UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CERMAT NÚCLEO DE PESQUISA EM MATERIAIS CERÂMICOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CERMAT – NÚCLEO DE PESQUISA EM MATERIAIS

CERÂMICOS

Relatório de Estagio Curricular VI Período 17/05/2010 à 10/09/2010

Aluno: Gustavo Siebert Matrícula: 04237226 Orientador: Prof. Orestes Estevam Alarcom CERMAT – Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos

__________________________________ Concordamos com o conteúdo do relatório

Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos

Agradecimentos

Agradeço primeiramente aos meus pais, que fornecem toda a estrutura e incentivo, necessários para que eu busque meus objetivos. Ao Prof. Orestes E. Alarcom pela atenção dispensada na minha orientação e pala oportunidade de estagiar no CERMAT. Aos meus companheiros de trabalho e amigos, Daniel, Ahryman e Rafael. E a minha querida namorada que tem participação emtudo que faço, com seu apoio.

Sumário

3.1 Adapatação de um ensaio de bancada para simular o brunimento plano rotativo de placas de porcalenato. _______________________________________________________ 13

3.1.1 O tribômetro ________________________________________________________________ 13

3.2 Análise da morfologia de superfície de placas de porcelanato e pedras abrasivas. 16 4. Conclusão __________________________________________________________ 22 5. Referencias bibliográficas ___________________________________________ 23 ANEXO I ______________________________________________________________ 24

1. Introdução

Este relatório tem como objetivo apresentar e ilustrar as atividades mais relevantes desenvolvidas durante o período de estágio, que esteve compreendido entre 17 de Maio e 10 de Setembro de 2010. Estas atividades foram realizadas nas dependências do CERMAT – Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos, sob a orientação do Prof. Orestes E. Alarcon.

Este estágio foi desenvolvido com o intuito de dar continuidade nos trabalhos que se encontravam em andamento relativos ao projeto “Análise e simulação do processo de polimento de porcelanatos” que é do tipo BRAGECRIM e visa desenvolver um software que consiga prever qual será o brilho que a placa de porcelanato terá ao final do processo de polimento e como este brilho estará distribuído, já que processo industrial convencional nao consegue conferir uniformidade no brilho.

As atividades desenvolvidas neste período de estágio foram a criação a adaptação de um tribômetro criado para simular o processo de lapidação para que também simulasse o processo de brunimento plano rotativo de placas de porcelanato e foi analisada também via MEV a morfologia de superfície de placas de porcelanato coletadas na idústria para uma análise tribológica preliminar além das atividades de rotina de laboratório.

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Porcelanato

As placas de porcelanato polido tem tido grande crescimento no mercado de revestimentos cerâmicos, dado seu grande apelo estético e excelentes propriedades mecânicas. Além disto, é um produto de grande valor agregado o que justifica o auto custo do processo de polimento, que envolve uma perda de matéria prima que pode chegar à 10%. Isto ocorre porque o processo de polimento ainda é baseado no empirismo e o maquinário utilizado pouco desenvolvido no que diz respeito a controle de parâmetros em tempo real. O controle de brilho também, apesar de normatizado, é feito visualmente. Além disto, não é conhecida a participação exatada de cada pedra de brunimento no ganho de brilho da placa de porcelanato e nem como o material é removido por elas. O porcelanato é um produto cerâmico regulado pela Norma ISO 13006/NBR13818 com especificação BIa significando material prensado com absorção de água menor ou igual a 0,5%. No Brasil a norma que descreve as características essenciais do porcelanato é a ABNT NBR 15.463.

No mercado atual, o porcellanato é classificado como esmaltado ou técnico (polido ou não), sendo que para o esmaltado admite-se uma absorção de água até 0,5%. Porém, para o porcellanato técnico esta absorção deve ser menor ou igual a 0,1%. A diferença entre o porcelanato técnico e esmaltado é que no primeiro as cores das placas serão conferidas através da mistura de diferentes massas, no segundo as características visuais são determinadas pela camada de esmlate colocada sobre a massa.

