1. 19º Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais – CBECiMat, 21 a 25 de novembro de 2010, Campos do Jordão, SP, Brasil
EFEITO DE PATAMARES DE QUEIMA NA DENSIFICAÇÃO E CRESCIMENTO DE
GRÃO DA ALUMINA
A. M Souza; A. L. Chinelatto; L. Hagy; A. S. A. Chinelatto
Av. Carlos Cavalcanti, 4748, Ponta Grossa, PR, 84030-900
anasouza@uepg.br
Departamento de Engenharia de Materiais – Universidade Estadual de Ponta
Grossa
RESUMO
A alumina é uma das cerâmicas mais utilizadas na indústria, devido a suas
propriedades. Entretanto, algumas propriedades, tais como a baixa tenacidade à
fratura, limita sua gama de aplicações estruturais. Com o intuito melhorar essa
propriedade vem sendo estudada várias maneiras de se controlar a microestrutura
dessas cerâmicas, buscando uma microestrutura homogênea e refinada. O controle
da curva de queima para manipular a microestrutura durante a sinterização é uma
maneira que vem sendo estudada e apresenta vantagens como simplicidade e
economia Nesse trabalho foi estudado o efeito da introdução de diferentes
patamares, durante a sinterização, na densificação e crescimento de grãos de uma
alumina. Para isso, o pó de alumina foi conformado por prensagem e foram feitas
diferentes curvas de sinterização, variando-se as temperaturas dos patamares. Após
sinterização, as amostras foram caracterizadas por medidas de densidade aparente
e de tamanho de grão. Observou-se que a utilização de patamares de queima afeta
a microestrutura final, alterando tanto a densificação quanto o crescimento de grão.
Palavras Chaves: alumina, sinterização, densificação, crescimento de grãos
INTRODUÇÃO:
A alumina é um dos cerâmicos mais utilizados como material estrutural. Entre
suas propriedades está o módulo de elasticidade elevado, alta refratariedade, alta
dureza, resistência ao ataque químico, alta resistência em altas e baixas
1859

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temperaturas e rigidez dielétrica alta. Entretanto, algumas propriedades, tais como
tenacidade à fratura baixa, limitam sua gama de aplicações estruturais. Por isto, com
o intuito melhorar as propriedades mecânicas tem sido muito estudado maneiras de
se controlar a microestrutura de cerâmicas de alumina, buscando uma
microestrutura homogênea e refinada, ou seja, livre de defeitos e com alta densidade
e pequeno tamanho de grão. [1,2].
Sinterização por plasma[3], sinterização sob pressão, sinterização por pulso
elétrico[4], são exemplos de técnicas que, quando utilizadas em condições
adequadas, mostram resultados favoráveis na produção de cerâmicas com tamanho
de grão controlado. Geralmente esses métodos apresentam várias limitações de
uso, além de necessitarem de equipamentos mais complexos e caros. Assim, a
sinterização sem pressão é ainda um método de sinterização mais desejável para se
produzir produtos de cerâmica, devido principalmente à sua simplicidade e custo,
quando comparada a outros métodos.
O controle da curva de queima para manipular a microestrutura durante a
sinterização é uma maneira que vem sendo estudada e apresenta vantagens como
simplicidade e economia.
A otimização da curva de queima do material vem sendo feita a partir da
adoção de patamares de queima a várias temperaturas. Vários trabalhos na
[5-8]
literatura mostram que, pré-tratamentos térmicos a baixas temperaturas, no qual
pouca ou nenhuma densificação ocorre, promovem melhorias sobre a densificação,
a microestrutura e as propriedades mecânicas da alumina.
Uma nova técnica de sinterização denominada de sinterização em duas
etapas (“two-steps sintering”) vem sendo utilizada com sucesso na sinterização de
algumas cerâmicas nanoestruturadas como: ZnO, TiO2, ZrO2, SiC, alumina dentre
[9-13]
outras . Essa nova técnica de sinterização inibe o crescimento acelerado dos
grãos que ocorre nos estágios finais de sinterização e consiste numa curva de
aquecimento em que o corpo cerâmico é submetido a um rápido pico de temperatura
seguindo-se o resfriamento ao patamar de sinterização. Com isso, tem-se a
densificação do material sem o característico crescimento de grão[9].
Este trabalho teve como objetivo verificar a influência da sinterização em
etapas na microestrutura de uma alumina comercial.
MATERIAIS E MÉTODOS
1860

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Para a realização deste trabalho, foi utilizada uma alumina comercial ultra fina
e de ultra-alta pureza (AKP-53, Sumitomo Chemical, Japão), com tamanho médio de
partículas especificado pelo fornecedor de 0,2µm.
