BR102023002615A2 - Premix contendo nanopartículas, uso de um premix contendo um veículo e nanopartículas, processo para a incorporação de nanopartículas em material de matriz e metal - Google Patents

Abstract

A presente invenção se situa no campo da engenharia de materiais e nanotecnologia. Mais especificamente, a invenção revela um premix útil para a melhorada dispersão de nanopartículas em variados materiais, incluindo, entre outros, metais, metais de transição, terras raras ou combinações dos mesmos. São também revelados um uso, um processo industrial para facilitada incorporação de nanopartículas a produtos de interesse econômico e um metal com melhoradas propriedades mecânicas. O premix de nanopartículas da invenção tem composição, pureza e/ou perfil granulométrico peculiares, sendo útil em uma variedade de aplicações e resolvendo diversos problemas técnicos, incluindo facilitar a dispersão em outras substâncias, facilitar o uso em processos industriais, evitar a dispersão inadvertida de nanopartículas no ambiente e o contato com humanos ou animais. O metal com melhoradas propriedades mecânicas da presente invenção compreende as referidas nanopartículas e, em amplo contraste ao estado da técnica, tem dureza substancialmente aumentada sem perda de ductilidade, de limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento. Esse surpreendente resultado é contraintuitivo e tem grande importância econômica.

Description

PREMIX CONTENDO NANOPARTÍCULAS, USO DE UM PREMIX CONTENDO UM VEÍCULO E NANOPARTÍCULAS, PROCESSO PARA A INCORPORAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS EM MATERIAL DE MATRIZ E METAL Campo da Invenção

[0001] A presente invenção se situa no campo da engenharia de materiais e nanotecnologia. Mais especificamente, a invenção revela um premix útil para a melhorada dispersão de nanopartículas em variados materiais, incluindo, entre outros, metais, metais de transição, terras raras ou combinações dos mesmos. São também revelados um uso, um processo industrial para facilitada incorporação de nanopartículas a produtos de interesse econômico e um metal com melhoradas propriedades mecânicas. O premix de nanopartículas da invenção tem composição, pureza e/ou perfil granulométrico peculiares, sendo útil em uma variedade de aplicações e resolvendo diversos problemas técnicos, incluindo facilitar a dispersão em outras substâncias, facilitar o uso em processos industriais, evitar a dispersão inadvertida de nanopartículas no ambiente e o contato com humanos ou animais. O metal com melhoradas propriedades mecânicas da presente invenção compreende as referidas nanopartículas e, em amplo contraste ao estado da técnica, tem dureza substancialmente aumentada sem perda de ductilidade, de limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento. Esse surpreendente resultado é contraintuitivo e tem grande importância econômica.

Antecedentes da Invenção

[0002] A nanotecnologia é uma ciência em franca expansão e tem gerado muitas expectativas por conta das propriedades incomuns de nanopartículas de variados materiais. Entretanto, seu uso em larga escala ainda se defronta com múltiplas limitações, a começar pela indisponibilidade de preparados de nanopartículas com elevada concentração, pureza, perfil granulométrico preciso. Além disso, existem diversos outros problemas técnicos que limitam o uso industrial de nanopartículas, incluindo a tendência à agregação, a dificuldade de dispersão, os riscos associados à eventual dispersão no ar/ambiente e os ainda pouco conhecidos efeitos decorrentes do contato humano ou animal com as nanopartículas.

[0003] Nanopartículas obtidas por processos bottom up são limitadas a certas espécies químicas que são produtos de reação e têm baixa pureza, não sendo viáveis técnica- e/ou economicamente em grandes escalas. Estas e outras razões contribuem para que ainda não seja disponível em escala industrial nenhum premix de nanopartículas que seja estável, puro, com elevada concentração e/ou com distribuição granulométrica à escolha e integralmente na faixa dos nanômetros. A presente invenção resolve estes problemas.

[0004] Na busca pelo estado da técnica em literaturas científica e patentária, foram encontrados os seguintes documentos que se relacionam ao tema:

[0005] A patente US 4,084,965 revela a obtenção de um pó de Nióbio (referido como pó de Columbium) com 5,1 micra. Referido pó é obtido pela hidrogenação e moagem de um lingote de Nióbio, a moagem sendo assistida pela adição de uma pequena quantidade de um material contendo fósforo (entre 5 e 600ppm de fósforo elementar), preferencialmente na forma de um líquido para facilitar a mistura. Não revela um premix de nanopartículas como a presente invenção.

[0006] O pedido de patente brasileiro PI 0401882-6, depositado pela CBMM e arquivado, revela um processo de produção de pó de Nióbio e Tântalo metálicos de alta pureza química, elevada área superficial, morfologia e porosidade adequadas, e baixa densidade aparente. Referido processo compreende as etapas de: obtenção de pó fino; oxidação superficial de forma controlada; redução desta camada de óxido com metais alcalinos ou alcalino terrosos num banho de sais fundidos, ou no interior de uma mistura de sais fundidos; dissolução e lixiviação do bolo formado; filtragem, lavagem e secagem do produto obtido. Não revela ou antecipa a presente invenção.

[0007] A patente brasileira PI 0105773-1, concedida à CBMM, revela um processo para a produção de pó da liga Nb-Zr, contendo 0,1% a 10% de zircônio. Referido processo compreende a hidretação, moagem e desidretação de ligas de Nióbio-Zircônio (Nb-Zr) para produção de pó com teores controlados de impurezas. Não revela um premix de nanopartículas como a presente invenção.

