BRPI0309054B1 - pós de cromia-alumina para pulverização - Google Patents

Abstract

"pós de cromia-alumina para pulverização e processo para a fabricação dos mesmos". a presente invenção refere-se a partículas úteis de modo específico para a pulverização térmica de um revestimento resistente ao desgaste sobre um substrato que compreende uma estrutura cristalina essencialmente de fase única compreender de 45 até 100% por peso de cromia e de o até 55% empeso de alfa alumina.

Description

PÓS DE CROMIA-ALUMINA PARA PULVERIZAÇÃO O presente relatório de Patente de Invenção se refere a pós de cromia-alumina para pulverização, na produção de revestimentos pulverizados de forma térmica sobre substratos.

A E bastante conhecido que a colocação de um revestimento pulverizado de cromia sobre um substrato, que é de modo usual um metal, confere um melhoramento bastante significativo com relação à dureza e resistência ao desgaste da superfície. Por essa razão são quase sempre supridos os revestimentos de cromia sobre cilindros de gravação em relevo ou cilindros de rotogravura, revestimentos de cromia são usados em muitas peças que são submetidas a desgaste tais como corpos de bombas, eixos, cilindros e cilindros de impressão. Essas peças podem ser usadas como pulverizadas ou podem ser submetidas a um processo de acabamento subsequente, como esmerilhação, sobreposição ou polimento. Os cilindros para impressão são ainda processados de modo usual através de gravação a laser para produzir um padrão de células que são úteis para o transporte da tinta. Os revestimentos podem ser aplicados através de uma quantidade de técnicas, porém a técnica usada de forma mais freqüente é baseada no uso de um processo de pulverização térmica no qual partículas de cerâmica são injetadas dentro de um jato de plasma direcionado na direção do substrato. O calor do jato de plasma funde as partículas de cerâmica e faz com que as mesmas, na ocasião do impacto com o substrato, formem uma camada de cerâmica com um elevado grau de uniformidade e de integridade que é capaz de proteger o substrato sobre o qual ela é revestida, dando ao substrato as características de dureza de superfície e de desgaste da cerâmica com o qual ele está revestido.

Existe, no entanto, o inconveniente de que, na ocasião da pulverização térmica de um pó de cromia sobre um substrato, uma parte da cromia entra em reação com o oxigênio e impurezas na cromia produzem compostos de cromo hexavalentes bastante tóxicos. Os compostos de cromo hexavalentes são formados em temperaturas elevadas tais como as que são usadas na pulverização térmica de pós de cerâmica e parecem ser formados na chama e, de modo especial, nas partes externas da chama. O material nessa parte externa não é bastante aquecido para chegar à mesma temperatura, e não adere à superfície pulverizada no mesmo grau. O resultado é um elevado grau não desejado de óxidos de cromo hexavalentes no pó que não aderiu, mas que permanece para ser reciclado ou descartado, apresentando dessa forma um problema ambiental.

Em um experimento para determinar o grau desse efeito na quantidade de cromia hexavalente em um pó de cromia em uma pulverização térmica foi medido a 39 ppm e um revestimento desse pó pulverizado de forma térmica sobre um substrato exibiu uma concentração de 10 ppm. No entanto, quando foi analisado um excesso de pulverização a quantidade de cromia hexavalente variou entre 470 e 8800 ppm. A cromia (Cr203) se converte para o estado de hexavalente na presença de oxigênio em temperaturas acima de 1000°C, porém se reverte à cromia quando resfriada. No entanto, na presença de impurezas de um metal alcalino ou de um metal alcalino-terroso, ou determinadas outras impurezas conhecidas na técnica, a cromia forma compostos complexos que estabilizam a cromia no estado hexavalente.

Existe por esse motivo uma necessidade urgente com relação a um novo material para revestimento que não tenha a tendência dos pós para revestimento resistentes do desgaste, com base em cromia para oxidar o estado hexavalente quando usado em um processo de pulverização térmica e que não tenha a perda significativa de dureza e de resistência ao desgaste que caracteriza os revestimentos convencionais de cromia.