O Porcelanato é constituido basicamente de uma mistura de argilas, feldspatos, areias feldspáticas e, às vezes, caulins, filitos e aditivos, quando necessários. Dentre as classificações mais comuns para o Porcelanato encontramos a que se refere ao seu aspecto visual final:

- Monocolores: possuem as características visuais conferidas pelas matérias primas constituintes da massa, não recebem aditivos para conferir colocaração diferenciada.

- Granitados (Sal e Pimenta): são obtidos a partir da mistura de pós atomizados de diferentes cores (em processo automático que dosa as quantidades) (Rosso, 2005);

- Macrogranitados: são obtidos através da mistura de pós atomizados com grânulos de grandes dimensões (1 a 8 mm) coloridos (Rosso, 2005);

- Duplo Carregamento: são obtidos através da mistura de pós micronizados de diferentes cores, que através de oportunos carregamentos nas prensas, são distribuídos casualmente, originando nuances superficiais (Rosso, 2005);

- Sais solúveis: consiste na decoração superficial do produto com sais que desenvolvem cor. Este tipo de decoração só é perfeitamente visível após o polimento (Rosso, 2005).

O processo de fabricação do porcelanato polido pode ser dividido em seis etapas básicas: moagem, atomização, prensagem, secagem, queima, polimento.

A moagem tem por objetivo obter grãos finos que tenham boa reativida na hora da queima, obtendo assim microestrutura final homogênea. Além de conferir à matéria prima, nesta etapa, absorsão de água praticamente nula.

A atomização visa agrupar as partículas em grânulos para melhorar a sua escoabilidade, isto melhora o transporte da matéria prima e diminui a interação entre as partículas, estas características são importantes para o preenchimento adequado do molde na etapa de prensagem.

A prensagem visa conferir resistência à verde e dimuinuição da porosidade nas placas de porcelanato. As carecterísticas da peça após a prensagem serão determinantes para etapa de queima, pois, prensagens inaquadas podem gerar trincas, gradientes de densidade, excesso de porosidade entre outros.

A secagem tem por objetivo dimuniuir ao máximo a umidadade do peça que irá ser queimada.

É na etapa de queima que o processo de densificação via fase líquida ocorre reduzindo ao máximo a porosidade das peças. O controle da quantidade e viscosidade da fase líquida é fundamental para se manter as condições de contração linear e porosidade (Rosso, 2005). A sinterização via fase líquida envolve um sistema onde a fase sólida apresenta solubilidade limitada no líquido

durante a queima. Durante o processo ocorre a solubilização e re-precipitação de sólidos, proporcionando aumento do tamanho do grão e da densificação (Kingery, 1996).

A última etapa é o polimento, que é a responsável por conferir brilho a superfície da placa e que também é o objeto de estudo deste trabalho.

2.2 Polimento do porcelanato

Polimento é o processo comum na produção de porcelanatos cerâmicos, que resulta em efeitos estéticos excepcionais. No caso do porcelanato cerâmico polido, o brilho representa o mais importante critério de controle de qualidade. A denominação “polimento” é inadequadamente utilisada, porque é através deste processo que, historicamente, se atinge brilho em superfícies. Porém neste caso o brilho é obtido através do processo de brunimento, que é antecedido por uma etapa de retificação, responsável por conferir a planaridade das placas de porcelanato. Ao conjunto retificação mais brunimento se denomina polimento, industrialmente.

Na retificação os produtos são submetidos a um processo de abrasão severo, feito com ferramentas diamantadas, visando padronizar as dimensões das peças. Para tanto são removidos um grande volume de material, podendo atingir aproximadamente 10% da espessura da peça (Hutchings, 2006b).