[0008] O pedido de patente brasileiro PI 0402611-0, depositado pelo IPT/SP e indeferido, revela um processo de produção de pó de monóxido de Nióbio (NbO) de elevada pureza, elevada superfície específica, teores de oxigênio e nitrogênio controlados, com morfologia e porosidade adequada para ser usado na fabricação de capacitores. Referido processo é caracterizado por duas etapas de redução do pentóxido de Nióbio (Nb2O5), sendo a primeira etapa de redução do pentóxido de Nióbio (Nb2O5) para dióxido de Nióbio (NbO2) conduzida por um gás redutor e, a segunda etapa, compreendendo a obtenção de monóxido de Nióbio (NbO) através da transferência total ou parcial do oxigênio, referente a transformação do NbO2 em NbO, para um pó fino de Nióbio metálico (Nb) de morfologia e características físicas similares ao do NbO2. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0009] A patente brasileira PI 0106058-9, depositada pela CBMM e transferida ao IPT/SP, revela um processo para produção de pó de Nióbio de elevada pureza, elevada superfície específica e teores de oxigênio controlados. Referido processo compreende uma única etapa de redução de niobatos de metais alcalinos ou alcalino terrosos (MexNbOy, onde Me é o metal alcalino ou alcalino terroso, x=0,5 a 3 e y=2 a 4) com um metal de mesma natureza seguido de uma etapa de lixiviação ácida/lavagem para remoção dos óxidos de metais alcalinos ou alcalino terrosos (ou excesso de metal alcalino ou alcalino terroso empregado na redução) presentes no produto final. A patente protege também o pó de Nióbio assim obtido. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0010] A patente norte-americana US 6,375,704 B1, de Cabot Corp., revela um preparado em pó de Nióbio e um processo para preparar flocos de pó de Nióbio para uso em capacitores. Referido processo compreende moer chips de Nióbio para formar flocos e em seguida submeter o floco obtido a uma etapa de desoxidação, preferencialmente com magnésio. Não revela um premix de nanopartículas como a presente invenção.

[0011] O problema da dificuldade de mistura/dispersão/homogeneização de aditivos, particularmente aqueles contendo nanopartículas, no processamento de metais e aços especiais é conhecido há algum tempo, havendo diferentes abordagens para tentar resolvê-lo.

[0012] Neste contexto, o documento CN105414497 entra em detalhes sobre as dificuldades técnicas de homogeneizar aditivos na manufatura de aços especiais. Referido documento revela um dispositivo desenvolvido especificamente para resolver este problema, e inclui uma tubulação, um alimentador com uma válvula soldada na lateral de uma abertura e uma tubulação fina selada e soldada, com extremidade direcionada para o centro da abertura da outra tubulação, de modo a viabilizar a insuflação de ar ou argônio para formar pressão negativa e então permitir a adição de pós finos do aditivo no meio líquido do aço (derretido). O dispositivo proporciona o ajuste da adição uniforme de aditivo. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0013] O documento JP3321491, intitulado “Method for adding rare earth element to molten steel and additive”, revela uma maneira segura de adicionar um aditivo ao aço derretido. O referido aditivo é preparado pelo preenchimento de um recipiente com um pó de uma liga contendo terras raras, cobre e alumínio. O recipiente é feito de uma barra oca de aço carbono ou aço inoxidável. A forma de adicionar o aditivo consiste em adicionar continuamente o referido aditivo ao aço derretido na fase de casting. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0014] O documento US4892580 revela um aditivo na forma de filamentos contendo chumbo para a obtenção de aços modificados. O referido aditivo se apresenta na forma de filamentos consistindo de um revestimento metálico e um material finamente dividido, o qual compreende chumbo metálico ou ligas de chumbo, além de um material que desprende CO2 na temperatura do aço derretido. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0015] O documento RU2569621 revela um método para produzir aço contendo Nióbio. Referido método inclui uma etapa de derreter o aço e formar uma camada de 200mm de espessura em um receptáculo. Durante o tratamento do metal fora do forno é adicionado ferronióbio, na proporção de 0,01 a 1 kg por tonelada de metal. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0016] O documento US 3860777 revela um processo para soldar aços de baixa liga contendo Nióbio. No referido documento, depósitos de solda de resistência e dureza melhorada são obtidos, quando comparados com congêneres conhecidos até então. O processo envolve a adição de quantidades controladas de vanádio e/ou titânio ao metal derretido, em conjunto com outros elementos de liga de forma a proporcionar a formação de um depósito cuja concentração é controlada em comparação com a concentração de Nióbio presente. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0017] O documento WO 92226675 revela uma liga de ferronióbio e um aditivo de Nióbio para aço, ferro fundido e outras ligas metálicas. A liga de ferronióbio tem microestrutura compreendendo uma matriz eutética (E) e um constituinte primário (N) como uma solução sólida rica em Nióbio, a qual requer que a composição química seja de 75 a 95% de Nióbio, 5 a 25% de ferro, com os máximos de impureza definidos a seguir: tântalo 0,1%, silício 3%, alumínio 1% e estanho 0,15%. Esse aditivo é útil para adicionar Nióbio a aços, ferro fundido, e outros materiais. Não revela o premix de nanopartículas da presente invenção.

[0018] O pedido de patente co-pendente BR 102020016774-0, publicado em 20Fev2022 e o PCT BR 2021/050346 (publicado em 24Fev2022 como WO 2022/036427), com inventores em comum com a presente invenção, revelam um preparado de nanopartículas de Nióbio obtido por abordagem top down. Referido preparado concomitantemente contempla as seguintes características técnicas: partículas integralmente na faixa granulométrica de nanômetros; elevada pureza; em escala industrial, com custo adequado para viabilização econômica. Referido preparado em pó nanométrico tem muito elevada pureza, uma vez que o processo não acrescenta impurezas ou leva à formação de produtos de reação, como é o caso dos processos bottom up (ou de síntese) do estado da arte. Não revela um premix de nanopartículas da presente invenção.

[0019] O pedido de patente JPH07292410A publicado em 07/11/1995 revela um método para adicionar um elemento de terra rara a uma liga de Fe-Cr-Al, em que um pó de uma liga de elemento de terra rara e cobre ou alumínio e um material de revestimento de aço carbono ou aço inoxidável é adicionado a uma liga fundida de Fe-Cr-Al. O processo da presente invenção é diferente do processo de JPH07292410A, somado ao fato de que o pedido de patente JPH07292410A visa aplicação em uma liga de Fe-Cr-Al.