Devido à alfa alumina e à cromia (na forma usada neste relatório esse termo se refere de forma exclusiva ao estado de Cr203) terem a mesma estrutura de treliça de cristal hexagonal com os parâmetros da treliça que não são muito dissimilares, é sabido que as estruturas de cristal que incorporam ambas as espécies são bastante estáveis. Os óxidos são considerados como sendo "solúveis" um com o outro no sentido de que cada um pode ocupar a mesma posição na treliça cristalina hexagonal do outro formando uma solução sólida. Foi descoberto agora que a alumina é muito eficaz para a inibição da formação das espécies hexavalentes da cromia, de modo especial na ausência substancial de espécies de metal alcalino e de metal alcalino-terroso que são consideradas como promotoras da formação de tal produto não desejado. No entanto, também é possível inibir a formação da cromia hexavalente através da utilização de uma fonte de cromia que contenha quantidades mínimas de estabilizadores para a cromia hexavalente. A invenção por esse motivo compreende um pó que pode ser pulverizado de forma térmica essencialmente de fase única que compreende a partir de 45 até 99% de cromia, e de forma correspondente de 1 até 55% de alumina, todas as proporções sendo por peso, e menos do que 200 ppm, e de preferência menos do que 50 ppm, de um ou mais estabilizadores para a cromia hexavalente. É ainda de mais preferência que, quando a óxido de alumínio está presente, pelo menos 90% da óxido de alumínio esteja na fase alfa uma vez que isso ocasiona menos não homogeneidades de treliça na estrutura de cristal da cromia/alumina. Desse modo, a frase "uma fase essencialmente única" quando usada neste relatório para se referir ao pó de acordo com a invenção permite a presença de alumina em outras fases que não a fase alfa em uma quantidade que seja de menos do que 10% do peso da alumina no pó.

Os metais alcalinos e os metais alcalino-terrosos são conhecidos como estabilizadores dos compostos de cromia hexavalentes, e embora esses compostos estejam quase sempre presentes em quantidades traço na cromia, eles são muito mais prevalentes na alfa alumina produzida através de técnicas convencionais. Nas aluminas convencionais, o sódio tende a ocorrer em quantidades maiores do que os outros óxidos de metal alcalino ou de metal alcalino-terroso. Em alguns casos foi provado ser vantajoso o processo ser iniciado com uma forma de precursor de alfa alumina tal como a gama alumina, kappa alumina, delta alumina, boemíta, triidrato de alumina e as misturas dos mesmos, tanto em conjunto ou com a própria alfa alumina. Essas formas precursoras podem quase sempre ser obtidas em um estado que tenha quantidades muito baixas de impurezas que levem à formação da cromia hexavalente. Tipicamente as quantidades de tais impurezas na boemita em comparação com uma alfa alumina muito pura são como se segue: óxido de sódio - 27 ppm no lugar de 50 ppm; magnésia - 22 ppm no lugar de 78 ppm; óxido de potássio - menos do que 1 ppm no lugar de 68 ppm; e cálcica - menos do que 1 ppm no lugar de 104 ppm. Desse modo se torna claro que o uso de boemita pode conferir benefícios significativos em termos da redução dessas espécies importunas estabilizando a cromia hexavalente. A boemita pode ser em seguida calcinada em conjunto com o pó de cromia para a produção do produto de cromia/alumina de fase única. Quando a boemita é utilizada, a qual sofre cerca de 28% de perda de peso quando da cale inação, a quantidade adicionada necessita ser ajustada de tal forma que as proporções de alfa alumina e cromia no produto acabado estejam na faixa desejada. 0 pó que pode ser pulverizado de forma térmica, de fase cristalina essencialmente única da invenção pode ser feito através de qualquer técnica de tratamento térmico adequada, tal como, por exemplo, através da fusão dos componentes através de fusão por arco elétrico, sinterizando em conjunto os pós dos componentes, misturando os precursores em um processo de sol-gel e em seguida segando e calcinando o gel, ou através da passagem dos mesmos através de um processo de fusão por plasma. No entanto, é quase sempre de preferência a produção do pó através da sinterização de uma mistura dos componentes na forma de pó em uma temperatura a partir de 1250 até 1500°C, e de preferência a partir de 1300 até 1450°C. De um modo geral é necessário um ciclo de calcinação (que inclui tempos de elevação convencionais, tempo de permanência na temperatura de calcinação e tempos de decida convencionais) de 10 até 40 horas, e de preferência de 15 até 30 horas. O tempo do ciclo para a calcinação depende grandemente da temperatura de calcinação, com temperaturas de calcinação mais baixas exigindo de um modo geral tempos de calcinação mais longos para serem conseguidos os resultados desejados.

Se o material de alimentação de alumina estiver na forma inicial de boemita, são quase sempre exigidas as temperaturas na extremidade mais elevadas da faixa para ser conseguida uma conversão completa para a forma alfa. Isso é essencial devido à somente a forma alfa ter a estrutura cristalina desejada que se iguala aquela da cromia. Deixando uma quantidade excessiva de alumina transitória (isto é, mais do que cerca de 10% do peso total da alumina) resulta em que o produto não tenha uma estrutura essencialmente cristalina de fase única. Além disso, se o tamanho da partícula da cromia for da mesma ordem de magnitude como o da alfa alumina ou mesmo maior, a facilidade da cromia para a absorção dentro da treliça da alumina é reduzida, e podem ser necessários tempos mais longos na temperatura de calcinaçao. A calcinaçao de uma mistura de pó é eficaz de forma específica quando o tamanho de partícula da alfa alumina é maior do que aquele da cromia, uma vez que as partículas menores de cromia têm uma tendência forte de serem absorvidas para dentro da treliça do cristal da alfa alumina para a produção de um material em forma de pó de fase cristalina única. Em um tal processo, as partículas de alumina podem ter um dj0 que é a partir de 5 até 20 vezes, e de preferência a partir de 2 até 15 vezes do d«> das partículas de cromia, isso, no entanto, não é essencial e é encontrado quando os tamanhos de partículas estão proporcionados na direção oposta, isto é, com as partículas de cromia tendo a faixa de tamanho maior, o processo também é eficaz. O controle da temperatura da calcinaçao e a duração do tempo de calcinaçao são um mecanismo eficaz para o controle do tamanho dos cristais de cromia/alumína que são produzidos. Dessa forma, tempos mais longos e temperaturas mais elevadas são cada um eficazes para o aumento do tamanho dos cristais a partir do tamanho submícron por pelo menos unia ordem de magnitude.

