Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI‡ÃO DA GRAFITA E… · instituto de cerÂmica y vidrio nucleaÇÃo da grafita em ferro fundido cinzento utilizando partÍculas cerÂmicas nanomÉtricas

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

NUCLEAÇÃO DA GRAFITA EM FERRO FUNDIDO CINZENTO UTILIZANDO PARTÍCULAS CINZENTO UTILIZANDO PARTÍCULAS

CERÂMICAS NANOMÉTRICAS

Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI


Sumário:

- OBJETIVOS E INOVAÇÃO- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA- FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

- Nucleação de Ferros Fundidos Grafíticos

- Processamento Coloidal

- MATERIAIS E MÉTODOS- Produção dos Portadores de Fe + Nanocerâmicas- Fusão do FC com e sem Portadores de Inoculantes

- RESULTADOS E DISCUSSÕES- RESULTADOS E DISCUSSÕES

- Produção dos Portadores de Fe + Nanocerâmicas

- Fusão do FC com e sem Portadores de Inoculantes

- CONCLUSÕES


OBJETIVOS E INOVAÇÃO


Objetivo Geral:

Obtenção de portadores de nanopartículas cerâmicas (SiO2 e ZrO2 ) com matriz metálica (Fe), via o processamento coloidal em meio aquoso, e analisar sua eficiência como agentes nucleantes na formação da grafita lamelar em ferros fundidos. formação da grafita lamelar em ferros fundidos.


Composição Química dos Inoculantes

Tabela 1: Inoculantes ElkemTabela 1: Inoculantes Elkem

(ELKEM TI 6, 1997)


Inovação:

Aplicar uma técnica de conformação, Processamento Coloidal, na produção de inoculantes.


FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA


NUCLEAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS GRAFÍTICOS:

Eutético Estável

Não nucleia Nucleação

fasenão facetada

fasefacetada

Não nucleiafase facetada

NucleaçãoHeterogênea

austenita grafita


Nucleação Heterogênea da Grafita

Mecanismos envolvidos:

termodinâmicos, cinéticos e estruturais

∆G δ∆T∆G δ∆T

δ(hkl)s/n=Σ(1/3)[((|(d[uvw]scosθ)-d[uvw]n|)/d[uvw]s]100

s=substraton=núcleo

Proposta por BRAMFITT (1970)


∆GSUP = + 4 π.r2σs/l

∆G = ∆G + ∆G

∆GVOL = - 4/3 π.r3(∆Gv)

∆GTOTAL= ∆GSUP + ∆GVOL

(PORTER e EASTERLING, 2004)


Principais características dos nucleantes:

(i) Estabilidade termodinâmica;(i) Estabilidade termodinâmica;(ii) Tf maior que a do banho líquido; (iii) Tamanho compatível ao método de adição;(iv) Menor ângulo de contato com o metal sólido;(v) Ter ou promover estrutura cristalina do composto similar com a grafita (hexagonal).


Mecanismo de atuação dos Inoculantes:

i. Solidificar o eutético em T maiores;i. Solidificar o eutético em T maiores;

ii. Diminuir energia de interface (núcleo/liquido).

ÓXIDOS

• BaS , SrS, CaS, CeS, MnS, ...

SULFETOS

• CaO, Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 ...

ÓXIDOS • BaO.SiO2

• CaO.Al2O3.2SiO2

SILICATOS


Metalurgia do Ferro Fundido Cinzento

(i) Reação eutética: T=1153ºC

γL (4,26 %C ) � E ( γ + Grafita )4,26%C

(ii) Reação eutetóide: T=739ºC

Metaestável: PERLITA Estável: FERRITA

(FUOCO et al., 2004)


Processamento Coloidal

sólido

defloculante e/ou pH

líquido

SUSPENSÃOESTÁVEL


Mecanismos de estabilização da suspensão

i. Repulsão eletrostática;

ii. Impedimento estérico.

