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Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Apesar de existirem alguns trabalhos já publicados, o estudo dos efeitos erosivos da cavitação de ligas de metal duro à base de carboneto de tungsténio, ainda não está devidamente efetuado. Em especial, a influência do material da fase ligante, no comportamento em situações de cavitação de materiais sinterizados à base de carboneto de tungsténio, não é suficientemente conhecida. O objetivo principal desta dissertação, é caracterizar a resistência à cavitação de carboneto de tungsténio obtido por sinterização. Contudo, como no laboratório onde se desenvolveu o trabalho, não havia experiência prévia em estudos de cavitação, tornou-se imprescindível ultrapassar as fases finais do desenvolvimento de um equipamento de cavitação por ultrassons, bem como estabelecer as metodologias para quantificar e qualificar o dano resultante dos testes. Nesta dissertação são descritas as fases de montagem e de estudos prévios que se destinaram a validar procedimentos e a identificar e ultrapassar as dificuldades inerentes à adaptação da norma ASTM G32. Inclui-se um protocolo de ensaio que se mostrou ajustado à aplicação do equipamento desenvolvido à caracterização de carboneto de tungsténio. É também apresentado um conjunto de resultados que inclui a quantificação da evolução da cavitação ao longo do tempo de ensaio, bem como a caracterização da morfologia observada por microscopia eletrónica de varrimento nas superfícies sujeitas a cavitação. O equipamento desenvolvido mostrou-se adequado à caracterização do comportamento de materiais submetidos a cavitação, e permitiu identificar que a erosão por cavitação em materiais sinterizados de carboneto de tungsténio ocorre por remoção da fase ligante deixando sem suporte os grãos de carboneto de tungsténio, que posteriormente serão removidos. Although there are some published studies, the erosive effects caused by cavitation on tungsten carbide-based alloys, is not yet properly done. In particular, the influence of the binder phase material on the behaviour of sintered materials based on tungsten carbide subjected to cavitation situations is not sufficiently known.The main objective of this dissertation is to characterize the cavitation resistance of tungsten carbide obtained by sintering. However, as there was no previous experience in cavitation studies in the laboratory where the work was developed, it became essential to overcome the final stages of the development of an ultrasonic cavitation equipment, as well as to establish the methodologies to quantify and qualify the resulting damage caused by the tests. This dissertation describes the stages of assembly and previous studies that were intended to validate procedures and to identify and overcome the difficulties inherent to the adaptation of the ASTM G32 standard.A test protocol is included, which proved to be adjusted to the application of the developed equipment for tungsten carbide characterization. A set of results is also presented that includes the quantification of the evolution of cavitation over the test time, as well as the characterization of the morphology observed by scanning electron microscopy on surfaces subject to cavitation. The developed equipment proved to be suitable for characterizing the behaviour of materials subjected to this phenomenon, and allowed to identify that cavitation erosion in sintered tungsten carbide materials occurs by removing the binding phase leaving tungsten carbide grains unsupported, which subsequently will be removed.

Coatings are used to promote the thermal protection of metal alloys. In the aeronautical industry, the coatings used to protect the turbine blades are called Thermal Barrier Coatings (TBC). The use of NiCrAlY is an alternative as a bonding layer in coatings for turbine blades and it is possible to increase its useful life. This work aims to study the metallurgical bond between the 316-stainless steel substrate and the NiCrAlY coating which was sprayed through the High-Velocity Oxygen-Fuel (HVOF) and after irradiated by a CO2 laser beam with power of 125 W and speed of 50 mm/s. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and the semi-quantitative analysis energy dispersive spectroscopic (EDX) showed that the chemical composition of the coating and the substrate have maintained its original stoichiometry. The line scan analysis is a technique of the EDX to analyze the diffusion between the main chemical elements of 316 steel and NiCrAlY and X-ray diffraction by identifying the alumina AL2O3 phases on the sample surface and the results showed the metallurgical bond between substrate and coating. RESUMO Considerando a importância do desenvolvimento de novos materiais ao longo dos últimos anos; os pesquisadores vêm estudando soluções eficazes através do uso de revestimentos de alta dureza para aplicação em ferramentas de corte e matrizes de conformação. Revestimentos de carboneto de tungstênio (WC) são um dos mais utilizados em sistemas de geração de: energia, aeroespacial, automotivo e indústrias de transporte devido às suas propriedades, as quais, combinam alta dureza e resistência ao desgaste. O presente trabalho tem como objetivo verificar a melhoria das propriedades mecânicas do aço 4340 através da deposição de revestimento de WC pulverizado por pistola pneumática e posterior irradiação com laser de CO2. Os corpos de prova foram caracterizados por microscópio eletrônico de varredura, microscópio óptico e teste de microindentação (microdureza e medidas do módulo de elasticidade). Os resultados mostram que é possível obter revestimentos com alta dureza, sem poros e ligados metalurgicamente ao substrato.

