Corrosão de Cerâmicas à base de Si3N4

Prévia do material em texto

Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro 
Curso de Engenharia de Materiais 
IT313 – Corrosão 
Professora: Renata Nunes 
Annie Kassey Freire Meireles 
Rio de Janeiro, 2015. 
 
Introdução 
Os materiais cerâmicos são de um modo geral, compostos inorgânicos e não-
metálicos, que temos como exemplo os óxidos, silicatos, carbonetos, nitretos. Este campo 
inclui materiais com características tão distintas como as porcelanas, o carboneto de silício, o 
vidro e o cimento. Quando falamos em corrosão, os materiais não-metálicos são os mais 
resistentes, quando comparados com os metais, o fator que mais contribui para isso é que 
materiais cerâmicos são imunes à corrosão eletroquímica. 
O que acontece com os materiais cerâmicos é que eles desagregam-se, e isso pode 
acontecer devido à agentes físicos externos, agentes químicos internos e agentes mecânicos. 
Os agentes físicos que podemos destacar são a umidade, vegetação e o fogo. Os dois primeiros 
agem através dos poros. O fogo é também altamente prejudicial para a cerâmica comum; esta 
tem sua resistência à compressão diminuída à medida em que aumenta- se aumenta a 
temperatura. A queda de revestimento da cerâmica é causada por agentes químicos que 
podem ser altamente degradantes, por exemplo uma cerâmica com sais solúveis sofre intenso 
processo de corrosão, devido a umidade absorvida do ar poder dissolver esses sais, os quais 
virão a se cristalizar na superfície, ocasionando o que se chama eflorescência. Como também 
pelos agentes mecânicos, que podem gerar a destruição das peças, que têm maior resistência 
à compressão do que à flexão e demais solicitações. 
A corrosão em cerâmicas é mais conhecida como deterioração, e acontece mais 
comumente em temperaturas elevadas e ambientes muito agressivos, e ainda sim esses 
materiais são altamente resistentes. Em altas temperaturas, a corrosão desses materiais se dá 
através de processos de formação de fases vítreas e de dissolução, como por exemplo a 
corrosão de refratários usados em fornos de fusão de vidro (formação de fases vítreas). Por 
dissolução, acontece em meios ácidos específicos (HF, por exemplo) ou em meios alcalinos, é 
favorecida principalmente com o aumento da temperatura do sistema. Já na temperatura 
ambiente, o processo de degradação de vidros não tratados pode se iniciar com gotas d’água 
que se condensam na superfície deles (intemperismo). 
Corrosão de cerâmicas à base de Si3N4 em soluções aquosas de HCl 0,1 N 
O comportamento à corrosão de cerâmicas à base de Si3N4 contendo misturas de 
Y2O3/SiO2e RE2O3/SiO2 como aditivos, foi estudado em soluções aquosas de HCl 0,1N a 100 °C. 
As cerâmicas à base de Si3N4 estão sendo estudadas com muita atenção nos últimos anos para 
aplicações estruturais, devido a alta dureza, retenção das propriedades a altas temperaturas, 
resistência à oxidação e estabilidade térmica. Contudo os aditivos óxidos utilizados para 
promover a densificação na sinterização podem acarretar a degradação das propriedades 
mecânicas a altas temperaturas. Esta por sua vez, é causada devido à formação de uma fase 
líquida, a qual, após resfriamento é retida como uma fase vítrea intergranular. 
Procedimento Experimental 
As matérias-primas usadas na preparação das misturas foram: Si3N4 tipo SN-E10 da 
UBE Industries, Y2O3 tipo "FINE" da H.C.Starck, SiO2 padrão e RE2O3 (concentrado misto de 
óxido de ítrio e terras raras). 
Para avaliar a resistência à corrosão em soluções aquosas de HCl, as cerâmicas à base 
de Si3N4 foram aditivadas com óxido de ítrio/óxido de silício, Y2O3/SiO2, e concentrado misto de 
óxido de ítrio e terras raras/óxido de silício, RE2O3/SiO2. A fim de garantir a mesma quantidade 
de fase líquida durante a sinterização, os teores dos aditivos foram fixados em 14 e 21% em 
volume na estequiometria de Y2Si2O7 e RE2Si2O7. 
As misturas das composições estudadas foram preparadas em moinho de atrito com 
meios de moagem de Si3N4, em álcool isopropílico durante 4 horas. Após a secagem, as 
misturas foram passadas em peneira e prensadas em forma de blocos. 
Os blocos foram sinterizados à 1850 oC por 30 min a 10 MPa de N2. Após a sinterização, os 
blocos foram serrados em forma de barras, retificados e polidos, lavados em água e 
posteriormente em acetona e secos a 150 oC. 
Balões de destilação foram utilizados para os testes de corrosão, cujas temperaturas 
eram controladas através de termostato e foi utilizado sistema de refluxo a fim de manter o 
volume de solução constante. A temperatura estudada foi 100oC, as soluções foram 
preparadas com 0,1 N HCl e os tempos de imersão foram de 120, 240 e 360 h. 
A resistência à corrosão das cerâmicas a base de Si3N4 foi avaliada pela perda de 
massa, a severidade do ataque foi avaliada através da observação das microestruturas 
remanescentes analisadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV). 
 
Resultados e Discussões 
Como resultados, podemos observar que as amostras contendo Y2O3/SiO2 (SNY) 
resistiram melhor ao ataque corrosivo. A velocidade do ataque corrosivo tende a diminuir com 
o tempo de imersão para tempos superiores a 240 horas, provavelmente pela formação de 
ácido metassilicílico gelatinoso (reações A e B), como produto de corrosão, o qual dificultou a 
difusão dos íons agressivos através de sua camada aderida à superfície da cerâmica. 
 
 
Y2Si2O7 + 6HCl + H2O 2YCl3 + 2H4SiO4 (A) 
RE2Si2O7 + 6HCl + H2O 2RECl3 + 2H4SiO4 (B) 
Observamos também a dissolução dos íons das amostras SNRE com 14% e 21%vol de 
fase intergranular a 100 oC em função do tempo de imersão. Observa-se que os elementos não 
dissolveram proporcionalmente, demonstrando desta forma que ocorreu dissolução 
preferencial das terras raras. Vimos que a fase Y2Si2O7 possui caráter mais ácido do que a fase 
RE2Si2O7, resistindo mais a dissolução em meio ácido. 
 
As Figs. 5a e 5b mostram as microestruturas das amostras com 14% em volume de fase 
intergranular, antes dos testes de corrosão. As Figs. 5c e 5d mostram as microestruturas das 
mesmas amostras após os testes de corrosão. Pode-se observar que apenas a fase 
intergranular foi corroída, permaneceram intactos. 
 
 
Conclusão 
 As amostras dopadas com Y2O3/SiO2 apresentaram maior resistência ao ataque 
corrosivo; 
 Acima de 240 horas de exposição, a taxa de corrosão tende a diminuir com o tempo; 
 A quantidade de aditivo presente é um parâmetro preponderante no comportamento 
à corrosão da cerâmica à base de Si3N4; 
 Ocorre dissolução preferencial dos elementos de terras raras.