Ferramenta de análise da suspensão:Reologia

(MORENO, 2005)


Partículas nanométricas x micrométricas:

(RODRIGUES NETO, 1999)


MATERIAIS E MÉTODOS

- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS.


Materiais dos Portadores de Fe com nanocerâmicas

Caracterização Fe(Diafe 2000)

SiO2

(Levasil)

ZrO2

(MELox Nanosize)

Tamanho Médio 1,63 [µm]

15 [nm]

50 [nm]

Área Específica (m2/g) 1,0 200 85-95Área Específica (m /g) 1,0 200 85-95

Concentração 100% 40% massa 25% massa

Densidade (g/cm3) 7,6 1.295 6,0

Dispersante: poliacrilato de amônia (PAA), Duramax D3005.


Estudo reológico da suspensão aquosa de Fe

1 h.

+

H2O(100 mL)

Fe (40% vol.)

PAA: 2,0% vol.

+ + 1 min. US

- Medição de pH;

- T= 25ºC;

- Taxas de cisalhamento: 0 até 1000 s-1 em 3 min.;

- Desaceleração: 3 min.


Estudo reológico dos sistemas:

Fe-SiO2 e Fe-ZrO2

+

1 h.

+

H2O Fe

PAA: 2,0% vol.

+

+ 1 min. US

suspensão nanocerâmica

•

H2O Fe suspensãode Fe

nanocerâmica coloidal

Total de sólidos: 40% vol.

• ••

Adições de nanocerâmicas: 1, 2.5 e 7.5% vol.


Processo de Colagem

Placa de Gesso

Fe-SiO2 Fe-ZrO2


Moagem de alta energia dos portadores

2,5

10


MATERIAIS E MÉTODOSMATERIAIS E MÉTODOS

FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES


Materiais da Fusão do FC com adição dos portadores:

Carga metálica:Carga metálica:

- 40% sucata de aço (diversificada);

- 60% retorno de ferro fundido;

- 12% de carvão mineral (coque).- 12% de carvão mineral (coque).


Métodos:

Moldes

Fe-SiO2 Fe-ZrO2


Fusão

Forno fusor: Forno cubilô GHW (26 t/h);Forno fusor: Forno cubilô GHW (26 t/h);

Forno de armazenamento: Forno Holding (35t);

Temperatura de Superaquecimento: 1535 ± 15oC;

Tempo de Superaquecimento: ~14 h.Tempo de Superaquecimento: ~14 h.



Caracterização microestrutural: MO e MEV

portadores

Fe-ZrO2 (7,5% moído)


RESULTADOS E DISCUSSÕESRESULTADOS E DISCUSSÕES

- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS;

- FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES.


Estudo reológico do sistema Fe-SiO2


Estudo reológico do sistema Fe-ZrO2


2,5% 7,5% Fe-SiO2


2,5% 7,5% Fe-ZrO2


Fusão do FC e adições dos portadores de inoculantes

i. composição química típica de um FC hipoeutético;

ii. combinação de alta T e longo t de superaquecimento:

1535ºC por 14 h;1535ºC por 14 h;

iii. utilização do copo de análise térmica com telúrio.


Composição Química

Tabela 2: Composição química do FC ao longo do tempo (9:00 h.).

tempo (min.) Porcentagem elementar (% massa)

% C % Si % Mn % P % S CE*0 3,53 1,84 0,29 0,04 0,104 4,16

60 3,53 1,83 0,29 0,04 0,103 4,15180 3,57 1,86 0,29 0,039 0,101 4,20300 3,54 1,84 0,29 0,039 0,102 4,17300 3,54 1,84 0,29 0,039 0,102 4,17420 3,58 1,85 0,29 0,04 0,102 4,21540 3,57 1,86 0,29 0,04 0,103 4,20

Média 3,55 1,85 0,29 0,039 0,102 4,18


Amostragem sem portadores

EDS


Planos d[hkl]s d[hkl]Gr θ d[hkl]s cosθ δ (%)(10-10)Gr//(100)SiO2

[010][011][001]

