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Melhorando peças fundidas com alto teor de cromo com ligas de terras raras: inovações de processo e benefícios econômicos

(White Paper Técnico)

1. Introdução: O papel das ligas de terras raras em peças fundidas com alto teor de cromo

Ferro fundido com alto teor de cromo (HCCI) é amplamente usado em peças de desgaste de britadores para mineração devido à sua dureza excepcional. No entanto, o HCCI tradicional frequentemente sofre de grãos grossos, distribuição irregular de carboneto e tenacidade limitada. Ligas de terras raras (RE), alavancando sua atividade química única e estrutura eletrônica, abordam esses desafios refinando microestruturas e aprimorando o desempenho mecânico.
Principais desafios no HCCI tradicional:
  • Carbonetos primários grossos (50–80 μm) reduzem a tenacidade.
  • Altas taxas de defeitos (trincas, encolhimento) durante a fundição.
  • Vida útil limitada sob abrasão e impacto extremos.
O HCCI RE-modificado demonstra 10–80% maior resistência ao desgaste, 67–100% melhor resistência ao impacto e 150–225% maior vida útil, tornando-o uma solução superior para equipamentos de mineração.

​2. Otimização microestrutural via ligas RE

2.1 Mecanismos dos Elementos RE

Os elementos RE (La, Ce, Nd) aumentam o HCCI por meio de:
  • Purificação de fusão
  • Refinamento de grãos20–30%
  • Modificação de carboneto
  • Fortalecimento do contorno de grão
Conteúdo ideal de RE: 0,13–0,26% em peso atinge dureza equilibrada (HRC 62–67) e tenacidade (10–12 J/cm²).
​
Mecanismo RE
​
Impacto Microestrutural
​
Ganho de desempenho
Nucleação heterogênea
Tamanho do grão ↓ 20–30%
Dureza ↑ 10–15%
Purificação de fusão
Redução da inclusão
Resistência ↑ 15–25%
Modificação de carboneto
Carbonetos finos e isolados
Resistência ao desgaste ↑ 10%
Fortalecimento do contorno de grão
Segregação reduzida
Resistência ao impacto ↑ 20–30%

2.2 Refinamento e distribuição de carbonetos

HCCI RE-modificado com compósitos Ti-ZTA alcança:
  • Carbonetos ultrafinos
  • Ligação melhorada
​
Material
Tamanho do carboneto (μm)
Dureza (HRC)
Resistência ao Impacto (J/cm²)
Resistência ao desgaste
HCCI padrão
50–80
58–62
4–6
1,0×
Composto RE + Ti-ZTA
15–25
63–67
10–12
1,8×

3. Processos avançados de fabricação

3.1 Parâmetros de fundição otimizados

A integração RE requer controle preciso:
  • Temperatura de fusão
  • ​Inoculação
  • Refinadores de grãos
​
Parâmetro
HCCI tradicional
HCCI RE-Modificado
Melhoria
Temperatura de fusão
1450–1500°C
1550–1650°C
Dissolução total do RE
Adição RE
0%
0,13–0,26% em peso
Refinamento de carboneto
Temperatura de vazamento
1350–1400°C
1550–1650°C
Defeitos reduzidos

3.2 Tratamento térmico de dois estágios

O processamento térmico em dois estágios maximiza os benefícios de RE:
  1. ​Estágio 1
  2. ​Estágio 2
Microestrutura resultante: Austenita + M₇C₃ + M₂₃C₆ com HRC 63–67 e estabilidade térmica 30% maior.

4. Validação de desempenho e aplicações industriais

4.1 Principais métricas de desempenho

​
Métrica
HCCI tradicional
HCCI RE-Modificado
Melhoria
Resistência ao desgaste
1,0×
1,1–1,8×
↑ 10–80%
Dureza (HRC)
58–62
62–67
↑ 7–8%
Resistência ao Impacto (J/cm²)
4–6
8–12
↑ 67–100%
Vida útil (horas)
800–1.000
2.000–2.600
↑ 150–225%

4.2 Estudos de caso

  • Bomba de polpa de minério de alumina 2.000–2.600 horas
  • Mandril de laminação de tubos Produtividade 3,18× maior

5. Benefícios econômicos e análise de ROI

5.1 Vantagens de economia de custos

​
Métrica
HCCI tradicional
HCCI RE-Modificado
Melhoria
Custo inicial ($/tonelada)
$ 2.000
$ 2.260
+13%
Custo de manutenção anual
$ 22.500
$ 7.500
↓ 67%
​
Custo total de 3 anos
**$ 73.500**
**$ 29.260**
**↓ 60%**
​
Período de retorno do investimento (ROI)
—
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