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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35813
Título: | Development of thermally sprayed niobium carbide-based hardmetal coatings |
Título(s) alternativo(s): | Desenvolvimento de revestimentos de metais duros à base de carboneto de nióbio termicamente aspergidos |
Autor(es): | Gehlen, Larissa Rossi |
Orientador(es): | Pintaúde, Giuseppe |
Palavras-chave: | Compostos de nióbio Revestimento em metal Aspersão térmica Desgaste mecânico Metais - Corrosão Niobium compounds Metal coating Metal spraying Mechanical wear Metals - Corrosion |
Data do documento: | 14-Jun-2024 |
Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
Câmpus: | Curitiba |
Citação: | GEHLEN, Larissa Rossi. Development of thermally sprayed niobium carbide-based hardmetal coatings. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2024. |
Resumo: | Os revestimentos de metal duro aspergidos termicamente WC-CoCr e Cr3C2-NiCr são amplamente utilizados em componentes industriais sujeitos a condições severas de trabalho como método de proteção contra desgaste e corrosão. No entanto, estas composições apresentam restrições que limitam as suas aplicações: WC-CoCr tem incompatibilidade de expansão térmica com substratos de aço e oxida catastroficamente a T>400-500°C, enquanto Cr3C2-NiCr oferece menos proteção contra desgaste em temperaturas ambientes ou moderadas. Apesar da ausência de estudos sobre revestimentos de NbC aspergidos termicamente, resultados promissores em termos de resistência ao desgaste em uma ampla faixa de temperatura foram obtidos usando carbonetos sinterizados à base de NbC. Neste contexto, no presente trabalho, diferentes composições de revestimentos à base de NbC foram aspergidas termicamente com o processo High-Velocity Oxygen Fuel (HVOF) sobre substratos de aço inoxidável com o objetivo de alcançar um equilíbrio adequado entre desempenho tribológico e de resistência à corrosão. A produção de revestimentos à base de NbC foi organizada em duas fases: na primeira fase foram produzidos cermets com partículas de NbC dispersas em uma matriz Ni- 20%Cr, com frações volumétricas de 25% e 40%. Na segunda fase, as partículas de NbC foram dispersas em uma fração volumétrica de 40% de uma matriz contendo Fe-20% em peso de Cr-15% em peso de Mo. Em ambas as fases, as partículas de NbC foram dispersas na fase ligante através do processo High Energy Ball Milling. Diferentes conjuntos de parâmetros de aspersão térmica foram empregados e foram determinadas a microestrutura, microdureza Vickers, resistência à abrasão, resistência ao desgaste por deslizamento a seco (até 600°C) e resistência à corrosão dos revestimentos obtidos. Os resultados obtidos foram comparados com aqueles obtidos em revestimentos de metal duro de referência (WC-CoCr, Cr3C2-NiCr) e em outras composições alternativas (TiC-40NiCr e TiC- 25NiCr). Independentemente dos parâmetros do processo, os revestimentos à base de NbC apresentaram baixa porosidade (< 2%) e valores de microdureza de aproximadamente 900 HV300 (NbC-25NiCr) e 1000 HV300 (NbC-40NiCr e NbC-FeCrMo). Os revestimentos NbC-NiCr têm uma resistência intermediária ao desgaste por deslizamento a seco em comparação com os revestimentos tradicionais WC-CoCr e Cr3C2-NiCr e comparável à do TiC-NiCr, apesar de produzirem coeficientes de atrito mais elevados. Os revestimentos NbC-FeCrMo apresentaram baixa resistência ao desgaste por deslizamento em temperaturas baixas e moderadas (f 300 °C), mas uma elevada resistência em altas temperaturas, especialmente à 400 °C. Em ambas as fases, os revestimentos à base de NbC exibiram resistência limitada à abrasão de três corpos devido à ocorrência de fratura frágil juntamente com sulcos dúcteis. Os revestimentos NbC-NiCr, especialmente aquele com matriz de 40vol.%, apresentaram excelente resistência à corrosão: as densidades de corrente de corrosão (~0,1 μA/cm2) e densidade de corrente de passivação (<1 μA/cm2) foram inferiores aos valores correspondentes encontrados para os revestimentos de referência. Portanto, os revestimentos NbC-NiCr são promissores para aplicações onde é necessário um bom equilíbrio entre resistência à corrosão e resistência ao desgaste em uma ampla faixa de temperatura, enquanto o revestimento NbC-FeCrMo é particularmente promissor para aplicações na faixa de 400 à 600°C. |
Abstract: | Thermally sprayed WC-CoCr and Cr3C2-NiCr hardmetal coatings are widely used in industrial components subject to severe working conditions as a method of protection against wear and corrosion. However, the aforementioned compositions have restrictions that limit their applications: WC-CoCr has thermal expansion incompatibility with steel substrates and oxidises catastrophically at T > 400-500 °C, while Cr3C2-NiCr offers lower wear protection at low and moderate temperatures. Despite the scarce literature on thermally sprayed NbC-based coatings, promising wear resistance results have been obtained with NbC-based bulk hardmetal formulations over a wide temperature range. In this context, in the present work, different compositions of NbC-based hardmetal coatings were sprayed by the High-Velocity Oxygen Fuel (HVOF) process on stainless steel substrates aiming to achieve an adequate balance of different tribological and electrochemical performances. The production of NbC-based coatings has been developed in two steps: in the first step, NbC particles were homogeneously dispersed in either 25 vol.% or 40 vol.% of a Ni-20wt.%Cr matrix. In the second step, NbC particles were dispersed in 40vol.% of a matrix containing Fe-20 wt.%Cr-15 wt.%Mo. In both steps, the homogenization of the NbC particles in the binder phase was carried out by mechanical alloying through the process by High-Energy Ball Milling (HEBM). Different sets of thermal spray parameters were employed and the microstructure, Vickers microhardness, abrasion resistance, dry sliding wear resistance (from room temperature up to 600 °C) and corrosion resistance of the coatings were studied. The results were compared to those obtained on reference coatings (WC-CoCr, Cr3C2- NiCr) and other alternative hardmetal coatings (TiC-40NiCr and TiC-25NiCr). Regardless of the process parameters, NbC-based coatings showed low porosity (< 2%) and microhardness values of around 900 HV300 (NbC-25NiCr) and 1000 HV300 (NbC-40NiCr and NbC-FeCrMo). The NbC-NiCr coatings presented dry sliding wear resistance intermediate between those of conventional WC-CoCr and Cr3C2-NiCr coatings, and comparable to that of TiC-NiCr, despite producing higher friction coefficients. NbC-FeCrMo coatings showed low resistance to sliding wear at low and moderate temperatures (f 300 °C), but high resistance at high temperatures, particularly at 400 °C. All the NbCbased coatings exhibited limited three-body abrasion resistance due to the occurrence of some brittle fractures along with grooving due to abrasion. The NbC-NiCr coatings, especially the one with 40vol.% matrix phase exhibited excellent corrosion resistance: the corrosion current densities (~0.1 μA/cm2) and passive current densities (<1 μA/cm2) were lower than the corresponding values found for all reference coatings. Thus, NbC-NiCr coatings are promising for applications where a good balance between corrosion resistance and wear resistance over a wide temperature range is required, while the NbC-FeCrMo coating is particularly promising for sliding wear applications in the range of 400°C to 600°C. |
URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/35813 |
Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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