[-510-50][-510-54][0004]

02,40

12,890128,357825,2869

5,0

(-12-10)Gr// [010] [-30-30] 0 12,8901

Anexo 1: Parâmetros cristalográficos e desajuste planar da grafita sobre o SiO2 (tridimita, tetragonal)

(-12-10)Gr//(100)SiO2

[010][011][001]

[-30-30][-40-44][0004]

01,50

12,890128,373025,2869

3,9

(10-10)Gr//(110)SiO2

[-110][-111][001]

[-714-70][-714-74][0004]

03,10

18,229431,127125,2869

4,9

(-12-10)Gr//(110)SiO2

[-110][-111][001]

[-40-40][-4044][0004]

03,40

18,229431,117825,2869

5,1[001] [0004] 0 25,2869

(10-10)Gr//(001)SiO2

[010][-110][-100]

[-510-50][-510-52][0002]

02,60

12,890118,210612,8901

3,1

(-12-10)Gr//(001)SiO2

[010][-110][-100]

[-30-30][-30-32][0002]

01,50

12,890118,223212,8901

2,4

Grafita a =2,456 e c = 6,696 SiO2 a = b = 12,8528 e c = 25,2136


Planos d[hkl]s d[hkl]Gr θ d[hkl]s cosθ δ (%)

(10-10)Gr//(100)ZrO2

[010][011]

[-14-20][0201]

09,1 5,2131

Anexo 1: Parâmetros cristalográficos e desajuste planar da grafita sobre o ZrO2 (monoclínica)

(100)ZrO2 [011][001]

[0201][0001]

9,10

5,21317,24965,1477

14,2

(10-10)Gr//(010)ZrO2

[100][101][001]

[-14-20][0201][0001]

05,2

10,5

5,31356,85785,0615

16,8

(10-10)Gr//(001)

[010] [110]

[-14-20][0201]

08,2

5,21317,3677 12,9(001)ZrO2 [110]

[100][0201][0001]

8,20

7,36775,3135

12,9

(10-10)Gr//(110)ZrO2

[001][111]

[-110]

[-14-20][0201][0001]

01,60

5,14779,04697,4438

7,4

Grafita a =2,456 e c = 6,696 ZrO2 a= 5,3129 ; b = 5,2125 e c = 5,1471


Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2

Fe-ZrO2 (1%)Fe-ZrO2 (1%)

2.5% colado




2.5% moído

Fe-ZrO2

Fe-ZrO2




2.5% colado

7.5% colado




2.5% moído

7.5% moído


Análise metalográfica da matriz perlitica entre as grafitas

Tabela 3: Espaçamento interlamelar da perlita.

AmostrasEspaçamento interlamelar

(nm)Desvio Padrão

FC 200 249 33

Fe-ZrO2 (2,5%, moído) 136 50

Fe-ZrO2 (7,5%, moído) 136 59


Fe-ZrO2

2.5%

moído

7.5%


CONCLUSÕES


Processamento de portadores de Fe com nanocerâmicas:

- É possível alcançar uma suspensão aquosa de Fe estabilizada;

- As condições necessárias para a estabilização foram:

i. ajuste de pH na faixa de 8-10.5;

ii. adição de 2%vol. de PAA;

iii. 40%vol. de pó de ferro micrométrico;

iv. mistura em moinho de bolas por 1h.


Fusão do FC com adições dos portadores de inoculantes:

- Grafitas foram constatadas por MO e MEV, em torno dos - Grafitas foram constatadas por MO e MEV, em torno dos

portadores Fe-ZrO2;

- Nenhuma grafita foi constatada nas amostras com

portadores Fe-SiO e sem portador, apenas ledeburita;portadores Fe-SiO2 e sem portador, apenas ledeburita;

- A matriz predominante foi perlita (refinada) entre as

grafitas.


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