Orientador : Nelson Guedes de Alcantara

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas

Resumo: São apresentados os resultados de uma pesquisa sobre o desenvolvimento de ligas Fe ¿ C ¿ Cr e Fe ¿ C ¿ Cr ¿ Nb que representam classes importantes de materiais para aplicações contra o desgaste abrasivo. As ligas experimentais foram elaboradas em forno de indução e vazadas em moldes de...

Resumo: São apresentados os resultados de uma pesquisa sobre o desenvolvimento de ligas Fe ¿ C ¿ Cr e Fe ¿ C ¿ Cr ¿ Nb que representam classes importantes de materiais para aplicações contra o desgaste abrasivo. As ligas experimentais foram elaboradas em forno de indução e vazadas em moldes de areia. Ensaios abrasivos por sílica a baixas tensões, com equipamento de roda de borracha, foram realizados para a determinação de perdas de massa e de volume dos materiais. Empregou-se uma técnica de microscopia eletrônica de varredura na observação de superfícies progressivamente desgastadas. Também foram realizadas análises térmicas de solidificação de ligas, com o emprego de forno de aquecimento resistivo e interrupção de solidificação por congelamento da amostra. Com relação ás microestruturas destes materiais, a série de ligas Fe ¿ C ¿ Cr apresentou matriz austenítica (?) e carbonetos M7C3 variando entre 8,7% a 47,7%, abrangendo desde estruturas hipoeutéticas até hipereutéticas. A série de ligas Fe ¿ C ¿ Cr ¿ Nb apresentou as fases ?, M7C3 e NbC em duas configurações microestruturais típicas, com a formação de ? dendrítico ou de carbonetos M7C3 massivos. As ligas da série ao Nb contendo ? dendrítico apresentaram desde 1,5 até 22,2% NbC (em um total de 27,9 até 44,1% de carbonetos M7C3 + NbC). As ligas da série ao Nb contendo M7C3 massivo apresentaram desde 1,2 7 3 até 20,5% NbC (em um total de 36,5 até 45,1% de carbonetos M7C3 + NbC). Investigou-se a variação do desgaste com a porcentagem volumétrica de carbonetos presentes na microestrutura destes materiais. Verificou-se um mínimo de desgaste para frações intermediárias de carboneto M7C3 nas ligas Fe ¿ C ¿ Cr, para microestrutura ligeiramente hipereutética. Também foi verificado um mínimo de desgaste para fração intermediária do total de carbonetos M7C3 + NbC para as ligas Fe ¿ C ¿ Cr ¿ Nb. Para auxiliar na interpretação dos resultados quantitativos de desgaste, foram observados os micromecanismos superficiais de desgaste. As diferentes formas de degradação microestrutural em geral se mostraram semelhantes para as ligas Fe ¿ C ¿ Cr e Fe ¿ C ¿ Cr ¿ Nb. Entretanto, podem ser salientadas duas diferenças importantes no desgaste de NbC e M7C3. O NbC não apresentou ilhas de matriz austenítica confinadas em seu interior, ao contrário do M7C3 massivo que apresentou essa formação microestrutural e o mecanismo de fragmentação por pite associado. Por outro lado, os carbonetos NbC massivos mostraram-se sujeitos a um arrancamento ou desintegração acentuada, enquanto que os carbonetos M7C3 massivos apresentaram degradação sempre gradual. Para a previsão e interpretação da formação das microestruturas obtidas nas ligas da série contendo Nb, foi desenvolvido um modelo de equilíbrio e solidificação de fases. O modelo previu por exemplo, os campos de formação de ? dendrítico ou M7C3 massivo, presentes de forma mutuamente excludentes e todas as ligas contendo NbC investigadas. O modelo fundamentou-se no sistema Fe ¿ C ¿ Cr ¿ NbC.

Abstract: The Fe - C - Cr e Fe - C - Cr - Nb alloys, extensively used for abrasive wear resistance applications, were developed and studied in the present work. These experimental alloys were induction melted and sand cast. Low stress rubber wheel abrasion tests with silica were performed for mass...

Abstract: The Fe - C - Cr e Fe - C - Cr - Nb alloys, extensively used for abrasive wear resistance applications, were developed and studied in the present work. These experimental alloys were induction melted and sand cast. Low stress rubber wheel abrasion tests with silica were performed for mass and volume loss measurements. Scanning electronic microscopy was use for observing wear damages on the material's surface. Thermal analysis were conducted by heating some alloys in a SiC resistance furnace and water quenching for freezing structures. The Fe - C - Cr alloy microstrutures showed austenitic (?) matrix and 8,7% to 47,7% M7C3 carbides going from hipoeutetic to hipereutetic structures. The Fe - C - Cr alloys exibited ?, M7C3 and NbC in two different microstructural configurations. One of them showed dendritic ? and the other massive M7C3 . The Nb alloys with dendritic ? showed 1,5 to 22,2% NbC (in a total of 27,9% to 44,1% M7C3 + NbC), whilst the Nb alloys with massive M7C3 showed 1,2 to 20,5% NbC (in a total of 36,5 to 45,1% M7C3 + NbC). The influence of carbide volume fraction on the wear behavior was investigated, and a minimum wear was observed for intermediate volume fraction of M7C3 in Fe - C - Cr alloys corresponding to a slightly hipereutetic microstructure. The same behavior was also verified at intermediate M7C3 + NbC carbide volume fraction for the Nb alloys. For a better understanding o the above quantitative results SEM observations were performed, attention being centered on the evolution of the wear morphology and thus on the micromechanism involved in the process. Although the general features were almost identical, two main differences were observed, regarding the fracture mode of massive NbC and M7C3 . First, austenitic matrix islands were observed within M7C3 carbide, which exibited pit formation mechanism, while no such microstructural feature was associated to NbC. Second, evidences of NbC gross fracture were often found while massive M7C3 was characterized by progressive degradation. In order to rationalize the Nb alloys microstruture formation, a phase equilibrium diagram and a solidification model were developed based on a Fe - C - Cr - NbC system. The ? dendritic and massive M7C3 solidification fields for the experimental Nb alloys were explained by this model