Seleção de inoculantes para refino de liga hipereutética de ferro branco de alto cromo

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2014.Os carbonetos primários, presentes em ligas hipereutéticas de ferro fundido branco de alto cromo são responsáveis pela elevada resistência ao desgaste e baixa tenacidade. A possibilidade de diminuir o tamanho (refinar) de tais carbonetos, mantendo-se a fração volumétrica, implicaria em maior resistência ao desgaste e maior tenacidade. Extensa revisão bibliográfica indica que a literatura relativa ao refino de tais ligas é bem menos numerosa e menos fundamentada cientificamente que aquela relativa ao refino de alumínio e suas ligas. Por exemplo, nos textos de refino de ferro branco hipereutético, os poucos refinadores estudados pela literatura não foram selecionados de modo racional. No presente trabalho, investigou-se a possibilidade de se utilizar dos critérios utilizados no refino de ligas de alumínio (desajuste planar e fator de restrição ao crescimento) para selecionar candidatos ao refino de ferros fundidos de alto cromo hipereutéticos. Verificou-se que não é possível utilizar o critério do fator de restrição ao crescimento, em ferros fundidos, face à indisponibilidade dos diagramas necessários ao uso de tal critério. Todavia, mediante uso do critério de desajuste planar, foi possível selecionar alguns candidatos (FeSi, FeSiMg, FeTi, CaSi e Al) à inoculantes dos carbonetos primários M7C3, sendo que FeTi apresentou maior número de planos cristalinos com desajustes planares (para M7C3) abaixo de 12% e CaSi apresentou o segundo maior número de planos cristalinos com desajustes planares abaixo de 12%. Confirmou-se, conforme literatura, que o FeTi não atua propriamente como refinador de carbonetos primários, mas como consumidor de C, alterando a composição da liga inicialmente hipereutética para eutética ou hipoeutética. Dentre os candidatos, constatou-se que o CaSi apresenta maior efeito refinador, reduzindo o comprimento máximo dos carbonetos primários de 3300 um para 300 um (10 vezes) na região da periferia de amostras cilíndricas de 50 mm de diâmetro. Constatou-se que o uso de CaSi gera carbonetos primários M7C3 que contém em seu núcleo compostos a base de O, Al, S e Ca e que o mecanismo de refino é pela presença de substratos favoráveis à nucleação. Não se constatou presença de empilhamento de soluto na interface matriz-carboneto primário, indicando que o CaSi não atua na restrição ao crescimento. Constatou-se que o uso de CaSi reduz o fator de forma (comprimento/largura) dos carbonetos, tornando-os mais equiaxiais e, que adições na panela até 2,0% CaSi maximizam o efeito de refino nos carbonetos na periferia da amostra. Adições de CaSi no molde são mais eficazes que na panela de vazamento e o uso de granulometrias de CaSi abaixo daquelas fornecidas pelo mercado não aumentam a eficácia de refino. Constatou-se ainda que há perda de eficiência de inoculação quando o tempo decorrido entre a adição de CaSi na panela e o vazamento é superior a 6 minutos. Finalmente, constatou-se que o refino dos carbonetos primários M7C3 resultou em pequeno aumento da dureza do material, mas um grande aumento na resistência ao desgaste abrasivo.<br>Abstract : The primary carbides present in hypereutectic alloys of high chromium white cast irons are responsible for the high wear resistance and low toughness. The possibility of reducing the size (refining) of such carbides, keeping the volume fraction unchanged, may imply higher wear resistance and higher toughness. Extensive review on cast irons indicates that the literature on the refining of such alloys is much less numerous and less scientifically relative to that on the refining of aluminum and its alloys. For example, in the refining of hypereutectic white irons, the few refiners studied in the literature were not selected in a rational way. In the present study, the possibility of using the criteria for the refining of aluminum alloys (planar misfit and growth restriction factor) was investigated to select candidates for the refining of hypereutectic high chromium white irons. It was found that it is not possible to use the criterion of growth restriction in cast irons, due to the unavailability of the necessary diagrams required for such a criterion. However, using the planar misfit criterion, it was possible to select some candidates (FeSi FeSiMg, FeTi, CaSi, and Al) to the inoculants of primary M7C3 carbides, where FeTi had a greater number of crystal planes with planar misfit (for M7C3) below 12% and CaSi had the second largest number of crystal planes with planar misfit below 12%. It was confirmed, as cited in the literature, that the FeTi does not act properly as a refiner of primary carbides, but as a consumer of C, changing thereby the alloy composition from hypereutectic to eutectic or hypoeutectic. Of the candidates used, it was found that the CaSi has a greater refining effect by reducing the maximum length of the primary carbides from 3300 mm to 300 mm (10-fold) in the periphery region of cylindrical samples of 50 mm in diameter. It was found that the use of CaSi generates primary M7C3 carbides that contain in their core composite of O, Al, Ca, and S, and the refining mechanism is the presence of substrates favorable to the nucleation. There was no presence of stacking of solute in the matrixprimary carbide interface, indicating that the CaSi does not act in restricting growth. It was also found that the use of CaSi reduces the form factor (length/width) of the carbides, making them more equiaxed, and additions up to 2.0% CaSi to the ladle maximize the effect of refining of carbides in the periphery region of the sample. Additions of CaSi to the mold are more effective than to the casting ladle, and the use of CaSi particles with sizes below than those provided by the market does not increase the efficiency of refining. It was also found that there is a loss of efficiency of inoculation when the time elapsed between the CaSi addition to the ladle and pouring is greater than 6 minutes. Finally, it was found that the refinement of primary M7C3 carbides resulted in a small increase in the material hardness, but a large increase in the abrasion resistance