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Cerâmica técnica na prática - Parafusos cerâmicos, rolamentos cerâmicos e rolamentos híbridos

As cerâmicas técnicas são cerâmicas utilizadas em aplicações técnicas especializadas. Devido às suas propriedades especiais, como a resistência a altas temperaturas e a produtos químicos, são muitas vezes a melhor escolha em determinadas aplicações do que os componentes feitos de metal, por exemplo. Este artigo mostra algumas das possíveis aplicações e discute a composição material e a produção de cerâmica técnica.

O que são cerâmicas técnicas?

As cerâmicas técnicas, também chamadas cerâmicas especiais ou cerâmicas de alto desempenho, são otimizadas para aplicações técnicas. Diferem das cerâmicas convencionais, por exemplo, pela pureza, processos de forno e tamanho de grão tolerado.

Padronização de cerâmica técnica

As cerâmicas técnicas estão sujeitas a várias normas. Por exemplo, existem as seguintes normas para cerâmica óxido:

DIN EN 60672: Define a classificação do grupo, os termos e os procedimentos de teste. Requisitos mínimos para propriedades, como resistência à dobragem, também são especificados.
DIN 40680: Define tolerâncias gerais para componentes cerâmicos no campo da engenharia elétrica.
DIN EN 14232: Lida com cerâmica de alto desempenho e lista termos, incluindo definições.
ISO 15165: Contém um sistema de classificação cerâmica de alto desempenho.

Alguns métodos de teste também são padronizados. A norma DIN EN 725 contém, por exemplo, especificações para impurezas e densidade, entre outras coisas para pós cerâmicos de alto desempenho.

Materiais para cerâmica técnica

Cerâmica é um termo genérico para vários materiais inorgânicos, não metálicos. Como regra geral, uma mistura de pó cerâmico, ligante orgânico e líquido é usada para gerar um composto bruto, que deve então ser curado (por exemplo, em um processo de sinterização em altas temperaturas). As cerâmicas podem ser divididas em três categorias principais: cerâmica de barro, cerâmica sinterizada e compostos cerâmicos especiais. As cerâmicas técnicas são um dos compostos cerâmicos para fins especiais. Em geral, as cerâmicas técnicas podem ser subdivididas em cerâmicas oxídicas e não oxídicas, em que as cerâmicas oxídicas, como o óxido de alumínio, são utilizadas com maior frequência. As cerâmicas oxídicas consistem em óxidos metálicos e caraterizam-se pela estabilidade química, resistência e capacidade de isolamento elétrico. As cerâmicas não oxídicas apresentam uma elevada resistência ao desgaste (resistência à abrasão), possivelmente melhor condutividade térmica e resistência à carga mecânica. São ainda divididos em:

Cerâmica de nitrido: As cerâmicas de nitreto contêm nitrogénio. O nitreto de silício, por exemplo, tem alta resistência a choques térmicos e alta resistência a desgaste. Boritride tem boa lubricidade.
Cerâmica de carboneto: As cerâmicas de carboneto contêm carbono. São particularmente duras, com carboneto de boro como um dos materiais mais duros. O carboneto de silício tem um ponto de fusão elevado (aprox. 2700 °C) e é quimicamente estável.
Cerâmica de sílica: As cerâmicas de sílica são baseadas em dióxido de silício. Exemplos incluem porcelana e esteatite. O esteatite tem boas propriedades dielétricas e é frequentemente utilizado como isolante em engenharia elétrica.

A tabela seguinte fornece uma visão geral da classificação dos diferentes tipos de cerâmica:

Classificação de cerâmica
Cerâmica
Cerâmica de pedra				Material cerâmico sinterizado				Compostos cerâmicos especializados, por exemplo, compostos especializados eletrotécnicos e de alta temperatura
Cerâmica de construção	Cerâmica à prova de fogo	Loiça de pedra diversa		Loiça de pedra		Porcelana		Cerâmica técnica (cerâmica de silicato/cerâmica de óxido/cerâmica não óxido)
Tijolos, telhas, etc.	Pedras Schamoth, magnesite, etc.	Loiça de pedra	Olaria	Loiça de pedra grossa	Loiça de pedra em porcelana	Porcelana dura	Porcelana suave	Cerâmica técnica tradicional	Cerâmica de alto desempenho
		Utensílios de mesa, etc. Ladrilhos	Jarros de flores, terracota, etc.	Clinkers, azulejos, tubos de esgoto, etc.	Azulejos, louça, artigos sanitários, equipamento químico, etc.	Pratos domésticos e decorativos	preferido para plásticos decorativos	Porcelana química, cerâmica resistente ao fogo, isoladores	Cerâmica funcional	Cerâmica estrutural e de engenharia
									Sensor e cerâmica de proteção, cerâmica bio e médica, eletrocerâmica, cerâmica de corte	Peças carregadas mecanicamente com elevada dureza e resistência ao desgaste, tais como: vedantes, rolamentos, buchas, componentes estruturais