A etapa de brunimento é composta de cabeças de polimento tangenciais, contendo seis blocos abrasivos, conhecidos como fickerts. Estes fickerts são geralmente compostos por uma matriz de cimento de magnésio óxi-clorídrico (Hutchings, 2005b; Espósito, 2005), dentro da qual se encontram diversas partículas de carbeto de silício, tipicamente 10% em massa (Hutchings, 2005a), destinadas a atuarem como abrasivos. A superfície ativa do bloco abrasivo possui certa curvatura de modo a se ter uma estreita faixa de contato efetivo entre bloco e superfície da peça. O brilho final observado na superfície do porcelanato polido resulta das múltiplas abrasões causadas por uma longa seqüência de cabeças de polimento com tamanhos de abrasivos decrescentes, conhecido como trem de

polimento. Tipicamente, mais de 30 cabeças de polimento e mais de 18 diferentes tamanhos de partículas abrasivas podem ser encontrados em um trem de polimento (Ibañes 2002, Tucci 2000). Pela ação dessas politrizes são removidos ao total cerca de 0,4 a 0,8 mm da camada superficial do revestimento, além da camada removida pela calibração (Dondi, 2005).

Figura 1: cabeçote e pedras de brunimento.

Grande parte dos primeiros cabeçotes destinam-se apenas a eliminação de trincas provenientes da etapa de retificação. A eliminação destas trincas é feita gradualmente durante a etapa de brunimento. Pequenos fragmentos superficiais delimitados pelas trincas vão sendo arrancados da superfície mediante a passagem dos blocos abrasivos. Com isto, tem-se uma produção de trincas cada vez menor, até atingir uma predominância de riscos dúcteis, responsáveis por conferir o brilho à superfície (Wang, 2003; Crichigno Filho, 1994). Estas mudanças dos mecanismos de desgaste são evidenciada na curva traçada por (Hutchings, 2004), onde é possível observar três inclinações distintas. Na primeira parte até, aproximadamente, o tamanho de abrasivo 400 mesh há pouco ganho de brilho e provavelmente grande remoção de material. Do abrasivo 400 ao 1000 mesh, existe a tendência de ocorrer a melhor condição de remoção de material e ganho de brilho, devido a acentuada inclinação da curva. As pedras seguintes ao abrasivo 1000 apresentam ganho de brilho semelhante a primeira parte da curva, porém, não é devido a grande remoção de material.

Figura 2: brilho versus tamanho de abrasivo da pedra de brunimento.

É possível abordar o brunimento através de duas perspectivas diferentes de estudo: A abordagem cinemática e abordagem fenomenológica.

A abordagem cinemática assume que, para qualquer região da superfície da peça, o brilho obtido promovido pelo processo de polimento é de alguma forma proporcional ao número de contatos abrasivos, sem levar em consideração as condições de abrasão. Com isso, o conjunto de condições ótimas de polimento pode ser visto como um subconjunto das condições cinemáticas otimizadas. Como resultado, ocorre uma redução substancial das condições a serem investigadas em futuros trabalhos fenomenológicos (Souza, 2010).

Na abordagem cinemática os parâmetros mais relevantes são: O tempo de processo (t [s]), a velocidade rotacional do disco abrasivo (w [RPM]), velocidade de deslocamento linear do trem de polimento (V [cm/s]), freqüência de oscilação lateral (f [s-1]), amplitude de oscilação lateral (Am [cm]), e a distância da partícula escolhida ao centro da cabeçote de brunimento (r [cm]).

A abordagem fenomenológica foca nos mecanismos de remoção de material envolvidos no processo. Neste caso, equipamentos como o Esclerômtro são utilizados para simular a interação de uma única partícula abrasiva com a superfície que está sendo estudada.

2.3 Desgaste

Quando uma superfície experimentar movimento relativo contra outra superfície, o desgaste irá ocorrer, sendo que este pode ser definido como o prejuízo a uma ou ambas as superfícies, geralmente envolvendo perda progressiva de material. (Stoeterau, 2004)

2.4 Desgaste abrasivo

Desgaste abrasivo pode ser definido como a perda de matéria devido ao movimento relativo de duas superfícies e decorrente da ação de: asperidades duras em uma das superfícies; partículas abrasivas livres entre as duas superfícies; partículas abrasivas engastadas em uma das superfícies (OECD, 1969).

