ESTUDO DA LIGA Ni-Cr-Al-C RESISTENTE AO DESGASTE CONFORMADA POR SPRAY

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1 ESTUDO DA LIGA Ni-Cr-Al-C RESISTENTE AO DESGASTE CONFORMADA POR SPRAY A. Mourisco (1), A. H. Kasama(1), H. Goldenstein (2), W. J. Botta Filho (1), C. S. Kiminami (1), C. Bolfarini (1). (1) - UFSCar- Universidade Federal de São Carlos, DEMa- Dep. de Eng. de Materiais, CP 676, São Carlos - SP , Brasil. (2)- EPUSP- Escola Politécnica da Univ. de São Paulo, Dept. de Eng. Metalúrgica e de Materiais, Av. Prof. Mello Moraes, 2463, C. Univesitária São Paulo SP , Brasil. cbolfa@power.ufscar.br RESUMO No presente trabalho, a conformação por spray é usada para processar uma nova família de ligas de níquel (Ni-Al-Cr-C), contendo uma dispersão de carbonetos duros em uma matriz de fase intermetálica do tipo Ni3Al. Estas ligas, resistentes ao desgaste e a resistentes altas temperaturas, são propostas como substitutas de aços refratários e ligas fundidas convencionais a base de cobalto e níquel. No presente estudo são analisadas três composições, contendo 0.5, 1.0 e 1.5% em peso de carbono, como objetivo de observar a potencialidade do uso destas ligas quanto à sua resistência ao desgaste e correlação desta propriedade com a microestrutura das mesmas. Para se avaliar o efeito de refino microestrutural das ligas atomizadas, foram também fabricadas ligas, nas três composições, fundidas convencionalmente. A caracterização das ligas foi feita com uso de microscopia óptica e ensaios de resistência ao desgaste normalizados. Verificou-se que esta nova família de ligas apresenta grande potencial tecnológico para substituir outras ligas já conhecidas no que se refere a resistência ao desgaste a temperatura ambiente. Palavras Chaves: níquel, conformação por spray, desgaste, intermetálico, carboneto. INTRODUÇÃO Uma nova família de ligas de níquel fundidas, resistentes ao desgaste e resistente a altas temperaturas, denominada NICRALC por seus inventores (1,2), contendo o composto intermetálico Ni 3 Al, é aqui introduzida. Estas ligas, contendo uma dispersão de carbonetos em uma matriz g, estão sendo propostas como substitutas de aços refratários e ligas convencionais de colbalto e níquel baseadas na resistência ao desgaste a altas temperaturas. NICRALC é uma liga contendo Ni-Cr -Al-C, tendo uma composição tal que favoreça a formação de uma matriz g com uma dispersão de carbonetos eutéticos e pró-eutéticos (2). A predominância da matriz g tem a vantagem de fornecer um aumento anômalo de limite de escoamento com o aumento de temperatura (3). A conformação por spray é um processo de solidificação rápida baseada na atomização, por meio de um gás inerte, de um fluxo de 3211

2 metal liquido, seguido da consolidação das gotículas atomizadas sobre um substrato, para formar um depósito consolidado (4-7). O objetivo deste trabalho é o estudo da influência de variáveis de processamento via Conformação por Spray (relação gás metal, pressão de nitrogênio) na microestrutura das ligas NICRALC e avaliar sua correlação com a resistência ao desgaste. Os resultados serão também comparados com os de ligas, da mesma família, fundidas convencionalmente, e de composições químicas similares às aqui estudadas. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Três diferentes composições da liga de níquel NICRALC são estudadas, conforme apresentado na tabela I. Cargas de 4kg cada foram preparadas usando-se cromo e níquel eletrolíticos, Al 1100 e a adição de Boro na forma da liga mãe comercial Al-Ti-B. No processamento de conformação por spray a liga fundida era superaquecida a 1600 C e atomizada com uso de nitrogênio. A distância de voo foi ajustada para 360mm e duas relações gás metal (RGM) foram usadas (0,12 e 0,23). Afim de se comparar a microestrutura da liga conformada por spray com aquela de ligas fundidas convencionais três composições foram preparadas e fundidas sob atmosfera de argônio e vazadas em espessos moldes de areia para se garantir uma solidificação lenta. Maiores detalhes do equipamento são mostrados em (8) A caracterização microestrutural das amostras foi feita via microscopia óptica (MO). Por motivo de praticidade, serão usados no presente trabalho os códigos conv e atm para as amostras fundidas convencionais e atomizadas respectivamente, sendo que atm s 1, 2 e 3 são para RGM de 0,23 e atm s 4, 5 e 6 têm respectivamente as mesmas composições de 1, 2 e 3 mas RGM 0,12. O ensaio de desgaste adotado neste trabalho foi o de pino sobre disco, com orientação da norma ASTM G Os corpos de prova cilíndricos, com 10mm de diâmetro por 20mm de altura, foram usinados por meio de eletroerosão. O equipamento de desgaste utilizado pertence ao Laboratório de Engenharia de Superfícies II da EESC-USP. O ensaio foi realizado seis vezes para cada amostra, com carga de 500g e rotação do disco de 53 rpm. A cada ensaio, as lixas de SiC 220 (e posteriormente 600 mesh) escolhidas para este ensaio foram trocadas, a amostra era limpa com pincel e pesada em uma balança analítica. Tabela I.- Três composição químicas utilizadas Liga %Ni %Al %Cr %C %B ,44 8 0,5 0, ,94 8 1,0 0, , ,5 0,06 RESULTADOS E DISCUSSÃO Foram observadas tanto as amostras obtidas por conformação por spray como as obtidas por fundição convencional. Devido a impossibilidade de se 3212

