Análise microestrutural e de fases de um carbeto cementado dopado com terras-raras sinterizado por fase líquida

Microstructural and phase analysis of cemented carbide doped with rare-earths sintered via liquid phase

Resumos

O presente trabalho tem como objetivo principal a caracterização microestrutural e de fases de carbeto cementado (WC/10Co) dopado com terras-raras (La2O3 e CeO2). Este carbeto cementado é largamente utilizado como ferramenta de corte. Foram preparadas diversas misturas de WC/10Co com adições de até 3% em peso de La2O3 e CeO2 da fase cobalto. Os pós misturados foram submetidos a prensagem uniaxial em 200 MPa numa matriz cilíndrica (fi = 10 mm). Os compactos foram sinterizados sob vácuo em 1400ºC durante 60 min. A densidade relativa das peças foi determinada. As peças sinterizadas foram submetidas a ensaios de difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura via elétrons secundários. Os resultados mostraram que para as condições estudadas a adição de elementos de terras-raras influenciou positivamente a densificação do carbeto cementado WC/10Co durante o processo de sinterização. A microestrutura sinterizada das peças não sofreu modificações significativas com a adição dos elementos de terras-raras estudados.

Carbeto cementado; terra-rara; microestrutura; DRX

The principal aim of this work is the microstructural and phases characterization of the cemented carbide (WC/10Co) doped with rare-earths (La2O3 and CeO2). This cemented carbide is widely used as cutting tool. Several WC/10Co mixtures containing up to 3 wt % La2O3 and CeO2 of the cobalt phase were prepared. The mixed powders were uniaxially pressed at 200 MPa in a cylindrical matrix (phi = 10 mm). The compacts were sintered under vacuum at 1400ºC during 60 min. The relative density of the pieces was determined. The sintered pieces were submitted to X-ray diffraction and scanning electronic microscopy via secondary electron images. The results showed that, within the conditions studied, the addition of rare-earth elements influenced positively the densification of the WC/10Co cemented carbide during the sintering process. The sintered microstructure of pieces didn’t suffer significant modifications with the addition of the rare-earth elements studied.

Cemented carbide; rare-earth; microstructure; XRD

Análise microestrutural e de fases de um carbeto cementado dopado com terras-raras sinterizado por fase líquida

Microstructural and phase analysis of cemented carbide doped with rare-earths sintered via liquid phase

C. M. F. Gomes^I; A. G. P. Silva^I; U. U. Gomes^II; J. N. F. Holanda^I

^ILaboratório de Materiais Avançados - LAMAV – CCT/UENF. Av. Alberto Lamego 2000, Campos dos Goytacazes, RJ. CEP: 28013-602. e-mail: [e-mail], [e-mail], [e-mail]

^IIDepartamento de Física Teórica e Experimental - DFTE – CCE/UFRN. Campus Universitário, Natal, RN. CEP: 59072-970. e-mail: [e-mail]

RESUMO

O presente trabalho tem como objetivo principal a caracterização microestrutural e de fases de carbeto cementado (WC/10Co) dopado com terras-raras (La₂O₃ e CeO₂). Este carbeto cementado é largamente utilizado como ferramenta de corte. Foram preparadas diversas misturas de WC/10Co com adições de até 3% em peso de La₂O₃ e CeO₂ da fase cobalto. Os pós misturados foram submetidos a prensagem uniaxial em 200 MPa numa matriz cilíndrica (f = 10 mm). Os compactos foram sinterizados sob vácuo em 1400ºC durante 60 min. A densidade relativa das peças foi determinada. As peças sinterizadas foram submetidas a ensaios de difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura via elétrons secundários. Os resultados mostraram que para as condições estudadas a adição de elementos de terras-raras influenciou positivamente a densificação do carbeto cementado WC/10Co durante o processo de sinterização. A microestrutura sinterizada das peças não sofreu modificações significativas com a adição dos elementos de terras-raras estudados.

Palavras chaves: Carbeto cementado, terra-rara, microestrutura, DRX.

