Carbono

Dec 13, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 17850 (2022) Citar este artigo

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O artigo examina a influência do revestimento de carbono no nanopó de ferro usado como auxiliar de sinterização para pó de ferro atomizado com água. Nanopó de ferro sem tal revestimento foi usado como auxiliar de sinterização de referência para isolar a influência do revestimento de carbono. Ambas as variantes de nanopó foram caracterizadas usando XPS e HRTEM. Os resultados mostraram uma estrutura core-shell para ambas as variantes. O nanopó de ferro é coberto por uma camada de óxido de ferro de 3 a 4 nm de espessura, enquanto o nanopó de ferro revestido de carbono é encapsulado com várias camadas nanométricas de carbono. A termogravimetria conduzida em um ambiente de hidrogênio puro mostra um comportamento multipico para o nanopó de ferro revestido com carbono, enquanto um único comportamento de pico é observado para o nanopó de ferro. Dois tipos de pós micro/nanobimodais foram obtidos pela mistura do nanopó com pó de ferro atomizado com água. O encolhimento linear melhorado foi observado durante a sinterização quando o nanopó de ferro revestido com carbono foi adicionado. Isso pode ser explicado pela redução na difusão superficial no nanopó causada pelo revestimento de carbono, que permite que o nanopó sinterize em temperaturas mais altas e melhore a densificação. Análises de carbono e oxigênio, medições de densidade, microscopia óptica e cálculos JMatPro também foram realizados.

Prensa e sinterização é uma rota de fabricação de pó metalúrgico (PM) na qual técnicas de modelagem, como compactação uniaxial, são usadas para processar o pó de metal na forma necessária, após o que o material compacto é sinterizado para torná-lo útil para aplicação. Durante a sinterização, a peça é aquecida para que as partículas de metal se liguem umas às outras, o que confere a resistência necessária. A força obtida é proporcional à densidade do componente1. Portanto, é essencial melhorar a densidade para melhorar as propriedades dos componentes do PM e, posteriormente, ampliar sua gama de aplicações. A densidade pode ser melhorada de várias maneiras, por exemplo, adicionando um auxiliar de sinterização. O nanopó é um desses auxiliares de sinterização e é conhecido por diminuir a energia de ativação necessária para a sinterização2,3. A adição de nanopó tem sido explorada na área de moldagem por injeção de metal (MIM), onde propriedades aprimoradas foram observadas4.

As nanopartículas têm propriedades dependentes de tamanho únicas, que são atribuídas à grande fração de átomos presentes na superfície desses materiais em comparação com seus materiais de contravolume5,6. Essas propriedades únicas têm sido exploradas para aplicações em áreas como análise química, microeletrônica, sensores biológicos e outras aplicações funcionais7,8. No entanto, para que as nanopartículas sejam úteis nessas aplicações, é importante que elas permaneçam estáveis ​​e mantenham seu tamanho. Devido à sua grande relação superfície-volume, existe um excesso de energia superficial associada a eles. Portanto, eles têm uma forte tendência a coalescer, o que leva a mudanças significativas na processabilidade. O nanopó pode ser revestido com carbono, que estabiliza as nanopartículas contra aglomeração e coalescência. O nanopó de ferro revestido com carbono tem sido usado em aplicações como armazenamento de dados magnéticos, toners magnéticos em xerografia, agentes de contraste em imagens de ressonância magnética, suportes de catalisadores e sistemas de entrega de drogas e genes9,10,11,12,13. Além disso, o revestimento de carbono fornece uma fonte de carbono, que de outra forma precisaria ser adicionada separadamente para definir a composição final recortada do aço sinterizado14.

Em trabalhos anteriores, os autores exploraram a adição de nanopó de ferro puro como auxiliar de sinterização ao pó de ferro atomizado com água15. As curvas de sinterização revelaram uma influência pronunciada da adição de nanopó no comportamento de sinterização desses compactos de pó micro/nano bimodais. Experimentos de sinterização conduzidos em temperaturas intermitentes para acompanhar o desenvolvimento de pescoços de sinterização com o aumento da temperatura e subsequente análise fractográfica dos compactos revelaram que a sinterização do nanopó em temperaturas tão baixas quanto 600 °C, abaixo do início da sinterização do micro- pó de base de tamanho. Embora o encolhimento linear do pó de ferro atomizado com água tenha melhorado com a adição de nanopó de ferro como auxiliar de sinterização, uma melhoria adicional é necessária. Isso é para permitir a adaptação de peças de prensagem de densidade quase total e peças de sinterização PM em áreas onde elas não estão em uso atualmente, onde é necessário melhorar o desempenho. Para atingir a densidade quase total, é empregada a prensagem isostática a quente (HIP). Para permitir HIP sem cápsula, é necessária porosidade fechada (95% de densidade teórica) ou porosidade quase fechada. Esta pesquisa faz parte de uma estrutura maior para medir a eficácia do uso de nanopó como auxiliar de sinterização para obter porosidade fechada em pó de ferro atomizado com água.