3 mostrar cada detalhe observado, foram escolhidas duas microestruturas onde podem ser vistas as principais característica. Observando-se as ligas fundidas convencionalmente (fig.1a), pode-se ver que a microestrutura é composta de estrutura celular onde carbonetos lamelares do tipo eutético acoplado mostram-se presentes nesses contornos de células. Já as ligas conformadas por spray verificou-se que a microestrutura era composta do mesmo tipo de carboneto, e que conforme se aumentava o teor de carbono aumenta-se também a fração volumétrica de carbonetos; mas estes carbonetos apresentavam tamanhos, em média, uma ordem de grandeza menores do que aqueles das ligas similares convencionais. A microestrutura das ligas fundidas convencionais, bem como a das conformadas por spray, apresentam basicamente o mesmo tipo de matriz g e carbonetos, diferindo entre elas no tamanho e distribuição dos mesmos conforme se mudava a velocidade de solidificação. (a) (b) Figura 1.- Microesturtura, sem ataque, (MO) das ligas contendo 1%C, sendo: (a) fundida convencional (conv-2), (b) conformada por spray (atm-2). Os resultados dos ensaios de desgaste do tipo pino-sobre-disco são apresentados na tabela II. Com o objetivo de se comparar os resultados das ligas NICRALC com uma liga conhecida por sua resistência ao desgaste, testes de desgaste foram também executados em uma amostra de ferro fundido branco de alto cromo (2,98%C 19,7%Cr), aqui denominada fofo. Tabela II.- Medidas de perda de massa durante testes de resistência ao desgaste do tipo pino sobre disco a temperatura ambiente. Perda de Massa (%) Perda de Massa (%) HV Fração Vol. 600 mesh 220 mesh (N/mm 2 ) Carbonetos Material (%) Fofo 100 mm 25 mm 0,0517 0,0079 0,1282 0, ,1 3,6 Atm-01 0,1286 ± ,3225 ± ± 13 3,1 ± 1,5 Atm-02 0,1287 ± ,4083 ± ± 4 4,1 ± 1,6 Atm-03 0,0745 ± ,4128 ± ± 5 5,1 ± 1,7 3213

