Qual o papel das placas aquecidas na prensagem a quente de cerâmicas técnicas?

Você não simplesmente derrete e funde uma placa de armadura de cerâmica sólida-à prova de balas de um soldado, ou uma cúpula transparente e ultra{1}}dura para o buscador infravermelho de um míssil. É feito por prensagem a quente: um pó cerâmico fino e solto é embalado em uma matriz e espremido sob grande pressão a uma temperatura abrasadora, no fundo de um forno a vácuo. E as placas que fornecem essa energia esmagadora e ardente não são de aço, que cederia e derreteria. São blocos de grafite denso ou metal refratário, laranja com o calor, e são os escultores dos materiais mais duros e avançados do mundo.

Prensagem a quente de cerâmica técnica
Technical ceramics, such as silicon carbide (SiC), aluminium oxide (Al₂O₃), boron carbide (B₄C) and silicon nitride (Si₃N₄), are characterised by excellent hardness, high-temperature strength, wear resistance and chemical inertness. However, they cannot be melted and cast like metals, because their melting points are very high (typically >2.000 graus) e a quebra da cerâmica fundida ou a criação de fases indesejadas. Em vez disso, eles são fabricados a partir de processos de metalurgia do pó, sendo a prensagem a quente um dos procedimentos mais eficientes para fornecer densidade próxima-da teórica e excelentes características mecânicas.

Uma quantidade cuidadosamente pesada de pó cerâmico é carregada em uma cavidade de matriz, geralmente de grafite, em uma operação de prensagem a quente. A matriz está entre duas placas quentes grandes e planas. Todo o conjunto é colocado em uma câmara de vácuo ou forno cheio de gás inerte (argônio ou nitrogênio). As placas são aquecidas, geralmente colocando uma corrente elétrica muito alta diretamente através delas (aquecimento por resistência) ou por aquecimento indutivo, a temperaturas entre 1500 graus. e mais de 2.000 graus. Ao mesmo tempo, o aríete hidráulico exerce pressão uniaxial (geralmente 20–100 MPa) através das placas até o pó. A deformação plástica das partículas cerâmicas sob intenso calor e pressão e a difusão e fluência dos limites dos grãos resultam em densificação. A porosidade é reduzida e é produzido um componente cerâmico totalmente denso de alto desempenho.

As placas de grafite em chamas são bigornas quentes e impiedosas que espremem a vida até transformá-la em um monte de pó e forjam uma peça de cerâmica quase indestrutível.

Por que as placas aquecidas são vitais para o processo
O sistema tecnológico de prensagem a quente de cerâmica com placas aquecidas não é apenas um fornecedor de calor e força, mas também o dispositivo central que determina a qualidade da peça cerâmica acabada. As placas têm uma série de funções importantes:

1. Aquecimento uniforme e de alta temperatura
As placas devem aquecer uniformemente a matriz e o pó em toda a superfície de prensagem. Qualquer diferença de temperatura leva a uma densificação irregular, com as porções quentes tornando-se-densas demais e possivelmente apresentando desenvolvimento de grãos, enquanto as seções mais frias permanecem porosas e fracas. As placas são, portanto, cortadas em um nivelamento específico (normalmente melhor que 0,01 mm) e aquecidas usando fontes de energia de múltiplas zonas ou elementos de aquecimento resistivos adequadamente projetados. A 2.000 graus, o que é um feito de engenharia impressionante, a homogeneidade da temperatura ao longo da face da placa é geralmente mantida dentro de ±5 graus.

2. Distribuição uniforme de pressão
O carneiro hidráulico exerce uma força, mas são as placas que distribuem essa força uniformemente por toda a seção transversal da matriz. Se as superfícies da placa não estiverem precisamente niveladas e paralelas, a distribuição de pressão não será-uniforme. Isto significa que os componentes são mais espessos de um lado e mais finos do outro ou que possuem gradientes de densidade. Mesmo em altas temperaturas (acima de 1.500 graus), o grafite começa a se espalhar. As placas devem ser adequadamente espessas e de grafite de granulação fina de alta pureza que não distorcerá sob tensão. Algumas das prensas mais sofisticadas usam placas de grafite duras suportadas por um feltro de grafite mais macio e compatível ou um sistema hidráulico de múltiplos-pistãos para aumentar ainda mais a uniformidade da pressão.

