Diagramas de equilíbrio entre cerâmicas

Introdução: Como os materiais cerâmicos não são fabricados por fusão, nem sofrem deformação a altas temperaturas a importância dos diagramas é limitada quando comparada aos metais, no entanto para

os cerâmicos refratários e em alguns casos específicos como em misturas de materiais cerâmicos podem ser importantes

• Assim como os metais a maioria dos materiais cerâmicos não são puros contém impurezas ou adições que resultam em soluções sólidas fases não cristalinas ou fases multi-cristalinas.

• Pode-se determinar:• T fusão de cada composto puro.• Influência na T fusão quando dois

compostos são misturados• A presença ou não e o grau de soluções

sólidas • Interações de dois compostos formando

outros compostos (SiO2 + Al2O3 formando a mulita 3 Al2O3.2 SiO2 )

• T onde ocorre troca de estrutura cristalina – polimorfismo

• A quantidade e a composição das fases para determinada temperatura e composição

• Determinar parâmetros e variáveis para a sinterização.

Diagrama de equilíbrio isomorfo Cr2O3 + Al2O3

• Forma uma solução sólida completa pois:

• Os 2 íons são semelhantes no tamanho (0,53 Å Al+3 e 0,62 Å o Cr+3)

• Possuem mesma valência (não causa desbalanço da eletroneutralidade do composto)

• Possuem mesma estrutura atômica Oxigênio Hexagonal compacto com cátions ocupando 2/3 dos vazios octaédricos

• MgO e NiO tem o mesmo tipo de diagrama pelas mesmas razões apresentadas no slide anterior

Diagrama de equilíbrio MgO + Al2O3

• Solubilidade parcial no estado sólido

• Possui um composto intermediário(fase) chamado espinel MgAl2O4 que apesar de ser um composto não é representado por uma reta pois ele é estável sem ser estequiométrico por uma faixa de composições (estequiometria 73% em peso de Al2O3 , 27% de MgO 50% em mol de cada um)

• Espinel é utilizado como refratário funde a 2100ºC.

• Apresenta dois pontos eutéticos

Diagrama de equilíbrio ZrO2 + CaO• Diagrama vai até 31% em peso de CaO

(50% mol) que corresponde a composição do ZrCaO3.

• O ZrO2 apresenta 3 estruturas cristalinas Tetragonal Monoclínica e cúbica

• A transformação de tetragonal para monoclínica, que ocorre a 1150ºC vem acompanhada de uma variação volumétrica de 5% (expansão) que causa fissuras no processamento

• Esse problema é superado pela adição de 3 a 7% de CaO, pois nas velocidades normais de resfriamento a sol. Sólida monoclínica e o composto CaZr4O9 preditos pelo diagrama não se formam, sendo as fases cúbicas e tetragonal do ZrO2 retidas (P.S.Z. partially stabilized Zirconia) A zirconia P.S.Z. se transforma para monoclínica na presença de tensões.

• Maiores teores de CaO (7% a 12%) somente a fase cúbica da Zirconia é retida e ela é chamada de zirconia completamente estabilizada (T.S.Z. – zircônia totalmente estabilizada). A zirconia T.S.Z. não se transforma para monoclínica na presença de tensõesA ítria (Y2O3) e a magnésia (MgO) também são usadas como estabilizantes da ZrO2.

Diagrama de equilíbrio SIO2 e Al2O3

• Grande importância comercial pois são os principais constituintes de muitos refratários

• Forma estável da sílica nessas temperaturas é a cristobalita

• Formação de um composto intermediário chamado mulita 3Al2O3 2SiO2 72% em peso de Al2O3 e funde a 1890ºC

• Tem um eutético a 1587ºC e 7,7% em peso de Al2O3.

Noções de refratários

• Propriedades dos refratários:• Resistir a altas temperaturas sem fundir ou decompor• Permanecer não reativo e inerte em presença de meios e

temperaturas severas• Promover isolamento térmico• Aplicações:• Revestimento de fornos • Revestimento de cadinhos• Revestimento de panelas para refino de metais • Fabricação de vidros • Tratamentos térmicos

Tipos de refratários: Argila refratária

• sílico-aluminosos: de 25 a 40% de Al2O3. + SiO2

• T máx. 1587ºC sem líquido em equilíbrio, mas admite-se pequena quantidade de líquido presente durante seu uso sem comprometer a integridade mecânica.

• Logo a Tmáx dependerá do % de Al2O3 presente,

pois quanto mais Al2O3

presente menor a quantidade de líquido pra mesma T.

Tipos de refratários: Base de sílica (refratários ácidos)

• Tmáx de uso, 1650ºC sendo que pequeno percentual do tijolo estará na forma líquida.

• Nesses refratários o teos de Al2O3. é considerado uma impureza pois aumenta o percentual de líquido presente reduzindo a temperatura máx de emprego. Faz a mistura cerâmica se aproximar do ponto eutético.

Tipos de refratários: Básicos

• São ricos em MgO (magnésia ou periclásio)

• A presença de sílica é prejudicial em altas temperaturas.por razões semelhantes à presença de alumina nos a base de sílica.

• Substitui o refratário ácido (a base de sílica) quando a escória do aço é básica.

Refratários especiais

• Maior temperatura de utilização,mais resistentes à ataque químico, mas mais caros

• Alumina: Al2O3

• Berília: BeO

• Zircônia: ZrO2

• Carbeto de silício: SiC

• Grafite

Características dos refratários• T máx em serviço é inferior à temperatura de

sinterização• São empregadas partículas maiores e menores na

mistura sendo que as menores funcionam como um ligante das maiores durante a sinterização sendo portanto responsáveis pela resistência mecânica do refratário.

• Porosidade deve ser controlada: Grande porosidade maior isolamento térmico e maior resistência ao choque térmico mas menor resistência mecânica e menor resistência ao ataque químico. A porosidade ótima dependerá das condições do serviço.

• É comum se utilizar o mesmo refratário mas com teores de porosidade diferentes no mesmo equipamento.

Composição de alguns refratários