Desenvolvimento de compósito de matriz ferro-níquel reforçado por carbeto de nióbio formado in situ durante a sinterização

Abstract

Os compósitos de matriz metálica são materiais avançados que oferecem alta dureza, resistência ao desgaste e tenacidade, devido à combinação de matriz dúctil com reforços cerâmicos de alta dureza. Este trabalho propõe a adição de níquel ao compósito de matriz ferrosa reforçado por partículas de carbeto de nióbio formados in situ desenvolvido previamente no Labmat, a fim de alterar a microestrutura da matriz. Através de simulações termodinâmicas, foram propostas duas rotas de fabricação do compósito, a primeira denominada Rota Direta e que consiste na adição de níquel e grafite simultaneamente ao intermetálico Fe2Nb, e a rota Indireta, que propõe a fabricação de intermetálicos do tipo (Fe1-xNix)2Nb, que posteriormente são misturados ao grafite e sinterizados. Conforme apontado pelos resultados das simulações para a difusão do níquel em matriz ferrosa, as amostras fabricadas pela rota direta não apresentaram homogeneização do níquel, havendo áreas desse metal não dissolvido, o que levou ao descarte dessa rota. Pela Rota Indireta, foram fabricadas amostras com 5%, 10%, 15%, 20% e 30% de níquel na matriz, e com teor total de carbono de 4,5%, 5%, 5,5%, 6% e 6,5%. Após sinterização em uma hora a 1150 °C, houve conversão completa dos intermetálicos em matriz e reforços, resultado obtido através de difratometria de raios-X. As amostras com teores de níquel inferiores à 20% e entre 4,5% e 6,5% de carbono apresentaram matriz ferrítica ou martensítica, assim como as amostras com 20% de níquel e menos de 6% de carbono, enquanto as amostras com 20% de níquel e 6% e 6,5% de carbono e as com 30% de níquel e 4,5% a 6,5% de carbono apresentaram matriz predominantemente austenítica. Devido à dificuldade em se caracterizar as amostras por microscopia, foi feito o ensaio de dilatometria das amostras já sinterizadas a fim de se identificar a possível ocorrência de transformação martensítica, que foi identificada em todas as amostras que não apresentaram austenita. A dureza e microdureza das amostras foram negativamente influenciadas pela alta porosidade das amostras (entre 30% e 40%), que expandiram após a sinterização, embora seja possível destacar a amostra com 20% Ni e 4,5% C, que apresentou 669 ± 223 HV0,2kgf e a amostra com 20% Ni e 6% C, que apresentou 633 ± 281 HV0,2kgf. Devido à característica do material em expandir durante a sinterização, foi feita uma tentativa de formar os reforços sem a compactação do pó, em uma composição de 20% Ni 6,5% C (matriz austenítica). Essa tentativa foi bemsucedida, com resultado de DRX indicando que foi feita a conversão completa do intermetálico em matriz e reforços. Esse pó reagido foi então compactado e sinterizado por uma hora a 1150 °C. Em comparação com as amostras compactadas antes da formação dos carbetos, esse processo promoveu a diminuição da porosidade de 40% para 25% e alteração da dureza de 606 ± 297 HV0,2 para 508 ± 100 HV0,2. Embora o material ainda necessite de aprimoramento para ser usado em aplicações de engenharia, os resultados indicam seu potencial em ser um produto de alto valor agregado.

Abstract: Metal matrix composites are a class of advanced materials that offers high hardness, wear resistance and toughness, which occurs by combining a ductile matrix with hard ceramic reinforcements. The present work proposes the addition of nickel to the ferrous matrix composite reinforced by in situ formed niobium carbide particles previously developed at Labmat, in order to change the matrix microstructure. Through thermodynamic simulations, two manufacturing routes were proposed for the composite, the first being called the Direct Route, which consists of the addition of nickel and graphite powders simultaneously to the Fe2Nb intermetallic, and the Indirect Route, which proposes the manufacturing of intermetallics of the type (Fe1- xNix)2Nb, which are later mixed with graphite powder and sintered. As pointed out by the results of the simulations for the diffusion of nickel in ferrous matrix, the samples manufactured by the Direct Route did not present nickel homogenization, with areas of this undissolved metal, which led to the rejection of this route. Through the Indirect Route, samples were manufactured with 5%, 10%, 15%, 20% and 30% of nickel in the matrix, and with a total carbon content of 4.5%, 5%, 5.5%, 6% and 6.5%. After sintering for one hour at 1150 °C, there was complete conversion of the intermetallics into matrix and reinforcements, a result obtained through X-ray diffractometry. The samples with nickel contents lower than 20% and 4,5% to 6,5% of carbon showed ferritic or martensitic matrix, as well as the samples with 20% Ni and less than 6% C, while the samples with 20% nickel and 6% and 6.5% carbon, as well as samples with 30% nickel and 4.5% to 6.5% carbon showed predominantly austenitic matrix. Due to the difficulty in characterizing the samples by microscopy, the dilatometry test was performed on the samples already sintered in order to identify the occurrence of martensitic transformation with slow cooling, which was identified in every nonaustenitic sample. The hardness and microhardness of the samples were negatively influenced by the high porosity of the samples (between 30% and 40%), which expanded after sintering, although it is possible to highlight the sample with 20% Ni and 4.5% C, which showed 669 ± 223 HV0.2kgf and the sample with 20% Ni and 6% C, which showed 633 ± 281 HV0.2kgf. Due to the material's characteristic of expanding during sintering, an attempt was made to generate the reinforcements without powder compaction, in a composition of 20% Ni 6.5% C (austenitic matrix). This attempt was successful, with XRD results indicating that a complete conversion of the intermetallic to matrix and reinforcements was achieved. This reacted powder was then compacted and sintered for one hour at 1150 °C. In comparison with samples compacted before the formation of carbides, this process promoted a decrease in porosity from 40% to 25% and a decrease in hardness from 606 ± 297 HV0.2kgf to 508 ± 100 HV0.2kgf. Although the material still needs improvements to be used in engineering applications, the results indicate its potential to be a high valued product.