadas comercialmente. Sendo o desgaste causado nas corôas abrasivas de sílica-poliéster da ordem de até 28 vezes menor, que é observado para o grupo 1, que corresponde as corôas abrasivas de sílica-poliéster, com percentual de 75% de sílica e 25% de resina poliéster. Além deste resultado satisfatório obtido pelo grupo 1 de corôas abrasivas, os grupos de corôas 2 e 3 também obtiveram bons resultados no que diz respeito a desgaste da ferramenta, apresentando respectivamente um desgaste de 14 e 6 vezes menor, do que o causado na corôa abrasiva de SiC-Sorel.
Os resultados permitem afirmar que os processos de polimento e desbaste das amostras de granito provocaram variações dimensionais muito pequenas nos compósitos em estudo. Este resultado é extremamente importante, pois demonstra que as corôas foram pouco desgastadas nos processos de polimento de desbaste das pedras.
Outro resultado importante está relacionado com a comparação entre os grupos. Na comparação dos resultados pode-se afirmar que não existe diferença estatística significativa no desgaste apresentado pelas corôas ao serem variadas as porcentagens de carga dos compósitos. Embora os resultados apresentados sejam satisfatórios, os mesmos não carecem de significância se as amostras de granito não foram desbastadas e polidas.
Pode-se constatar também que as corôas processadas neste trabalho, independentemente do teor de sílica (grupos 1 a 3), apresentaram resistência ao desgaste muito superior ao das corôas comerciais (grupo 4), uma vez que a redução de altura das mesmas foi muito inferior ao das comerciais. Obviamente, isto resulta em menor perda de massa destas corôas – conforme mostra a fig.1, e conseqüentemente, superior tempo de vida.
Variação da Massa Média 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1 2 3 4 GRUPOS G ra m a s
Variação da Massa Média
Figura 1. Gráfico caracterizando a perda de massa média, sofrida por cada grupo de corôas abrasivas.
Estes resultados se justificam pelo fato de que, apesar do SiC apresentar dureza da ordem do dobro da SiO2, o cimento Sorel é um material cerâmico friável, portanto frágil, apresentando baixa
aderência com as partículas de SiC, resultando na soltura destas partículas durante a operação de desbaste. O poliéster, por ser bastante elástico, atenua o carregamento da operação de trabalho, e ancora muito bem as partículas abrasivas – SiO2 – no “bulk” da ferramenta. Resultados similares
foram encontrados por Aigueira e colaboradores(6), quando estudaram o sistema poliéster-SiC (carbeto de silício).
Na figura
2
são apresentadas as fotos das superfícies das amostras de granito antes, “A”, e após o desbaste das mesmas por 8 minutos, “B”. As fotos são representativas dos três níveis ensaiados, não observando relação entre as características das superfícies desbastadas e a porcentagem de carga dos compósitos.Figura 2
- Fotos representativas das amostras de granito antes, “a” e após o processo de desbaste epolimento no LAMAV.
A analise das fotos permitem a comprovação visual da efetividade dos compósitos em estudo no relativo ao desbaste das pedras ornamentais. Como pode ser observado, fig. 1-A, a superfície inicial das amostras de granito, “A”, é rugosa e áspera, características bem diferente à
características das amostras de grafite após o processo de polimento permite afirmar que as corôas em estudo se comportaram satisfatoriamente nas condições do ensaio.
Finalmente, o efetivo polimento das amostras de granito e o ínfimo desgaste das corôas são resultados complementares que permitem comprovar a eficácia e efetividade das corôas no melhoramento superficial das rochas ornamentais existentes na região. Embora os resultados são alentadores, pois permitem uma avaliação inicial das novas ferramentas abrasivas, não se pode esquecer que os resultados obtidos são na escala de laboratório, necessitando um estudo em escala de marmoraria para poder corroborar os mesmos.
2- Testes das corôas abrasivas de sílica-poliester e comerciais realizados na marmoraria. Uma vez determinada a eficácia abrasiva de forma laboratorial, se faz necessário a realização do ensaio numa escala superior. Para tal, se determinou a efetividade dos compósitos como ferramenta abrasiva no processo de polimento e desbaste de uma pedra de granito comercial numa marmoraria. Nos ensaios foram testadas de forma simultânea seis corôas abrasivas do mesmo grupo ou nível. Esta condição guarda relação com o número de corôas existente na máquina comercial de desgaste; politriz.
Na tabela 2 são apresentados os dados relativos à caracterização dimensional das corôas antes e após serem utilizadas no melhoramento da superfície da placa de granito. Como pode ser observada, a medição foram realizadas ao inicio, no intermédio e aos 3 minutos de desgaste.