[0020] O pedido de patente WO2012/104306 publicado em 09/08/2012 apresenta um processo de produção de aço fortalecido com a adição de outros metais citando a adição de uma série de componentes na liga fundida, como Mn, P, terras raras, entre outros. Os materiais e o processo da presente invenção são diferentes dos revelados no WO2012/104306.

[0021] Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção.

Sumário da Invenção

[0022] A presente invenção resolve vários problemas do estado da técnica e proporciona um premix contando nanopartículas de perfil granulométrico definido e/ou composição quimicamente definida. O premix da invenção é útil para a melhorada dispersão de nanopartículas em variados materiais de interesse econômico.

[0023] É um dos objetos da invenção proporcionar um premix contendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos, referido premix compreendendo elevada concentração de nanopartículas na faixa granulométrica de nanômetros.

[0024] Em uma concretização, referido premix compreende um veículo; e nanopartículas na faixa granulométrica de nanômetros.

[0025] Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas com d50 a d99 na faixa granulométrica de nanômetros. Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas com d90 a d99 na faixa granulométrica de nanômetros.

[0026] Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas de Nióbio com elevada pureza e concentração.

[0027] Em uma concretização, o premix da invenção compreende um veículo selecionado dentre uma cápsula, lâmina, recipiente ou compósito composto de material metálico, cerâmico, vítreo, hidrocarbonetos, ácidos graxos, ceras, aditivos de processamento, material polimérico, material compósito ou combinações dos mesmos. Referido veículo é particularmente útil para facilitar o uso industrial em processos de preparação de metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0028] É um dos objetos da invenção proporcionar o uso de um premix contendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos para a preparação materiais com propriedades melhoradas. Referidos materiais são selecionados dentre metais, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0029] Em uma concretização, é provido o uso de um premix contendo nanopartículas de nióbio para a preparação de aço melhorado.

[0030] Em uma concretização, é provido o uso de um premix contendo nanopartículas de nióbio para a preparação de alumínio melhorado.

[0031] É um dos objetos da invenção proporcionar um processo industrial para a preparação de materiais com propriedades melhoradas. Referido processo proporciona melhorada dispersão de nanopartículas no material de interesse, mais segurança no processo industrial e facilidade de emprego em larga escala, O processo compreende ao menos uma etapa de acrescentar o premix da invenção ao referido material.

[0032] Em uma concretização, o referido processo proporciona a incorporação de nanopartículas em material de matriz e compreende: - uma etapa de administrar o premix, conforme definido acima, a um material de matriz; - pelo menos uma etapa subsequente de dispersão e/ou reação in situ entre os componentes do dito premix e o dito material de matriz; em que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0033] Em uma concretização, o processo da invenção compreende uma etapa de adicionar o premix em fases líquidas de metais ou de ligas metálicas, proporcionando a rápida e eficaz dispersão e modulação/melhoria das propriedades mecânicas.

[0034] Em uma concretização, o processo da invenção proporciona uma reação in situ do premix no material metálico, proporcionando a obtenção de metais ou ligas metálicas melhoradas.

[0035] É um dos objetos da invenção proporcionar um metal com melhoradas propriedades mecânicas. O metal da presente invenção compreende as referidas nanopartículas e, em amplo contraste ao estado da técnica, tem dureza substancialmente aumentada sem perda de ductilidade, de limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, propriedades estas que, em conjunto, são totalmente contraintuitivas e têm grande importância econômica.

[0036] Em uma concretização, o referido metal é aço melhorado.

[0037] Em uma concretização, o referido metal é alumínio melhorado.

[0038] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e serão descritos detalhadamente a seguir.

Breve Descrição das Figuras

[0039] São apresentadas as seguintes figuras:

[0040] A figura 1 ilustra o potencial zeta das partículas de alumínio em função do pH. O módulo do potencial zeta (mV) é um indicativo da estabilidade das partículas. Quanto maior o módulo do potencial zeta, mais estáveis as partículas.

[0041] A figura 2 ilustra o potencial zeta das partículas de Pentóxido de Nióbio em função do pH.

[0042] A figura 3 ilustra os resultados de granulometria para as partículas de alumínio pelo equipamento Cilas.

[0043] A figura 4 ilustra um resultado de MeV (microscopia eletrônica de varredura) para a mistura metálica após 5h de mistura, com magnificação de 3,11 kx e 2,01 kx em 10,0 kV.

[0044] A figura 5 ilustra o resultado de EDS (Espectroscopia por energia dispersiva) para a mistura metálica após 5h de mistura. O EDS mostra a proporção de cada elemento na mistura metálica.

[0045] A figura 6A mostra o resultado do alumínio picado, o qual não fundiu.

[0046] A figura 6B mostra o tarugo de alumínio fundido, o qual foi testado em vista dos resultados ilustrados na figura 6A.

[0047] A figura 7 mostra uma concretização da invenção na qual lingotes de alumínio foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, em corte na região central ao longo do comprimento e sem preparação metalográfica. Em A) é mostrada uma foto do lingote de alumínio sem a adição de premix; em B) é mostrada uma foto do lingote com a adição de premix contendo Nb2O5.

[0048] A figura 8 mostra uma concretização da invenção na qual lingotes de alumínio foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, em corte ao longo do comprimento, com e sem a adição de premix contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio. Em A) é mostrada uma foto do lingote de alumínio sem adição de premix, evidenciando poros; Em B) é mostrada uma foto do lingote de alumínio com adição de premix, evidenciando poros.

[0049] A figura 9 mostra fotos do aspecto da seção na região da base dos lingotes de alumínio após ataque metalográfico. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix; em B) é mostrado o lingote de alumínio com a adição de premix contendo pentóxido de Nióbio.

