Desenvolvimento de compósito de matriz ferrosa reforçado por carbeto de nióbio formado in situ durante a sinterização

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Avila, Daniel dos Santos
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219246
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.
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spelling Desenvolvimento de compósito de matriz ferrosa reforçado por carbeto de nióbio formado in situ durante a sinterizaçãoEngenharia de materiaisMateriais compostosMetalurgia do póNióbioDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.Compósitos de matriz metálica (MMCs) combinam a alta tenacidade dos materiais metálicos com a alta resistência mecânica proveniente dos reforços cerâmicos. As propriedades mecânicas do compósito dependem do tamanho, distribuição e interface desses reforço. A fabricação convencional dos MMCs ocorre pela mistura de partículas cerâmicas com uma liga metálica. Entretanto, essa rota de fabricação resulta em defeitos como aglomeração de partículas finas de reforços e contaminação e formação de poros na interface com a matriz A formação do reforço por reações químicas durante o processamento, chamada de formação in situ, é um método que vem recebendo bastante atenção por evitar os defeitos da rota tradicional de processamento. O presente trabalho propõe desenvolver um compósito de matriz ferrosa reforçado com carbeto de nióbio ? disperso fina e homogeneamente ? formado in situ durante a sinterização. O design teórico, que incluiu a escolha das matérias-primas e dos parâmetros de processamento, foi realizado através da análise termodinâmica e cinética do sistema ferro-carbono-nióbio simulado no Thermo-Calc®. As simulações indicaram que uma mistura do intermetálico Fe2Nb com grafite reage para formar ferro e carbeto de nióbio, gerando o compósito desejado. Para confirmar as simulações, pó do composto Fe2Nb ? cuja fabricação fez parte da dissertação ? foi misturado com 5,5 até 7,5% de grafite em peso. A mistura foi granulada, compactada e por fim sinterizada entre 850 e 1250 °C. De 850 até 1050 °C, tanto a fração quanto o tamanho do carbeto de nióbio aumentaram. Em 1150 °C, a reação está completa. A formação de fase líquida durante a sinterização, presente em algumas das condições, auxiliou a densificação do compósito. Entretanto, quando o líquido permaneceu durante toda a sinterização, ele se aglomerou e formou regiões livres de nióbio. Além disso, o líquido promoveu a mudança de morfologia dos carbetos de aproximadamente esféricos para aproximadamente cuboides e resultou no crescimento anormal de grão. A evolução da matriz ferrosa com o teor de carbono e a temperatura de sinterização mostrou boa concordância com as simulações, evoluindo desde ferrítica até a de um ferro fundido. O compósito com 6,5% de carbono sinterizado em 1250 °C atingiu a melhor combinação entre baixa porosidade e alta microdureza ? 16,5 ± 0,7% de porosidade e 952 ± 82 HV0,05 de dureza. O compósito desenvolvido ainda não é um material finalizado que pode ser utilizado para fabricar componentes de engenharia. Contudo, essa dissertação serve como a base necessária para ciar um material de alto valor agregado fabricado com tanto matéria-prima quanto tecnologia brasileira.Abstract: Metal matrix composites (MMCs) combine the high toughness of metals with the high mechanical strength of ceramic reinforcements. The mechanical properties of the composite depend on the size, distribution, and interface of these reinforcements. Conventional manufacturing of MMCs is by mixing ceramic particles with a metallic alloy. However, this manufacturing process results in defects such as agglomeration of fine reinforcement particles and contamination and formation of pores at the interface with the matrix. The formation of reinforcement by chemical reactions during processing, called in situ formation, is a method that has received considerable attention because it avoids the defects of the traditional processing route. The present work proposes to develop a ferrous matrix composite reinforced with niobium carbide - fine and homogeneously dispersed - formed in situ during sintering. The theoretical design, which included the choice of raw materials and processing parameters, was carried out by thermodynamic and kinetic analysis by simulating the iron-niobium-carbon system in Thermo-Calc®. The simulations indicated that a mixture of Fe2Nb intermetallic with graphite reacts to form iron and niobium carbide, generating the desired composite. To confirm the simulations, Fe2Nb powder?whose manufacture was part of the dissertation? was mixed with 5.5 to 7.5% graphite by weight. The mixture was granulated, pressed, and sintered in temperatures ranging 850 to 1250 °C. From 850 to 1050 °C, both the fraction and the size of the niobium carbide increased. At 1150 °C, the reaction is complete. The formation of liquid phase during sintering, present in some of the conditions, increased densification of the composite. However, when the liquid remained throughout the sintering, it clustered and formed niobium-free regions. Moreover, the liquid promoted the change of morphology of carbides from approximately spherical to approximately cuboid and resulted in abnormal grain growth. The evolution of the ferrous matrix with the carbon content and the sintering temperature showed good agreement with the simulations, evolving from ferritic to cast iron. The composite with 6.5% C sintered at 1250 °C achieved the best combination between low porosity and high microhardness?16.5 ± 0.7% porosity and 952 ± 82 HV0.05 hardness. The developed composite is not yet a finished material that can be used to manufacture engineering components. However, this dissertation sets the foundation for creating a valuable material made using raw materials and technology from Brazil.Klein, Aloisio NelmoUniversidade Federal de Santa CatarinaAvila, Daniel dos Santos2021-01-14T18:06:18Z2021-01-14T18:06:18Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis149 p.| il., gráfs.application/pdf370549https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/219246porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-01-14T18:06:18Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/219246Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-01-14T18:06:18Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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