BRPI0318224B1

BRPI0318224B1 - componentes cerâmicos de carboneto de silício com camada de óxido, métodos para produzir os referidos componentes e de processamento de peças de cerâmica

Info

Publication number: BRPI0318224B1
Application number: BRPI0318224A
Authority: BR
Inventors: Raymond H. Bryden
Original assignee: Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2018-09-11
Also published as: EP2272812A3; AU2003266001A1; JP2006514912A; NO20054950L; JP4571588B2; MXPA05010190A; EP2272812A2; WO2004096733A1; EP1603851A1; BR0318224A

Abstract

"componentes cerâmicos de carboneto de silício com camada de óxido". a presente invenção refere-se a um componente cerâmico, incluindo um corpo cerâmico contendo carboneto de silício, e uma camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico, a camada de óxido contendo uma fase cristalina tendo cristais de formato anisotrópico compreendendo pelo menos um de alumina e um aluminossilicato.

Description

(54) Título: COMPONENTES CERÂMICOS DE CARBONETO DE SILÍCIO COM CAMADA DE ÓXIDO, MÉTODOS PARA PRODUZIR OS REFERIDOS COMPONENTES E DE PROCESSAMENTO DE PEÇAS DE CERÂMICA (51) Int.CI.: C04B 41/86 (30) Prioridade Unionista: 01/05/2003 US 60/467.013, 16/06/2003 US 60/478.876, 26/03/2003 US 60/458.505 (73) Titular(es): SAINT-GOBAIN CERAMICS & PLASTICS, INC.

(72) Inventor(es): RAYMOND H. BRYDEN (85) Data do Início da Fase Nacional: 26/09/2005

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COMPONENTES CERÂMICOS DE CARBONETO DE SILÍCIO COM CAMADA DE ÓXIDO, MÉTODOS PARA PRODUZIR OS REFERIDOS COMPONENTES E DE PROCESSAMENTO DE PEÇAS DE CERÂMICA.

Antecedentes - Referência Cruzada a Pedidos Correlatos

A presente invenção refere-se a um pedido de prioridade e o benefício das datas de depósito dos Pedidos de Patente Provisórios US N°s 60/458.505, 60/467.013 e 60/478.876, depositados em 26 de março de 2003,1 de maio de 2003 e 16 de junho de 2003, respectivamente.

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se de um modo geral a componentes cerâmicos, e em particular a componentes cerâmicos à base de carboneto de silício que têm utilidade específica em aplicações refratárias.

Descrição da Técnica Relacionada

Como já se sabe na área de processamento de cerâmica, corpos de cerâmica são tipicamente aquecidos ou cozidos a temperaturas relativamente altas, como da ordem de 1000°C ou mais. Estas operações de cozimento requerem o uso de materiais refratários e componentes refratários que são resistentes a tais altas temperaturas, e que mantêm a integridade estrutural não somente a temperaturas altas mas também com ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento durante a vida de serviço do forno ou da estufa. Estes componentes refratários incluem acessórios de forno ou estufa utilizados junto com peças de fixação ou suporte durante as operações de cozimento, bem como materiais de revestimento refratários e paredes estruturais definindo

2/19 a área de aquecimento do forno.

Materiais cerâmicos à base de carboneto de silício vêm sendo utilizados em aplicações refratárias por causa de suas várias propriedades à temperatura elevada, que incluem resistência à corrosão, resistência mecânica, resistência a choque térmico, condutividade térmica e outras propriedades. Entre os vários tipos de cerâmica à base de carboneto de silício, cerâmicas de carboneto de silício denso, tais como carboneto de silício sinterizado, carboneto de silício prensado a quente e carboneto de silício isostaticamente prensado à quente apresentam características particularmente robustas. No entanto, devido à complexidade de produção e aos custos associados com a fabricação de componentes de carboneto de silício altamente denso (tal como Hexoloy®), estes componentes não são extensamente usados como componentes refratários, e só são usados nas mais rigorosas condições de serviço. Por outro lado, materiais de carboneto de silício relativamente porosos e de custos reduzidos, tal como carboneto de silício ligado a nitreto (conhecido pelos acrônimos “NBSC” e “NSIC”) encontraram uso prático em aplicações refratárias.