[0050] A figura 10 mostra uma concretização da invenção na qual lingotes de alumínio foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, em corte na região central ao longo do comprimento e sem preparação metalográfica. Em A) é mostrada uma foto do lingote de alumínio sem a adição de premix; em B) é mostrada uma foto do lingote com a adição de premix contendo FeNb.

[0051] A figura 11 mostra uma concretização da invenção na qual lingotes de alumínio foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, em corte ao longo do comprimento, com e sem a adição de premix contendo nanopartículas de ferro Nióbio. Em A) é mostrada uma foto do lingote de alumínio sem adição de premix, evidenciando poros; Em B) é mostrada uma foto do lingote de alumínio com adição de premix, evidenciando poros.

[0052] A figura 12 mostra fotos do aspecto da seção na região da base dos lingotes de alumínio após ataque metalográfico. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix; em B) é mostrado o lingote de alumínio com a adição de premix contendo ferro Nióbio.

[0053] A figura 13 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento de lingotes de aço obtidos mediante fusão do aço ASTM A36, sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, durante a fusão da carga, de um premix contendo nanopartículas de Nb2Os.

[0054] A figura 14 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento dos lingotes de aço sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2Os; Em C) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2Os.

[0055] A figura 15 mostra fotos de seções da base dos lingotes de aço após ataque metalográfico, para a avaliação da estrutura bruta de fusão. Em A) é mostrada seção da base do lingote de referência, sem adição de premix; em B) é mostrada a seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5; Em C) é mostrada seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5.

[0056] A figura 16 mostra um gráfico que indica nas ordenadas o teor % dos elementos P (Fósforo), S (Enxofre), Al (Alumínio) e Nb (Nióbio) em quatro lingotes de aço. A) representa o lingote de aço de referência, sem a adição de premix; B) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, durante a fusão da carga, de um premix contendo 10 g de nanopartículas de Nb2O5; C) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10 g de nanopartículas de Nb2O5; D) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5.

[0057] A figura 17 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento de lingotes de aço sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb.

[0058] A figura 18 mostra fotos de seções da base de lingotes de aço após ataque metalográfico, para a avaliação da estrutura bruta de fusão. Em A) é mostrada seção da base do lingote de referência, sem adição de premix; em B) é mostrada a seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb.

[0059] A figura 19 mostra um gráfico que indica nas ordenadas o teor % dos elementos P (Fósforo), S (Enxofre), Al (Alumínio) e Nb (Nióbio) em dois lingotes de aço. A) representa o lingote de aço de referência, sem a adição de premix; B) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10 g de nanopartículas de FeNb.

[0060] A figura 20 mostra os resultados de dureza na escala Vickers (HVIkgf) nas ordenadas, para as seções da base (1), do centro (2) e do topo (3) de lingotes de aço em que A) é o lingote de referência, sem acréscimo de premix; B) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5; C) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5.

[0061] A figura 21 mostra os resultados de dureza na escala Vickers (HV1kgf) nas ordenadas, para as seções da base (1), do centro (2) e do topo (3) de lingotes de aço em que A) é o lingote de referência, sem acréscimo de premix; B) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb.

[0062] A figura 22 é uma foto de cápsulas de metal para conter nanopartículas e servir de premix para a fabricação de metais fundidos.

Descrição Detalhada da Invenção

[0063] Em um objeto, a presente invenção apresenta um premix compreendendo um veículo; e nanopartículas na faixa granulométrica de nanômetros; em que as referidas nanopartículas são compostas por metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos.

[0064] Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas com d10 a d99 na faixa granulométrica de nanômetros. Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas com d90 a d99 na faixa granulométrica de nanômetros.

[0065] Em uma concretização, as referidas nanopartículas têm distribuição granulométrica de d10 a partir de 0,16 gm até 2,29 gm, d50 a partir 0,35 gm até 5,62 gm e d90 a partir de 0,78 gm até 9,94 gm.

[0066] Em uma concretização, o premix da invenção compreende nanopartículas de Nióbio com elevada pureza e concentração. Em uma concretização, as ditas nanopartículas são compostas de óxido de Nióbio, Ferro Nióbio ou combinações das mesmas.

[0067] Em uma concretização, o dito óxido de Nióbio é pentóxido de Nióbio (Nb2O5), dióxido de Nióbio (NbO2), óxido de Nióbio (NbO), ou combinações dos mesmos.

[0068] Em uma concretização, o premix compreende nanopartículas de pentóxido de Nióbio. Em uma concretização, o premix compreende nanopartículas de Ferro Nióbio.

[0069] Em uma concretização, o premix da invenção compreende pelo menos um veículo selecionado dentre uma cápsula, lâmina, recipiente ou compósito composto de material metálico, cerâmico, vítreo, hidrocarbonetos, ácidos graxos, ceras, aditivos de processamento, material polimérico, material compósito ou combinações dos mesmos. Referido veículo é particularmente útil para facilitar o uso industrial em processos de preparação de metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0070] Em uma concretização, o dito veículo é selecionado dentre uma cápsula, lâmina, recipiente ou compósito composto de material metálico, cerâmico, vítreo, hidrocarbonetos, ácidos graxos, ceras, aditivos de processamento, material polimérico, material compósito ou combinações dos mesmos.

[0071] Em uma concretização, o dito material metálico do veículo é alumínio ou cobre; o dito hidrocarboneto é parafina; os ditos ácidos graxos são ácido oleico, ácido palmítico ou ácido erúcico; a dita cera é cera de abelha ou cera de carnaúba; o dito aditivo de processamento é estearato de sódio ou estearato de zinco; o dito material polimérico é um polímero termoplástico. Em uma concretização, o dito polímero termoplástico é polipropileno (PP).

