Influência da temperatura de sinterização no desempenho de bolas de moagem cerâmica de zircônia

Desde a década de 1970, o professor Gavrie da Austrália descobriu o mecanismo de tenacidade das cerâmicas de zircônia, as cerâmicas de zircônia têm encontrado amplas aplicações em várias cerâmicas estruturais e funcionais. As bolas de moagem cerâmica de zircônia, como um produto altamente utilizado e versátil dentro da cerâmica de zircônia, são amplamente aplicadas em indústrias como cerâmica, materiais de construção, produtos químicos, revestimentos, eletrônicos, máquinas, alimentos, produtos farmacêuticos e cosméticos. Devido às excelentes propriedades da zircônia, incluindo alta dureza, alta resistência, alta tenacidade, resistência ao desgaste, resistência à corrosão e alta densidade, as bolas de moagem cerâmica de zircônia não são apenas amplamente utilizadas para moagem de cerâmicas de zircônia, mas também para outras aplicações, como pós cerâmicos eletrônicos, pós de materiais magnéticos, pós cerâmicos estruturais e funcionais de alta tecnologia, pigmentos cerâmicos diários e esmaltes, Revestimentos químicos, pós de polimento mecânico, produtos farmacêuticos e moagem de pós alimentícios, onde proporcionam efeitos incomparáveis de moagem e dispersão, reduzindo impurezas e melhorando a eficiência da moagem.

A sinterização é uma etapa crítica na produção de produtos cerâmicos, pois desempenha um papel significativo na determinação da microestrutura e propriedades de materiais cerâmicos. Durante a sinterização, as propriedades físicas e químicas dos corpos cerâmicos mudam, o que acaba influenciando o desempenho do produto final. Um dos parâmetros cruciais do processo durante a sinterização é a determinação da temperatura de sinterização. Este estudo enfoca o impacto da temperatura de sinterização na densidade e resistência ao desgaste de bolas de moagem cerâmica de zircônia laminada.

Preparação e Testes de Desempenho de Bolas de Moagem Cerâmica de Zircônia1.1 Preparação de Blanks de Bolas Cerâmicas de Zircônia Blanks de esferas de moagem cerâmica de zircônia foram preparados usando ZrO2 estabilizado com Y2O3 submicrométrico a 3% (fração molar) com tamanho médio de partícula de 3,75 μm como matéria-prima. Os blanks de esferas foram confeccionados usando um método de conformação de bolas. O processo de fabricação envolveu a colocação de uma certa quantidade de núcleos de esferas de zircônia pré-fabricados (com um tamanho menor que 0,5 mm) em um laminador e a rotação contínua a uma velocidade constante de 40 rpm. Uma solução aquosa de polivinil álcool a 0,3% foi pulverizada sobre as superfícies do núcleo da esfera, seguida da adição de pó de zircônia à mistura. Depois de rolar por 1 minuto para garantir a fixação firme do pó aos núcleos da esfera, o tamanho da esfera aumentou gradualmente para cerca de 7 mm. A pulverização foi interrompida e as bolas em branco foram roladas por aproximadamente 30 minutos para polir suas superfícies. Depois de parar a máquina, os blanks de bola de moagem cerâmica de zircônia resultantes eram lisos, redondos e de boa arredondamento. Os blanks foram deixados secar ao ar por 24 horas e, em seguida, completamente secos em estufa a 80°C. A densidade das bolas brancas secas foi calculada com base no volume total determinado medindo-se o diâmetro de dez bolas em branco e pesando-se seu peso total. A densidade calculada das bolas secas em branco foi de 4,29 g/cm³.

1.2 Processo de Sinterização para Blanks de Esferas de Zircônia Os blanks de Bolas de Zircônia Cerâmica foram divididos em quatro grupos, cada um submetido a diferentes processos de sinterização. O processo de sinterização envolveu aquecimento desde a temperatura ambiente até a temperatura de sinterização desejada, com taxa de aquecimento de 100°C/h. Quando a temperatura atingiu 1000°C, a taxa de aquecimento foi reduzida para 50°C/h, e as temperaturas de sinterização para os quatro grupos foram fixadas em 1450°C, 1500°C, 1550°C e 1600°C. As amostras foram então resfriadas no interior do forno para obtenção de esferas de moagem cerâmica de zircônia com diâmetro aproximado de 6 mm.