O carboneto de silício ligado a nitreto tende a ser um material relativamente poroso, geralmente com uma porosidade na faixa de cerca de 10 a cerca de 15 por cento em volume. Esses compostos são produzidos a partir de uma massa não trabalhada contendo carboneto de silício e silício, e sinterização da massa não trabalhada em uma atmosfera contendo nitrogênio, à temperaturas da ordem de 1500°C. Embora o carboneto de silício ligado a nitreto tenha propriedades desejáveis a temperaturas elevadas,

3/19 infelizmente ele apresenta baixa resistência à oxidação quando usado em condições oxidantes, devido em parte a sua porosidade intrínseca. Esta característica particular era tratada no passado com o recozimento dos componentes de carboneto de silício ligado a nitreto em uma atmosfera oxidante para formar uma fina camada de óxido de sílica amorfa ou vítrea, que funciona para passivar e vedar a superfície externa do componente. No entanto, o presente inventor percebeu que a camada de passivação externa formada por um processo de oxidação não protege de forma adequada o componente contra o excesso de oxidação durante o uso, particularmente requerendo operações de cozimento, o que pode levar à ruptura prematura do componente. Já foram identificados vários mecanismos relacionados com a oxidação indesejada.

Antes de mais nada, durante o uso de tais componentes, a camada de passivação externa pode ser danificada, abrindo caminho para profunda oxidação. Além disso, mudanças de fase na camada de passivação podem causar esforços de tensão e subsequente início e propagação de rachaduras na camada. Ademais, a presença de vapor d'água pode causar a formação de empolamento ou bolhas na camada de passivação, levando à ruptura da camada de passivação e à oxidação indesejável do componente.

O estado da técnica revela também a existência do documento de patente JP 59227787, que se refere a um revestimento de sol de alumina na superfície de óxido de silício sinterizado e aquecimento em esfera oxidante. O documento de patente JP 7206556 descreve um material de revestimento para revestimento de superfície de um refratário baseado em carbono de

4/19 silício, em que o revestimento contém mulita e pó de alumina como materiais principais e apresenta uma espessura de 0,1 a 1,0mm. Ambos não apresentam, sugerem ou empregam o uso de Boro na camada de óxido.

O documento de patente US 6,143,239 descreve um material baseado em SiC, poroso e sinterizado, o qual é infiltrado com um ΑΙΟΟΗ-sol e é exposto a uma temperatura de 1400°C em que uma fase sólida cristalina ou parcialmente cristalina de mulita é formada. No entanto, a a oxidação não é realizada na presença de ío alumina, além de não apresentar tamanho submicrômico durante o tratamento. Este documento também não apresenta, sugere ou emprega o uso de Boro na camada de óxido.

Face ao estado da técnica de materiais refratários à base de carboneto de silício, e em particular componentes de carboneto de silício ligado a nitreto, são necessários na técnica componentes aperfeiçoados, particularmente componentes com maior resistência à oxidação no uso prático.

Sumário

De acordo com um aspecto da presente invenção, um componente cerâmico é formado de um corpo cerâmico e uma camada de óxido formada sobre o mesmo, o corpo cerâmico contendo carboneto de silício e a camada de óxido contendo uma fase amorfa e uma fase cristalina. A fase cristalina contém cristais de formato anisotrópico, formados de pelo menos um de alumina e um aluminossilicato.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico incluindo um corpo cerâmico contendo carboneto de silício ligado a nitreto, e uma

5/19 camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico. A camada de óxido contém vidro de borossilicato, que contém alumina.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico que é formado de um corpo de carboneto de silício ligado a nitreto, e uma camada de óxido rica em alumina provida sobre o corpo cerâmico. A camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico, tem uma fase amorfa e uma fase cristalina, e tem pelo menos 5% em peso mais alumina que o teor de alumina no corpo de carboneto de silício ío ligado a nitrato.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico que inclui um corpo cerâmico e uma camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico. O corpo cerâmico contém carboneto de silício, e a camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina. A alumina pode ter um tamanho de partícula relativamente fino (submicrônico).

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico que inclui um corpo cerâmico contendo carboneto de silício, e uma camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico. A camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina, a camada de óxido contendo uma fase amorfa e uma fase cristalina, a fase cristalina compreende cristais em forma de agulha.

De acordo com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico que inclui um corpo cerâmico e uma camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico. O corpo cerâmico contém carboneto de silício, e a camada de óxido

6/19 é formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina e boro. A alumina pode ter um tamanho de partícula relativamente fino (submicrônico).

De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para produzir um componente cerâmico, que inclui fornecer um corpo cerâmico contendo carboneto de silício, revestir o corpo cerâmico com alumina tendo um tamanho de partícula menor que cerca de 1,0 mícron, e oxidar o corpo cerâmico.