[0072] Em uma concretização, o referido veículo é selecionado dentre substâncias que proporcionam maior segurança de manipulação, como por exemplo: hidrocarbonetos como parafina; os ditos ácidos graxos como ácido oleico, ácido palmítico ou ácido erúcico; a dita cera como cera de abelha ou cera de carnaúba; o dito aditivo de processamento como estearato de sódio ou estearato de zinco; o dito material polimérico como um polímero termoplástico, como por exemplo o polipropileno (PP).

[0073] Em uma concretização, o premix da presente invenção apresenta uma proporção em massa entre nanopartículas e veículo na faixa de 99:1 a 50:50, mais preferencialmente na faixa de 95:5 a 55:45, mais preferencialmente na faixa de 93:7 a 60:40, mais preferencialmente na faixa de 92:8 a 65:35; mais preferencialmente na faixa de 91:9 a 69:31, ainda mais preferencialmente na faixa de 90,8:9,2 até 69,4:30,6.

[0074] O premix da invenção proporciona melhorada homogeneização e dispersão de nanopartículas em produtos aos quais ele é incorporado, incluindo, sem limitar a, metais fundidos.

[0075] Em uma concretização, o premix da invenção é um material compreendendo elevada quantidade/concentração de nanopartículas, sendo particularmente útil para facilitar o uso industrial em processos de preparação de metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0076] É um dos objetos da invenção proporcionar o uso de um premix contendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos para a preparação materiais com propriedades melhoradas. Referidos materiais são selecionados dentre metais, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0077] Em uma concretização, é provido o uso de um premix contendo nanopartículas de nióbio para a preparação de aço melhorado.

[0078] Em uma concretização, é provido o uso de um premix contendo nanopartículas de nióbio para a preparação de alumínio melhorado.

[0079] Em uma concretização, o uso do premix da invenção proporciona também a reação in situ dos constituintes do premix com o metal líquido em processos de produção de materiais metálicos.

[0080] É um dos objetos da invenção proporcionar um metal com melhoradas propriedades mecânicas. O metal da presente invenção compreende as referidas nanopartículas e, em amplo contraste ao estado da técnica, tem dureza substancialmente aumentada sem perda de ductilidade, de limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, propriedades estas que, em conjunto, são totalmente contraintuitivas e têm grande importância econômica.

[0081] Em uma concretização, o referido metal é aço melhorado.

[0082] Em uma concretização, o referido metal é alumínio melhorado.

[0083] Em uma concretização o referido metal é isento de ou tem reduzida quantidade de rechupes e vazios de solidificação.

[0084] Em uma concretização o referido metal tem estrutura mais refinada e homogênea.

[0085] Em uma concretização o referido metal tem modificado perfil químico.

[0086] Em uma concretização o referido metal tem aumentada dureza sem prejudicar significativamente outras propriedades mecânicas (limite de resistência e de escoamento) e ductilidade.

[0087] É um dos objetos da invenção proporcionar um processo industrial compreendendo o uso de premix contendo nanopartículas com características melhoradas, referido processo proporcionando maior facilidade de dispersão de nanopartículas na substância ou produto de interesse, mais segurança no processo industrial e facilidade de emprego em larga escala.

[0088] Em um outro objeto, a presente invenção apresenta um processo para a incorporação de nanopartículas em material de matriz compreendendo: - uma etapa de administrar o premix, conforme definido acima, a um material de matriz; - pelo menos uma etapa subsequente de dispersão e/ou reação in situ entre os componentes do dito premix e o dito material de matriz; em que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0089] Em uma concretização, o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas ou combinações dos mesmos.

[0090] Em uma concretização, a etapa de administrar o premix é executada em fases fundidas do dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica.

[0091] Em uma concretização não limitante, quando o dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica compreende aço, o veículo do premix é alumínio. Em uma concretização não limitante adicional, quando o dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica compreende alumínio, o veículo do premix é cobre.

[0092] Em uma concretização, o processo da invenção compreende uma etapa de adicionar o premix em fases líquidas de metais ou ligas metálicas, proporcionando a rápida e eficaz dispersão e modulação ou melhoria das propriedades mecânicas.

[0093] O surpreendente aumento de dureza sem diminuição da ductilidade e outras propriedades mecânicas é um notável efeito técnico da invenção.

[0094] A invenção também é definida pelas seguintes cláusulas.

[0095] Premix contendo nanopartículas compreendendo: um veículo; e nanopartículas na faixa granulométrica de nanômetros, em que as referidas nanopartículas são compostas por metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos.

[0096] Premix conforme definido acima em que a proporção em massa entre nanopartículas e veículo está na faixa de 99:1 a 50:50.

[0097] Premix conforme definido acima em que as referidas nanopartículas têm distribuição granulométrica de dio a partir de 0,16 gm até 2,29 gm, dso a partir 0,35 gm até 5,62 gm e d9o a partir de 0,78 gm até 9,94 gm.

[0098] Premix conforme definido acima em que as ditas nanopartículas são de óxido de Nióbio, Ferro Nióbio ou combinações dos mesmos.

[0099] Premix conforme definido acima em que o dito óxido de Nióbio é pentóxido de Nióbio (Nb2Os), dióxido de Nióbio (NbO2), óxido de Nióbio (NbO), ou combinações dos mesmos.

[0100] Premix conforme definido acima em que o dito veículo é selecionado dentre uma cápsula, lâmina, recipiente ou compósito composto de material metálico, cerâmico, vítreo, hidrocarbonetos, ácidos graxos, ceras, aditivos de processamento, material polimérico, material compósito ou combinações dos mesmos.

[0101] Premix conforme definido acima em que: - o dito material metálico é alumínio ou cobre; - o dito hidrocarboneto é parafina; - os ditos ácidos graxos são ácido oleico, ácido palmítico, ácido erúcico; - a dita cera é cera de abelha ou cera de carnaúba; - o dito aditivo de processamento é estearato de sódio ou estearato de zinco; e/ou - o dito material polimérico é polímero termoplástico.

[0102] Uso de um premix contendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos, para a preparação materiais com propriedades mecânicas melhoradas.

