Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI - foundrygate.comfoundrygate.com/upload/artigos/NUCLEAÇÃO DA GRAFITA...

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

CERÂMICAS NANOMÉTRICAS

Dra.ROSINEIDE JUNKES LUSSOLI

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

OBJETIVOS E INOVAÇÃO

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Composição Química dos Inoculantes

Tabela 1: Inoculantes ElkemTabela 1: Inoculantes Elkem

(ELKEM TI 6, 1997)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Inovação:

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

NUCLEAÇÃO DE FERROS FUNDIDOS GRAFÍTICOS:

Eutético Estável

Não nucleia Nucleação

fasenão facetada

fasefacetada

Não nucleiafase facetada

NucleaçãoHeterogênea

austenita grafita

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

∆GSUP = + 4 π.r2σs/l

∆G = ∆G + ∆G

∆GVOL = - 4/3 π.r3(∆Gv)

∆GTOTAL= ∆GSUP + ∆GVOL

(PORTER e EASTERLING, 2004)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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).

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Processamento Coloidal

sólido

defloculante e/ou pH

líquido

SUSPENSÃOESTÁVEL

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Mecanismos de estabilização da suspensão

i. Repulsão eletrostática;

ii. Impedimento estérico.

Ferramenta de análise da suspensão:Reologia

(MORENO, 2005)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Partículas nanométricas x micrométricas:

(RODRIGUES NETO, 1999)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

MATERIAIS E MÉTODOS

- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Processo de Colagem

Placa de Gesso

Fe-SiO2 Fe-ZrO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Moagem de alta energia dos portadores

2,5

10

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

MATERIAIS E MÉTODOSMATERIAIS E MÉTODOS

FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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).

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Métodos:

Moldes

Fe-SiO2 Fe-ZrO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Caracterização microestrutural: MO e MEV

portadores

Fe-ZrO2 (7,5% moído)

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

RESULTADOS E DISCUSSÕESRESULTADOS E DISCUSSÕES

- PRODUÇÃO DOS PORTADORES DE Fe + NANOCERÂMICAS;

- FC COM E SEM PORTADORES DE INOCULANTES.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Estudo reológico do sistema Fe-SiO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Estudo reológico do sistema Fe-ZrO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

2,5% 7,5% Fe-SiO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

2,5% 7,5% Fe-ZrO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Amostragem sem portadores

EDS

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2

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

2.5% colado

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2

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

2.5% moído

Fe-ZrO2

Fe-ZrO2

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2

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

2.5% colado

7.5% colado

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Análise metalográfica das amostras com Fe-ZrO2

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

2.5% moído

7.5% moído

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

Fe-ZrO2

2.5%

moído

7.5%

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

CONCLUSÕES

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

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.

INSTITUTO DE CERÂMICA Y VIDRIO

OBRIGADA!OBRIGADA!

rosi@sociesc.org.br