Tabela 2- Dados relativos à caracterização dimensional das corôas antes e após o teste de
polimento. Altura % de desgaste Nível. Inicial Após 90 seg. Final Após 90 seg. Final Total 1 (85 % sílica e 15 % PE) 39,5±0,8 39,2± 0,7 39,1± 0,9 0,17± 0,03 0,15± 0,08 0,32±0,09 2 (80 % sílica e 20 % PE) 39,8±0,7 39,4± 0,9 39,2± 0,5 0,41± 0,05 0,23± 0,07 0,64±0,07 3 (75 % sílica e 25 % PE) 31,7± 0,9 30,9± 0,6 30,3± 0,7 0,76± 0,08 0,63± 0,09 1,36±0,09 4- (Comercial) 51,6± 0,8 47,1± 0,7 42,6± 0,8 4,6± 0,6 4,4 ± 0,9 9,0 ± 0,8
Numa observação geral dos resultados apresentados na tabela 2 ressalta a diferença existente entre o desgaste das corôas em estudo com a corôa comercial. Nesse sentido pode se destacar que as corôas comerciais apresentaram um desgaste superior, quando comparadas com as corôas formadas
pelo compósito sílica-PE. Efeito similar, porem menos acentuado, foi observado ao compararem os diferentes níveis em estudo das corôas Sílica-PE. Neste caso a variação guarda relação direta com a porcentagem de carga, ou seja observa-se um incremento no desgaste das corôas na medida que se incrementa a porcentagem de carga no compósito.
Apesar do resultado altamente satisfatório para as corôas do nível 1, as formadas por compósitos dos níveis 2 e 3 também apresentaram excelentes resultados no que diz respeito ao tempo de vida útil da ferramenta, pois o menor desgaste garante que a ferramenta posa ser utilizada por um tempo maior. Nessa direção, o ensaio demonstra que as corôas comerciais são as que devem ter um tempo de vida menor.
Teste de Rugosidade 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 1 2 3 4 5 GRUPOS M ilím et ro s Rugosidade
Figura 3. Gráfico que ilustra os resultados de rugosidade da superfície das amostras de
granito submetidas ao desbaste das corôas abrasivas.
Na figura 3 apresentam-se graficamente os resultados do ensaio de rugosidade da superfície das amostras de granito que foram submetidas ao desbaste dos 4 grupos de corôas abrasivas utilizadas no teste da marmoraria, correspondendo ao valor médio de 30 medidas para cada grupo. Podemos observar que as corôas de sílica 15%poliéster produziram nível de qualidade de superfície da mesma ordem da qualidade obtida com as corôas comerciais, o que foi comprovado via medidas de rugosidade. Cabe informar que o grupo 5 refere-se às medidas feitas na superfície do mesmo granito, no seu estado bruto de serragem – como recebido (antes das operações de desbaste).
Outra observação importante se refere a que as corôas do grupo 1 apresentaram resultados de rugosidade na placa de granito insatisfatórios, face à baixa quantidade de SiO2 nas ferramentas,
resultando em redução do desempenho de abrasão. Aigueira e Filgueira(7) apresentaram, em estudo pioneiro, relativo à análise dos mecanismos de desgaste do sistema poliéster-SiC, resultados que vem a explicar de forma concisa os resultados aqui apresentados, sob o ponto de vista da abrasão, reforçando as afirmações aqui apresentadas.
Embora o maior desgaste das corôas comerciais possa ser justificado pela baixa concentração de carga que as mesmas apresentam, a explicação correta guarda relação com a porcentagem e características das matrizes utilizadas. Dessa forma, o material cerâmico, que apresenta estrutura empacotada e rígida, oferece uma resistência maior à superfície abrasiva e, conseqüentemente, um desgaste superficial maior que o material polimérico, que é bem menos rígido e absorve melhor a deformação aplicada. Continuado a mesma linha de pensamento fica evidente o maior desgaste das corôas com maior porcentagem de material cerâmico na sua composição, seja na fase matriz ou na carga.
A explicação anterior leva a um problema complexo onde dois parâmetros importantes entram e contradição; tempo de vida útil da ferramenta e efetividade da mesma no processo de polimento das rochas de granito. Comtudo, ensaio realizado não traz informação em relação à efetividade da ferramenta como material abrasivo mais fica bem claro que o tempo de vida útil só seria interessante se a ferramenta de desgaste é efetiva. Neste sentido, se a superfície de contato da ferramenta com a rocha é extremamente fraca e lisa, a mesma não se desgastará, mais também não será efetiva no polimento e desgaste da superfície da rocha, função principal da corôas abrasivas. Nos compósitos em estudo tais condições são válidas quando a superfície de contato esta composta por uma elevada quantidade de polímero.
