Síntese in situ de cermets reforçados por carbetos e boretos de nióbio através da sinterização reativa de pós de B4C e Fe2Nb

Abstract

O nióbio, elemento de significativa relevância para a economia brasileira, dado o domínio nacional nas reservas e na produção global, oferece possibilidades oportunas para a indústria brasileira. As propriedades de dureza e estabilidade térmica e química de seus carbetos, nitretos e boretos são adequadas para a produção de metais duros. Dado o cenário atual dessa classe de materiais, em que a busca por alternativas sustentáveis aos materiais convencionais, como cobalto, níquel e carboneto de tungstênio, cresce em função de preocupações ambientais, de saúde, custo e disponibilidade, este trabalho propõe o desenvolvimento de um compósito de matriz metálica reforçado com partículas de boretos e carbetos de nióbio, a qual pode ser uma alternativa viável aos metais duros tradicionais, que ainda valoriza recursos nacionais. A metodologia empregada se baseia na sinterização reativa de misturas de pós do intermetálico Fe2Nb com diferentes proporções de B4C e C. Essa abordagem permite a formação dos reforços in situ por meio de reações químicas durante o processamento por metalurgia do pó. As misturas foram compactadas e sinterizadas nas temperaturas de 1150°C, 1200°C e 1250°C, visando promover a reação dos pós e a densificação do componente. Os compósitos foram avaliados do ponto de vista da densidade e dureza das amostras. Os resultados revelaram que o aumento da temperatura de sinterização não tem impacto significativo na microestrutura e propriedades do material. Em contrapartida, o aumento do teor de B4C e C resultou em um aumento da densidade e dureza das amostras, devido à formação de fase líquida durante a sinterização. O compósito com 6,5 wt.% de B4C, com distribuição de partículas mais fina, apresentou os melhores resultados, alcançando 85,8% da densidade absoluta e uma dureza de 1277 HV10. Embora investigações adicionais sejam necessárias visando atingir um nível de densificação mais elevado, esse compósito se demonstra promissor para aplicações em engenharia.

Niobium, an element of significant relevance to the Brazilian economy due to its national dominance in reserves and global production, offers timely opportunities for the Brazilian industry. The hardness and properties of its carbides, nitrides, and borides are suitable for the production of hard metals. Given the current scenario in this class of materials, where the search for sustainable alternatives to conventional materials such as cobalt, nickel, and tungsten carbide is growing due to environmental, health, cost, and availability concerns, this work proposes the development of a metal matrix composite reinforced with niobium borides and carbides, which could be a viable alternative to traditional hard metals while still valorizing national resources. The methodology employed is based on the reactive sintering of powder mixtures of the intermetallic compound Fe2Nb with different proportions of B4C and C. This approach allows for the in situ formation of reinforcements via chemical reactions during powder metallurgy processing. The mixtures were compacted and sintered at temperatures of 1150°C, 1200°C, and 1250°C to promote powder reactions and composite densification. The composites were evaluated in terms of sample density and hardness. The results revealed that the increase in the sintering temperature had no significant impact on the material’s microstructure and properties. In contrast, the increase in the content of B4C and C resulted in an increase in the density and hardness of the samples due to the formation of a liquid phase during sintering. The composite with 6.5 wt.% of B4C with a finer particle distribution exhibited the best results, achieving 85.8% of absolute density and a hardness of 1277 HV10. Although further investigations are necessary to achieve a higher level of densification, this composite exhibits potential for engineering applications.