Processos de fabrico para cerâmica técnica

Existem vários processos de fabrico de cerâmica técnica. A prensagem isostática quente (HIP), também chamada de sinterização de alta pressão, é usada para fabricar cerâmicas com densidade muito alta e porosidade baixa.

No entanto, também é possível imprimir componentes feitos de cerâmica técnica diretamente numa impressora. O processo LCM (fabrico cerâmico à base de litografia), por exemplo, utiliza um monómero sensível aos raios UV e um pó cerâmico como matéria-prima. O processo LDM (modelação por deposição líquida) consiste em humedecer e compactar a matéria-prima cerâmica e, em seguida, aplicar esta última camada por camada utilizando uma impressora.

Propriedades da cerâmica técnica

As propriedades da cerâmica técnica fazem delas a escolha preferida em aplicações especializadas. Devido à sua resistência a altas temperaturas, são adequados para uso em aplicações de alta temperatura, como geração de energia. Não perdem a sua integridade estrutural quando aquecidos. As cerâmicas técnicas também são quimicamente mais resistentes do que outros materiais, uma vez que podem ser quimicamente inertes.

No entanto, a elevada dureza e densidade da cerâmica é acompanhada de resistência reduzida na ruptura, a qual deve ser tida em consideração no desenho:

arestas afiadas, cantos e entalhes devem ser evitados ou, pelo menos, minimizados. Estes podem levar a rachas e tensões. As extremidades arredondadas podem, por exemplo, ser utilizadas.
Devem evitar-se cortes excessivamente apertados, pois também podem provocar rachas.
Ao perfurar, deve ser utilizado um raio suficientemente grande para evitar tensões.
As cerâmicas técnicas isolam a energia elétrica de forma muito eficaz. A sua utilização pode ter de ser evitada se tal não for desejado.

As tabelas seguintes fornecem uma visão geral de várias propriedades de cerâmicas técnicas, em particular óxidos de alumínio, juntamente com uma comparação com outros materiais:

Propriedades da cerâmica de engenharia
Materiais	Cor	Propriedades
		Temperatura ambiente segura (°C)	Resistência específica do volume (Ω * cm)	Resistência à flexão Mpa
Óxido de alumínio 92 / Al₂O₃ 92 %	branco	~ 1200	> 10¹⁴	240~340
Al₂O₃ / óxido de alumínio 96 / Al₂O₃ 96 %	branco	~ 1300	> 10¹⁴	300
Al₂O₃ / óxido de alumínio 99 / Al₂O₃ 99.7 %	cores naturais	~ 1500	> 10¹⁵	340
Óxido de alumínio 99.5	branco	~ 1200	< 10¹⁴	490
Esteatit / SiO ₂, MgO	branco	~ 1000	> 10¹⁴	120
Cerâmica maquinável / SiO₂, MgO	cores naturais	~ 1000	> 10¹⁶	94

Propriedades	Unidade	Al₂O₃ / óxido de alumínio 99.5
Relação de absorção de água	%
Densidade	g/cm³	3.9
Resistência ao calor	℃	1000 ~ 1200
Força compressora	kN/cm²	363
Resistência à flexão	kN/cm²	49
Coeficiente linear de expansão térmica	-	8.0x10^-6 (25~700 ℃)
Condutividade térmica	W/(m x ℃)	31.4 (20 ℃) 16.0 (300 ℃)
Resistência de volume específico	Ω x cm	> 10¹⁴ (20 ℃) > 10¹⁴ (300℃)
Constante dielétrica	1 MHz	9.8
Resistência do isolamento	kV/mm	10
Propriedades físicas de Al₂O₃ (valores de referência representativos)