4 Atm-04 Atm-05 0,0528 ± ,2860 ± ,0648 ± ,2872 ± ± 9 3,0 ± 1,3 492 ± 8 3,8 ± 1,2 Atm-06 0,0303 ± ,1629 ± ± 7 4,9 ± 1,4 Conv-1 0,0773 ± 0,0143 0,2010 ± ± 9 2,8 ± 1,0 Conv-2 0,0526 ± 0,0046 0,1541 ± ± 8 3,4 ± 1,0 Conv-3 0,0219 ± 0,0059 0,0896 ± ± 13 4,8 ± 1,1 Observando-se a tabela II, pode-se ver que a fração volumétrica dos carbonetos nas ligas atomizadas aumenta linearmente com o aumento da porcentagem de carbono de maneira, aparentemente, independente da taxa de solidificação. Verifica-se também que a fração volumétrica de carbonetos presente no fofo branco é de aproximadamente uma ordem de grandeza maior do que aquela presente nas ligas de níquel em estudo, e isto se deve principalmente ao maior teor de carbono existente nos ferros fundidos brancos, o qual é responsável pela formação dos carbonetos. Uma maior fração volumétrica de carbonetos no fofo branco se reflete no valor da medida de dureza encontrada, mas, no entanto, esse parâmetro não explica sozinho o valor da dureza medido no fofo branco e deve-se levar em conta a presença de matensita na sua matriz (9,10). Quando se analisa os valores de dureza das ligas de níquel, verifica-se que conforme se aumenta o teor de carbono, se tem um aumento na fração volumétrica de carbonetos resultando num aumento dos valores de dureza deste material. No entanto, a gritante diferença de frações volumétricas de carbonetos registrada entre o fofo branco e as ligas de níquel, não resulta em significativas diferenças dos valores de dureza, o que nos induz a afirmar que, no caso dos fofos brancos, a fração volumétrica de carbonetos é o fator mais importante para se explicar a dureza desses materiais, e que no caso das ligas de níquel em estudo, a matriz de maior resistência mecânica é o fator mais importante para a dureza desses materiais. Esse fato nos leva a postular sobre um conceito que já era pré-indutivo, de que o conjunto (resistência da matriz + fração volumétrica de carbonetos) é o parâmetro importante para o parâmetro-dureza do material e que no caso do fofo branco alto cromo e das ligas NICRALC estudadas são muito próximos. Analisando-se, comparativamente ao ferro fundido branco de alto cromo, os resultados dos ensaios de desgaste feitos com uso de lixas de granulometria 600#, pode-se observar similar, e mesmo melhores resultados para as ligas conformadas por spray do que para o ferro fundido branco. Como esperado, as ligas conformadas por spray contendo maiores porcentagens de carbono (Atm-3 e Atm-6), e conseqüentemente maiores frações volumétricas de carbonetos, apresentam melhor resistência ao desgaste. Levando-se em conta que essas ligas apresentam similares e até mesmo melhor resistência ao desgaste do que os fofos brancos, pode-se supor que os mecanismos de desgaste atuantes nos dois materiais são também similares, ou seja, microssulcamento e microcorte de materiais dúcteis, lembrando que nos ferros fundidos brancos, a parte dúctil da matriz é a austenita e que no fofo branco aqui usado como comparação o carboneto é de cromo e do mesmo tipo que nas ligas de níquel em estudo (10). No entanto, quando se verifica os valores 3214

5 de resistência ao desgaste das ligas de níquel fundidas convencionais, verificase que estes são iguais ou melhores do que aquele do fofo branco e todos superiores às suas ligas de composições similares (ex: Atm-1, Atm-4 e Conv- 1). Esse fato nos leva a supor que para esses valores de granulometria de lixas de SiC, e considerando-se uma mesma composição, a matriz está menos protegida do abrasivo quando os carbonetos são pequenos. Quando se aumenta o tamanho dos carbonetos, estes, associados às boas resistência mecânica e ductilidade da matriz protegem melhor a matriz dos elementos abrasivos da lixa 600#. Analisando os resultados usando-se lixas de SiC de granulometrias 220# pode-se observar que os melhores resultados foram para as ligas de níquel fundidas convencionalmente e dentre ela, a de maior fração volumétrica de carbonetos. Comparando-se as ligas conformadas por spray e atomizadas sob alta relação gás metal RGM (Atm-1,2,3) e sob baixa RGM, (Atm-4,5,6), podese ver melhores resultados de resistência ao desgaste para as ligas atomizadas sob baixa RGM, onde os carbonetos são maiores do que aqueles das ligas atomizadas sob alta RGM. Dessa forma, verifica-se que o tamanho dos carbonetos presentes nas ligas atomizadas é o fator mais importante quando se considera o fenômeno desgaste. Os ensaios de desgaste podem ser encarados como uma tentativa de se simular o comportamento que teria um certo material quando em contato com o material que lhe causaria desgaste ou outro material abrasivo mais conhecido. No presente estudo usou-se lixas de SiC em duas granulometrias e desta forma, o desgaste é do tipo abrasivo a três corpos. Segundo alguns pesquisadores (10,11), o ensaio pino-sobre-disco deve ser feito de forma que a amostra a ser desgastada não passe duas vezes, no mesmo ensaio, sobre a mesma superfície, pois, ainda segundo os mesmos, a capacidade de corte do abrasivo da lixa ou da superfície desgastante, muda, ou melhor, se deteriora durante a primeira passagem e quando da segunda passagem a capacidade de desgaste diminui, mascarando, desta forma, o resultado. Por outro lado, se um ensaio de desgaste tenta simular o que ocorre numa solicitação real de desgaste, não seria um grande problema se em um ensaio de desgaste o corpo de prova a ser desgastado sofre esforços típicos numa mesma região mais do que uma vez, o que estaria mais em acordo com uma simulação de desgaste. Ainda no que se refere a críticas ao ensaio de desgaste realizado no presente trabalho, menciona-se (11) que o SiC é um abrasivo muito severo devido a sua dureza em relação à dureza dos materiais metálicos, o que, desta forma, mascararia uma real (provavelmente melhor) resistência ao desgaste do material. Sendo assim, ensaios de desgaste adesivo ou usando-se um outro abrasivo devem ser feitos para se melhor avaliar o desempenho da liga. Apesar das ponderações, considerando-se que os ensaios foram feitos, na sua maioria, adotando-se o mesmo procedimento, pode-se fazer um estudo comparativo dos diversos comportamentos de desgaste que apresentam os materiais aqui estudados. Pelo que foi discutido em termos de desgaste a temperatura ambiente, pode-se supor com fortes indícios, que as ligas NICRALC, e aqui estudadas, são plenamente utilizáveis como materiais resistentes ao desgaste a temperaturas superiores à 500 C, uma vez que a resistência mecânica destas 3215