O presente estágio foi realizado na empresa Duritcast tendo como principal objetivo caracterizar um novo material compósito com vista ao prolongamento do tempo de vida útil de componentes sujeitos a desgaste. O desgaste nestes produtos está associado ao contacto dinâmico intermitente por abrasão ou erosão, resultando na deterioração da superfície dos materiais. De modo a contornar e solucionar este entrave, foi desenvolvido um método de reforço da superfície: vazamento do ferro fundido nodular sobre partículas de sucata de metal duro colocadas a priori nas moldações de areia furânica. As peças de material compósito foram caracterizadas de modo a compreender e fundamentar a influência da microestrutura nas propriedades mecânicas e de resistência ao desgaste. Para esta investigação foram realizadas as seguintes técnicas de caracterização: microscopia ótica e eletrónica de varrimento com análise química (SEM-EDS), microdureza Vickers, ensaio de flexão, avaliação do desgaste erosivo por impacto de partículas duras, observação da topografia superficial por perfilometria ótica 3D. As combinações mais vantajosas matriz/reforço para a otimização da resistência ao desgaste revelaram-se as seguintes: i) tamanho das partículas de sucata inferior a 4 mm, proporcionam uma boa ligação entre os dois materiais; ii) utilização de partículas sinterizadas com geometria regular e faces planas em vez de partículas de sucata irregulares; iii) as matrizes martensíticas são vantajosas perante as matrizes perlíticas, quanto à matriz de ferro fundido nodular, dada a elevada dureza e resistência ao desgaste; iv) temperaturas de vazamento superiores proporcionam melhor ligação das partículas de reforço de metal duro à matriz de ferro fundido nodular, acentuando o fenómeno de interdifusão entre os dois materiais The present internship was carried out at the company Duritcast with the main objective of characterizing a new composite material aiming the prolongation of the useful lifetime of components subjected to wear. Wear on these products is associated with intermittent dynamic contact due to abrasion or erosion, resulting in material surface deterioration. In order to overcome this obstacle, a method of surface reinforcement was developed: cast iron nodular casting on hard metal scrap particles a priori placed in the furan resin sand moldings. The composite material was characterized in order to understand the influence of the microstructure on the mechanical properties and resistance to wear. For this investigation, the following characterization techniques were performed: optical and scanning electron microscopy (SEM-EDS), Vickers microhardness, flexural test, erosive wear evaluation, surface topography observation by 3D optical profilometry. The most advantageous matrix/reinforcement combinations for the optimization of wear resistance were the following: i) scrap particle size less than 4 mm, provide a good bond between the two materials; ii) use of sintered particles with regular geometry and flat faces instead of irregular scrap particles; iii) the martensitic matrices are advantageous to the perlite matrices, as regards the nodular cast iron matrix, given the high hardness and wear resistance; iv) higher casting temperatures provide better bonding of the hard metal reinforcement particles to the nodular cast iron matrix, accentuating the phenomenon of interdiffusion between the two materials Mestrado em Engenharia de Materiais

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Este estudo enquadra-se no âmbito da inovação e melhoria contínua de uma área empresarial muito concreta, a indústria das ferramentas de corte. O foco central é o desenvolvimento e percepção da relação entre o estado de tensões introduzido numa ferramenta de corte e a melhoria ou não das suas propriedades mecânicas e tribológicas com o mesmo. As pastilhas de corte estudadas são constituidas por carboneto de tungsténio com cobalto, ou seja, trata-se de um material cerâmico com uma percentagem ainda significativa de ligante metálico. Esta particulariedade leva a que não seja completamente linear a máxima de que a presença de tensões residuais de compressão controla e reduz a propagação de fendas por fadiga, uma vez que as falhas podem ocorrer pelo colapso de micro fissuras na superfície. Neste estudo o processo de eleição adoptado para a introdução de tensões na superfície da pastilha de corte, dentro da gama de tratamentos superficiais, foi o jateamento em meio húmido. Foram ensaiadas várias condições distintas de jateamento numa pastilha de corte com geometria simples. Estes corpos de prova foram avaliados por diversas técnicas de caracterização, sendo as mais relevantes a determinação da dureza por ensaios de identação e a determinação das tensões residuais por difração de Raios X. Os resultados do desempenho da pastilha de corte quando aplicada em torneamento e da adesão do revestimento da pastilha de corte previamente sujeita a jateamento são bastante animadores e comprovam os benefícios subjacentes à presença de tensões residuais de compressão numa ferramente de corte. This study fits within the scope of innovation and continuous improvement of a very concrete business area, the cutting tools industry. The central focus is the development and perception of the relationship between the state of stress introduced in a cutting tool and the improvement or not of its mechanical and tribological properties therewith.The studied cutting pellets consist of tungsten carbide with cobalt, that is, it is a ceramic material with a still significant percentage of metal binder. This particularity leads to the fact that the presence of compressive residual stresses is not completely linear and reduces the propagation of cracks through fatigue, since the faults can occur due to the collapse of micro cracks in the surface.In this study the chosen process for the introduction of stresses on the surface of the cutting insert within the range of surface treatments was wet blasting. Several different blasting conditions were tested on a single geometry cutting insert.These specimens were evaluated by several characterization techniques, the most relevant being the determination of hardness by indentation tests and determination of residual stresses by X-ray diffraction.The results of the performance of the cutting insert when applied in turning and the adhesion of the sheeting of the cutting insert previously subjected to blasting are quite encouraging and prove the benefits underlying the presence of residual compression stresses in a cutting tool. In the future the purpose is the extrapolation of the results obtained to a more common and comercial available geometry.