De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para produzir um componente cerâmico, que inclui fornecer um corpo cerâmico contendo carboneto de silício, revestir o corpo cerâmico com alumina e boro, e oxidar o corpo cerâmico. A alumina pode ter um tamanho de partícula relativamente fino (submicrônico).

De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para processar peças de cerâmica. O método compreende colocar peças de cerâmica e pelo menos um componente refratário em um forno, e tratar termicamente as peças de cerâmica e pelo menos um componente refratário a uma temperatura de no máximo 1500°C e por um período de tempo de no mínimo cerca de 1 hora. O componente refratário é formado de um corpo cerâmico compreendendo carboneto de silício, e uma camada de óxido sobre o corpo cerâmico, a camada de óxido sendo formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina fina.

De acordo ainda com um outro aspecto da presente invenção, é fornecido um método para processar peças de

7/19 cerâmica. O método compreende colocar peças de cerâmica e pelo menos um componente refratário em um forno, e tratar termicamente as peças de cerâmica e pelo menos um componente refratário. O componente refratário é formado de um corpo cerâmico compreendendo carboneto de silício, e uma camada de óxido sobre o corpo cerâmico, a camada de óxido contendo vidro de borossilicato contendo alumina. O método pode ser um processo de temperatura relativamente baixa, no qual as partes cerâmicas e o componente refratário são aquecidos a uma temperatura de no máximo 1300°C.

Breve Descrição do Desenho

A presente invenção será entendida melhor, e seus numerosos objetivos, aspectos e vantagens tornar-se-ão aparentes para os versados na técnica por referência aos desenhos em anexo.

A Figura 1 ilustra cristais finos contidos na camada de óxido de acordo com uma modalidade da presente invenção.

O uso dos mesmos símbolos de referência em desenhos diferentes indica itens similares ou idênticos.

Descrição Detalhada

De acordo com uma modalidade da presente invenção, é fornecido um componente cerâmico que inclui um corpo cerâmico e uma camada de óxido provida sobre o corpo cerâmico. O corpo cerâmico geralmente contém carboneto de silício, o carboneto de silício geralmente formando o componente cerâmico básico do corpo cerâmico (mais de 50% em peso). De acordo com a modalidade, o corpo cerâmico é carboneto de silício ligado a nitrato, que, como descrito nos fundamentos, tem uso prático em

8/19 aplicações refratárias exigentes. No caso de carboneto de silício ligado a nitreto, o nitreto de silício está presente como um componente secundário, e geralmente é fornecido em uma faixa de cerca de 5 a cerca de 35% em peso, tal como em uma faixa mais estreita de cerca de 22 - 29% em peso. O corpo cerâmico tipicamente também tem um certo grau de porosidade, tipicamente em uma faixa de cerca de 5% em volume a cerca de 25% em volume. Certas modalidades têm porosidades em uma faixa ligeiramente mais estreita, tal como em uma faixa de cerca de 5% ío em volume a cerca de 15% em volume, ou ainda cerca de 8 a 13% em volume.

Tipicamente, a formação do corpo cerâmico começa com a formação de uma pasta fluida que é transformada em um corpo modelado, tal como por moldagem por vertimento em um molde de gesso. Para uma descrição detalhada das técnicas de produção de corpo cerâmico, consulte a Patente US 4.990.469, aqui incorporada a título de referência. De um modo geral, uma combinação de pós-fino e grosso de carboneto de silício é misturada em uma base seca de 40% em peso de cada. Cerca de

5% em peso de pó de alumina e cerca de 0,5% em peso de pó de óxido de ferro também são adicionados, com um equilíbrio de pó de silício da ordem de cerca de 15 a 20% em peso. As percentagens em peso precedentes têm por base os materiais em pó secos. Embora geralmente se use a moldagem por vertimento, também podem ser usadas outras técnicas de formação comumente usadas no processamento de cerâmica. Por exemplo, moldagem por gotejamento, prensagem, moldagem por pressão, extrusão, e outras técnicas.

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Os materiais em pó são então providos em uma solução aquosa contendo água, e aditivos adequados para dispersão e ajuste do pH. Após a preparação da suspensão aquosa estável ou pasta fluida, a suspensão é vertida em um molde de gesso (gipsita) para moldagem. A água é extraída por ação da capilaridade através do molde de gesso, deixando para trás um frágil molde do produto. Sucedendo a separação a partir do molde, o molde seco, a massa não trabalhada de cerâmica, é, em seguida, tratada por aquecimento em uma atmosfera contendo nitrogênio, ío Tipicamente, a massa não trabalhada é aquecida a uma temperatura maior do que cerca de 1.200°C, durante um período de tempo de pelo menos 12 horas. Uma modalidade particular pode ser o tratamento por aquecimento, em uma atmosfera contendo nitrogênio, em temperaturas mais altas e por mais longos períodos de tempo, tais como na ordem de 1.300°C, e pelo menos por 1 a 2 dias. O cozimento do corpo cerâmico em uma atmosfera de nitrogênio é eficaz para reagir o silício contido no corpo com a atmosfera de nitrogênio, causando a formação de nitreto de silício como uma fase secundária, a qual liga a fase primária de carboneto de silício.

