Avaliação da viabilidade do uso do Nb2O5 como alternativa para o refino de grão em liga Al-7Si
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2025-12-19
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Telli, Giovani Dambros
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Na busca por melhorias nas propriedades mecânicas de ligas de alumínio silício, o nióbio surge como alternativa ao titânio como agente refinador de grão, devido à ausência do efeito de envenenamento por silício de suas partículas nucleantes. Uma possível solução para reduzir o custo das anteligas Al-Nb-B consiste na substituição do Nb metálico pelo pentóxido de nióbio (Nb2O5). Contudo, a viabilidade de produção utilizando Nb2O5 como fonte exclusiva de nióbio ainda é pouco explorada na literatura. O presente trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade do uso do Nb?O? como matéria-prima para a produção de uma anteliga Al-Nb-B destinada ao refino de grão de uma liga Al-7Si, em comparação com uma anteliga comercial Al-3,7Nb-0,4B. A produção da anteliga experimental a partir de Nb2O5 foi realizada em forno elétrico a 1000 °C por 1 h, com agitação manual a cada 5 min, utilizando Al-4B como fonte de boro, e a solidificação ocorreu em molde de areia. As anteligas foram adicionadas à liga Al-7Si nos teores de 0,1 % e 0,3 % em massa de Nb, e uma amostra sem adição foi produzida como condição de controle, totalizando cinco condições. A caracterização da composição química e da microestrutura das anteligas e das ligas Al-7Si, com e sem refinador, foi realizada por ICP-MS, OES, MO, MEV-FEG e EDS. O efeito refinador das anteligas foi avaliado pela quantificação do espaçamento dendrítico secundário das ligas Al-7Si pelo método do intercepto linear e por microdureza Vickers. A anteliga experimental produzida teve rendimentos de incorporação de 48,7 % para Nb e 48,2 % para B, que correspondem a 1,46 % de Nb e 0,48 % de B em peso na anteliga. A caracterização microestrutural confirmou a formação de Al3Nb e NbB2 em ambas as anteligas. A anteliga comercial apresentou partículas bem dispersas, enquanto a anteliga experimental apresentou partículas aglomeradas e contaminação por Fe. O espaçamento microestrutural da liga Al-7Si apresentou redução de 23 % na amostra com 0,3 % Nb da anteliga comercial e de 19 % na amostra com 0,1 % Nb da anteliga experimental, valores equivalentes dentro da dispersão das medições. A amostra com 0,3 % Nb da anteliga experimental Al-1,5Nb-0,5B não apresentou efeito refinador. A microdureza teve o maior aumento na amostra Al-7Si com 0,3 % Nb da anteliga comercial, de 63,5 HV (liga sem Nb) para 80,0 HV, que representou aumento de 26 %. Os resultados indicaram que a produção de anteligas Al-Nb-B a partir de Nb2O3 é viável em escala laboratorial, com rendimentos de incorporação superiores aos reportados na literatura. O desempenho da anteliga experimental foi limitado pelo procedimento de produção e de dispersão das partículas, e não pelo uso do Nb2O5 como fonte de Nb. Dessa forma, a otimização da distribuição de partículas nucleantes, por meio da melhoria do rendimento da reação de Nb2O5 para NbB2 e da agitação contínua do alumínio fundido, permanece como desafio para trabalhos futuros. [resumo fornecido pelo autor]
Resumo
In the pursuit of improvements in the mechanical properties of aluminum-silicon alloys, niobium emerges as an alternative to titanium as a grain refining agent, due to the absence of silicon poisoning of its nucleating particles. A possible solution to reduce the cost of Al-Nb-B master alloys consists of replacing metallic Nb with niobium pentoxide (Nb2O5). However, the feasibility of production using Nb2O5 as the sole source of niobium remains poorly explored in the literature. The present work aimed to evaluate the feasibility of using Nb2O5 as a raw material for the production of an Al-Nb-B master alloy intended for the grain refinement of an Al-7Si alloy, in comparison with a commercial Al-3.7Nb-0.4B master alloy. The production of the experimental master alloy from Nb2O5 was conducted in an electric furnace at 1000 °C for 1 h, with manual stirring every 5 min, using Al-4B as a boron source, and solidification occurred in a sand mold. The master alloys were added to the Al-7Si alloy at contents of 0.1 wt. % and 0.3 wt. % of Nb, and a sample without addition was produced as a control condition, totaling five conditions. The characterization of the chemical composition and microstructure of the master alloys and Al-7Si alloys, with and without refiner, was conducted by ICP-MS, OES, OM, SEM-FEG, and EDS. The refining effect of the master alloys was evaluated by quantification of the microstructural spacing of the Al-7Si alloys using the linear intercept method and by Vickers microhardness. The experimental master alloy produced exhibited incorporation yields of 48.7 % for Nb and 48.2 % for B, corresponding to 1.46 wt. % Nb and 0.48 wt. % B in the master alloy. Microstructural characterization confirmed the formation of Al3Nb and NbB2 in both master alloys. The commercial master alloy presented well-dispersed particles, while the experimental master alloy presented agglomerated particles and Fe contamination. The microstructural spacing of the Al-7Si alloy decreased by 23 % in the sample with 0.3 wt. % Nb from the commercial master alloy and by 19 % in the sample with 0.1 wt. % Nb from the experimental master alloy, values equivalent within the scatter of the measurements. The sample with 0.3 wt. % Nb from the experimental master alloy Al-1.5Nb-0.5B showed no refining effect. Microhardness showed the greatest increase in the Al-7Si sample with 0.3 wt. % Nb from the commercial master alloy, from 63.5 HV (alloy without Nb) to 80.0 HV, representing an increase of 26 %. The results indicated that the production of Al-Nb-B master alloys from Nb2O3 is feasible on a laboratory scale, with incorporation yields exceeding those reported in the literature. The performance of the experimental master alloy was limited by the production and particle dispersion procedure, not by the use of Nb2O3 as the Nb source. Therefore, optimizing the distribution of nucleating particles, by improving the yield of the reaction converting Nb2O3 to NbB2 and by continuous stirring of the molten aluminum, remains a challenge for future work. [resumo fornecido pelo autor]
Citação
Coelho, Guilherme de Sousa