Quando um componente de alumina misturado com a cromia está na forma de boemita, o tamanho de partícula é tipicamente de cerca do mesmo como os da cromia ou mesmo menores, porém a aglomeração que ocorre quando da calcinaçao para a formação da alfa alumina pode quase sempre resultar na relação favorável de d50 descrita acima. A Figura 1 é um gráfico de barras que mostra a resistência ao desgaste de diversas amostras de revestimentos. A invenção será descrita a seguir com referência aos exemplos que se seguem, que são destinados a ilustrar os princípios da invenção e a aplicação dos mesmos para a produção de superfícies revestidas com boas propriedades de resistência ao desgaste.

Uma alfa alumina de alta pureza feita através de um processo de sol-gel foi analisada com relação ao seu teor de impurezas e foi descoberta como contendo o que se segue: óxido de sódio 50 ppm; magnésia 78 ppm; oxido de potássio 68 ppm; e cálcica 104 ppm. Foi obtido um pó dessa alfa alumina com uma distribuição de tamanho de partícula tal que o di0 foi de 5,08 micrômetros; o d50 foi de 16,08 micrômetros; e o d90 foi de 29,2 micrômetros. Esse pó foi misturado em seguida com partículas finas de cromia que tinham a seguinte distribuição de tamanho de partícula: djo 0,94 micrômetro; d50 1,77 micrômetro; e d90 4,44 micrômetros. Todas as medições dos tamanhos de partículas foram obtidas com a utilização de um sistema de medição Microtrac.

Esses pós foram em seguida misturados em uma proporção em peso de 50:50 e calcinados a uma temperatura de 1350°C com um ciclo de calcinação de aproximadamente 20 horas. No final desse tempo a distribuição do tamanho de partícula foi como se segue: di0 5,58 micrômetros; d5017,18 micrômetros; e d90 34,75 micrômetros.

Quando esse pó foi pulverizado de forma térmica sobre um substrato, ele foi achado como tendo uma porosidade de 5% que era a mesma como a que foi obtida quando o pó de cromia foi pulverizado de modo isolado. A dureza Vickers foi de 1183 kg/mm2 enquanto que aquela obtida somente com a cromia foi de 1257 kg/mm2.

Em outra amostra do pó de acordo com a invenção que compreendia alfa alumina e cromia em uma proporção em peso de 50:50 o pó teve um teor de 3 ppm da cromia hexavalente e o pó pulverizado em excesso continha 5 ppm da cromia hexavalente. A distribuição do tamanho de partícula foi como se segue: di014,78 micrômetros; d50 28,30 micrômetros; e d90 48,98 micrômetros.

As qualidades comparativas de resistência ao desgaste de quatro revestimentos pulverizados de forma térmica foram em seguida comparadas. O pó de acordo com a invenção compreendia uma mistura de alumina/cromia de uma única fase cristalina em uma proporção por peso de 50/50 (50A-C). Isso foi comparado com dois revestimentos obtidos com a utilização de cromia pura (Cl e C2) e um revestimento utilizando alfa alumina pura (A). Foi utilizado o método de teste estabelecido no teste de abrasão ASTM G65. O resultado aparece na Figura 1 e indica que o revestimento 50A-C foi mais resistente ao desgaste do que a alumina e foi somente ligeiramente pior do que aquele obtido com a utilização somente da cromia.

REIVINDICAÇÕES

Claims (4)

1. Pós de cromia-alumina para pulverização, caracterizado pelo fato de compreender de 45% a 99% de cromia e, de forma correspondente, de 1% a 55% de alfa alumina, todas as proporções sendo em peso, e menos do que 50 ppm de cada um dos metais alcalinos e metais alcalino-terrosos que estabilizam a cromia no estado hexavalente, no qual o pó é essencialmente de fase única, de tal forma que a alumina em outras fases, que não a fase alfa, não exceda a 10% em peso do total do teor de alumina.

2. Pós, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a proporção de alfa alumina é de 50 a 30% em peso.

3. Pós, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partículas têm um d50 de 5 a 200 micrômetros.

4. Pós, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é um pó de cromia-alumina.