O desgaste abrasivo é um processo interfacial complexo, em que a interface apresenta-se como geradora e reatora de fenômenos irreversíveis e evolutivos de difícil caracterização. Nesse contexto, a previsão do estado final do sistema tribológico é impossível, e o estudo dos parâmetros isolados, delicada. Desse modo, a experimentação e o empirismo ainda são as ferramentas básicas para o estudo desse fenômeno (Nogueira; de Mello, 1988b).

2.4 Micro-mecanismos de desgaste

De acordo com as condições tribológicas, a perda de material pode ocorrer por três tipos de micro-mecanismos:

- micro-sulcamento: as partículas abrasivas, ou a ponta do indentador no caso de um ensaio, provocam deformações plásticas sem causar perda de matéria. O material deformado flui lateralmente ou acumula-se na frente da partícula(Sousa, 2007);

Figura 3: Imagem obtida via microscopia eletrônica de varredura do risco causado por um identador de diamente em teste de risco com 2 N de carga normal. Material: Fe-38Ni-6Al.

- micro-corte; a tensão cisalhante na frente das partículas abrasivas causa um arrancamento de fragmentos na forma de micro-cavacos, esta é uma remoção dúctil e todo o volume deformado é removido;

Figura 4: Imagem obtida via microscopia eletrônica de varredura do metal amorfo 40Fe-38Ni-4Mo-18B ensaiado em teste de risco com identador de diamante com carga de 5 N.

- micro-lascamento: neste processo, grandes fragmentos são subitamente arrancados da superfície da amostra devido à formação e subseqüente

propagação de trincas (Sousa, 2007). Trata-se de um mecanismo de remoção frágil, e que ocorre quando as tensões produzidas pelas partículas abrasivas excedem determinados valores críticos.

Figura 5: Microscopia eletrônica de varredura do ferro fundido cinzento lamelar após ser submetido a teste de risco com identador de diamante e carga normal de 2 N.

3. Desenvolvimento

3.1 Adapatação de um ensaio de bancada para simular o brunimento

plano rotativo de placas de porcalenato.

Esta atividade consistiu em adaptar um tribômetro projetado para simular o processo de lapidação para que também pudesse realizar o brunimento plano rotativo de placas de porcelanato.

3.1.1 O tribômetro

O tribômetro é constituido basicamente por uma bancada de mármore, três motores elétricos, um braço mecânico, um cabeçote de brunimento, um porta abrasivos e um porta amostra. Os três motores são responsáveis por conferir os movimentos necessários para a simulação do brunimento. O motor do cabeçote de brunimento do tribômetro será encarregado de prover movimento rotacional ao porta abrasivos, que conterá amostras retiradas de pedras abrasivas, simulando assim o cabeçote de brunimento de uma linha industrial. Os outros dois motores se encontrarão em baixo da bancada e são responsáveis pelo movimento de rotação da amostra de porcelanato e pelo movimento oscilatório lateral do cabeçote de brunimento. A rotação da amostra simulará o movimento da esteira presente na linha de polimento de porcelanato enquanto o movimento oscilatório lateral será semelhante ao de bandejamento no maquinário industrial.

Segue o uma imagem ilustrativa da parte superior da bancada do tribômetro, onde podem ser encontrados, o cabeçote de brunimento, o braço mecânico, a amostra e o porta abrasivos.

Figura 6: Tribômetro e seus componentes principais.

3.1.2 Análise da cinemática do tribômetro

Por ter o movimento da esteira aproximado para um movimento rotacional o tribômetro terá suas trajetórias descritas por funções polares com o formato da equação 1:

Eq. 1

Após determinado o tipo de função que seria usada para descrever a trajetória foi necessário simular algumas trajetórias para analisar qual se aproximava melhor da realidade encontrada em uma linha de brunimento plano rotativo industrial que confere a placa de porcelanato uma distribução de brilho que pode ser aproximada

a um padrão senoidal, semelhante ao apresentado à seguir, identificado por Sousa [9].

Figura 7: Padrão de brilho de uma linha de brunimento industrial descrito por Sousa [9].

Após algumas simulações, a trajetória encontrada que mais se aproximou do padrão de interações proposto por Sousa [9], tem a sua representação gráfica apresentada à baixo.