[0103] Uso conforme definido acima em que os referidos materiais são selecionados dentre: metais, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0104] Uso conforme definido acima em que o referido premix contém nanopartículas de nióbio e o referido material com propriedades mecânicas melhoradas é aço.

[0105] Uso conforme definido acima em que o referido premix contém nanopartículas de nióbio e o referido material com propriedades mecânicas melhoradas é alumínio.

[0106] Processo para a incorporação de nanopartículas em material de matriz compreendendo: uma etapa de administrar o premix conforme definido acima a um material de matriz; e pelo menos uma etapa subsequente de dispersão e/ou reação in situ entre os componentes do dito premix e o dito material de matriz, em que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.

[0107] Processo conforme definido acima em que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas ou combinações dos mesmos.

[0108] Processo conforme definido acima em que a etapa de administrar o premix é executada em fases fundidas do dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica.

[0109] Processo conforme definido acima em que o dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica compreende aço ou alumínio.

[0110] Metal com melhoradas propriedades mecânicas, compreendendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos.

[0111] Metal conforme definido acima em que o referido metal é aço ou alumínio.

[0112] Metal conforme definido acima em que: o referido aço apresenta incremento de dureza de pelo menos 20% em comparação com aço de referência; ou o referido alumínio apresenta incremento de dureza de pelo menos 5% em comparação com alumínio de referência, em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.

[0113] Metal conforme definido acima em que: o referido aço apresenta incremento de dureza de pelo menos 22,1% a 107,2% em comparação com aço de referência; ou o referido alumínio apresenta incremento de dureza de pelo menos 5,1% a 6,1% em comparação com alumínio de referência, em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.

[0114] Metal conforme definido acima em que: o referido aço e/ou alumínio apresenta dureza Vickers de até 380 HV em 1 kgf; em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.

[0115] Metal conforme definido acima em que: o referido aço e/ou alumínio melhorado apresenta dureza Vickers de 120 a 380 HV em 1 kgf, em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.

[0116] Metal conforme definido acima, isento de ou com reduzida quantidade de rechupes e vazios de solidificação; e/ou com estrutura refinada e homogênea; e/ou com modificado perfil químico.

[0117] Exemplos

[0118] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar algumas das várias maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar o escopo da mesma.

[0119] Exemplo 1 - Premix compreendendo Nanopartículas de Pentóxido de Nióbio e sua incorporação em Aço. Preparação do inoculante compósito Al/Nb2O5

[0120] Para incorporação em aço, os seguintes materiais foram usados: • Folhas de alumínio (80 g); e • Liquidificador; • Moinho Attritor com esferas de zircônia (d = 200-300 pm, m = 800 g).

[0121] O seguinte procedimento foi executado:

[0122] 80 g de folhas de papel alumínio foram trituradas em um liquidificador. As folhas trituradas (40 g) foram submetidas à moagem em moinho Attritor a 350 RPM com auxílio de esferas de zircônia (d = 200-300 pm, m = 800 g) em meio de etanol por 22h.

[0123] Foi feita separação da mistura metálica úmida com uma peneira de 500 pm de abertura. Foi retirada uma alíquota da mistura metálica úmida abaixo de 500 pm para determinação do potencial zeta e do tamanho de partícula.

[0124] Foi retirada também uma alíquota da mistura metálica úmida abaixo de 500 pm para determinação do tamanho de partícula em um equipamento Cilas.

[0125] A mistura metálica úmida foi seca em estufa a 80 °C para obtenção do pó seco.

[0126] Para uma suspensão de Nb2O5, o pH foi ajustado para 6 (conteúdo de sólidos medido experimentalmente: 26% m., volume: 440 mL) com a utilização de solução aquosa de hidróxido de amônio (pH 14).

[0127] As nanopartículas de pentóxido de Nióbio utilizadas na preparação do premix tem distribuição granulométrica de dio = 0,16 pm, d50 = 0,35 pm, d90 = 0,78 pm.

[0128] A dita suspensão de Nb2O5 foi agitada mecanicamente a 300 RPM e, aos poucos, foi adicionada a ela 23 g de pó de alumínio. Após a adição do pó de alumínio, a agitação foi mantida a 300 RPM por 5 h sob monitoramento de pH.

[0129] Foi observado aumento no valor de pH após 5 h de mistura. O pH da mistura final permaneceu em ~7,1.

[0130] Após 2, 3, 4 e 5 h de agitação mecânica, alíquotas foram retiradas da suspensão-mãe e secas em estufa a vácuo a 80 °C para observação do estado da mistura íntima entre as partículas de Al e Nb2O5 no inoculante compósito.

[0131] A tabela 1 abaixo descreve a proporção em massa de nanopartículas de Nb2O5 e veículo (neste exemplo, não limitante, sendo Al):

[0132] Tabela 1 - Proporção em massa de nanopartículas e veículo

[0133] Em vista dos experimentos realizados, a proporção em massa preferencial de nanopartículas:veículo foi de 90,8:9,2 até 69,4:30,6.

[0134] Exemplo 2 - Caracterização do premix

[0135] Uma concretização de premix preparado conforme descrito no exemplo 5 foi caracterizada. Para tanto, foi feita a separação da mistura metálica úmida com uma peneira de 500 μm de abertura. Foi retirada uma alíquota da mistura metálica úmida abaixo de 500 μm para determinação do potencial zeta e do tamanho de partícula.

[0136] A figura 1 ilustra o potencial zeta das partículas de alumínio em função do pH. O módulo do potencial zeta (mV) é um indicativo da estabilidade das partículas. Quanto maior o módulo do potencial zeta, mais estáveis as partículas.

[0137] A figura 2 ilustra o potencial zeta das partículas de Pentóxido de Nióbio em função do pH.

[0138] Em vista dos resultados do potencial zeta em função do pH, o pH da mistura metálica foi ajustado para 6 no início do procedimento.