O assim formado corpo de carbonato de silício ligado por nitreto é então, geralmente, submetido a um tratamento de oxidação. O tratamento de oxidação é geralmente realizado na presença de alumina. Em uma modalidade alternativa, o tratamento de oxidação é realizado na presença de boro. A alumina e/ou o boro pode estar presente na superfície externa do corpo cerâmico. O boro geralmente não está na forma elemental, e pode estar em solução tal como ácido bórico ou outros precursores à base de boro

10/19 que formam óxido de boro (B₂O₃) durante o tratamento de oxidação. Outros precursores incluem nitreto de boro (BN), carboneto de boro (BC), substâncias vítreas (vidros) contendo boro, e minerais contendo boro. Embora possam ser usadas formas insolúveis e solúveis de precursores de óxido de boro, tal como ácido bórico e nitreto de boro, respectivamente, formas solúveis de precursores de óxido de boro são vantajosas para algumas aplicações. Nesse sentido, as formas solúveis melhoram a penetração ou infiltração do corpo de carboneto de silício, o que pode ser benéfico para ajudar a restaurar rachaduras profundas ou outros defeitos. A menção precedente ao boro acima geralmente inclui boro elemental e complexos e compostos de boro, embora seja tipicamente desejado que o componente à base de boro seja um precursor de óxido de boro (B₂O₃) mediante realização do tratamento de oxidação.

A alumina tipicamente tem um tamanho de partícula razoavelmente fino, tal como menos de cerca de 1,0 mícron, ou menos de cerca de 0,8 mícron. Em certas modalidades, o tamanho de partícula é menor que cerca de 0,5 mícron, ou ainda menor que cerca de 0,3 mícron. O tamanho de partícula mencionado é o tamanho de partícula média do pó de alumina que está presente durante o tratamento de oxidação. Formou-se uma modalidade específica com base em uma alumina tendo um tamanho de partícula de cerca de 0,2 mícron.

Tipicamente, o componente de boro (geralmente um precursor de óxido de boro) e o pó de alumina e/ou um precursor de alumina, que forma alumina fina durante a oxidação, são aplicados como revestimento a uma superfície externa do corpo cerâmico depois da nitretação. O componente de boro e o

11/19 componente de alumina ou precursor de alumina podem ser aplicados simultaneamente por incorporação dos dois componentes na mesma pasta fluida, ou separadamente, tal como por aplicação separada de uma pasta fluida de alumina e uma solução de ácido bórico. Dependendo da configuração geométrica específica do corpo cerâmico, o revestimento pode ser efetuado por pulverização, imersão, escovação e semelhantes. Formas planas podem ser revestidas com alumina por operações de pulverização automáticas, semi-automáticas ou manuais, usando um aparelho de pulverização tradicional tal como um pulverizador a ar para obter um revestimento fino e uniforme sobre a superfície. Formas mais complexas, como colunas e vigas, podem ser mergulhadas em uma pasta fluida contendo alumina fina.

De acordo com uma modalidade, usa-se para o revestimento uma pasta fluida de alumina comercialmente disponível tendo um teor de carga sólida nominal de 20% de alumina em uma solução aquosa. Esta pasta fluida específica tem um pH nominal de cerca de 10,02, o pH estando tipicamente em uma faixa de cerca de 9 a cerca de 11. A pasta fluida de revestimento de alumina pode ser combinada com uma solução à base de boro, tal como ácido bórico. O nível de ácido bórico pode variar entre cerca de 2 e cerca de 25% em peso na pasta fluida de revestimento total (a pasta fluida de alumina combinada com a solução de ácido bórico). Em uma formulação, a pasta fluida de alumina precedente é combinada em uma proporção de 50/50 com uma solução de ácido bórico a 10%. Neste caso, a pasta fluida.de revestimento contém 5% em peso de ácido bórico.