Tal observação leva à necessidade do estudo e caracterização das superfícies das corôas e das rochas antes e após o desbaste. Entre outros resultados, o estudo permitirá poder determinar a efetividade da ferramenta no processo, assim como a capacidade das mesmas em serem utilizadas futuramente.
As análises por microscopia óptica têm como objetivo comprovar a qualidade do estado da superfície de todas as corôas após o uso das mesmas no polimento, assim como o das superfícies das rochas polidas. Conseqüentemente, o mesmo permitirá poder avaliar a eficácia das ferramentas em estudo em relação à capacidade de polimento e tempo de vida útil, comprovando dessa forma a viabilidade tecnológica desta nova rota alternativa para a obtenção de ferramenta abrasiva.
(c)
(d)
(e)
Figura
4
. Superfícies da placa de granito, desbastada com as corôas do grupo I (a), grupo 2 (b),grupo 3 (c), grupo 4 (d) e sem desbaste (e) – como recebida.
Na fig
ura 4
observa-se claramente a evolução microestrutural da superfície da placa de granito sem desbaste, e desbastada com as corôas abrasivas aqui produzidas e com o conjunto de corôas comerciais. A fig.5.(e) apresenta uma superfície rugosa, sem qualquer definição granular, referente à superfície da placa de granito como recebida.Quando esta é desbastada, mesmo com corôas de baixo teor de abrasivo, observa-se alterações microestruturais, onde as corôas do grupo 1 mostra leve redução da rugosidade inicial, enquanto que o grupo 2 promoveu o início do surgimento dos grãos. Já as figs.5.c e d mostram microestruturas similares, sendo a fig.5.d um pouco mais nítida, no que tange a uma definição dos grãos satisfatória, para a operação de desbaste. Estes resultados de aspecto microestrutural estão de acordo com os resultados de rugosidade ora discutidos. Tais microestruturas típicas foram também encontradas e discutidas por Aigueira e colaboradores(8), quando do estudo da possibilidade do uso do sistema baquelite-diamante em substituição ao sistema SOREL-SiC, das corôas comerciais.
Nas micrografias referentes aos compósitos com 85 % de carga e à corôa comercial, mostram também uma grande quantidade de fragmentos finos de granito, oriundos da rocha trabalhada, misturados aos fragmentos finos do reforço, ambos aderidos á matriz utilizada em cada caso, levando à formação de “novos” micro-compósitos abrasivos. A formação desse “novo” compósito é praticamente imperceptível na superfície das corôas com 70 % e 80 % de carga.
capacidade de desbaste. Já o arredondamento ou “embotamento” observado nos grãos abrasivos, outros grupos, pode diminuir sensivelmente a sua capacidade de desbaste pois o mesmo está relacionado com a maior quantidade de matriz polimérica que não permite a formação de uma nova camada abrasiva surja, limitando com isso, o poder de desbaste da ferramenta.
Conclusões
Os resultados obtidos nos testes dimensionais, através da diminuição de altura e perda de massa, sugerem que as corôas abrasivas (sílica-15%poliéster), apresentaram resultados superiores aos apresentados pelas corôas abrasivas disponíveis atualmente no mercado, sendo estes relevantes resultados de desempenho destas ferramentas;
Através testes de rugosidade foi possível verificar que a qualidade de superfície produzida na placa de granito pelas corôas de sílica - 15%poliéster, é tão boa quanto a propiciada pelas corôas comerciais, apresentando respectivamente: 0,005mm e 0,004mm de variação média de profundidade (rugosidade), ou seja, ambas corôas propiciam acabamento similar;
Como resultado adicional, pode-se ainda enfatizar a economia de tempo de processamento, pois a rota convencional (para carbeto de silício imerso em uma matriz de cimento) leva cerca de 20 dias para que seja efetuada a cura das corôas abrasivas, ao passo que para a nova rota e materiais sugeridos neste trabalho, o tempo de cura é de aproximadamente 2 horas, o que pode vir a resultar em uma produtividade superior.
Referências Bibliográficas
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7. R.B. Aigueira; M. Filgueira Polímeros: Ciência e Tecnologia. 2006, 16, 187. 8. R.B. Aigueira; S.D. Alvarenga; M. Filgueira Revista Matéria 2005, 10, 419.