[0139] Conforme também mencionado no exemplo 5, foi retirada também uma alíquota da mistura metálica úmida abaixo de 500 μm para determinação do tamanho de partícula em um equipamento Cilas.

[0140] A figura 3 ilustra os resultados de granulometria para as partículas de alumínio pelo equipamento Cilas.

[0141] Os resultados do ensaio de granulometria feito no equipamento Cilas pode ser visto na Tabela 2 abaixo:

[0142] Tabela 2 - Dados de Granulometria

[0143] A figura 4 ilustra um resultado de MeV (microscopia eletrônica de varredura) para a mistura metálica após 5h de mistura, com magnificação de 3,11 kx e 2,01 kx em 10,0 kV.

[0144] A figura 5 ilustra o resultado de EDS (Espectroscopia por energia dispersiva) para a mistura metálica após 5h de mistura. O EDS mostra a proporção de cada elemento na mistura metálica.

[0145] Exemplo 3 - Teste comparativo com fusão de folhas picadas de alumínio em cadinho

[0146] Como teste de mistura, realizou-se, em cadinho de ZAS e de metal, a fusão (900°C) de alumínio picado com nanopartículas. Como pode ser observado na figura 6, não houve fusão do alumínio picado. Em vista deste resultado e a fim de e avaliar a temperatura do forno, foi testada a fusão de um tarugo de alumínio na presença das nanopartículas. Este, por sua vez, fundiu. Ambas as rotas não foram consideradas promissoras, uma vez que não houve adequada dispersão/incorporação das nanopartículas no alumínio.

[0147] A figura 6A mostra o resultado do alumínio picado, o qual não fundiu.

[0148] A figura 6B mostra o tarugo de alumínio fundido, o qual foi testado em vista dos resultados ilustrados na figura 6A.

[0149] Exemplo 4 - Premix compreendendo Nanopartículas de Pentóxido de Nióbio e sua incorporação em Alumínio.

[0150] No preparo de lingotes de metais ou ligas após fusão, é frequente a ocorrência de rechupes e/ou vazios de solidificação. O presente exemplo evidencia que esse problema foi resolvido.

[0151] Lingotes de alumínio de 20 kg foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, com ou sem a adição de 20 g um premix compreendendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio, com distribuição granulométrica de dio = 0,16 pm, d50 = 0,35 pm, d90 = 0,78 pm.

[0152] A figura 7 mostra fotos de lingotes assim preparados, em corte ao longo do comprimento e sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem a adição de premix; em B) é mostrado o lingote com a adição de premix contendo Nb2O5. A figura 7 mostra que foi obtida uma estrutura sem rechupes e/ou vazios de solidificação, indicado boa distribuição das nanopartículas de nióbio.

[0153] A figura 8 mostra fotos dos lingotes de alumínio com e sem a adição de premix contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix, evidenciando poros; Em B) é mostrado o lingote de alumínio com adição de premix, evidenciando poros. Não foram detectadas diferenças entre as amostras, indicando que a adição do premix não influenciou, nestas condições, na formação de poros, ou seja, a formação de poros parece inerente ao processo utilizado para a obtenção dos lingotes.

[0154] O aspecto macro e microestrutural dos lingotes foi também analisado. Em relação à macroestrutura observada na base dos lingotes, não foram detectadas diferenças significativas. O aspecto microestrutural das três regiões de cada lingote (base, centro e topo), ao longo do comprimento dos lingotes, na condição sem ataque metalográfico não revelou diferenças significativas tanto no aumento de 50x quanto no aumento de 200x, podendo ser descrito como uma matriz com constituintes cubóides e aciculares distribuídos.

[0155] A figura 9 mostra fotos do aspecto da seção na região da base dos lingotes de alumínio após ataque metalográfico. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix; em B) é mostrado o lingote de alumínio com a adição de premix contendo pentóxido de Nióbio.

[0156] Exemplo 5 - Premix compreendendo Nanopartículas de Ferro Nióbio e sua incorporação em Alumínio.

[0157] No presente exemplo, lingotes de alumínio de 20 kg foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, com ou sem a adição de 20 g um premix compreendendo nanopartículas de Ferro Nióbio Tântalo, com distribuição granulométrica de dio = 2,29 pm, dso = 5,62 pm, d90 = 9,94 pm.

[0158] A figura 10 mostra fotos de lingotes assim preparados, em corte ao longo do comprimento e sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem a adição de premix; em B) é mostrado o lingote com a adição de premix contendo FeNb. A figura 4 mostra ligotes sem rechupes e/ou vazios de solidificação. indicando boa distribuição das nanopartículas de Nióbio.

[0159] A figura 11 mostra fotos dos lingotes de alumínio com e sem a adição de premix contendo nanopartículas de Ferro Nióbio. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix, evidenciando poros; Em B) é mostrado o lingote de alumínio com adição de premix, evidenciando poros. Não foram detectadas diferenças entre as amostras, indicando que a adição desta concretização de premix não influenciou, nestas condições, na formação de poros, ou seja, a formação de poros é aparentemente inerente ao processo utilizado para a obtenção dos lingotes.

[0160] O aspecto macro e microestrutural dos lingotes foi também analisado. Em relação à macroestrutura observada na base dos lingotes, não foram detectadas diferenças significativas. O aspecto microestrutural das três regiões de cada lingote (base, centro e topo), ao longo do comprimento dos lingotes, na condição sem ataque metalográfico não revelou diferenças significativas tanto no aumento de 50x quanto no aumento de 200x, podendo ser descrito como uma matriz com constituintes cubóides e aciculares distribuídos.

[0161] A figura 12 mostra fotos do aspecto da seção na região da base dos lingotes de alumínio após ataque metalográfico. Em A) é mostrado o lingote de alumínio sem adição de premix; em B) é mostrado o lingote de alumínio com a adição de premix contendo Ferro Nióbio.

[0162] Exemplo 6 - Premix compreendendo Nanopartículas de Pentóxido de Nióbio e sua incorporação em Aço.