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Mestrado em Engenharia Física The main objective of this work is the development of a hardmetal components (WC-6%Co) recovery method by thermal deposition process. The thermal deposition technique used was HVOF (high velocity oxygen-fuel). The HVOF enables depositions of thick coatings (100-500 µm) with low porosity levels, high hardness and excellent adhesion. Before deposition, hardmetal samples with different geometries (plates and cylinders) were finished in order to have different roughness. The influence of these parameters in adhesion was studied. After this step, different re-sintering temperatures were used, in order to determine which one allows to obtain the maxima densification, elements distribution and metallurgical bonding. The re-sintering promotes the densification of the coating, with an increase of its hardness and metallurgical bonding formation. The inclusion of an intermetallic layer was tested along with different layer parameters. In liquid phase sintering (1383 and 1455 ºC) a complete densification of the coating occurred, while a bonding between the substrate and the coating only partially happened. The results of SEM/EDS show low levels of porosity and a complete and uniform distribution of the elements of the alloy. The cylindrical samples without intermetallic layer showed the lowest level of porosity and best metallurgical bonding. When the substrate surface was polished (Ra = 0.05 mm) lower levels of porosity and greater metallurgical bonding were found for both geometries. Taking into account the results obtained in this study, we can conclude that the implementation of this process is appropriate for cylindrical components with a polished surface. In these components the intermetallic layer is unnecessary and punctual defects like pores can be repaired with this process. O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um processo de recuperação de componentes de metal duro (WC-6%Co) por projeção térmica, especificamente por HVOF (high velocity oxygenfuel). Esta técnica possibilita a obtenção de revestimentos espessos (100-500 µm) com baixos níveis de porosidade, elevada dureza e excelente adesão ao substrato. Foram testados diferentes tipos de acabamentos superficiais de modo a avaliar qual a superfície onde se obtém melhor adesão do filme e diferentes temperaturas de ressinterização, para garantir a ligação metalúrgica. A ressinterização permitiu a densificação do filme e o consequente aumento da sua dureza bem como a ligação metalúrgica do filme ao substrato. Procedeu-se também à variação da geometria dos provetes (placas e cilindros) e estudou-se ainda a variação da espessura e rugosidade de uma camada de interligação de níquel-alumínio (NiAl). Nas placas, a sinterização na presença de fase líquida (1383 e 1455 °C) deu origem a uma densificação completa do filme e apenas uma ligação metalúrgica parcial entre o revestimento e o substrato. Os resultados obtidos por SEM/EDS mostram um baixo nível de porosidade e uma difusão completa e uniforme dos elementos de liga. Nas amostras cilíndricas sem camada de interligação ocorreu uma ligação metalúrgica perfeita não sendo detetada qualquer porosidade, tendo sido observada uma elevada uniformidade no revestimento. Os melhores resultados a nível de porosidade e ligação metalúrgica foram obtidos nas superfícies polidas (Ra= 0,05 mm) em ambas as geometrias. Face aos resultados obtidos, é possível concluir que a implementação do processo desenvolvido a nível industrial, pode ser realizada em componentes cilíndricos e com superfície polida. Nesta geometria e com acabamento polido foram obtidas ligações metalúrgicas perfeitas e sem presença de porosidade, não sendo necessária a inclusão da camada de interligação de NiAl. O estudo realizado também permitiu verificar que esta técnica se poderá implementar em defeitos localizados, nomeadamente poros superficiais.

Mestrado em Engenharia de Materiais This work aims to study the feasibility of replacing cobalt by copper and stainless steel in tungsten carbide composite. The composites were prepared with a binder content of 12 wt% using the powder metallurgy method in which the conventional milling was replaced by high energy ball milling. To obtain a composite with high density, good microstructure uniformity and controlled phase composition, suitable for a good mechanical performance, the processing conditions of the high energy ball milling (HEBM) and sintering methods were enhanced. Within the studied parameters, the prime milling conditions were found at the rotation speed of 350 rpm and ball-to-powder weight ratio of 20:1, varying the milling times between 8-10 hours for the studied compositions. The HEBM process was able to reduce the particle size of the composite powders down to the nanoscale and a good binder homogenization was reached. After compacting, the powders were submitted to vacuum sintering, in a temperature range of 1300 – 1500ºC followed by HIP (hot isotactic pressing). This procedure allowed attaining dense compacts and introduce efficiently copper in the stainless steel binder up to 30%, without substantial decrease of the sintered relative density. The WC-SS composite powders show a significant amount of M6C phase formed during sintering, endorsed by the high reactivity of the small powder particles and the appearing of the M6C phase. Adding copper to the WC-SS composite allowed the decrease of the M6C phase formation. The WC-Cu sintered samples revealed two distinct major phases, W2C and Cu0.4W0.6 and their appearance depends on the applied sintering technique, in the case of being conventional or two stages sintering, respectively. The mechanical characterization revealed that the hardness of the WC-SS compacts is equivalent to the reported values in the literature for WC-Co. On the other hand, the fracture toughness remains below the reference values. Nevertheless, it was possible to attain a good balance between hardness and fracture toughness in the WC-(SSCu) composites, which make them promising candidates for substituting the traditional WC-Co composite. Este trabalho tem como objetivo estudar a viabilidade da substituição do ligante cobalto por cobre e aço inoxidável em compósitos de carboneto de tungsténio. Estes compósitos foram preparados com um teor de ligante de 12% pp, utilizando o método de pulverometalurgia no qual a moagem convencional foi substituída pela moagem de alta energia (MAE). Por forma a obter compósitos de elevada densidade, boa uniformidade microestrutural, e composição de fases adequada a um bom desempenho mecânico, foram otimizadas as condições de processamento das etapas de moagem de alta energia e da sinterização. As melhores condições de moagem foram verificadas com uma velocidade de rotação de 350 rpm, um rácio de peso bolas:material de 20:1 e, dependendo da composição estudada, um tempo de moagem variável entre 8 – 10 horas. Utilizando o processo de MAE foi possível reduzir o tamanho de partícula dos pós compósitos até à