Estudo de caso: Como o YSZ aumentou a durabilidade do bocal do ZSBN

Introdução

Este estudo de caso descreve como a Stanford Advanced Materials (SAM) atendeu à necessidade de um cliente de ter bicos ZSBN mais duradouros em ambientes de alta temperatura e alto desgaste. Por meio de ajustes na formulação da cerâmica e nos parâmetros de conformação, fornecemos uma solução que melhorou a resistência à abrasão e à degradação térmica, sem aumentar significativamente o custo.

Histórico

Os bicos de ZSBN (nitreto de boro reforçado com zircônia) são normalmente usados em pulverização térmica, manuseio de metal fundido e outros processos industriais em que o calor e o desgaste são desafios constantes. Um de nossos clientes relatou que seus bicos existentes, baseados em BN reforçado com ZrO2 padrão, estavam ficando aquém em termos de vida útil. As falhas ocorriam em temperaturas operacionais superiores a 1.000 °C e em sistemas com mídia abrasiva de movimento rápido. As frequentes substituições de bicos levavam a tempo de inatividade e a custos de manutenção mais altos.

O cliente usou originalmente uma formulação com zircônia não estabilizada. Nossa tarefa era aumentar a durabilidade em condições reais, especialmente sob cargas térmicas e mecânicas cíclicas.

Desafio principal

O principal problema era o desgaste prematuro e a rachadura térmica do material do bocal. Embora o BN forneça lubrificação e resistência térmica, o sistema de aditivos original não tinha estabilidade de fase e resistência mecânica suficientes em temperaturas elevadas. Era necessária uma fase de reforço mais robusta termicamente, sem introduzir fragilidade ou comprometer a usinabilidade.

Soluções avaliadas

Opção 1: Manter o aditivo original de zircônia, ajustar o processo de prensagem

• Prós: Mudança mínima no fornecimento de matéria-prima ou no perfil de queima

• Contras: ganhos limitados em resistência térmica ou ao desgaste

Opção 2: Substituir por zircônia estabilizada por ítria (YSZ)

• Prós: Maior estabilidade em altas temperaturas, melhor resistência ao desgaste, maior integridade dos limites dos grãos

• Contras: Custo do material um pouco mais alto; requer protocolos revisados de mistura e sinterização

Opção 3: Aplicar revestimentos protetores na superfície do bocal

• Prós: Proteção contra abrasão em nível de superfície

• Contras: fabricação complexa, o revestimento pode delaminar em alta temperatura, aumento do custo

Abordagem selecionada: Opção 2 - Substituir a zircônia padrão por 3 mol% de YSZ, combinada com uma pequena otimização do processo de formação.

Solução e implementação

Introduzimos 3 mol% de YSZ como fase de reforço dentro da matriz BN. A YSZ oferece excelente estabilidade de fase acima de 1000 °C e ajuda a retardar a propagação de trincas sob carga. Além da mudança de material, modificamos o estágio de prensagem isostática a frio (CIP):

• Tempo de prensagem: Aumento do tempo de espera de 30 s para 60 s

• Matéria-prima em pó: Mudança para uma mistura de pó composto de YSZ-BN de maior densidade

• Sinterização: Mantido o cronograma original para evitar custos extras de energia

Essas mudanças ajudaram a obter melhor densidade verde e, por fim, uma microestrutura sinterizada mais consistente.

"Nós nos concentramos em melhorias sutis, mas eficazes: melhor empacotamento de partículas, uma fase de reforço mais estável e um controle mais rígido na formação. Os resultados foram imediatos", disse Lisa Ross, engenheira sênior de cerâmica da SAM.

Resultados e feedback

Métricas de desempenho

O cliente relatou um aumento de 20 a 25% na vida útil do bico em condições de processo idênticas. Os intervalos de manutenção foram ampliados e o tempo de inatividade não planejado foi reduzido. O cliente aprovou a nova formulação para uso ampliado em duas linhas de produção adicionais.

"Os bicos atualizados nos ajudaram a estabilizar nosso sistema de pulverização e a reduzir as paradas não programadas. É uma melhoria significativa." - Gerente de produção do cliente

Recomendações e trabalho futuro

• Adotar uma formulação baseada em YSZ para os bicos de produção

• Continuar monitorando o desempenho de longo prazo sob ciclos de carga variados

• Avaliar o efeito da otimização da temperatura de sinterização em lotes futuros

A SAM permanecerá em estreita colaboração com o cliente para ajustar as propriedades do material conforme necessário e fornecerá suporte técnico para aumentar a escala dos bicos aprimorados.

Conclusão

Esse projeto demonstra como as substituições de materiais focadas - combinadas com ajustes práticos de formação - podem gerar ganhos de durabilidade no mundo real. Ao substituir a zircônia convencional por YSZ e aumentar o tempo de retenção da prensagem, a Stanford Advanced Materials (SAM) melhorou o desempenho térmico e mecânico do sistema de bicos ZSBN.

O resultado: vida útil prolongada, melhor resistência às condições severas do processo e menor custo total de propriedade para o cliente.

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