Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI

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1 NUCLEAÇÃO DA GRAFITA EM FERRO FUNDIDO CINZENTO UTILIZANDO PARTÍCULAS CERÂMICAS NANOMÉTRICAS Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI

2 Sumário: INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO - OBJETIVOS E INOVAÇÃO - 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 - Produção dos Portadores de Fe + Nanocerâmicas - Fusão do FC com e sem Portadores de Inoculantes - CONCLUSÕES

3 OBJETIVOS E INOVAÇÃO

4 Objetivo Geral: Obtenção de portadores de nanopartículas cerâmicas (SiO 2 e ZrO 2 ) 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.

5 (ELKEM TI 6, 1997) INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Composição Química dos Inoculantes Tabela 1: Inoculantes Elkem

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

7 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

8 NUCLEAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS GRAFÍTICOS: Eutético Estável fase não facetada fase facetada Não nucleia fase facetada Nucleação Heterogênea austenita grafita

9 s=substrato n=núcleo INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Nucleação Heterogênea da Grafita Mecanismos envolvidos: termodinâmicos, cinéticos e estruturais G T δ Proposta por BRAMFITT (1970) δ(hkl) s/n =Σ(1/3)[(( (d [uvw]s cosθ)-d [uvw]n )/d [uvw]s ]100

10 G SUP = + 4 π.r 2 σ s/l G TOTAL = G SUP + G VOL G VOL = - 4/3 π.r 3 ( G v ) (PORTER e EASTERLING, 2004)

11 Principais características dos nucleantes: (i) Estabilidade termodinâmica; (i) Estabilidade termodinâmica; (ii) T f 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).

12 Mecanismo de atuação dos Inoculantes: i. Solidificar o eutético em T maiores; ii. Diminuir energia de interface (núcleo/liquido). ÓXIDOS BaS, SrS, CaS, CeS, MnS,... SULFETOS CaO, Al 2 O 3, SiO 2, ZrO 2, TiO 2... BaO.SiO 2 CaO.Al 2 O 3.2SiO 2 SILICATOS

13 Metalurgia do Ferro Fundido Cinzento (i) Reação eutética: T=1153ºC L (4,26 %C ) E ( γ + Grafita ) 4,26%C (ii) Reação eutetóide: T=739ºC Metaestável: PERLITA Estável: FERRITA (FUOCO et al., 2004)

14 Processamento Coloidal defloculante e/ou ph sólido líquido SUSPENSÃO ESTÁVEL

15 Mecanismos de estabilização da suspensão i. Repulsão eletrostática; ii. Impedimento estérico. Ferramenta de análise da suspensão: Reologia (MORENO, 2005)

16 Partículas nanométricas x micrométricas: (RODRIGUES NETO, 1999)

17 MATERIAIS E MÉTODOS -PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS.

18 Materiais dos Portadores de Fe com nanocerâmicas Caracterização Fe (Diafe2000) SiO 2 (Levasil) ZrO 2 (MELox Nanosize) Tamanho Médio 1,63 [µm] 15 [nm] 50 [nm] Área Específica (m 2 /g) 1, Concentração 100% 40% massa 25% massa Densidade (g/cm 3 ) 7, ,0 Dispersante: poliacrilato de amônia (PAA), Duramax D3005.

19 Estudo reológico da suspensão aquosa de Fe PAA: 2,0% vol. + 1 h min. US H 2 O (100 ml) Fe (40% vol.) - Medição de ph; - T= 25ºC; - Taxas de cisalhamento: 0 até 1000 s -1 em 3 min.; - Desaceleração: 3 min.

20 Estudo reológico dos sistemas: Fe-SiO 2 e Fe-ZrO 2 PAA: 2,0% vol h. + 1 min. US + H 2 O Fe suspensão de Fe nanocerâmica coloidal Adições de nanocerâmicas: 1, 2.5 e 7.5% vol. Total de sólidos: 40% vol.

21 Processo de Colagem Placa de Gesso Fe-SiO 2 Fe-ZrO 2

22 Moagem de alta energia dos portadores 10 2,5

23 MATERIAIS E MÉTODOS FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES

24 Materiais da Fusão do FC com adição dos portadores: Carga metálica: - 40% sucata de aço (diversificada); - 60% retorno de ferro fundido; - 12% de carvão mineral (coque).

25 Métodos: Moldes Fe-SiO 2 Fe-ZrO 2

26 Fusão Forno fusor: Forno cubilô GHW (26 t/h); Forno de armazenamento: Forno Holding (35t); Temperatura de Superaquecimento: 1535±15 o C; Tempo de Superaquecimento: ~14 h.