3. Resistência a altos esforços térmicos e mecânicos
As placas são simultaneamente submetidas a fortes cargas compressivas e temperaturas severas. O aço seria macio e fluiria a 1.000 graus, bem antes da faixa necessária de 1.500 a 2.000 graus. O material usual é grafite espesso e de alta resistência (isotrópico ou grão fino). A grafite tem boa resistência ao choque térmico (aquecimento e resfriamento rápido sem quebrar), é quimicamente compatível com a maioria dos pós cerâmicos e mantém sua resistência à compressão em 2.500 graus. Em algumas aplicações específicas onde é necessária uma atmosfera de pureza muito alta ou sem carbono, metais refratários como tungstênio ou molibdênio são utilizados para as placas, embora sejam mais caros e menos resistentes à oxidação-.

4. Fornecendo um ambiente limpo, reativo-livre
As cerâmicas técnicas são quase sempre prensadas a quente sob vácuo (geralmente 10-2 a 10-4 mbar) ou atmosfera de gás inerte (argônio, nitrogênio). Isto inibe a oxidação do pó cerâmico e das placas de grafite. O oxigênio em altas temperaturas queimaria o grafite rapidamente e danificaria a maioria das cerâmicas não-óxidos. A matriz ou a cerâmica não devem reagir com as próprias placas. Devido à inércia do grafite de alta pureza em relação a carbonetos, nitretos e óxidos em temperaturas de processo, ele é o material ideal para a placa.

Projeto e preparação de placa aquecida de grafite
As placas de grafite não são esculpidas em um bloco de grafite. Eles são componentes projetados com precisão. Os parâmetros típicos são:

Material: grão fino-(<10 μm), high bulk density (>1,8 g/cm³), grafite, moldado isostático ou vibratório. A alta densidade aumenta a condutividade térmica, a resistência mecânica e a resistência à erosão.

Planicidade: Planicidade da superfície em toda a face da placa Menor ou igual a 0,01 mm. Isso geralmente é realizado por retificação de diamante após um recozimento de alívio de tensão em alta temperatura.

Paralelismo: As faces das placas superiores e inferiores são retificadas paralelamente dentro de menos ou igual a 0,02 mm.

Revestimento de superfície (opcional): Algumas placas são revestidas com uma fina camada de grafite pirolítica ou metal duro refratário (por exemplo, TaC, NbC) para reduzir o desgaste, evitar a aderência da matriz e prolongar a vida útil.

Canais de resfriamento (integrados): Quando as placas precisam ser resfriadas rapidamente após o ciclo de prensagem, canais internos são usinados nos blocos de grafite através dos quais um gás inerte (por exemplo, hélio ou argônio) é bombeado. Porém deve-se ter cuidado no resfriamento para evitar choque térmico.

Novas placas de grafite são geralmente “cozidas” antes do primeiro uso em alta temperatura no vácuo para eliminar qualquer umidade absorvida ou contaminantes voláteis. Este procedimento de desgaseificação visa evitar a contaminação da cerâmica.

Nota de Processo: Resfriamento Controlado para Evitar Choque Térmico
A peça cerâmica criada a 1.500-2.000 graus deve ser resfriada até a temperatura ambiente. Essa fase-de resfriamento é tão importante quanto a pressão em si. As cerâmicas técnicas, especialmente os não{6}}óxidos (carboneto de silício, carboneto de boro), são frágeis e têm uma condutividade térmica limitada. Se o resfriamento for rápido ou irregular, são criadas tensões térmicas internas que podem fazer com que a peça se quebre espontaneamente - muitas vezes de forma violenta - ao sair da prensa.

Portanto, no final do ciclo de prensagem, a energia fornecida às placas aquecidas é reduzida lentamente seguindo um perfil de resfriamento-programado. Um perfil comum pode ser diminuir a temperatura de 2.000 graus para 800 graus em 2-4 horas e depois deixá-la esfriar naturalmente na atmosfera inerte. As próprias placas devem esfriar uniformemente. A grafite ajuda com sua condutividade térmica relativamente alta (aproximadamente . 50-100 W/mk em altas temperaturas, dependendo do grau), mas a taxa de resfriamento ainda é restrita pelas qualidades da cerâmica. Algumas prensas a quente possuem um sistema de resfriamento ativo que bombeia gás inerte através dos canais da placa, mas a vazão é cuidadosamente controlada para evitar gradiente de calor na face da placa.