Depois da operação de revestimento, o corpo

12/19 cerâmico é submetido a um tratamento de oxidação, geralmente da maneira mencionada acima. Ora, a oxidação pode ser realizada por recozimento em uma atmosfera oxidante, tal como ar ambiente, a uma temperatura maior que cerca de 1100°C, tal como maior que cerca de 1200°C. Modalidades particulares são cozidas a temperaturas ainda mais altas, tal como maior que cerca de 1300⁸C.

A camada de óxido resultante formada depois do processo de oxidação é à base de sílica, e inclui pelo menos um de alumina e um aluminossilicato. Neste contexto, a sílica compreende uma fase vítrea ou amorfa, embora possa estar presente uma quantidade de sílica cristalina, como durante o uso prático do componente refratário em operações de queima. Sílica é a fase primária e principal que forma a fase matricial da camada de óxido, onde está presente uma fase de aluminossilicato cristalino e/ou alumina. Uma forma particular do aluminossilicato foi identificada como mulita, tendo a composição de 3AI₂O₃.2SiO₂.

De acordo com modalidades que incorporam um componente de boro como discutido acima, óxido de boro (B₂O₃) está tipicamente presente na fase de sílica vítrea, formando um vidro de borossilicato. Embora seja difícil determinar o teor exato do componente óxido de boro devido às técnicas de caracterização geralmente disponíveis, o óxido de boro está tipicamente presente no vidro em uma quantidade maior que cerca de 0,5% em peso, e tipicamente menor que cerca de 25% em peso. Mais tipicamente, o óxido de boro está presente em uma faixa de cerca de 0,5% em peso a cerca de 10% em peso em relação ao total da fase vítrea da camada de óxido. Algumas modalidades podem conter uma

13/19 quantidade limitada de óxido de boro, tal como menos cerca de 5,0% em peso.

De acordo com um aspecto específico de uma modalidade, identificou-se que a fase cristalina contém cristais de formato anisotrópico constituídos de pelo menos um de alumina e um de aluminossilicato. Na verdade, verificou-se que certas modalidades têm cristais em forma de agulha, genericamente representado na Figura 1. A fase cristalina pode ser constituída principalmente desses cristais em forma de agulha.

ío Com referência à Figura 1, foi oferecida uma ilustração de uma microfotografia de SEM, que representa um componente cerâmico (10), formando um componente refratário tendo uma camada de óxido externa contendo uma fase matricial (12) de sílica amorfa, e uma fase cristalina formada de cristais (14) de alumina e/ou aluminossilicato em forma de agulha. Tipicamente, os cristais têm uma razão de posição de pelo menos cerca de 3:1, tipicamente pelo menos cerca de 5:1. Na verdade, certas modalidades têm uma razão de posição que é relativamente alta, maior que cerca de 10:1, indicando cristais razoavelmente alongados. Neste contexto, a razão de posição é definida como a razão da dimensão mais comprida para a dimensão mais comprida seguinte, perpendicular ao comprimento. Embora o acima exposto tenha enfocado a presença de cristais em forma de agulha, outras modalidades podem ter cristais geralmente isométricos, que podem resultar do uso de revestimentos de alumina relativamente espessos antes da oxidação e outros fatores.

Além disso, alguns cristais têm um tamanho de cristal (junto com sua dimensão mais comprida) maior que de 0,2 mícron,

14/19 mas tipicamente são relativamente finos e têm um tamanho de cristal menor que cerca de 30 mícrons, tal como menor que cerca de 20 mícrons. Os cristais podem variar dentro de uma faixa mais estreita, com a maioria tendo um tamanho de cristal médio na faixa de cerca de 0,5 a cerca de 10 mícrons.

Com referência agora à composição da camada de óxido vítrea, foram examinadas partes das camadas de vidro junto com regiões amorfas (excluindo especificamente as regiões cristalinas) de várias modalidades. De um modo geral, as camadas ío de vidro contêm cerca de 10 - 50% em peso de alumina, cerca de

- 90% em peso de sílica, com o equilíbrio de componentes secundários, tal como óxido de ferro, óxido de sódio e óxido de potássio. O teor de alumina pode variar dentro de uma faixa mais estreita, da ordem de cerca de 12 - 50% em peso ou 15 - 25% em peso. Mediu-se um exemplo específico que apresentou, em % em peso, 75% de SiO₂,17,6% de AI₂O₃, 5,4% de Na₂0, 1,2% de K₂O, 0,6% de Fe₂O₃.

