Desenvolvimento de portadores de nanopartículas cerâmicas como nucleante para solidificação de ferro fundido cinzento

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais.Este estudo trata da obtenção de portadores de ferro com adição de nanopartículas cerâmicas, cuja eficiência foi testada como agente nucleante da grafita nos ferros fundidos. Técnicas de processamento coloidal foram aplicadas na confecção dos portadores constituídos de uma matriz metálica de ferro com partículas cerâmicas de SiO2, Al2O3, ZrO2 ou BaTiO3, em teores de 1, 2.5 e 7.5 vol.% e tamanho nanométrico, dispersas a esta. Ensaios reológicos foram utilizados para determinar as condições necessárias para obter suspensões aquosas estáveis de baixa viscosidade para serem conformadas via colagem em molde de gesso. A fração de pó de ferro, 40 vol.%, pH alcalino (9-10.5), adição de agente dispersantes, 2 vol.% de poliacrilato de amônia (PAA), foram as condições otimizadas. Caracterizações microestruturais foram feitas para determinar a homogeneização da dispersão das nanocerâmicas na matriz metálica. O processo de moagem de alta energia foi aplicado nos portadores colados a fim de obter uma melhor dispersão das nanocerâmicas na matriz de ferro, deformada plasticamente. A atuação desses compactados como agente nucleante da grafita foi avaliada em uma liga base de ferro fundido cinzento. Nesse caso, foram criadas todas as condições para favorecer a reação metaestável: liga metálica hipoeutética, condições de alto superresfriamento (manutenção em forno por 14 h a 1535ºC), no intuito de eliminar todos os núcleos pré-existentes; vazamento em molde para análise térmica com telúrio, favorecendo a formação de carbetos. Dessa forma, a ocorrência de grafita nas amostras de ferro fundido com portadores Fe-ZrO2 (1 e 2.5% colado e 2.5 e 7.5% moído) e Fe-BaTiO3 (2.5 e 7.5% colado e moído) atribuiu-se às condições termodinamicamente favoráveis criadas a partir destas partículas no meio ao líquido permitindo a nucleação da grafita. O evento de solidificação foi acompanhado via análise térmica e os microconstituintes obtidos foram analisados microscopicamente. Foi observado que a grafita formada se encontra próxima aos portadores, os quais não foram totalmente dissolvidos e flotaram para a superfície do molde.This study deals with the fabrication of cast iron with addition of ceramic nanoparticles whose efficiency was tested as a nucleation agent of graphite. Colloidal processing techniques have been applied for obtaining carriers consisting of an iron metal matrix with dispersed particles of SiO2, Al2O3, ZrO2 or BaTiO3, at 1, 2.5 and 7.5 vol.% and nanometric size. Rheology tests were used to determine the conditions necessary to obtain stable aqueous suspensions of low viscosity to be cast in plaster molds. The optimized conditions were fraction of iron powder (40%vol.), pH (9-10.5), amount of coupling agent (2 vol.% ammonium polyacrylate).Microstructural characterization was done to determine the homogenization of the dispersion of nanoparticles in the metal matrix.The high-energy milling process was applied in cast carriers in order to obtain a better dispersion of nanoceramics in the plastically deformed iron matrix. Their performance as nucleation agents of graphite was evaluated in a basis alloy of grey cast iron. In this case, conditions to favour the metastable reaction were suplied: hypoeutectic alloy, conditions of high overcooling (holding in oven for 14 h at 1535ºC), in order to eliminate any pre-existing nuclei; casting mould for thermal analysis with tellurium, favouring the formation of carbides. In this way, the occurrence of graphite in cast iron samples with carriers Fe-ZrO2 (1 and 2.5% cast and 2.5 and 7.5% milled) and Fe-BaTiO3 (2.5 and 7.5% cast and milled) was assigned to the thermodynamically favourable conditions created from particles in the middle to the liquid allowing graphite nucleation. The event was accompanied by solidification and thermal analyses and the microconstituents obtained were analyzed microscopically. It was noticed that the graphite is formed next to carriers, which have not been fully dissolved and floated on the surface of the mold