nanoescala e ainda obter uma boa uniformidade da distribuição da fase ligante. Após compactação, os pós foram submetidos a uma etapa de sinterização em vácuo num intervalo de temperaturas entre 1300 - 1500 °C, seguindo-se uma etapa de prensagem isostática a quente. Este método permitiu obter compactos de densidade elevada e introduzir de forma eficiente até 30% de cobre na fase ligante de aço inoxidável sem se verificarem reduções substanciais da densidade dos compactos sinterizados. Os compósitos de WC-SS apresentam uma composição de fases com uma quantidade elevada de fase M6C, formada durante a sinterização e que é favorecida nestes materiais, devido à elevada reatividade dos pós nanométricos. Contudo, a adição de cobre ao compósito WC-SS permitiu a diminuição da formação de fase M6C. As amostras sinterizadas de WC-Cu apresentam maioritariamente duas fases distintas, W2C e Cu0.4W0.6 e o aparecimento desta última fase depende da técnica de sinterização utilizada, convencional e sinterização em duas etapas respetivamente. A caracterização mecânica revelou que a dureza dos compósitos de WC-SS é equivalente aos valores indicados na literatura para os compósitos de WC-Co, enquanto a tenacidade permanece abaixo dos valores de referência. No entanto, foi possível alcançar um bom equilíbrio entre a dureza e tenacidade nos compósitos de WC-(SSCu), o que poderá permitir a sua utilização em algumas aplicações dos tradicionais carbonetos cementados de WC-Co.

Mestrado em Engenharia de Materiais Submitted by Alexandra Bastos (alexandrabastos@ua.pt) on 2014-05-16T13:46:52Z No. of bitstreams: 1 Dissertação J. Puga Final.pdf: 4237478 bytes, checksum: 6677a188516f7fe916cd4ebc5f0cfe64 (MD5) Made available in DSpace on 2014-05-16T13:46:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação J. Puga Final.pdf: 4237478 bytes, checksum: 6677a188516f7fe916cd4ebc5f0cfe64 (MD5) Previous issue date: 2014-01-30

Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais Made available in DSpace on 2011-04-19T13:56:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008001519.pdf: 6268117 bytes, checksum: 8527f395375597ff0fb7f22d3a0e5fb8 (MD5) Previous issue date: 2008

Doutoramento em Ciência e Engenharia de Materiais O principal objectivo deste trabalho é estudar a viabilidade do revestimento de partículas de carboneto de tungsténio (WC), como etapa alternativa à mistura convencional de componentes. Para tal, revestiram-se pós de WC com aço inoxidável 304 (AISI), por uma técnica de deposição física em fase de vapor, denominada pulverização catódica. O outro objectivo deste trabalho incide na investigação das potencialidades das ligas de Fe/Cr/Ni como ligantes nos compósitos à base de WC. Para estudar a viabilidade da técnica de deposição como alternativa à mistura de componentes, depositaram-se quantidades variáveis de aço inoxidável (entre 1 e 10%) nas partículas de pó de WC. Alternativamente, e para efeitos de comparação, prepararam-se composições similares por mistura convencional. Os resultados da caracterização de pós revestidos foram motivadores, uma vez que indicaram que as partículas de WC possuíam revestimentos nanocristalinos bastante uniformes e que todos os elementos constituintes do aço foram depositados nas proporções existentes no alvo. Estes pós apresentam ainda boa escoabilidade e prensabilidade, uma resistência à oxidação acrescida e elevada estabilidade em soluções aquosas a pH ácido e neutro. A investigação do aço inoxidável como ligante de sinterização mostrou que os elementos constituintes do aço são eficazes na promoção da densificação dos compactos à base de WC. Os pós revestidos apresentaram uma sinterabilidade e reactividade superiores às das misturas convencionais. Atingiram-se valores superiores de densificação nos pós revestidos, sobretudo com as perdas de peso controladas através do ciclo térmico ou atmosfera de sinterização. A cinética de formação de fases, designadamente de M6C, é mais rápida nestes pós, mas a quantidade formada pode ser reduzida ou mesmo eliminada, aumentando o teor de níquel no ligante e com pequenas adições de carbono. Os resultados da caracterização mecânica de compósitos preparados com os pós revestidos evidenciaram um bom compromisso entre a tenacidade e dureza, superior ao observado em amostras preparadas convencionalmente. Por outro lado, os ligantes à base de aço inoxidável mostraram uma relação de tenacidade versus dureza superior à existente em dados publicados para compósitos de Co. A presença de M6C aumentou a dureza dos compósitos, sem degradar a sua tenacidade, enquanto que o aumento do teor de níquel reduziu substancialmente a dureza do material. The main objective of this work is to study the feasibility of the tungsten carbide (WC) particle covering as an alternative to the conventional mixture of components. For such purpose, WC powders were coated with stainless steel 304 (AISI) by a physical vapour deposition technique, called sputtering. The other objective of this work is to study the potentiality of Fe/Cr/Ni alloys as binders in WC based composites. To study the viability of the deposition technique as an alternative to the mixture process, different amounts of stainless steel (between 1 and 10 wt.%) were deposited on WC powder particles. Alternatively, similar compositions have been prepared by conventional mixture, for comparison. The results of the characterization of coated powders are very promising, since they indicated that the WC particles have very uniform nanocrystalline coatings and that all the elements were deposited in the same proportions of the target. These powders present good flowability and prensability, an increased oxidation resistance and high stability in aqueous solutions, at acid and neutral pH values. The study of the stainless steel as a sintering binder demonstrated that the steel constituent elements are efficient in the promotion of densification of the WC based composites. Coated powders present higher reactivity and sinterability than conventional mixtures, especially when weight losses are controlled through the thermal cycle or sintering atmosphere. The kinetic of phase formation, namely M6C, is faster in these powders, but the amount formed can be reduced, or eliminated, by increasing the Ni amount in the binder and by small carbon additions. The results of the mechanical characterization of composites prepared with coated powders evidenced a good compromise between hardness and toughness, higher than the one observed in conventionally prepared composites. On the other hand, the composites with stainless steel based binders show superior values of toughness versus hardness than the ones reported in literature for composites with cobalt. The presence of M6C increases the composites hardness, without degrading its toughness, while the increase of Ni substantially reduces the hardness of the material.