Cerâmicas diferentes, designs de placas diferentes
As condições de prensagem a quente são variáveis ​​para diferentes cerâmicas técnicas. Consequentemente, as placas aquecidas são adaptadas:

Cerâmica|Temperatura típica de prensagem a quente|Material da placa|Considerações Especiais
Carbeto de silício (SiC) Grafite de 1800-2100 graus Temperatura muito alta É necessária grafite de pureza muito alta Freqüentemente, uma camada de grafite pirolítica é usada para evitar interação com vapores de SiC
Alumina (Al2O3) 1400–1600 graus Grafite ou molibdênioPode ser prensado em vácuo ou gás inerte. Molibdênio quando a contaminação por carbono deve ser evitada
Carboneto de boro (B₄C) 2.000–2.200 graus Grafite Temperatura extrema; grafite especial de alta-densidade e granulação-fina é necessário; resfriamento muito lento-
Nitreto de silício (Si3N4) 1700-1850 graus Grafite Normalmente, uma camada de pó ou folha (por exemplo, camada de liberação de BN) é usada para evitar a aderência do componente à placa ou matriz
Diboreto de zircônio (ZrB 2 ) 1900-2100 graus Grafite (coberto com TaC) Muito reativo, requer um revestimento protetor de carboneto na superfície da placa
Por que a prensagem a quente é melhor do que outros métodos de formação de cerâmica?
Em comparação com a sinterização sem pressão ou a prensagem isostática a quente (HIP), a prensagem a quente com placas aquecidas proporciona:

Higher Density: Hot pressing gives you >Densidade teórica de 99,5% e em menos tempo.

Tamanho de grão fino. A sinterização sob pressão permite a sinterização a uma temperatura mais baixa do que a sinterização sem pressão, dando origem a grãos menores e melhores características mecânicas.

Formato quase-refeito: a peça cerâmica é produzida diretamente na matriz, de modo que é necessária muito pouca usinagem após a prensagem (o que é difícil e caro para cerâmicas duras).

Propriedades uniformes: uma combinação de pressão uniaxial e aquecimento uniforme resulta em propriedades isotrópicas ou quase-isotrópicas, dependendo do material e das condições de prensagem.

Mas a prensagem a quente é restrita a formas comparativamente simples (cilindros, blocos, placas) e é mais cara em despesas com ferramentas do que a sinterização sem pressão. Para formas mais complexas, pode ser necessário algum outro procedimento, por exemplo, moldagem por injeção e depois sinterização.

Considerações operacionais e de segurança
Ao trabalhar com placas aquecidas a 2.000 graus dentro da câmara de vácuo, medidas de segurança devem ser tomadas:

Oxidação de grafite: Se o aspirador for perdido ou o fornecimento de gás inerte falhar, a grafite quente irá inflamar-se no ar a temperaturas superiores a 400 graus, queimando rapidamente e libertando calor extremo. Se entrar oxigênio, os intertravamentos automáticos desligam a energia e lavam a câmara com gás inerte.

Radiação térmica. As placas em chamas irradiam fortemente no infravermelho-. Filtros de proteção são montados nas viewports. Os operadores nunca olham diretamente para a zona quente sem proteção para os olhos.

Choque térmico de grafite Rachaduras em placas de grafite com resfriamento rápido Placas grandes têm baixas taxas de resfriamento-inferiores ou iguais a 50 graus/minuto e normalmente muito mais lentas.

Perigos de morte e pólvora: Alguns pós cerâmicos (por exemplo, óxido de berílio, óxido de tório) são venenosos. A prensagem a quente desses materiais é feita em compartimentos-de luvas. O pó de grafite, mesmo quando “inerte”, pode representar um risco elétrico quando se acumula.

CONCLUSÃO: As superfícies mais niveladas, mais poderosas e mais quentes
A placa aquecida é o auge em ferramentas de forjamento-de alta temperatura, transformando um pó cinza solto nos componentes cerâmicos mais avançados-que salvam vidas na Terra. Eles variam de placas de blindagem que impedem tiros de rifle, a ferramentas de corte que usinam superligas, a cúpulas de mísseis que sobrevivem a voos supersônicos, a esferas de rolamento que funcionam sem lubrificação-todas nascidas nas superfícies mais quentes, mais fortes e mais planas-as placas de grafite brilhantes de um forno de prensagem a quente. O procedimento requer temperaturas muito altas (> 1.500 C), pressão uniforme e um vácuo limpo ou atmosfera inerte. 2). O design de cada elemento do sistema de placa aquecida, desde o grau de grafite de granulação fina- até a planicidade de nível de mícron- até o perfil de resfriamento-controlado, é otimizado para produzir uma cerâmica-livre de defeitos, totalmente densa e de alto desempenho. Ao lidar com materiais sofisticados, os produtos mais duros são formados nos equipamentos mais duros e mais quentes – as placas aquecidas de uma prensa quente.