Inicialmente a alumina foi desaglomerada em moinho de bolas, usando bolas
de zircônia de 5 mm de diâmetro, com uma relação de bola:material de 2:1 por 10
horas e, utilizando álcool isopropílico, com a adição de 0,2% em peso de
defloculante PABA e 0,5% em peso de lubrificante ácido oléico. Após a
desaglomeração, os pós foram conformados por prensagem uniaxial, em forma de
pastilhas e foram caracterizados pelas medidas de densidade a verde. Os corpos-
de-prova prensados foram sinterizados num forno elétrico Lindberg, sob diferentes
curvas de sinterização.
As condições das curvas de sinterização foram definidas visando maximizar a
densificação com o mínimo de crescimento de grãos. Para isso, foram planejadas
sinterizações em etapas, utilizando curvas de queima distintas. As temperaturas para
as diferentes curvas de queima foram escolhidas a partir da curva de taxa de
densificação e retração linear, obtida num dilatômetro marca Nestch.
Os corpos-de-prova foram caracterizados pelas medidas de densidade
aparente feita pelo método de Arquimedes e medidas de tamanho de grão e
distribuição de tamanho de grão.
A análise microestrutural das amostras sinterizadas foram feitas utilizando um
microscópio eletrônico de varredura SSX-550 Schimadzu e as medidas de tamanho
de grão foram feitas com auxílio de um programa de análise de imagens Image Pro
Plus 5.1.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A figura 1 apresenta a curva de taxa de densificação e retração linear versus
temperatura utilizada para a escolha das temperaturas de sinterização em etapas.
Pode-se observar nessa curva a temperatura em que se inicia a retração linear (em
torno de 1100oC) e a temperatura na qual a taxa de retração é máxima
(aproximadamente 1345oC).
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2
o
1100 C
0 0,0
-2
-0,2
-4
dL/L0dt (%/min)
-6 -0,4
dL/L0(%)
-8
-0,6
-10
-12
-0,8
-14 o
1345 C
-16 -1,0
200 400 600 800 1000 1200 1400
o
Temperatura ( C)
Fig. 1. Retração linear e taxa de retração em função da temperatura para a alumina
sinterizada com uma taxa de aquecimento constante de 15oC/min até 1500oC.
As condições escolhidas para as sinterizações em etapas são apresentadas
na tabela 1. Para a escolha das temperaturas de tratamentos térmicos das
condições 1, 2 e 3 assumiu-se que uma sinterização com máxima densificação e
mínimo crescimento de grãos poderia ser possível através da maximização dos
processos de estreitamento da distribuição de tamanho de partículas num estágio de
pré-densificação e a densificação final poderia ser alcançada na temperatura de
máxima taxa de densificação. Assim, para o primeiro patamar foi adotada uma
temperatura ligeiramente abaixo daquela de início do processo de retração linear
(T=1050oC) e o segundo patamar foi feito na temperatura em que a taxa de retração
é máxima (1350oC). O tempo do tratamento isotérmico a 1050oC foi variado de 3 a 9
horas.
Tabela 1. Condições de sinterização
T1 t1 T2 t2
Condição 1 1050ºC 3h 1350ºC 3h
Condição 2 1050ºC 6h 1350ºC 3h
Condição 3 1050ºC 9h 1350ºC 3h
Condição 4 1400ºC 5min 1260ºC 3h
Condição 5 1400ºC 5min 1260ºC 6h
Condição 6 1400ºC 5min 1260ºC 9h
Já para as condições 4, 5 e 6, a escolha foi feita baseada na sinterização em
duas etapas proposta por Chen[10], que consiste numa curva de aquecimento em
que o corpo cerâmico é submetido a um rápido pico de temperatura seguindo-se o
resfriamento ao patamar de sinterização. Nessas condições, o tempo de patamar na
temperatura de sinterização de 1260oC variou de 3 a 9 horas.
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Os resultados de densidade relativa e tamanho médio de grão das amostras
sinterizadas com diferentes tempos de patamar a 1050oC (condições 1, 2 e 3) são
mostrados na figura 2. Observa-se que, com o aumento do tempo de patamar a
1050oC, ocorre um diminuição no tamanho médio de grão e um pequeno aumento
da densidade relativa. O aumento do tempo de patamar na temperatura abaixo do
início do processo de densificação (T=1050oC) também acarretou num menor desvio
de padrão dos tamanhos de grão, como apresentado na tabela 2. Esse valor pode
ser considerado como uma indicação de que o esperado estreitamento da
distribuição de tamanho de partículas foi obtido. Observa-se que quanto maior o
tempo de patamar, mais efetivo foi esse efeito.