ABSTRACT

The principal aim of this work is the microstructural and phases characterization of the cemented carbide (WC/10Co) doped with rare-earths (La₂O₃ and CeO₂). This cemented carbide is widely used as cutting tool. Several WC/10Co mixtures containing up to 3 wt % La₂O₃ and CeO₂ of the cobalt phase were prepared. The mixed powders were uniaxially pressed at 200 MPa in a cylindrical matrix (f = 10 mm). The compacts were sintered under vacuum at 1400ºC during 60 min. The relative density of the pieces was determined. The sintered pieces were submitted to X-ray diffraction and scanning electronic microscopy via secondary electron images. The results showed that, within the conditions studied, the addition of rare-earth elements influenced positively the densification of the WC/10Co cemented carbide during the sintering process. The sintered microstructure of pieces didn’t suffer significant modifications with the addition of the rare-earth elements studied.

Keywords: Cemented carbide, rare-earth, microstructure, XRD.

1 INTRODUÇÃO

Os carbetos cementados são uma classe de materiais muito duros e de alta resistência ao desgaste produzido pela rota da metalurgia do pó tais como compactação/sinterização, prensagem a quente e sinter/HIP [1]. O carbeto cementado consiste de fina partícula de carbeto de tungstênio ligado principalmente com cobalto metálico. Existem várias composições de carbeto de tungstênio/cobalto, sendo que a composição mais usual consiste de 90% WC e 10% Co [2]. As principais aplicações deste carbeto cementado são operações de usinagem e ferramentas de corte.

Nos últimos anos, atenção tem sido voltada para o efeito da adição de elementos de terras-raras (La₂O₃ and CeO₂) no comportamento de sinterização do carbeto cementado WC/10Co. No presente trabalho o comportamento de sinterização foi analisado em termos de densidade relativa, difração de raios-X e microestrutura. Cabe ressaltar que no Brasil, os principais depósitos de minérios de terras-raras estão localizados nos Estados do Espírito Santo e Rio de Janeiro [3].

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Diversas misturas de pó de WC/10Co + terras-rara, com adicões de até 3% em peso de La₂O₃ e CeO₂ foram preparadas (Tabela 1). Adicionalmente, foi utilizado negro de fumo com a finalidade de ajustar o teor de carbono. Uma cera parafínica foi utilizada como um lubrificante na etapa de compactação.

As amostras foram misturadas e homogeneizadas por meio de moagem convencional a úmido durante 72 h usando ciclohexano. Após a etapa de mistura, o ciclohexano foi eliminado por meio de secagem.

As amostras foram prensadas uniaxialmente numa matriz de aço cilíndrica (f = 10 mm) em 200 MPa. A etapa de sinterização das amostras foi feita num forno elétrico em 1400ºC durante 60 min. A taxa de aquecimento foi controlada para @ 30ºC/min. A densidade relativa foi determinada. A caracterização microestrutural das amostras sinterizadas foi feita através de microscópio eletrônico de varredura e difração de raios-X.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

O comportamento de densificação do carbeto cementado WC/10Co como uma função da adição dos elementos de terra-rara é mostrado na Figura 1. A densidade teórica do WC/10Co é de 14,53 g/cm³.

Tem sido relatado na literatura [4] que os carbetos cementados são sinterizados por fase líquida. Após ser atingida a temperatura eutética, o cobalto líquido fluirá para molhar e formar um filme ao redor das partículas sólidas (WC). O filme líquido fornece uma tensão superficial, resultando no rearranjo das partículas. Como conseqüência, uma grande quantidade de porosidade foi eliminada da peça verde. Isto ocorreu na sinterização da amostra M0 (WC/10Co), a qual é isenta de elemento de terra-rara. Esta amostra apresentou uma densificação de 86,48%.

Pode ser observado na Figura 1 que as adições de óxidos de terra-rara (La₂O₃ e CeO₂) resultam num ganho de densificação nas amostras de carbeto cementado WC/10Co. O ganho de densificação pode até ser da ordem de 8%, dependendo do conteúdo e do tipo de elemento de terra-rara adicionado. A amostra M6 (WC/10Co/3La₂O₃) apresentou a maior densificação na condição de sinterização empregada.