Mestrado em Engenharia de Materiais O principal objectivo deste trabalho é estudar a viabilidade do revestimento de partículas de carboneto de tungsténio (WC), como etapa alternativa à mistura convencional de componentes, garantindo a homogeneidade química inicial dos elementos da fase ligante. Para tal, revestiram-se pós de WC com aço inoxidável 304 (AISI), por uma técnica de deposição física em fase de vapor, denominada pulverização catódica. O outro objectivo deste trabalho incide na investigação da potencialidade do aço inoxidável como ligante nos compósitos à base de WC. Para estudar a viabilidade da técnica de deposição, como etapa de mistura de componentes, revestiram-se os pós de WC com quantidades variáveis entre 1 e 7% em peso de aço inoxidável. Os resultados da caracterização dos pós revestidos foram motivadores, uma vez que indicaram que todas as partículas de WC estavam homogeneamente revestidas e que todos os elementos constituintes do aço foram depositados nas proporções correctas. Posteriormente, os pós revestidos foram submetidos às etapas de processamento convencional, prensagem e sinterização. Na primeira etapa os pós foram compactados por prensagem unidireccional, com pressões entre 50 e 200 MPa, por forma a encontrar o patamar de compactação que foi de 190 MPa. Na etapa de sinterização, os compactos foram densificados em atmosfera de vácuo, numa gama de temperaturas entre 960ºC e 1425ºC, com patamares de 3 horas. O comportamento dos pós revestidos, face à compactação, revelou não ser necessário qualquer tipo de lubrificante de prensagem, normalmente utilizado nos compósitos à base de WC para alcançar resistências adequadas ao manuseamento. Esta constatação reforça o interesse da utilização de pós revestidos, porque ao excluir a utilização de lubrificante de prensagem, suprime simultaneamente duas etapas do processamento actual de compósitos à base de WC: a moagem necessária à homogeneização do lubrificante e dos outros componentes e a remoção posterior do lubrificante de prensagem. A avaliação da efectividade do aço inoxidável, como ligante de sinterização do WC, demonstrou que a utilização dos elementos constituintes do aço, designadamente o ferro e o níquel, são eficazes na promoção da densificação dos compactos à base de WC. A densificação máxima obtida foi de cerca de 95%, em pós com quantidades de aço de aproximadamente 6% em peso e sinterizados a temperaturas superiores a 1350ºC. Não se obtiveram valores superiores de densidade relativa, porque se detectou uma perda significativa dos elementos constituintes do ligante, com o aumento da temperatura de sinterização. Em relação à reactividade térmica da composição em estudo, as fases iniciais de WC e tipo Fe-, no compacto em verde, reagem a temperaturas inferiores a 960ºC para formar uma fase do tipo M6C. O ião metálico M é essencialmente W e Fe, mas contém também Cr e Ni provenientes do revestimento. Esta fase está presente em percentagens ponderais variáveis (entre 8 e 11%) e dispersa inter e intragranularmente na fase maioritária de WC. Esta investigação inicial, com pós de WC revestidos com aço inoxidável, demonstra que a técnica de pulverização catódica é promissora como etapa de mistura de componentes e que o aço inoxidável é eficaz como ligante de densificação. No entanto, ainda há um percurso aberto para a continuação da exploração deste trabalho, tendo em vista a obtenção de compósitos à base de WC, ligados com aço inoxidável, mais densos, com estequiometria eficazmente controlada e com diminuição do teor de M6C. The main objective of this work is to study the feasibility of the tungsten carbide (WC) particle covering as an alternative stage to the conventional mixture, ensuring the initial chemical homogeneity of the binder phase elements. For such purpose, WC powders were coated with stainless steel 304 (AISI) by a physical vapour deposition technique, called sputtering. The other objective of this work is the study of the stainless steel itself as a binder in the WC based composites. To study the viability of the deposition technique as a mixture process, depositions were performed over the WC powder, using variable stainless steel amounts in the range of 1-7wt.%. The characterisation results of the coated powders were promissory, as they indicated that all WC particles were homogeneously coated with stainless steel and all the steel constituent elements were deposited in the right proportions. Afterwards the coated powders were submitted to the stages of conventional processing: pressing and sintering. In the first stage, the powders were compacted by unidirectional pressing using pressures between 50 and 200 MPa, to assess the right compacting level that was found to be 190 MPa. In sintering stage, the compact was densified in vacuum atmosphere, in a temperature range 960ºC-1425ºC, with a dwell time of 3 hours. The compact behaviour of the coated powders revealed that it was not necessary any type of pressing lubricant, commonly used in the WC based composites to reach adequate resistance to handling. This observation increases interest of using coated powders, because avoiding pressing lubricant leads to the removal of two stages of the traditional WC based composites processing: namely the milling necessary to homogenise the lubricant and others components and the posterior removal of the pressing lubricant.The study of the stainless steel as WC sintering binder showed that the use of the steel constituent elements, specifically the iron and the nickel, are efficient in the promotion of the densification of the WC based composite. In powders with around 6wt.% of steel, the maximum densification was about 95%, sintered at temperatures higher than 1350ºC. Higher relative densities were not obtained because a significant loss of the constituent elements of the binder phase was detected with the increase of the temperature of sintering. In relation to the thermal reactivity of the composition in study, the initial phases of WC and Fe-a type, in green compact, react below 960ºC to form a phase of M6C type. Metallic ion M is essentially W and Fe, but it also contains Cr and Ni proceeding from the covering. This phase is present in weight percentages variable between 8 and 11%, and is dispersed on the grains of the major WC phase. The results of this initial investigation with WC powders coated with stainless steel, shows that the sputtering technique is promising as a mixture process and that the stainless steel is efficient as a densification binder. However, future studies are necessary in order to obtain WC stainless steel binder based composites more dense, with better controlled stoiquiometry and with lower percentage of M6C.