Nas modalidades contendo boro, em geral, a camada de vidro contém cerca de 10 - 50% em peso de alumina, cerca de

50 - 90% em peso de sílica, peto menos cerca de 0,5% em peso de óxido de boro, com o equilíbrio de componentes secundários, tais como óxido de ferro, óxido de sódio e óxido de potássio. O teor de alumina pode variar dentro de uma faixa mais estreita, da ordem de 12 - 50% em peso ou 15 - 25% em peso. O teor de óxido de boro também pode variar dentro de uma faixa mais estreita, tal como cerca de 0,5 - 25% em peso, cerca de 0,5 -10% em peso, cerca de 0,5 - 5,0% em peso, cerca de 1,0 - 25% em peso, cerca de 1,0 10% em peso, de 1,0 - 5,0% em peso, cerca de 2,0 - 25% em peso,

15/19 cerca de 2,0-10% em peso, cerca de 2,0 - 5,0% em peso, cerca de 3,0 - 25% em peso, cerca de 3,0 -10% em peso, cerca de 3,0 5,0% em peso, cerca de 4,0 - 25% em peso, cerca de 4,0 - 10% em peso, cerca de 4,0 - 5,0% em peso, cerca de 5,0 - 25% em peso ou de 5,0-10% em peso.

De acordo com uma modalidade da presente invenção, a camada de óxido pode formar uma camada conformai, completamente uniforme, que cobre substancialmente todo o corpo cerâmico. Esta camada de óxido funciona para passivar e proteger ίο o corpo cerâmico à de carboneto de silício subjacente contra oxidação excessiva. De acordo com um aspecto particular, as modalidades da presente invenção demonstraram resistência à oxidação significativamente melhorada em aplicações de queima exigentes, em comparação com amostras de controle produzidas de maneira similar, mas sem a adição de um revestimento à base de alumina ou de precursor de alumina antes da oxidação. Além disso, tais amostras de controle substancialmente estavam substancialmente isentas de cristalitos anisotrópicos como aqui descrito. Embora não querendo se ater à qualquer teoria específica, acredita-se que a presença de cristalitos finos, compostos de pelo menos um de alumina e um aluminossilicato, contribui para um desempenho melhorado como implementado nas aplicações de queima para resistir à oxidação indesejada. O uso de pó de alumina relativamente fino pode constituir um fator de contribuição para o desempenho melhorado, e/ou presença de cristalitos finos.

Uma comparação de modalidades da presente invenção para uma amostra de controle formada sem a introdução de alumina fina durante o processo de oxidação demonstrou, de

16/19 fato, esta resistência à oxidação superior. Em particular, foi medida a taxa de ganho de peso durante um teste de oxidação com vapor d'água, realizado a 900°C. A amostra de controle apresentou uma taxa de ganho de peso de 1,05 x 10'⁴ % em peso de aumento por hora, ao passo que uma modalidade da presente invenção (contendo alumina, porém não contendo boro) apresentou um aumento de 0,7 x 10⁴ % em peso por hora. Esta diferença representa um aperfeiçoamento de 33% na resistência à oxidação. Uma outra modalidade (contendo alumina e óxido de boro) io apresentou um aumento de 0,05 x 10~⁴ % em peso por hora, representando um aperfeiçoamento ainda mais significativo na resistência à oxidação do que a primeira modalidade.

Observa-se que as amostras de controle podem conter alumina na camada protetora de sílica externa, originário da alumina presente no corpo cerâmico. No entanto, de acordo com as modalidades da presente invenção, a camada protetora externa é rica em alumina, comparada com as amostras de controle, medida junto com as partes vítreas da camada. Para esclarecimento, verificou-se que aproximadamente 5% em peso de alumina no corpo cerâmico manifestaram-se em cerca de 8% em peso na camada protetora de sílica externa, de acordo com as amostras de controle. Em contraste, de acordo com as modalidades da presente invenção, a incorporação de um revestimento delgado de alumina fina antes da etapa de oxidação produziu uma concentração mais alta de alumina na camada protetora, tal como maior que cerca de 10% em peso, maior que cerca de 12% em peso, e algumas modalidades maior que cerca de 15%. Em outras palavras, de acordo com as modalidades da presente invenção, a camada de

17/19 óxido protetora externa contém 5% em peso mais de alumina que o próprio corpo cerâmico. Mais tipicamente, a diferença nas concentrações de alumina entre o corpo cerâmico e o revestimento geralmente é maior que cerca de 7% em peso, tal como maior que cerca de 10% em peso.

