Produção de inoculante a base de carbeto de nióbio gerado a partir da carbonetação do ferronióbio

Abstract

A inoculação de ferro fundido nodular é uma etapa fundamental da sua produção e, constantemente, se busca novos inoculantes de maior potencial para aumentar suas propriedades mecânicas por proporcionarem ao fundido maiores quantidades de substratos propícios a nucleação da grafita e dos grãos de austenita. O potencial de substratos de NbC já formados e introduzidos em fundidos metálicos, processo chamado de inoculação ex situ, está sendo explorado atualmente por, principalmente, possuírem alto ponto de fusão e baixa solubilidade na austenita. O NbC pode estar presente em pós compósitos (Fe+NbC), produzidos por moagem de alta energia. Contudo, a forma de obter os mesmos ainda é limitada, oportunizando explorar novos processos para a sua produção, como através da carbonetação de FeNb. O presente trabalho propõe produzir, através da carbonetação de partículas de ferronióbio (FeNb), partículas compósitas de Fe + NbC e investigar a viabilidade de serem utilizadas como inoculantes de ferro fundido nodular, dissolvendo-se e dispersando as partículas de NbC adequadamente para nuclear maior quantidade de grafita no ferro fundido. Inicialmente, estudou-se a cinética de difusão do carbono nos fragmentos de FeNb de acordo com cada configuração de carbonetação (temperatura de patamar entre 650 e 1150 °C, tempo de patamar de 1 e 2 h, e grafite, metano puro ou diluído como agentes) realizada para gerar pó compósito (Fe+NbC) contendo precipitados finos de NbC envoltos em ferro. Nas carbonetações com tempo de patamar de 1 h, as temperaturas de patamar mínimas para a formação da camada carbonetada com os agentes grafite, metano puro e diluído são 1150, 850 e 1150 °C, respectivamente. Dobrando o tempo de patamar (2 h), em temperatura de patamar de 1150 °C, a profundidade de difusão com o uso do metano diluído quase dobrou ao comparar com o uso do metano puro sob os mesmos parâmetros. O alto teor de nióbio no FeNb ocasionou a aglomeração dos precipitados de NbC após a carbonetação. A partir desse estudo da cinética, produziu-se dois pós compósitos com metano diluído, sendo que em um deles gerou-se carbetos finos (0,3 µm) envoltos em ferro. Realizouse também um teste de inoculação ex situ do ferro fundido nodular com um pó compósito (Fe+NbC) ? carbonetado com grafite e depositado na base do molde de areia antes de verter o fundido líquido ? para analisar a sua capacidade de dissolução e a distribuição dos precipitados de NbC no mesmo. Isso resultou em falta de distribuição do pó compósito no líquido, a qual pode ter contribuído para a aglomeração de grande parte dos carbetos que se incorporaram a matriz do mesmo, além da falta de dissolução. Possivelmente, a causa principal foi o método escolhido de introdução do pó compósito que, além de não dispersar as suas partículas, não forneceu aporte térmico o suficiente para a dissolução das mesmas. Apesar de ser necessário mudar o método de introdução do pó com o intuito de dissolver e dispersar o mesmo, comprovou-se a viabilidade de carbonetar pó de FeNb para gerar precipitados finos de NbC envoltos em ferro.

Abstract: The inoculation of ductile cast iron is a fundamental step in its production, and new inoculants with greater potential are constantly being sought to enhance its mechanical properties by providing larger amounts of substrates favorable to the nucleation of graphite and austenite grains. The potential of pre-formed NbC substrates introduced into molten metals?a process known as ex situ inoculation?is currently being explored, primarily due to their high melting point and low solubility in austenite. NbC can be present in composite powders (Fe+NbC), produced by high-energy milling. However, the methods for obtaining such powders are still limited, which creates an opportunity to explore new production processes, such as the carburization of FeNb. This study proposes to produce Fe + NbC composite particles through the carburization of ferroniobium (FeNb) particles and to investigate their viability as inoculants for ductile cast iron, assessing whether the NbC precipitates can adequately dissolve and disperse to nucleate a greater amount of graphite. Initially, the carbon diffusion kinetics in FeNb fragments were studied according to each carburization configuration (holding temperatures between 650 and 1150 °C, holding times of 1 and 2 hours, and graphite, pure methane, or diluted methane as agents), aiming to produce composite powder (Fe+NbC) containing fine NbC precipitates embedded in iron. For carburization with a holding time of 1 hour, the minimum holding temperatures required to form the carburized layer with graphite, pure methane and diluted methane were 1150 °C, 850 °C, and 1150 °C, respectively. When the holding time was doubled (2 h) at a temperature of 1150 °C, the diffusion depth achieved using diluted methane almost doubled compared to that achieved with pure methane under the same conditions. The high niobium content in FeNb led to the agglomeration of NbC precipitates after carburization. Based on this kinetic study, two composite powders were produced using diluted methane, where in one of them, fine carbides (0.3 µm) were formed and embedded in iron. An ex situ inoculation test of ductile cast iron was also performed using a composite powder (Fe+NbC)?carburized with graphite and placed at the bottom of the sand mold before pouring the molten metal?to assess its dissolution capability and the distribution of NbC precipitates within the metal. The result was a lack of distribution of the composite powder in the molten metal, which may have contributed to the agglomeration of a large portion of the carbides incorporated into the matrix, in addition to incomplete dissolution. The main cause was likely the chosen method of powder introduction, which, besides failing to disperse the particles, did not provide sufficient thermal input for their dissolution. Although the powder introduction method needs to be changed to ensure proper dissolution and dispersion, the feasibility of carburizing FeNb powder to generate fine NbC precipitates embedded in iron has been demonstrated.