Mestrado em Engenharia de Materiais Neste trabalho investigou-se a incorporação de resíduos de pó WC-Co, provenientes das peças rejeitadas durante a etapa de prensagem e da maquinação das peças em verde, na produção de pastilhas de corte de metal duro. O pó reciclado foi incorporado numa peça cilíndrica em percentagens variáveis entre 50-70%, constituindo a base de suporte da peça. A outra parte do cilindro, a parte virgem, correspondente à zona de trabalho da peça, é constituída por um pó virgem de composição controlada. Estas peças, com dois tipos de pós, foram apelidadas de bimaterial. Selecionaram-se dois tipos de pós virgem, do mesmo grau mas utilizando num caso a parafina como lubrificante de prensagem e no outro o polietilinoglicol (PEG). Estes pós virgem, assim como o pó resultante da mistura de resíduos, foram inicialmente, analisados, com caracterização sistemática a nível de composição química (fluorescência de raios-X), estrutura cristalina (difracção de raios-X, DRX), morfologia (microscopia electrónica de varrimento, SEM) e distribuição granulométrica (Coulter). Foi ainda avaliado o seu comportamento térmico após compactação por análise dilatométrica e o comportamento magnético (balança magnética e força coerciva). O desenvolvimento dos bimateriais foi feito de acordo com as etapas de processamento disponíveis na empresa Palbit, começando com a preparação das misturas de pós, seguindo-se a moagem, granulação, prensagem e finalizando-se com a remoção do lubrificante de prensagem e sinterização. Na etapa de prensagem recorreu-se a uma prensa uniaxial com sistema CNC, tendo sido colocado o pó reciclado e efectuada uma pré-compactação; seguidamente, introduziu-se o pó virgem e realizou-se a prensagem final. Foram utilizados dois ciclos térmicos no processo de sinterização por SinterHIP. Foram caracterizadas duas amostras de bimaterial, correspondentes a cada um dos pós virgem utilizados (com parafina e com PEG), recorrendo à análise estrutural (DRX), micoestruturais e química (SEM/EDS), magnética (balança magnética e força coerciva) e mecânica (dureza e tenacidade à fratura). As peças de bimaterial produzidas apresentaram uma densificação elevada em toda a peça, sem vestígios de porosidade ou de segundas fases, e não apresentaram empenos significativos. A análise química e microestrutural mostrou existir um gradiente de cobalto nas peças produzidas que se traduz num gradiente de propriedades magnéticas e mecânicas. Este gradiente de Co e de propriedades foi avaliado, tendo em perspectiva a produção de peças com uma zona de trabalho detentora de propriedades mecânicas adequadas à sua função de corte e dentro dos parâmetros de qualidade da empresa. In this work, the incorporation of WC-Co powder residues from the re-jected parts of the pressing stage and machining of the green parts, dur-ing the production of carbide cutting inserts was investigated. The recy-cled powder was incorporated in a cylindrical part in variable amounts between 50-70%, constituting the support base of the part. The other part of the cylinder, the pristine part, corresponding to the working zone of the part, consists of a pristine powder with controlled composition. These pieces, with two types of powders, were named bimaterials. Two types of pristine powders of the same grade were selected, but us-ing paraffin as a lubricant in one case and polyethylene glycol (PEG) in the other. These pristine powders, as well as the powder resulting from the mixture of residues, were initially analyzed with the systematic char-acterization at the level of chemical composition (X-ray fluorescence), crystal structure /X- ray diffraction, XRD), morphology (scanning elec-tron microscopy, SEM) and particle size distributions (Coulter). It was also evaluated its thermal behavior after compaction by dilatometric analysis and the magnetic behavior (magnetic balance and coercive force). The development of the bimaterials was done according to the pro-cessing steps available at the company Palbit, starting with the prepara-tion of the powder mixtures, followed by milling, granulating, pressing and ending with the lubricant removal and sintering. In the pressing step an uniaxial press with CNC system was used. The recycled powder was placed and a precompaction was carried out; then the pristine powder was introduced and the final pressing realized. Two thermal cycles were used in the SinterHIP sintering process. Two samples of bimaterial, corresponding to each of the pristine pow-ders used (with paraffin and with PEG) were characterized, using struc-tural analysis (XRD), microstructural and chemical analysis (SEM / EDS), magnetic (magnetic balance and coercive force) and mechanical analyses (hardness and fracture toughness). The pieces of bimaterial produced showed a high densification through-out the piece, without trace of porosity or second phases, and did not present significant deformations. The chemical and microstructural analysis showed that there is a cobalt gradient in the parts produced which transposes into a gradient of magnetic and mechanical proper-ties. This gradient of Co and properties was evaluated, taking into ac-count the production of parts with a work zone that possesses mechani-cal properties adequate to its cutting function and within the quality pa-rameters of the company.