Figura 8: Trajetória desenvolvida para o tribômetro, à esquerada após uma revolução, á direita após 40 revoluções.

Na figura que representa a trajetória do cabeçote sobre a placa de porcelanato após 40 rotações completadas pode ser observado o padrão senoidal encontrado em uma linha de brunimento plano rotacional industrial, este padrão se torna mais evidente com o afastamento do centro da placa de porcelanato, principalmente a partir da distância r/2 do centro até a borda da placa.

3.2 Análise da morfologia de superfície de placas de porcelanato e

pedras abrasivas.

Este trabalho foi realizado para ter o primeiro contato com superfícies de porcelanato que sofreram o processo de brunimento plano rotativo e analisar qual a morfologia de superfícia que o mesmo impõe à placa de porcelanato.

Na linha de polimento onde foram retiradas as amostras analisadas há uma descontinuidade no maquinário após o cabeçote que contém a pedra abrasiva de granulometria 80 mesh, isto possibilitou a coleta de amostras em 3 partes da linha sem a que mesma tivesse que ser parada. As amostras foram coletadas após a retificação, após o cabeçote de granulometria 80 mesh e após o término da linha. A figura 9, é da amostra retirada após o processo de retificação e apresenta uma superfície muito danificada, que sofreu apenas remoção de material de forma frágil, sem deformação plástica aparente. O padrão de remoção de material é em forma de riscos e a largura dos eventos é de aproximadamente 500 µm. Esta é a superfície que é oferecida ao processo de brunimento plano rotativo para que o mesmo lhe confira brilho.

Figura 9: Morfologia de superfície de uma placa de porcelanato retificada.

A próxima imagem, figura 10, é da morfologia de superfície da placa de porcelanato polida, isto é, depois de passar por toda a linha de brunimento plano rotativo, da pedra com abrasivo de granulometria 36 mesh até a pedra com abrasivo de granulometria 2000 mesh. Esta superfície apresenta posoridade aberta e um, normal em uma placa de porcelato polida, já que a remoção de material decorrente do processo de polimento faz aflorar a porosidade interna da placa. Além disto já nao se pode mais oberservar o padrão de riscos na superície, ou os riscos já não são facilmente identificáveis. Isto significa que o modo como o material é removido variou durante o processo, passando de uma forma frágil na retificação para uma forma de remoção tão final que não se pode identificar via MEV ou nesta etapa pode não haver mais remoção de material e sim o remajemanto do mesmo, havendo achatamento dos picos de rugosidade e em alguns casos transporte de massa do pico para um vale de rugosidade.

Figura 10: Morfologia de superfície de uma placa de porcelanato polida.

Na próxima análise que será apresentada além da morfolologia de superfície da placa de porcelanato também foi analisada a pedra abrasiva e como se encontravam dispostos os abrasivos. A morfologia de superfície apresentada pela placa brunida até a pedra com abrasivos de granulometria 80 mesh apresenta também padrão de riscos como a placa que foi apenas retificada. A largura dos riscos apresenta a mesma ordem de grandeza dos riscos provocados pelo processo de retificação, como pode ser observado na figura 11.

Figura 11: Morfologia de superfície de uma placa de porcelanato brunida até a pedra abrasiva de granulometria 80 Mesh.

Entre o fim do processo de retificação e a pedra 80 mesh há 4 cabeçotes de brunimento com as pedras contendo os abrasivos de granulometria 24, 36, 46 e 60 mesh. Isto pode significar que o processo de brunimento até a pedra 80 não está sendo tão efetivo quanto deveria, pois as larguras de riscos encontradas na figura 11 são comparáveis as larguras de riscos encontradas na figura 9 referente a placa retificada. Assim o processo de brunimento até a pedra 80 pode estar sendo apenas suficiente para diminuir os danos causados pela na superfície causados pela retificação, não conferindo assim brilho a peça, que é o objetivo proncipal do brunimento plano rotativo do porcelanato. Em um processo ideal os riscos gerados pela retificação deveriam ser “apagados” pela pedra 24 sobrando apenas os riscos referentes aos abrasivos desta pedra, na pedra 36 ocorreria o mesmo processo e assim até o final da linha de brunimento.

