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INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO
NUCLEAÇÃO DA GRAFITA EM FERRO FUNDIDO CINZENTO UTILIZANDO PARTÍCULAS CINZENTO UTILIZANDO PARTÍCULAS
CERÂMICAS NANOMÉTRICAS
Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI
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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
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OBJETIVOS E INOVAÇÃO
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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.
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Composição Química dos Inoculantes
Tabela 1: Inoculantes ElkemTabela 1: Inoculantes Elkem
(ELKEM TI 6, 1997)
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Inovação:
Aplicar uma técnica de conformação, Processamento Coloidal, na produção de inoculantes.
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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
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NUCLEAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS GRAFÍTICOS:
Eutético Estável
Não nucleia Nucleação
fasenão facetada
fasefacetada
Não nucleiafase facetada
NucleaçãoHeterogênea
austenita grafita
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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)
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∆GSUP = + 4 π.r2σs/l
∆G = ∆G + ∆G
∆GVOL = - 4/3 π.r3(∆Gv)
∆GTOTAL= ∆GSUP + ∆GVOL
(PORTER e EASTERLING, 2004)
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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).
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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
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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)
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Processamento Coloidal
sólido
defloculante e/ou pH
líquido
SUSPENSÃOESTÁVEL
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Mecanismos de estabilização da suspensão
i. Repulsão eletrostática;
ii. Impedimento estérico.
Ferramenta de análise da suspensão:Reologia
(MORENO, 2005)
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Partículas nanométricas x micrométricas:
(RODRIGUES NETO, 1999)
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MATERIAIS E MÉTODOS
- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS.
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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.
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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.
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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.
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Processo de Colagem
Placa de Gesso
Fe-SiO2 Fe-ZrO2
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Moagem de alta energia dos portadores
2,5
10
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MATERIAIS E MÉTODOSMATERIAIS E MÉTODOS
FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES
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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).
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Métodos:
Moldes
Fe-SiO2 Fe-ZrO2
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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.
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Caracterização microestrutural: MO e MEV
portadores
Fe-ZrO2 (7,5% moído)
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RESULTADOS E DISCUSSÕESRESULTADOS E DISCUSSÕES
- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS;
- FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES.
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Estudo reológico do sistema Fe-SiO2
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Estudo reológico do sistema Fe-ZrO2
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2,5% 7,5% Fe-SiO2
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2,5% 7,5% Fe-ZrO2
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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.
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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
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Amostragem sem portadores
EDS
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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
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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
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Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2
Fe-ZrO2 (1%)Fe-ZrO2 (1%)
2.5% colado
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Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2
Fe-ZrO2 (1%)Fe-ZrO2 (1%)
2.5% moído
Fe-ZrO2
Fe-ZrO2
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Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2
Fe-ZrO2 (1%)Fe-ZrO2 (1%)
2.5% colado
7.5% colado
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Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2
Fe-ZrO2 (1%)Fe-ZrO2 (1%)
2.5% moído
7.5% moído
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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
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Fe-ZrO2
2.5%
moído
7.5%
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CONCLUSÕES
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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.
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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.