Mestrado em Engenharia de Materiais O principal objectivo deste trabalho foi estudar a viabilidade da substituição total do cobalto por aço inoxidável AISI 304 em compósitos de carboneto de tungsténio, industrialmente apelidados de “metal duro”. Os compósitos, com teores de ligante variável entre 6 e 15%pp, foram processados segundo um processo pulverometalúrgico convencional, com as seguintes etapas principais: mistura dos pós e aditivos, compactação por prensagem e sinterização em atmosfera de vazio, seguida de prensagem isostática a quente, de forma a obter compactos com densidade elevada. Posteriormente, os compósitos foram caracterizados sob o ponto de vista químico, estrutural e microestrutural. Procedeu-se também a uma caracterização das suas propriedades mecânicas, nomeadamente da dureza e da tenacidade à fractura, de forma a estudar a viabilidade da aplicação destes materiais. A investigação foi direccionada para a correlação entre as propriedades mecânicas, a microestrutura e a composição de fases, mais propriamente com a quantidade de fase-η presente na amostra. Estes estudos mostraram que o aço inoxidável actua eficientemente na sinterização contribuindo para uma boa densificação dos compactos. Observou-se a formação de fase-η durante a sinterização em quantidades tanto mais elevadas quanto maior a percentagem de aço inoxidável inicial, constatando-se mais tarde, na etapa de caracterização mecânica, que este carboneto duro confere à peça boas propriedades mecânicas, nomeadamente elevada dureza sem contudo deteriorar significativamente a tenacidade à fractura. ABSTRACT: The main point of this work was the study of the total substitution of cobalt by Stainless Steel AISI 304 in one group of tungsten composites industrially called “hard metal” These composites, with an amount of binder between 6 and 15%pp, were processed by a powdered conventional process which consists in the following stages: mixture of powder and additives, compression by pressing and sintering in vacuum atmosphere, followed by hot isostatic pressing, in order to obtain high density compacts. Chemical, structural and microstructural characterization was done after the reported process. Mechanical properties, as harness and fracture toughness, were measured as well, as part of the study of the viability application of these materials. This investigation was directed to the correlation between the mechanical properties, microstructure and phases composition specially the quantity of η- phase in the sample. These studies showed that the stainless steel works efficiently in the sintering, and could be a major contributor to a good densification of the compacts. A direct relationship between a high formation of the η-phase and the growing percentage of stainless steel during the sintering was shown. Later on, in the mechanical characterization, were observed that this hard metal gives to the composite good mechanical properties, namely high hardness, without damaging the capacity of fracture toughness.

Mestrado em Engenharia de Materiais Uma das vertentes de investigação na área dos compósitos à base de carboneto de tungsténio (WC) é a substituição, total ou parcial do ligante, normalmente utilizado, o cobalto. Os ligantes constituídos por aluminetos de ferro (FeAl) têm merecido uma atenção especial, devido à sua boa resistência à oxidação e à corrosão a temperaturas elevadas. Contudo, a dificuldade de obtenção de materiais densos no sistema WC-FeAl, por técnicas convencionais de sinterização, e a redução acentuada da dureza com o aumento do teor de FeAl, são aspectos que necessitam de ser ultrapassados para que estes compósitos se tornem interessantes sob o ponto de vista industrial. O principal objetivo do presente trabalho foi a obtenção de compósitos de WC e ligantes intermetálicos, do tipo FeAl, por sinterização reativa a partir de pós precursores de WC, aço e alumínio, utilizando o processamento convencional de pulverometalurgia. Para o efeito, a homogeneização de pós de WC, aço inoxidável AISI 304 (SS) e Al foi efetuada através de moagem convencional em meio húmido. A percentagem de fase ligante (SS+Al) variou entre 8 e 12% pp, sendo que a fração de Al adicionada ao SS se situou na gama entre 0 e 0.5. A avaliação da reatividade térmica em atmosfera de vazio indicou a expansão dos compósitos com Al na composição do ligante, correspondendo à formação de soluções sólidas de Fe(Al), na gama de temperaturas entre 500 e 1000ºC. Com o aumento da temperatura, formaram-se fases intermetálicas de estequiometria variável, do tipo FeAlx com x=1,2,3, consoante a fração de Al presente no ligante e a temperatura. Os compósitos foram obtidos a partir de compactos dos pós, sinterizados a 1450ºC, durante 125 min, em atmosfera de vazio (P= 20-40 Pa), e posteriormente submetidos a uma etapa de prensagem isostática a quente, a 1400ºC, 9h, e 60 MPa. Os compactos densificados foram avaliados em termos estruturais, microestruturais e também de desempenho mecânico e resistência à oxidação. Os resultados da avaliação estrutural e microestrutural mostraram que se conseguiram obter materiais bem densificados por sinterização reativa, tendo ocorrido a síntese de fases intermetálicas, predominantemente do tipo FeAl na gama de composições estudada. A avaliação das propriedades mecânicas revelou que o aumento da fração de Al no ligante diminui os valores de dureza e melhora a resistência à oxidação. One side of research of materials based on tungsten carbide composites (WC) is the total or partial replacement of the binder usually used, cobalt. The iron aluminides binders (FeAl) have