Avaliação do efeito do óxido de ítrio nanoestruturado na proteção contra a oxidação em alta temperatura em ferro fundido cinzento

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Helleis, Rodrigo
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/85758
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Araújo Ponte
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spelling Banczek, Everson do PradoUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaPonte, Haroldo de Araujo, 1961-Helleis, Rodrigo2023-12-21T16:21:26Z2023-12-21T16:21:26Z2023https://hdl.handle.net/1884/85758Orientador: Prof. Dr. Haroldo de Araújo PonteCoorientador: Prof. Dr. Everson do Prado BanczekTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Defesa : Curitiba, 05/09/2023Inclui referênciasResumo: Os ferros fundidos são materiais de engenharia amplamente utilizados devido ao seu excelente equilíbrio entre disponibilidade, propriedades, reciclabilidade e baixo custo. Muitas das suas aplicações acabam expondo o material a temperaturas elevadas, que podem acarretar um processo corrosivo conhecido como oxidação em alta temperatura, no qual uma película de óxido é formada. A presença de elementos protetivos como o cobre em sua liga, protegem o material contra o processo oxidativo. Entretanto, a concentração desses elementos residuais não é definida pelas especificações das ligas de ferro fundido, fazendo com que peças produzidas com a mesma liga possam apresentar diferentes proporções dos elementos e, consequentemente, possuírem vidas úteis variáveis. Para equipamentos de alto valor agregado, isso pode gerar custos adicionais elevados pela necessidade de substituição mais frequente ou perdas de processo resultantes da oxidação. Uma das formas de proteger materiais metálicos é a adição de elementos reativos, como os elementos terras raras em sua liga, porém não é um método viável para equipamentos já produzidos. Uma alternativa a esse procedimento, é a deposição por pulverização de óxidos de terras raras superficialmente, para a obtenção das mesmas propriedades protetivas. Esse efeito pode ser aumentado pela redução do tamanho da partícula de óxido, aumentando a sua reatividade pelo aumento da área superficial específica. Dentre as terras raras, o ítrio se destaca por sua disponibilidade relativamente alta e sua maior eficiência na redução da cinética de oxidação. Com base nisso, e levando em consideração a escassez de estudos relacionados a proteção do ferro fundido contra a oxidação, o objetivo do trabalho foi produzir nanopartículas de óxido de ítrio e avaliar seu efeito protetivo quando aplicadas superficialmente ao ferro fundido cinzento. Para isso, nanopartículas de óxido de ítrio foram produzidas pelo método Pechini, que consiste na produção de uma cadeia polimérica com o metal desejado complexado à estrutura seguida de uma calcinação, e caracterizadas morfológica e estruturalmente. As partículas então foram depositadas superficialmente em um substrato de ferro fundido cinzento GG25. A proteção contra a oxidação foi avaliada por teste de ganho de massa por 10 horas a 600°C e a película formada foi caracterizada morfológica e estruturalmente. Nanopartículas esferoidais de Y2O3 tamanhos de partícula entre 39 nm e 52 nm foram produzidas pelo método Pechini. Houve a redução do ganho de massa, da espessura da película e da taxa de oxidação pela aplicação superficial do óxido, indicando a proteção do material. A redução do tamanho de partícula reduziu os valores da constante cinética parabólica de oxidação, apresentando como melhor resultado uma variação da constante de 7,22x10-11 g2 cm- 4 s-1 para 4,08x10-11 g2 cm-4 s-1, resultando numa redução de 43 %, indicando o aumento da reatividade pela redução da área superficial específica. A caracterização da película de óxido permitiu a identificação de três principais mecanismos de proteção resultantes da segregação do ítrio para as regiões de contorno de grão, sendo eles: a inversão do mecanismo principal de crescimento do óxido, reduzindo a taxa de oxidação, o refino dos contornos de grão, melhorando a integridade da película e a oxidação seletiva de elementos protetores como Al e CrAbstract: Cast irons are engineering materials widely used due to its excellent balance between availability, properties, recyclability and low cost. Several of its applications expose the material to high temperatures, which may lead to a corrosive process called high temperature oxidation, in which an oxide scale is formed. The presence of residual elements such as copper in the alloy, protect the material against the oxidative process. However, the concentration of these elements is not defined by the cast iron alloys specification, meaning that parts produced with the same alloy may present different proportions of these elements and, consequently, variable lifespans. For high value equipment, this may result in high additional costs, due to the more frequent need for substitutions or process losses resulting from oxidation. One of the procedures to protect metallic materials is the addition of rare earth elements to the alloys, however, it’s not a viable method for already produced equipment. An alternative to this course of action, is the surface deposition of rare earth oxides by pulverization, to obtain the same protective properties. This effect can be increased by the decrease in oxide particle size, increasing its reactivity due to the decrease in the specific surface area. Among rare earths, yttrium stands out for its relatively high availability and its greater efficiency in reducing the oxidation kinetics. Based on this, and taking into account the scarcity of studies related to the protection of cast iron against oxidation, the objective of this project was to produce yttrium oxide nanoparticles and evaluate their protective effect when superficially applied to gray cast iron. For this, yttrium oxide nanoparticles were produced by the Pechini method, that consists in the production of a polymeric chain with the desired metal complexed to the structure followed by a calcination, and characterized morphologically and structurally. The particles were then externally deposited onto a GG25 gray cast iron substrate. The oxidation protection was evaluated by weight gain test for 10 hours at 600 °C and the formed scale was characterized morphologically and structurally. Spheroidal Y2O3 nanoparticles between 39 nm and 52 nm were produced by the Pechini method. There was a reduction in weight gain, film thickness and oxidation rate by the surface application of the oxide, indicating protection of the material. The reduction in particle size reduced the parabolic oxidation kinetic constant, presenting as the best result a variation in the kinetic constant from 7,22x10-11 g2 cm-4 s-1 to 4,08x10-11 g2 cm-4 s-1, which results in a reduction of 43%, indicating the increase of the reactivity by the reduction of the specific surface area. The characterization of the oxide scale allowed the identification of three main protection mechanisms resulting from the segregation of yttrium to the grain boundary regions, namely: the inversion of the main oxide growth mechanism, reducing the oxidation rate; the refining of grain boundaries, improving film integrity and selective oxidation of protective elements such as Al and Cr1 recurso online : PDF.application/pdfTerras rarasCorrosãoMassa - TransferênciaFerro fundidoEngenharia MecânicaAvaliação do efeito do óxido de ítrio nanoestruturado na proteção contra a oxidação em alta temperatura em ferro fundido cinzentoinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - RODRIGO HELLEIS.pdfapplication/pdf17609062https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/85758/1/R%20-%20T%20-%20RODRIGO%20HELLEIS.pdf80c671dca0c2222c7dfb7deeca3f9e84MD51open access1884/857582023-12-21 13:21:26.473open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/85758Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082023-12-21T16:21:26Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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