460
94,4
455
densidade relativa (%DT)
94,3
tamanho de grão (nm)
450
445
94,2
440
94,1
435
430
94,0
425
densidade relativa
93,9 tamanho de grão
420
3 6 9
tempo (h)
Fig. 2. Densidade relativa e tamanho médio de grão das amostras sinterizadas com
diferentes tempos de patamar a 1050ºC (condições 1, 2 e 3).
De Jonghe e colaboradores [5-7] sugeriram que, durante o primeiro patamar,
os mecanismos de difusão superficial promovem o engrossamento da microestrutura
o que produz uma microestrutura mais uniforme por um processo de “ripening de
Ostwald”. Com isso tem-se a eliminação das partículas mais finas e o crescimento e
arredondamento das partículas coalescidas. O principal efeito do coalescimento é o
estreitamento da distribuição de tamanho de partículas e, consequentemente, há
menor diferença de curvatura entre as mesmas, resultando em menor crescimento
de grãos no estágio final de sinterização.
Tabela 2. Tamanho médio de grãos e desvio padrão dos tamanhos de grãos das
amostras sinterizadas nas diferentes condições
Desvio padrão do
Tamanho de grão médio (nm) tamanho de grão (nm)
Condição 1 457,8 39,5
Condição 2 435,5 18,2
Condição 3 422,6 17,1
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A figura 3 mostra as micrografias das amostras de alumina sinterizadas nas
condições 1, 2 e 3. Observa-se que as amostras ainda não estão totalmente
densificadas e que o tamanho de grão médio das amostras sinterizadas com
patamar de 9 horas (condição 3) é menor e mais homogêneo.
(a) (b)
(c)
Fig. 3. Micrografias das amostras de alumina sinterizadas: (a) condição 1 e (b)
condição 2 e (c) condição 3.
A figura 4 apresenta a variação da densidade relativa e do tamanho de grão
das amostras sinterizadas com diferentes patamares a 1260oC (condições 4, 5 e 6).
Nesse caso, observa-se que o aumento no tempo do patamar provoca um aumento
de densificação e também de tamanho de grão. Apesar do aumento na densidade
das amostras, estas são ainda bem baixas, em torno de 91 a 92%DT (densidade
teórica). O pré-requisito para que a densificação ocorra durante a segunda etapa de
sinterização é que os poros tornem-se subcríticos e instáveis. Para que isso ocorra,
na literatura, diferentes densidades em que este estágio é alcançado são
encontradas. Chen e Wang [9] determinaram que, para a ítria, essa densidade
deveria estar em torno de 75% DT. Bodisova [13] verificou que 75% TD não é
suficiente no caso do pó de alumina, sendo necessário atingir 92% TD antes da
segunda etapa de sinterização. No entanto, em outro estudo, Li e Ye [12] relataram
que, abaixo de 82% da densidade relativa, a alumina nanométrica poderia ser
densificada após patamares prolongados na segunda etapa. Diante disso, pode-se
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concluir que as condições utilizadas não foram as mais adequadas para provocar a
densificação dos pós de alumina estudados neste trabalho.
92,20 410
400
92,15
390
densidade relativa (%DT)
Tamanho de grão (nm)
92,10
380
92,05
370
92,00 360
91,95 350
densidade relativa
340
91,90 tamanho de grão
330
91,85
3 6 9
tempo (h)
Fig. 4. Densidade relativa e tamanho médio de grão das amostras sinterizadas com
diferentes tempos de patamar a 1260ºC (condições 4, 5 e 6).
CONCLUSÕES
Os patamares de sinterização a baixa temperatura, antes do início do
processo de densificação, foram eficientes em controlar o crescimento de grãos e
promover uma microestrutura mais homogênea. Quanto às sinterizações que foram
feitas de acordo com a proposta de sinterização em duas etapas de Chen, os
patamares utilizados não foram efetivos para promover a densificação da alumina.
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sintering of alumina with submicrometer grain size J. Am. Ceram. Soc., 90, 330-
332, 2007.
EFFECT OF STEPS SINTERING ON DENSIFICATION AND GRAIN GROWTH OF
ALUMINA
Alumina is one of the most used in the ceramics industry, due to its properties.
However, some properties, such as low fracture toughness, limit its range of
structural applications. Aiming to improve this property has been studied several
ways to control the microstructure of these ceramics, seeking a refined and
homogeneous microstructure. The firing curve control to manipulate the
microstructure during sintering is a way that has been studied and has advantages
such as simplicity and economy. This paper studied the effect of introducing different
steps, during sintering, in the densification and grain growth of an alumina. For this,
the alumina powder was conformed by pressing and were different sintering curves,
varying the temperature of the steps. After sintering, the samples were characterized
by apparent density and grain size. It was observed that the use of steps sintering
affects the final microstructure, altering both the densification and the growth of grain.
Keywords: alumina, sintering, densification, grain growth
1866