received attention due to their good resistance to oxidation and corrosion at high temperatures. However, the difficulty of obtaining dense materials in the WC-FeAl system, by conventional sintering techniques, and the marked decrease in hardness with the increase of FeAl content, are aspects that need to be overcome if these composites become popular under the industrial point of view. The main objective of this study was to obtain composites and intermetallic WC binders, of Feal type, by reactive sintering from precursor powders of WC, steel and aluminum, using the conventional powder metallurgy processing. To this end, the powders mixing of WC, AISI 304 (SS) Al and stainless steel was performed by conventional wet milling. The percentage of binding phase (SS + Al) varied between 8 and 12 wt%, and the fraction of Al added to the SS stood in the range between 0 and 0.5. The evaluation of the thermal reactivity in an atmosphere of vacuum indicated expansion of composites with Al in the binder composition, corresponding to the formation of solid solutions of Fe (Al) in the temperature range between 500 and 1000 ° C. With the increase of temperature intermetallic phases formed with variable stoichiometry, of type FeAlx with x = 1,2,3, depending on the fraction of Al binder present and temperature. The composites were obtained from compressed powders, sintered at 1450 ° C for 125 min in an atmosphere of vacuum (P = 20-40 Pa) and subsequently subjected to a step of hot isostatic pressing, at 1400 ° C, 9h, and 60 MPa. Structural and microstructural characteristics were evaluated on the densified compacts as well the mechanical performance and oxidation resistance. The results of structural and microstructural evaluation showed that good densified materials have been achieved by reactive sintering, ocurring intermetallic phases synthesis, predominantly Feal type in the range of the studied compositions. The evaluation showed that the mechanical properties by increasing the Al content in the binder reduces the hardness and improves oxidation resistance.

O objetivo deste trabalho foi estudar o desenvolvimento de novos compósitos de carboneto de tungsténio com ligante de aço inoxidável ferrítico AISI 410L, em substituição completa do ligante usual de cobalto. Foram preparados composições com teores de ligante variáveis entre 6 e 15%pp, tendo sido selecionada a composição de 10%pp de ligante para estudar o comportamento da adição de carbono, entre 0 e 1%pp. As composições foram processadas segundo um processo de pulverometalurgia convencional, com as seguintes etapas principais: moagem/ homogeneização dos pós, compactação por prensagem, sinterização em atmosfera de vazio seguido de prensagem isostática a quente para eliminar porosidade fechada. Durante e após as várias etapas do processamento foram feitas caraterizações de diversos tipos: cristalográfica, microestrutura, de composição química, dilatométrica e de comportamento mecânico. A investigação foi direcionada para a correlação das propriedades mecânicas com a microestrutura e a composição de fases, nomeadamente a quantidade de fase eta nas amostras. Verificou-se formação de fase eta durante a etapa de sinterização aumentando a sua quantidade com o aumento do teor de ligante, no entanto a adição de 1%pp de carbono reduz significativamente a quantidade dessa fase. A caraterização mecânica da dureza e tenacidade à fratura mostra que se obtêm materiais de dureza (HV30) muito elevada, entre 1800 e 2300 kgf.mm-2, mas com valores relativamente modestos de tenacidade (KIC) entre 7 e 14 MPa.m1/2, variáveis com o teor de ligante e a adição de carbono. Estes resultados são discutidos com base na microestrutura e estrutura dos compósitos e confrontados com os valores indicados na literatura para compósitos de WC-Co com teores de ligante e granulometria equivalentes The main objective of this work was to study the development of new composites of tungsten carbide with ferritic stainless steel (AISI 410L) binder, to totally replace the usual cobalt binder. The composition were prepared with variable binder contents between 6 and 15wt%, and it was selected the composition with 10wt% of binder to study the effect of carbon addition, from 0 to 1wt%. The composites were processed by a powder metallurgy conventional method which consist in the following stages: milling/ homogenization of the powders, shaping by pressing, sintering in vacuum atmosphere, followed by hot isostatic pressing to eliminate close porosity. During and after the different processing stages various characterizations were made: crystallographic, microstructural, chemical composition, dilatometric and of mechanical behavior. This investigation was directed to the correlation between the mechanical properties and the microstructure and phase composition, particularly the amount of eta phase in the samples. A direct relationship between the higher formation of eta phase during sintering and the growing binder content was shown, however 1wt% of carbon addition reduces substantially the formation of that phase. The mechanical characterization of hardness (HV30) and fracture toughness (KIC) shows that very high hardness materials between 1800 to 2300 kgf.mm-2,but with relatively low toughness values are obtained between 7 to 14 MPa.m1/2, which are dependent of the binder content and the addition of carbon. These findings are discussed based on the microstructure and structure of composites and compared to the values given in the literature for WC-Co composites with equivalent binder contents and grain size Mestrado em Engenharia de Materiais