Mecano-síntese do pó compósito de Nb-Cu-C via moagem de alta energia
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Data
2025
Autores
Furtado, Vinicius Cândido Padilha
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Resumo
As ferramentas de corte são fundamentais na indústria metalúrgica, exigindo alta dureza, resistência ao desgaste e estabilidade mecânica e química para garantir eficiência e durabilidade. Uma estratégia amplamente adotada para melhorar essas propriedades é a incorporação de carbetos, que aumentam a resistência mecânica e prolongam a vida útil das ferramentas. O carbeto de nióbio (NbC) tem se destacado como uma alternativa promissora devido à sua elevada dureza, comparável ao carbeto de tungstênio (WC), além de apresentar boa estabilidade térmica e química. Essas características tornam o NbC um candidato viável para o desenvolvimento de materiais compósitos avançados voltados para aplicações de alto desempenho. Este trabalho teve como objetivo a síntese de um pó compósito contendo Nb-Cu-C por moagem de alta energia, visando a formação do NbC em uma matriz metálica de cobre. Foram utilizados pós elementares de nióbio metálico, cobre eletrolítico e carvão ativado, processados em um moinho planetário com jarro e esferas de ágata de 10 mm de diâmetro, utilizando ciclo-hexano como meio processante. A razão mássica pó:esferas foi fixada em 1:3 para garantir a eficiência da moagem. Foram conduzidos dois experimentos: no primeiro, a moagem ocorreu por 90 horas ininterruptas; no segundo, amostras foram coletadas nos tempos de 3, 15, 30 e 60 horas, permitindo acompanhar a evolução da moagem. Após o processamento, os pós foram submetidos a secagem e caracterizados por difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por dispersão de elétrons (EDS) e granulometria a laser. Os resultados confirmaram a formação do NbC, atingindo aproximadamente 20% em peso no material final. A moagem promoveu uma redução significativa do tamanho médio das partículas, cerca de seis vezes em relação ao tamanho inicial, favorecendo maior reatividade dos precursores. A análise estrutural revelou a evolução do processo de moagem, demonstrando que tempos mais longos favoreceram a homogeneização da mistura e a formação progressiva do NbC. Assim, este estudo mostra a viabilidade da moagem de alta energia como um método eficiente para a obtenção de materiais compósitos à base de NbC, destacando seu potencial para aplicações em ferramentas de corte e outras áreas de engenharia de materiais.
Resumen
Las herramientas de corte son fundamentales en la industria metalúrgica, ya que requieren alta dureza, resistencia al desgaste y estabilidad mecánica y química para garantizar eficiencia y durabilidad. Una estrategia ampliamente adoptada para mejorar estas propiedades es la incorporación de carburos, que aumentan la resistencia mecânica y prolongan la vida útil de las herramientas. El carburo de niobio (NbC) ha surgido como una alternativa prometedora debido a su alta dureza, comparable a la del carburo de tungsteno (WC), así como a su buena estabilidad térmica y química. Estas características hacen que el NbC sea un candidato viable para el desarrollo de materiales compuestos avanzados destinados a aplicaciones de alto rendimiento. Este estudio tuvo como objetivo la síntesis de un polvo compuesto de Nb-Cu-C mediante molienda de alta energía, con el propósito de formar NbC en una matriz de cobre. Se procesaron polvos elementales de niobio metálico, cobre electrolítico y carbón activado en un molino planetario con un tarro de ágata y bolas de ágata de 10 mm de diámetro, utilizando ciclohexano como medio de procesamiento. La relación másica polvo:bolas se fijó en 1:3 para garantizar la eficiencia de la molienda. Se realizaron dos experimentos: el primero consistió en una molienda continua de 90 horas, mientras que en el segundo se recolectaron muestras a las 3, 15, 30 y 60 horas para monitorear el proceso. Después del procesamiento, los polvos fueron secados y caracterizados mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB), espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y granulometría láser. Los resultados confirmaron la formación de NbC, alcanzando aproximadamente un 20% em peso en el material final. La molienda redujo significativamente el tamaño medio de las partículas, logrando una reducción de seis veces en comparación con el tamaño inicial, lo que mejoró la reactividad de los precursores. El análisis estructural reveló la evolución del proceso de molienda, demostrando que tiempos de molienda más prolongados favorecieron la homogeneización de la mezcla y la formación progresiva de NbC. Este estudio confirma la viabilidad de la molienda de alta energía como un método eficiente para obtener materiales compuestos a base de NbC, destacando su potencial para aplicaciones en herramientas de corte y otras áreas de la ingeniería de materiales.
Abstract
Cutting tools are essential in the metallurgical industry, requiring high hardness, wear resistance, and mechanical and chemical stability to ensure efficiency and durability. A widely adopted strategy to improve these properties is the incorporation of carbides, which enhance mechanical strength and extend the service life of tools. Niobium carbide (NbC) has emerged as a promising alternative due to its high hardness, comparable to tungsten carbide (WC), as well as its good thermal and chemical stability. These characteristics make NbC a viable candidate for the development of advanced composite materials for highperformance applications. This study aimed to synthesize an Nb-Cu-C composite powder through high-energy ball milling, targeting the formation of NbC in a copper matrix. Elemental powders of metallic niobium, electrolytic copper, and activated carbon were processed in a planetary mill with an agate jar and 10 mm diameter agate balls, using cyclohexane as the processing medium. The mass ratio of powder to balls was set at 1:3 to ensure milling efficiency. Two experiments were conducted: the first involved continuous milling for 90 hours, while in the second, samples were collected at 3, 15, 30, and 60 hours to monitor the milling process. After processing, the powders were dried and characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), and laser granulometry. The results confirmed the formation of NbC, reaching approximately 20% by weight in the final material. Milling significantly reduced the average particle size, achieving a sixfold reduction compared to the initial size, thereby enhancing the reactivity of the precursors. Structural analysis revealed the evolution of the milling process, demonstrating that longer milling times favored mixture homogenization and the progressive formation of NbC. This study shows the viability of high-energy milling as na efficient method for obtaining NbC-based composite materials, highlighting its potential for cutting tool applications and other materials engineering fields.
Descrição
Trabalho de Conclusão do Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestruturae Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial para à obtenção do título de bacharel em Engenharia de Materiais.
Palavras-chave
carbetos, matriz metálica, metalurgia, materiais compósitos