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28 Caracterização microestrutural: MO e MEV portadores Fe-ZrO 2 (7,5% moído)

29 RESULTADOS E DISCUSSÕES - PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS; -FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES.

30 Estudo reológico do sistema Fe-SiO 2

31 Estudo reológico do sistema Fe-ZrO 2

32 Fe-SiO 2,5% 2 7,5%

33 Fe-ZrO 2,5% 2 7,5%

34 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: iii. utilização do copo de análise térmica com telúrio. 1535ºC por 14 h;

35 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, ,53 1,83 0,29 0,04 0,103 4, ,57 1,86 0,29 0,039 0,101 4, ,54 1,84 0,29 0,039 0,102 4, ,58 1,85 0,29 0,04 0,102 4, ,57 1,86 0,29 0,04 0,103 4,20 Média 3,55 1,85 0,29 0,039 0,102 4,18

36 Amostragem sem portadores EDS

37 Anexo 1: Parâmetros cristalográficos e desajuste planar da INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO grafita sobre o SiO 2 (tridimita, tetragonal) Planos d [hkl]s d [hkl]gr θ d [hkl]s cosθ δ (%) (10-10)Gr// (100)SiO2 (-12-10)Gr// (100)SiO2 (10-10)Gr// (110)SiO2 (-12-10)Gr// (110)SiO2 (10-10)Gr// (001)SiO2 (-12-10)Gr// (001)SiO2 [010] [011] [001] [010] [011] [001] [-110] [-111] [001] [-110] [-111] [ ] [ ] [0004] [-30-30] [-40-44] [0004] [ ] [ ] [0004] [-40-40] [-4044] 0 2, , , ,4 12, , , , , , , , , , ,1178 [001] [0004] 0 25,2869 [010] [ ] 0 12,8901 [-110] [ ] 2,6 18,2106 [-100] [0002] 0 12,8901 [010] [-110] [-100] [-30-30] [-30-32] [0002] 0 1,5 0 12, , ,8901 Grafita a =2,456 e c = 6,696 SiO 2 a = b = 12,8528 e c = 25,2136 5,0 3,9 4,9 5,1 3,1 2,4

38 Anexo 1: Parâmetros cristalográficos e desajuste planar da INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO grafita sobre o ZrO 2 (monoclínica) Planos d [hkl]s d [hkl]gr θ d [hkl]s cosθ δ (%) (10-10) Gr // [010] (100) ZrO2 [011] [001] (10-10) Gr // [100] (010) ZrO2 [101] [001] [-14-20] [0201] [0001] [-14-20] [0201] [0001] 0 9,1 5, ,2496 5, ,3135 5,2 6, ,5 5,0615 (10-10) Gr // [010] [-14-20] 0 5,2131 (001) ZrO2 [110] [100] [0201] [0001] 8,2 0 7,3677 5,3135 (10-10) Gr // [001] [-14-20] 0 5,1477 (110) ZrO2 [111] [0201] 1,6 9,0469 [-110] [0001] 0 7, ,2 16,8 12,9 7,4 Grafita a =2,456 e c = 6,696 ZrO 2 a= 5,3129 ; b = 5,2125 e c = 5,1471

39 Fe-ZrO 2 (1%) INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO 2 2.5% colado

40 Fe-ZrO 2 (1%) INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO 2 Fe-ZrO 2 2.5% moído Fe-ZrO 2

41 Fe-ZrO 2 (1%) INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO 2 2.5% colado 7.5% colado

42 Fe-ZrO 2 (1%) INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO 2 2.5% moído 7.5% moído

43 Análise metalográfica da matriz perlitica entre as grafitas Tabela 3: Espaçamento interlamelar da perlita. Amostras Espaçamento interlamelar (nm) Desvio Padrão FC Fe-ZrO 2 (2,5%, moído) Fe-ZrO 2 (7,5%, moído)

44 Fe-ZrO 2 moído 2.5% 7.5%

45 CONCLUSÕES

46 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 ; ii. adição de 2%vol. de PAA; iii. 40%vol. de pó de ferro micrométrico; iv. mistura em moinho de bolas por 1h.

47 Fusão do FC com adições dos portadores de inoculantes: - Grafitas foram constatadas por MO e MEV, em torno dos portadores Fe-ZrO 2 ; - Nenhuma grafita foi constatada nas amostras com portadores Fe-SiO 2 e sem portador, apenas ledeburita; - A matriz predominante foi perlita (refinada) entre as grafitas.

48 OBRIGADA!