Embora a descrição acima tenha se referido a componentes refratários em geral, tipicamente o componente refratário é um componente estrutural para uso em cozimento, inclusive sinterização, de corpos cerâmicos em um ambiente de produção. Estes componentes refratários de suporte podem adquirir a forma de acessórios de forno, de uma de várias configurações, que incluem colunas, que destinam-se à orientação vertical, vigas, que podem ser conectadas às colunas horizontalmente para formar uma estrutura de suporte, chapas, que são tipicamente planas e que são colocadas sobre as vigas para suportar os corpos cerâmicos, e cadinhos, que são recipientes de cozimento que podem ser abertos ou fechados para a atmosfera externa durante as operações de cozimento. Além de acessórios de forno, o componente refratário pode adquirir a forma de um componente estrutural do próprio forno, tal como uma parede, ou revestimento de forno, que pode ser composto de telhas. O uso do termo parede é genérico, e significa paredes verticais, bem como tetos e pisos que definem o ambiente de um forno.

À luz do acima exposto, as modalidades da presente invenção referem-se a métodos de utilização de componentes refratários, tais como acessórios de forno, tendo as propriedades descritas acima. De acordo com uma modalidade, peças de cerâmica e pelo menos um componente refratário são previstos em

18/19 um forno, e as peças de cerâmica são tratadas por aquecimento. O componente refratário pode ter as características descritas neste relatório. Por exemplo, o componente refratário tipicamente tem uma camada de óxido formada por oxidação do corpo cerâmico, na presença de alumina tendo um tamanho de partícula submicrônico. Apesar de o tratamento por aquecimento das peças de cerâmica poder ser realizado por uma faixa razoavelmente ampla e tempo de retenção razoavelmente amplos, as modalidades da presente invenção tornam possível o cozimento (se desejado) a uma temperatura razoavelmente baixa, tal como no máximo cerca de 1500°C, por um período de tempo de pelo menos cerca de 1 hora. Algumas operações de processamento podem requerer temperaturas ainda mais baixas, tal como menos de cerca de 1400°C ou no máximo 1300°C, e tempo de duração ainda mais longos tal como pelo menos cerca de 4 horas ou ainda mais, tal como pelo menos cerca de 8 horas.

Além disso, tratamentos por aquecimento utilizando modalidades contendo um componente de boro pode ser ainda limitado. Embora o tratamento por aquecimento das peças de cerâmica possa ser realizado por uma faixa razoavelmente ampla e tempo de retenção razoavelmente amplos, tais modalidades tornam possível o cozimento a uma temperatura razoavelmente baixa, tal como no máximo cerca de 1300°C por um período de tempo de pelo menos cerca de uma hora. Algumas operações de processamento podem requerer temperaturas ainda mais baixas, tal como menos de cerca de 1200°C ou no máximo 1100°C, e tempo de duração ainda mais longos, tal como pelo menos cerca de 4 horas ou ainda mais, tal como pelo menos cerca de 8 horas.

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O uso de componentes refratários do estado da técnica em ambientes de processamento de cerâmica vem frequentemente fazendo com que componentes grudem uns nos outros durante processamento à alta temperatura, o que se acredita ocorrer devido à formação de um óxido durante as operações de processamento. De acordo com as modalidades da presente invenção, o uso de uma camada de óxido tendo as propriedades aqui descritas atenua a aderência. Isto pode ocorrer devido à presença de cristalitos finos descritos acima, ou talvez devido à redução no crescimento de óxido durante o uso em processamento de cerâmica, ou uma combinação destes aspectos.

Ficará entendido que cada um dos elementos descritos acima, ou dois ou mais deles, também podem ter utilidade em aplicações diferentes dos descritos nesta invenção. Embora a invenção tenha sido ilustrada e descrita em componentes cerâmicos de silício tendo uma camada de óxido, ela não se limita aos detalhes mostrados, visto que várias modificações e substituições podem ser feitas sem que se saia do espírito da presente invenção. Por exemplo, podem ser fornecidos outros substituintes ou substituintes equivalentes e podem ser empregadas outras etapas de produção ou etapas de produção equivalentes. Assim sendo, outras modificações e outros equivalentes da invenção descrita neste relatório podem ocorrer aos versados na técnica, usando apenas experimentação de rotina, e acredita-se que todas essas modificações e equivaiências estão dentro do espírito e escopo da invenção, definida pelas reivindicações a seguir.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Componente cerâmico, caracterizado pelo fato de compreender um corpo cerâmico compreendendo carboneto de silício e uma camada de óxido, sendo a camada de óxido formada pela oxidação do corpo cerâmico revestido com uma camada de alumina de tamanho menor do que 1 pm, a referida camada de óxido formada contendo uma fase amorfa compreendendo sílica e uma fase cristalina compreendendo cristais de formato anisotrópico compreendendo alumina, aluminossilicato ou uma combinação dos mesmos, em que a camada de óxido forma um aderente, camada conformai que funciona para passivar e proteger o corpo cerâmico da oxidação excessiva e do ganho excessivo de peso.
2. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido compreende vidro de borossilicato contendo alumina.
3. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo cerâmico compreende carboneto de silício ligado a nitreto.
4. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o corpo cerâmico compreende carboneto de silício como componente primário, e nitreto de silício como componente secundário.
5. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o corpo cerâmico compreende de 5 a 35% em peso de nitreto de silício.
6. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o corpo cerâmico tem uma porosidade na faixa de 5 a 25% em volume.