6 ligas sofre um aumento anômalo de seu limite de escoamento quando se aumenta a temperatura de uso das mesmas. CONCLUSÃO Do ponto de vista tecnológico, verificou-se ser plenamente viável a substituição dos ferros fundidos brancos de alto cromo pelas ligas de níquel NICRALC, quando o material é submetido a esforços de desgaste a temperatura ambiente, desde que se trabalhe com altos teores de carbono e consequentemente de carbonetos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP (Projs. n. 2000/ and 2000/ ) e ao CNPq pelo suporte financeiro REFERÊNCIAS [1] H.N, Yoshimura, H.Goldenstein, 51 o Cong. Anual ABM (1996), p [2] Y.N. Silva, H.N. Yoshimura, H. Goldenstein, 2 o Congresso Iinternacional de Tecnologia Metalúrgica e de Materiais (1997), (Proceedings in cd-rom). [3] J.H Westbrook., R.L. Fleischer, Intermetallic Compounds Principles and Practice, John Wiley & Sons editions, v.1, ch.21, (1995). [4] A. Mourisco, Y.N. Silva, H. Goldenstein, C.S. Kiminami, C. Bolfarini, Euromat-2001 (2001), (Proceedings in cd-rom). [5] M. Boccalini Jr., H. Goldenstein, Int. Mat. Reviews v.46, n.2 (2001), p [6] A.R.E. Singer, J. Institute of Metals, v.100, (1972), p [7] R.W. Evans, A.G. Leatham, R.G. Brooks, Powder Met, v.28, (1985), p [8] M. M. Pariona, C. Bolfarini; R. J. dos Santos; C. S. Kiminami, J. of Mater. Proc. Tech., Vol. 102/1-3, (2000), p [9] K. H. Zum Gahr, D. V. Doane, Met. Trans. A, v.11a (1980), p [10] A. Sinatora, P.R. Mei, A. P. Tchiptschin., Resistência ao Desgaste de Ferros Fundidos Brancos com 13% de Cromo, Temperado, Metalurgia ABM, v.47, p , (1991). [11] A. Sinatora, Comunicação Pessoal, (2002) 3216

7 STUDY OF THE WEAR RESISTANT SPRAY FORMED NI-CR-AL-C ALLOY A. Mourisco (1), A. H. Kasama(1), H. Goldenstein (2), W. J. Botta Filho (1), C. S. Kiminami (1), C. Bolfarini (1). (1) - UFSCar- Universidade Federal de São Carlos, DEMa- Dep. de Eng. de Materiais, CP 676, São Carlos - SP , Brasil. (2)- EPUSP- Escola Politécnica da Univ. de São Paulo, Dept. de Eng. Metalúrgica e de Materiais, Av. Prof. Mello Moraes, 2463, C. Univesitária São Paulo SP , Brasil. cbolfa@power.ufscar.br ABSTRACT In the present study the spray forming method has been used to process a new family of nickel alloy (Ni-Al-Cr-C) containing a hard carbides dispersion in na intermetallic Ni 3 Al type matrix. These alloys, has been proposed as substitutes for refractory steels and conventional cobalt and nickel based wear resistant cast alloys for use at high temperatures. Three chemical compositions, containing 05., 1.0 and 1.5 wt% of carbon has been analyzed, with the aim of evaluate their potentiality of wear resistance, as well as evaluate the correlation between this property and their microstructures. In order to evaluate the microstructural refinement of the atomized alloys, the same three alloys were also produced by conventional casting process. The microstructural characterization were performed by optical microscopy and standard wear resistance. It was confirmed that this new family of alloys present great technological potential for substitute other well known wear resistance alloys at room temperature. Keywords: nickel, spray forming, wear, intermetallic, carbide 3217