O tamanho do abrasivo da pedra 80 foi analisado também via MEV e o seu tamanho não condiz com os riscos apresentados na figura 11. O tamanho dos abrasivos se encontram 1 ordem de grandeza abaixo da dimensão dos riscos,

porém isto não exclui a possibilidade de estes abrasivos terem causado os riscos, pois por se tratar de uma remoção de material frágil a dimensão do evento causado pelo abrasivo será sempre maior do que a dimensão do próprio abrasivo. A figura 12 apresenta a morfologia de superfície da pedra abrasiva de granulometria 80 mesh e evidencia os abrasivos em forma de “ilhas”, sem o formato poligonalizado esperado para um cristal de SiC. Isto pode ser decorrente do processo de fabricação do abrasivo ou devido ao desgaste a que o abrasivo foi submetido durante o processo de brunimento plano rotativo das placas de porcelanato.

Figura 12: Morfologia de superfície de uma pedra com abrasivos de granulometria 80 Mesh.

A seguir, na figura 13 é apresentado o resultado de uma análise de EDS feita em um abrasivo para a confirmação da existência do mesmo.

Figura 13: Imagem do abraviso, linha ao longo da qual foi feita a análise química e gráfico da análise química realizada respectivamente.

Nesta figura 13 são apresentadas a foto do abrasivo, a linha ao logo da qual foi feita a análise química via EDS e o gráfico da análise química. No gráfico da análise química a linha azul indica a presença de silício e consequentemente de SiC.

4. Conclusão

O trabalho desenvolvido neste período de estágio foi de grande importância para a continuidado do projeto que já vinha sendo desenvolvido anteriormente e possibilitou que os primeiros resultados fossem obtidos e que as informações necessárias para a execução dos próximos trabalhos fossem reunidas. Há agora uma estrutura para a realização dos trababalhos que compreendem os objetivos do progeto BRAGECRIM “Análise e simulação do processo de polimento de porcelenatos”. O tribômetro apresentado e desenvolvido neste trabalho não estava previsto para este o projeto citado mas a sua utilização agregará muito conhecimento as publicações pretendidas além de gerar publicações próprias. As análises feitas com o MEV das placas de porcelanato e das pedras de brunimento propiciaram a compreensão inicial para que fosse possível planejar sob qual abordagem os próximos trabalhos devem ser feitos, além de evidenciar os primeiros problemas quer serão enfrentados e as possíveis deficiencias do processo de brunimento plano rotativo do porcelanato.

5. Referencias bibliográficas

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2. Rabinowicz, Ernest. Friction and Wear of Materials, Second Edition. Canada : Jonh Wiley & Sons Copyright, 1995. 0-471-83084-4.

3. Willians, J. A. Engineering Tribology. Oxford : Bookcraft, 1994. 0 19 85 65 03. 4. I. V. Kragelsky, V.V. Alisin. Friction Wear Lubrication . Moscow : Mir Publishers, 1981.

5. Halling, J. Principles of Tribology. Hong Kong : THE MACMILLAN PRESS LTD, 1975. 0 333 15496 7 .

6. Junior, Durval Duarte. Tribologia, Lubrificação e Mancais de Deslizamento. Rio de Janeiro : Cienência Moderna, 2005. 85-7393-398-3.

7. CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5ª. Ed Rio de Janeiro: LTC Editora, 2002

8. CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 6ª. Ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e materiais – ABM, 1990.

9. SOUSA, F. J. P., Análise de aspectos cinemáticos do processo industrial de

polimento de porcelanatos. Florianópolis -SC : Tese de doutorado, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de

ANEXO I

Cronograma de estágio

Atividade Maio Junho Julho Agosto Setembro 1 2 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 Criação da simulação para o processo

de polimento de porcelanato

Adição de dispositivos mecânicos no

Esclerômetro Simulação de trajetórias no

esclerômetro Análise tribológica das placas de