Desenvolvimento de compósitos de WC com ligantes intermetálicos

Abstract

Uma das vertentes de investigação na área dos compósitos à base de carboneto de tungsténio (WC) é a substituição, total ou parcial do ligante, normalmente utilizado, o cobalto. Os ligantes constituídos por aluminetos de ferro (FeAl) têm merecido uma atenção especial, devido à sua boa resistência à oxidação e à corrosão a temperaturas elevadas. Contudo, a dificuldade de obtenção de materiais densos no sistema WC-FeAl, por técnicas convencionais de sinterização, e a redução acentuada da dureza com o aumento do teor de FeAl, são aspectos que necessitam de ser ultrapassados para que estes compósitos se tornem interessantes sob o ponto de vista industrial. O principal objetivo do presente trabalho foi a obtenção de compósitos de WC e ligantes intermetálicos, do tipo FeAl, por sinterização reativa a partir de pós precursores de WC, aço e alumínio, utilizando o processamento convencional de pulverometalurgia. Para o efeito, a homogeneização de pós de WC, aço inoxidável AISI 304 (SS) e Al foi efetuada através de moagem convencional em meio húmido. A percentagem de fase ligante (SS+Al) variou entre 8 e 12% pp, sendo que a fração de Al adicionada ao SS se situou na gama entre 0 e 0.5. A avaliação da reatividade térmica em atmosfera de vazio indicou a expansão dos compósitos com Al na composição do ligante, correspondendo à formação de soluções sólidas de Fe(Al), na gama de temperaturas entre 500 e 1000ºC. Com o aumento da temperatura, formaram-se fases intermetálicas de estequiometria variável, do tipo FeAlx com x=1,2,3, consoante a fração de Al presente no ligante e a temperatura. Os compósitos foram obtidos a partir de compactos dos pós, sinterizados a 1450ºC, durante 125 min, em atmosfera de vazio (P= 20-40 Pa), e posteriormente submetidos a uma etapa de prensagem isostática a quente, a 1400ºC, 9h, e 60 MPa. Os compactos densificados foram avaliados em termos estruturais, microestruturais e também de desempenho mecânico e resistência à oxidação. Os resultados da avaliação estrutural e microestrutural mostraram que se conseguiram obter materiais bem densificados por sinterização reativa, tendo ocorrido a síntese de fases intermetálicas, predominantemente do tipo FeAl na gama de composições estudada. A avaliação das propriedades mecânicas revelou que o aumento da fração de Al no ligante diminui os valores de dureza e melhora a resistência à oxidação.

One side of research of materials based on tungsten carbide composites (WC) is the total or partial replacement of the binder usually used, cobalt. The iron aluminides binders (FeAl) have received attention due to their good resistance to oxidation and corrosion at high temperatures. However, the difficulty of obtaining dense materials in the WC-FeAl system, by conventional sintering techniques, and the marked decrease in hardness with the increase of FeAl content, are aspects that need to be overcome if these composites become popular under the industrial point of view. The main objective of this study was to obtain composites and intermetallic WC binders, of Feal type, by reactive sintering from precursor powders of WC, steel and aluminum, using the conventional powder metallurgy processing. To this end, the powders mixing of WC, AISI 304 (SS) Al and stainless steel was performed by conventional wet milling. The percentage of binding phase (SS + Al) varied between 8 and 12 wt%, and the fraction of Al added to the SS stood in the range between 0 and 0.5. The evaluation of the thermal reactivity in an atmosphere of vacuum indicated expansion of composites with Al in the binder composition, corresponding to the formation of solid solutions of Fe (Al) in the temperature range between 500 and 1000 ° C. With the increase of temperature intermetallic phases formed with variable stoichiometry, of type FeAlx with x = 1,2,3, depending on the fraction of Al binder present and temperature. The composites were obtained from compressed powders, sintered at 1450 ° C for 125 min in an atmosphere of vacuum (P = 20-40 Pa) and subsequently subjected to a step of hot isostatic pressing, at 1400 ° C, 9h, and 60 MPa. Structural and microstructural characteristics were evaluated on the densified compacts as well the mechanical performance and oxidation resistance. The results of structural and microstructural evaluation showed that good densified materials have been achieved by reactive sintering, ocurring intermetallic phases synthesis, predominantly Feal type in the range of the studied compositions. The evaluation showed that the mechanical properties by increasing the Al content in the binder reduces the hardness and improves oxidation resistance.