Propriedades da cerâmica em comparação com outros materiais
	Aço inoxidável 1.4301/X5CrNi18-10	Pino centralizador (KCF) (aço inoxidável com 5~10 μm revestimento feito de óxido de alumínio como camada isolante)	Cerâmica Al₂O₃	Nylon	Bakelite (à base de papel)	Bakelite (à base de tecido)
Resistência natural (Ω)	72x10^-6	2x10⁸	10¹⁴	5x10¹²	10¹⁰	10¹²
Tensão de avaria (V)	-	150	10⁴	1.9x10⁴	-	-
Resistência lacrimal (MPa)	520	421	-	88	80	100
Expansão (%)	40	10	-	50	2	2
Resistência à flexão (MPa)	-	-	350	103	180	160
Dureza de Vickers (HV)	200	na ponta 1300 dentro de 200	1400	-	-	-
Propriedades de isolamento	❌	bom	excelente	excelente	excelente	excelente
Resistência ao calor	bom	bom	excelente	❌	questionável	questionável
Maquinabilidade	bom	bom	❌	bom	bom	bom

Utilização da cerâmica técnica

As cerâmicas técnicas são normalmente utilizadas para requisitos especializados. Como regra geral, os materiais cerâmicos são resistentes à corrosão e à temperatura, eletricamente isolantes e, ao mesmo tempo, relativamente leves, resistentes à compressão e ao desgaste. Se o aumento da fragilidade da cerâmica for tido em conta no design, a resistência mecânica da cerâmica de alto desempenho permite não só poupanças de peso e utilização a temperaturas mais elevadas, mas também menor geração de calor, redução de ruído de funcionamento e vida útil mais longa nos rolamentos. Peças padrão, como parafusos e anilhas, também estão disponíveis em cerâmica técnica.

Rolamentos cerâmicos e híbridos

Os rolamentos cerâmicos são resistentes a químicos e são adequados para aplicações de funcionamento a seco sem lubrificação. Graças às excelentes propriedades de rolamento dos corpos dos rolos de cerâmica, são extremamente adequados para velocidades de rotação elevadas. Os rolamentos totalmente em cerâmica não enferrujam e não podem ser influenciados por campos magnéticos, mas são suscetíveis a choques e tensões. As aplicações incluem, por exemplo, equipamento de limpeza, equipamento de galvanização e gravação.

Os rolamentos de cerâmica estão disponíveis como rolamentos totalmente de cerâmica e híbridos. Os elementos de rolamento feitos de cerâmica de alto desempenho e também os anéis de rolamento feitos de aço de rolamento são instalados em rolamentos híbridos. Como resultado, um rolamento híbrido combina os benefícios de ambos os materiais, melhorando assim o desempenho. Os rolamentos híbridos são adequados para utilização a velocidades de rotação elevadas e em condições de lubrificação difíceis. Recomenda-se também a utilização de rolamentos híbridos e cerâmicos a temperaturas elevadas até 1000 °C, em ambientes indutores de corrosão, em construção leve (até 60% mais leve do que os rolamentos de aço) e quando é necessário isolamento elétrico. No entanto, quando são utilizados rolamentos de cerâmica, é importante notar que estes expandem-se em menor extensão do que, por exemplo, rolamentos de aço. Se forem especificados designs expostos a influências de alta temperatura para a utilização de rolamentos de cerâmica, estes não podem ser prontamente substituídos por rolamentos de aço.

Parafusos cerâmicos

Além das propriedades acima mencionadas para cerâmica em geral, os parafusos cerâmicos também são particularmente convincentes devido às seguintes propriedades: isolamento elétrico, não magnético e leve, que os diferencia dos parafusos metálicos. Podem ser utilizados, por exemplo, em montagens eletrónicas ou em aplicações para as quais a interferência magnética é indesejável (por exemplo, também eletrónica, equipamento médico).

Os botões estão, por exemplo, disponíveis nas seguintes variantes:

Parafusos em zircónio: muito duros, resistentes ao desgaste e ao choque térmico
Parafusos de óxido de alumínio: muito duros, resistentes à temperatura
Parafusos de nitreto de silício: especialmente leves devido à baixa densidade

Instruções de instalação

As seguintes notas devem ser observadas para garantir que o componente cerâmico é incorporado o melhor possível no design:

Os componentes fabricados em cerâmica são muito suscetíveis a choques; por conseguinte, deve ter-se especial cuidado durante a instalação.
Os parafusos cerâmicos devem ser sempre apertados com torque. São mais frágeis do que os parafusos metálicos, pelo que o binário deve ser inferior, por exemplo, 0,04 para M3, 0,05 para M4, 0,30 para M8 e 0,50 para M10.
As anilhas são recomendadas para uma melhor distribuição da carga.
O alinhamento é particularmente importante para os rolamentos de roletes: Cargas desiguais podem levar a falhas prematuras.