1.3 Ensaio das propriedades da esfera cerâmica de zircôniaMedição de densidade: A densidade volumétrica das bolas de moagem cerâmica de zircônia sinterizadas foi determinada medindo-se seu peso seco e peso em água usando uma balança com precisão de 0,0001 g. A densidade volumétrica das esferas cerâmicas resistentes ao desgaste foi calculada pelo método de Árquimedes.

Medida da taxa de abrasão: Aproximadamente 1 kg de bolas cerâmicas de zircônia de cada grupo foi selecionado para o teste de taxa de abrasão. Essas esferas foram colocadas em um recipiente de poliuretano com diâmetro interno de 220 mm e comprimento de 220 mm. Em seguida, foram adicionados 500 mL de água deionizada, e a mistura foi triturada a 60 rpm por 48 horas com moinho de bolas. Após o ensaio, as amostras foram lavadas com água, secas em estufa a 80°C e, em seguida, pesadas para calcular a taxa de abrasão, expressa em (m - mZ) / (m * 48), com unidades em 10^-6/h.

Resultados e DiscussãoImpacto da Temperatura de Sinterização na Densidade de Volume de Bolas de Moagem Cerâmica de Zircônia A Figura 1 mostra a variação na densidade volumétrica de bolas cerâmicas de zircônia preparadas pelo método de laminação e sinterizadas de acordo com o processo de sinterização especificado em função da temperatura de sinterização. É evidente que, à medida que a temperatura de sinterização aumentou, a densidade volumétrica das bolas de zircônia aumentou gradualmente. Entre 1500°C e 1550°C, houve um aumento acentuado na densidade volumétrica, enquanto entre 1450°C e 1500°C e entre 1550°C e 1600°C, a curva se achatou. Claramente, nas temperaturas de sinterização de 1450°C e 1500°C, as bolas cerâmicas de zircônia não sinterizaram e densificaram completamente, com densidades volumétricas em torno de 5,7-5,759 g/cm³. Após a sinterização a 1550°C, as bolas cerâmicas de zircônia exibiram um aumento significativo na densidade volumétrica, indicando substancial sinterização e densificação. A densidade volumétrica atingiu 5,919 g/cm³, o que representa aproximadamente 97,9% da densidade teórica (calculada como 6,109 g/cm³). A 1600°C, embora a densidade volumétrica tenha aumentado ligeiramente, a temperatura de sinterização excessivamente alta resultou em alguns grãos crescendo anormalmente (a influência das condições de processo na microestrutura de cerâmicas de zircônia será discutida em um artigo separado).

Como o tamanho de grão das cerâmicas de zircônia controla o potencial de estabilização da transformação da fase tetragonal para a fase monoclínica durante o resfriamento à temperatura ambiente, o crescimento excessivo de alguns grãos a 1600°C resulta em uma transformação de fase para a fase monoclínica, reduzindo o conteúdo de zircônia da fase tetragonal que contribui para a resistência ao desgaste à temperatura ambiente. Como resultado, a resistência ao desgaste diminuiu e a taxa de abrasão começou a aumentar.

Conclusão(1)Blanks cerâmicos de zircônia foram preparados usando o método de laminação, e esses blanks apresentaram superfícies lisas, boa arredondamento e alta densidade volumétrica. Densidades relativas volumétricas de aproximadamente 97% foram obtidas para as cerâmicas sinterizadas a 1550-1600°C.(2) A resistência ao desgaste das bolas cerâmicas de zircônia é influenciada principalmente pela densidade volumétrica e pelo teor de zircônia em fase tetragonal capaz de transformação de fase. Sob as condições deste experimento, bolas cerâmicas de zircônia fabricadas pelo método de laminação e sinterizadas a 1550°C exibiram excelente resistência ao desgaste, com taxa de abrasão de 2,6 x 10^-6/h.