Este fato está relacionado à influência do elemento de terra-rara adicionado (La₂O₃ e CeO₂) na fase cobalto. O elemento de terra-rara diminui o ponto de fusão da fase cobalto [5]. Além disso, a adição desses elementos também pode causar diminuição na tensão interfacial com filmes finos sendo formados por meio de adsorção na interface carbeto/cobalto líquido, resultando numa melhor condição de molhamento do cobalto. Como conseqüência destes processos, a temperatura de sinterização do carbeto cementado foi diminuída [6]. Assim, as amostras de terra-rara contendo carbeto cementado permaneceram mais tempo sob sinterização, o que resultou numa densificação mais efetiva.

A Figura 2a-c mostra a microestrutura das amostras M0 (WC/10Co), M6 (WC/10Co/3La₂O₃) e M12 (WC/10Co/3CeO₂) sinterizadas em 1400ºC/30 min. É observado que os defeitos microestruturais nas amostras de carbeto cementado são principalmente poros. Além disso, a microestrutura das amostras sinterizadas com adição de terra-rara e isenta de terra-rara é muito semelhante.

Os difratogramas do material estudado são mostrados na Figura 3. Pode ser observado que as amostras M0 (WC/10Co), M6 (WC/10Co/3La₂O₃) e M12 (WC/10Co/3CeO₂) apresentaram as seguintes fases: WC, Co₃W₃C e g. Os picos de cobalto não foram observados devido à radiação Cu-Ka utilizada.

A formação das fases intermediárias Co₃W₃C e g são indesejáveis, porque elas estão associadas à perda de carbono, o que torna o material mais frágil. Além do mais, o surgimento da fase g pode ser o indício de uma fase do tipo carbeto e envolvendo Co e WC. Os resultados obtidos para todas as amostras sinterizadas contendo os óxidos de terra-rara são muito parecidos com os da amostra isenta de terra-rara. Assim, a formação das fases intermediárias não está associada aos elementos de terra-rara adicionados.

4 CONCLUSÕES

A partir dos resultados apresentados neste estudo podem ser destacadas as seguintes conclusões:

O comportamento de sinterização do carbeto cementado (WC/10Co) foi positivamente influenciado pela adição dos elementos de terra-rara (La₂O₃ e CeO₂), sendo a adição de 3% em peso de La₂O₃ mais efetiva. Foi observado um aumento de densificação em torno de 6-8%, dependendo dos elementos de terra-rara.

5 AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, FAPERJ e CT-Petro/CNPQ pelo apoio dado a este trabalho. Os autores também agradecem ao Prof. Kurt Strecker (FAENQUIL/DEMAR) pelo apoio na etapa de sinterização.

6 BIBLIOGRAFIA

Data de envio: 21/06/06 Data de aceite: 10/11/06

• [1] WHITE, C., Handbook of Powder Metal Technologies and Aplications, APMI International, v. 7, pp. 3-7, 1998.
• [2] THÜMMLER, F., OBERACHER, R., "Introduction to Powder Metallurgy", Series Editors I. JENKINS and J. V. WOOD The Institute of Materials, British Library Cataloguing Publication Data, 1993.
• [3] XU, C., AI, X., HUANG, C., "Research and Development of Rare-Earth Cemented Carbides", International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, v. 19, pp. 159168, May 2001.
• [4] ARBILLA, G., CORRĘA, S.M., CARVALHO, M.S., Cięncia Hoje, v. 21, n. 122, 1996.
• [5] GREENFIELD, M., WOLFE, G., "Sintering of Cemented Carbides - Carbon Control", Handbook of Powder Metal Technologies and Aplications, APMI International, v. 7, pp. 495, 1998.
• [6] CHENGUANG, L., "Composition Morphology and Distribution of RE Element Containing Phases in Cemented Carbide", International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, v. 11, pp. 295302, 1992.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  09 Mar 2007
• Data do Fascículo
  Dez 2006

Histórico

• Aceito
  10 Nov 2006
• Recebido
  21 Jun 2006