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7. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido compreende no mínimo 5% em peso a mais de alumina do que um teor de alumina no corpo de carboneto de silício ligado a nitreto.
8. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o componente cerâmico é um componente refratário.
9. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o boro está presente como B2O3 ou um precursor de B2O3.
10. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido inclui um aluminossilicato, o referido aluminossilicato compreende mulita, a referida mulita tendo uma composição 3AI2O3.2SÍO2.
11. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o vidro de borossilicato compreende de 10- 50% em peso de AI2O3, de 50 - 90% em peso de S1O2 e de 0,5 - 10% em peso de B2O3.
12. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que ο B2O3. está presente em uma faixa de 0,5 - 5% em peso.
13. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o vidro de borossilicato compreende ainda K2O,Na2O,Fe2O3 ou quaisquer combinações dos mesmos.
14. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os cristais de formato anisotrópico têm uma razão de posição não inferior a 3:1.
15. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado

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3/5 pelo fato de que o corpo de carboneto de silício ligado a nitreto tem uma porosidade na faixa de 5 a 25% em volume, e em que a camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico é rica em alumina, tem no mínimo 5% em peso a mais de alumina que o teor de alumina no corpo de carboneto de silício ligado a nitreto.
16. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido rica em alumina tem no mínimo 7% em peso a mais de alumina que o teor de alumina no corpo de carboneto de silício ligado a nitreto.
17. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o corpo de carboneto de silício ligado a nitreto tem uma porosidade na faixa de 5 a 25% em volume, a camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina, a fase amorfa compreendendo sílica e 10% em peso a 50% em peso de alumina.
18. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a fase amorfa compreende no mínimo 12% em peso de alumina.
19. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a fase amorfa compreende no máximo 25% em peso de alumina.
20. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido é formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina e boro.
21. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 1, 2, 17, ou 20, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido é uma camada superficial.
22. Componente cerâmico de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido rica em alumina é uma camada superficial.
23. Método para produzir um componente cerâmico, de acordo com a

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4/5 reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:

fornecer um corpo cerâmico compreendendo carboneto de silício;

colocar alumina tendo um tamanho de partícula menor que 1,0 mícron em contato com o corpo cerâmico, e oxidar o corpo cerâmico a uma temperatura superior a 1100°C, em que a oxidação forma uma camada de óxido como uma camada de superfície, a camada de óxido compreendendo uma fase amorfa compreendendo sílica e uma fase cristalina, a fase cristalina compreendendo cristais em formato anisotrópico compreendendo alumina, aluminossilicato ou uma combinação dos mesmos, em que a camada de óxido forma um aderente, camada conformai que funciona para passivar e proteger o corpo cerâmico da oxidação excessiva e do ganho excessivo de peso.
24. Método de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que compreende ainda fornecer boro em contato com o corpo cerâmico.
25. Método de processamento de peças de cerâmica, caracterizado pelo fato de que compreende:

colocar peças de cerâmica e um componente refratário em um forno, o componente refratário compreendendo um corpo cerâmico compreendendo carboneto de silício e uma camada de óxido, a camada de óxido sendo formada por oxidação do corpo cerâmico na presença de alumina tendo um tamanho de partícula médio menor do que 1,0 mícron, em que a camada de óxido forma um aderente, camada conformai que funciona para passivar e proteger o corpo cerâmico da oxidação excessiva e do ganho excessivo de peso; e tratar termicamente as peças de cerâmica e o componente refratário a uma temperatura de no máximo 1500°C e por um período de tempo de no mínimo uma hora.

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26. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a referida temperatura é de no máximo 1400°C.
27. Método de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a camada de óxido compreende vidro de borossilicato contendo alumina.
28. Método de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o tratamento térmico é realizado a uma temperatura de no máximo 1300°C.
29. Método de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que a referida temperatura é de no máximo 1200°C e o referido período de tempo é de no mínimo 4 horas.
30. Método de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que a referida temperatura é de no máximo 1100°C e o referido período de tempo é de no mínimo 4 horas.

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