Desenvolvimento de ferros fundidos multicomponentes através da abordagem de ligas de alta entropia

Abstract

O conceito de ligas de alta entropia (LAEs) expandiu os limites da metalurgia e instigou a exploração de uma nova gama de composições químicas para desenvolvimento de novos materiais. Atualmente, lingotes de LAEs já são obtidos através de processos de fusão convencionais, por outro lado, é necessário descobrir novas aplicações para esses materiais e reduzir custos de suas rotas de fabricação. Os Ferros Fundidos Branco Alto Cromo (FFBAC) provaram ser um material eficaz para aplicações em ambientes agressivos, onde a resistência `a abrasão, erosão, e corrosão são necessárias. Esta elevada resistência ao desgaste deve-se `a fração volumétrica de carbonetos duros nos FFBAC. Desta forma inspirado nos conceitos de LAE, o objetivo desta investigação é a modificação de um FFBAC, através da adição de outros elementos, em elevado percentual atômico, para formação de carbonetos (V, Mo) e elemento ligante a matriz (Ni), para desenvolver uma nova classe de ferro fundido branco, chamada de Ferro Fundido Branco de Alta Entropia (FFBAE) capaz de ser produzido sem o uso de atmosfera controlada, e que apresente elevada resistência ao desgaste. Avaliou-se o comportamento de solidificação, caracterização microestrutural e, características de desgaste destas novas ligas. Para compreender completamente os efeitos das adições de V, Mo, e Ni na sequência de solidificação, foram coletados Curvas de Resfriamento Contínuo/Assistidas por Computador (CRC/AC) para as ligas. A análise por difração de raios X e, técnicas de microscopia eletrônica de varredura foram utilizadas para caracterização química e cristalográfica das fases presentes. Para a avaliação da influência das adições de liga, e do tratamento térmico no comportamento de desgaste, realizaram-se testes de desgaste por deslizamento a seco nos FFBAE, configuração esfera-sob-plano, para determinar o volume desgastado, taxa de desgaste linear, taxa de desgaste específica (κ), e coeficiente de atrito como variáveis de resposta. Os resultados mostraram que entre as adições feitas (V, Ni e Mo) as adições de Mo apresentam influência mais significativa nas Tliquidus, TM7C3-eutetico, e Tsolidus. Quanto a microestrutura as adições dos elementos formadores de carbonetos levou um refino microestrutural e precipitação de novos carbonetos. Quanto ao desempenho em desgaste, as adições de conjuntas de V, Mo e Ni aumentaram a resistência ao desgaste das ligas, sendo a contribuição do V e Mo as mais significativas para a melhora no desempenho. No conjunto hipoeutético a adição do elementos acarretou em um redução média de 55% na κ, já para o conjunto hipereutético ocorreu uma redução de 39% na κ. Esses resultados indicam que é possível a utilização de conceitos de LAE para obtenção de novos materiais com composições químicas inéditas produzidas através de rotas de produção de fácil industrialização. Nesse contexto as adições de elementos formadores carbonetos `as ligas Fe-Cr-C juntamente com o refinamento de carbonetos, representam uma estratégia promissora para a melhora do desempenho de desgaste.

The concept of High Entropy Alloys (HEAs) expanded the limits of metallurgy and instigated the exploration of a new range of chemical compositions for the development of new materials. Currently, HEAs ingots are already obtained through conventional melting processes, on the other hand, it is necessary to discover new applications for these materials and reduce the costs of their manufacturing routes. High Chromium Cast Iron (HCCI) has proven to be an effective material for applications in harsh environments, where resistance to abrasion, erosion, and corrosion is required. This high wear resistance is due to the carbide volumetric fraction in HCCI. Inspired by the concepts of HEAs, the objective of this research is the modification of an HCCI, through the addition of other elements, in high atomic percentage, for the formation of carbides (V, Mo) and metallic matrix alloying (Ni), to develop a new class of white cast iron, called High Entropy White Cast Iron (HEWCI) capable of being produced without the use of a controlled atmosphere, and which has high wear resistance. The solidification behavior, microstructural characterization, and wear characteristics of these new alloys were evaluated. To fully understand the effects of V, Mo, and Ni additions on the solidification sequence, Continuous Cooling/Computer-Aided Curves (CC/CCA) were collected for the alloys. X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy techniques were used for chemical and crystallographic characterization of the present phases. To evaluate the influence of alloy additions and heat treatment on wear behavior, dry sliding wear tests were carried out on HEWCI, ball-on-flat configuration, to determine the volume worn, linear wear rate, specific wear rate (κ), and coefficient of friction as response variables. The results showed that among the additions made (V, Ni, and Mo) the additions of Mo have a more significant influence on Tliquidus, TM7C3−eutectic, and Tsolidus . As for the microstructure, the additions of the carbide-forming elements led to a microstructural refinement and precipitation of new carbides. As for wear performance, the additions of V, Mo and Ni increased the wear resistance of the alloys, with the contribution of V and Mo being the most significant for the performance improvement. In the hypoeutectic alloys, the addition of the elements resulted in an average reduction of 55% in κ, while for the hypereutectic there was a reduction of 39% in κ. These finding results indicate that it is possible to use HEAs concepts to obtain new materials with unprecedented chemical compositions produced through production routes that are easy to industrialize. In this context, the additions of carbide-forming elements to Fe-Cr-C alloys together with microstructure refinement represent a promising strategy for improving wear performance.