Dissociação conjunta de SiC e CrN em matriz ferrosa durante a sinterização

Abstract

Este trabalho estudou misturas de Fe, carbeto de silício (SiC) e nitreto de cromo (CrN) produzidas via compactação de pós, focando na evolução microestrutural durante o tratamento térmico de sinterização, uma vez que ambos os compostos se dissociam em temperaturas e pressões tipicamente utilizadas na sinterização de componentes de aço. A dissociação isolada do SiC em Fe já é conhecida e foi revisitada apenas como parâmetro de comparação. As temperaturas de início e fim e os mecanismos da dissociação isolada e conjunta dos compostos foi caracterizada. O CrN se dissocia por conta da perda de N2 para a atmosfera, sendo que a região rica em Cr oxida na sequência. Durante a dissociação conjunta fica claro que a presença de N dissolvido na matriz retarda a dissociação do SiC por conta da redução da difusividade do C que compete pelos mesmos interstícios. Já o Cr acelera a dissociação pois aumenta a força motriz para a difusão do C, que migra até a região rica em Cr para formar o carbeto misto M7C3. O M7C3 também se precipita em outras regiões da matriz e nos contornos de grão, e a perlita é formada por lamelas de carbeto misto (Fe, Cr)3C. Com 1,65 %wt de CrN adicionado ainda há formação de grafita, porém para teores maiores todo carbono difunde para formar carbetos. O N tem seu efeito perceptível mesmo em pequenos teores de CrN adicionado, enquanto o Cr, por se difundir mais lentamente, tem sua influência na dissociação do SiC mais fortemente relacionada ao teor de CrN, que influência o livre caminho médio entre os dois compostos. Fase líquida surge durante a sinterização por conta da formação de eutéticos complexos e leva à formação de grandes poros secundários (com dimensões superiores a 100 µm). Não há formação de nitretos após a sinterização devido à perda de N2 para atmosfera, fortemente dependente da pressão e composição da atmosfera. No reator a plasma há até poros secundários formados na região ocupada pelo CrN devido à perda tão acelerada de N2 que resulta da baixa pressão. Há também a segregação superficial de C nas amostras produzidas em reator, relacionadas com o aumento da atividade do C por conta do Si em solução na matriz. Por fim as ferramentas de simulação termodinâmica e de difusão se mostraram capazes de prever com elevada precisão a microestrutura formada, embora algumas limitações em termos de mecanismos de difusão e formação de precipitados não sejam levadas em conta.

Abstract: Fe-SiC-CrN mixtures were produced by powder metallurgy routes and their microstructural evolution during sintering was studied, focusing on the simultaneous dissociation of both compounds dispersed in the ferrous matrix. The dissociation of SiC on iron is already well-known and was used as a reference. The dissociation mechanisms and the temperatures at which they start and finish were characterized for each compound isolated and for their mixture. CrN dissociates due to the formation of N2 that is lost to the atmosphere, and the remaining Cr-rich region oxidizes in typical oxygen partial pressure present in furnaces. During the joint dissociation, the N dissolved in the matrix delays the dissociation of SiC due to the lower diffusivity of C, since both compete for the same interstices. Cr accelerates SiC dissociation as it increases the driving force for the diffusion of C, which migrates to the region rich in Cr, reducing oxides and forming the complex carbide M7C3. This carbide also precipitates in other regions of the matrix and in the grain boundaries, while the perlite is formed by (Fe, Cr)3C lamellae. With 1.65% wt CrN there is still formation of graphite, but for higher levels all carbon diffuses to form carbides. Nitrogen has a noticeable effect even for small amounts of added CrN, while Cr, as it diffuses more slowly, has its influence more strongly related to the CrN content, which influences the mean free path between the particles of both compounds. A liquid phase is formed during sintering due to the formation of a complex eutectic and leads to the formation of large secondary pores. There is no formation of nitrides after sintering due to the loss of N2 to the atmosphere, a phenomenon that is strongly dependent on the pressure and composition of the atmosphere. In the plasma reactor, with lower pressure, there are even secondary pores formed in the region occupied by CrN particles as consequence of fast shrinkage due to the accelerated loss of N2. There is also the superficial segregation of C in samples produced in the plasma reactor, related to the increase of C activity in Fe caused by the dissolution of Si. Finally, the thermodynamic and diffusion simulation tools were able to predict the formed microstructure with high precision, although some limitations in terms of diffusion mechanisms and precipitate formation are not considered in the models.