[0163] Esta concretização da invenção evidencia alguns dos efeitos técnicos relacionados ao uso do premix da invenção para: (i) preparar lingotes de aço com melhoradas propriedades, evitando a formação de rechupes e poros grandes; (ii) preparar lingotes de aço com estrutura mais refinada e homogênea; e (iii) preparar lingotes de aço com modificado perfil químico.

[0164] Nesta concretização, lingotes de aço foram preparados mediante a fusão de aço ASTM A36, com ou sem a incorporação do premix contendo nanopartículas.

[0165] No presente exemplo, lingotes de aço de 50 kg foram obtidos mediante fusão do aço ASTM 36, com ou sem a adição um premix compreendendo 50 g de nanopartículas de pentóxido de Nióbio, com distribuição granulométrica de dio = 0,16 pm, d50 = 0,35 pm, d90 = 0,78 pm.

[0166] A figura 13 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento dos lingotes sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, durante a fusão da carga, de um premix contendo nanopartículas de Nb2Ü5. Foram observados poros e vazios em ambas os casos, sendo mais intenso no lingote no qual foi adicionado o premix durante a fusão da carga, com vazios ou poros na base e em todo o comprimento dos lingotes.

[0167] A figura 14 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento dos lingotes sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2Ü5; Em C) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2Ü5. Desta feita, foram observados poros e vazios apenas no lingote de referência sem adição de premix. Os lingotes com a adição de premix não apresentaram vazios ou poros em nenhum ponto dos lingotes.

[0168] A figura 15 mostra fotos de seções da base dos lingotes após ataque metalográfico, para a avaliação da estrutura bruta de fusão. Em A) é mostrada seção da base do lingote de referência, sem adição de premix; em B) é mostrada a seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5; Em C) é mostrada seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5. Os lingotes aos quais foi acrescentado o premix apresentaram estrutura mais refinada e homogênea do que o lingote de referência.

[0169] Testes foram realizados para avaliar a composição química dos lingotes preparados conforme descrito nesse exemplo. Os resultados mostram que não houve diferença significativa nos teores de Carbono, Manganês, Silício e Cobre. Por outro lado, houve significativa alteração dos teores de Fósforo, Enxofre, Alumínio e, mais pronunciadamente, Nióbio.

[0170] A figura 16 mostra um gráfico que indica nas ordenadas o teor % dos elementos P (fósforo), S (enxofre), Al (alumínio) e Nb (nióbio) em quatro lingotes preparados de acordo com o presente exemplo. A) representa o lingote de aço de referência, sem a adição de premix; B) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, durante a fusão da carga, de um premix contendo 10 g de nanopartículas de Nb2O5; C) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10 g de nanopartículas de Nb2O5; D) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5.

[0171] A análise micrográfica da microestrutura dos lingotes em três regiões ao longo do comprimento demonstrou que, em termos de constituintes, a microestrutura foi similar em todos os lingotes, sendo composta por ferrita e perlita. Por outro lado, morfologia e granulometria dos constituintes foram visivelmente distintas.

[0172] Exemplo 7 - Premix compreendendo Nanopartículas de Ferro Nióbio e sua incorporação em Aço.

[0173] Esta concretização da invenção evidencia alguns dos efeitos técnicos relacionados ao uso do premix da invenção para: (i) preparar lingotes de aço com melhoradas propriedades, evitando a formação de rechupes e poros grandes; (ii) preparar lingotes de aço com estrutura mais refinada e homogênea; e (iii) preparar lingotes de aço com modificado perfil químico.

[0174] Nesta concretização, lingotes de aço foram preparados mediante a fusão de aço ASTM A36, com ou sem a incorporação do premix contendo nanopartículas.

[0175] No presente exemplo, lingotes de aço de 50 kg foram obtidos mediante fusão do aço ASTM 36, com ou sem a adição um premix compreendendo 50 g de nanopartículas de Ferro Nióbio Tântalo, com distribuição granulométrica de dio = 2,29 pm, d50 = 5,62 pm, d90 = 9,94 pm.

[0176] A figura 17 mostra o aspecto da região central seccionada ao longo do comprimento dos lingotes sem preparação metalográfica. Em A) é mostrado o lingote de referência, isento de premix; em B) é mostrado o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb. Foram observados poros e vazios apenas no lingote de referência sem adição de premix. O lingote com a adição de premix não apresentaram vazios ou poros em nenhum ponto do lingote.

[0177] A figura 18 mostra fotos de seções da base dos lingotes após ataque metalográfico, para a avaliação da estrutura bruta de fusão. Em A) é mostrada seção da base do lingote de referência, sem adição de premix; em B) é mostrada a seção da base do lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb. O lingote ao qual foi acrescentado o premix apresentou estrutura mais refinada e homogênea do que o lingote de referência.

[0178] Testes foram realizados para avaliar a composição química dos lingotes preparados conforme descrito nesse exemplo. Os resultados mostram que não houve diferença significativa nos teores de Carbono, Manganês, Silício e Cobre. Por outro lado, houve significativa alteração dos teores de Fósforo, Enxofre, Alumínio e, mais pronunciadamente, Nióbio.

[0179] A figura 19 mostra um gráfico que indica nas ordenadas o teor % dos elementos P (Fósforo), S (Enxofre), Al (Alumínio) e Nb (Nióbio) em dois lingotes preparados de acordo com o presente exemplo. A) representa o lingote de aço de referência, sem a adição de premix; B) representa o lingote de aço no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb.

[0180] Exemplo 8 - Lingotes de Alumínio com aumentada dureza mediante o uso de premix contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio

[0181] No presente exemplo, lingotes de alumínio de 20kg foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, com ou sem a adição de 20g um premix compreendendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio, com distribuição granulométrica de dio = 0,16 pm, dso = 0,35 pm, d90 = 0,78 pm.

[0182] Foram avaliados os valores de dureza em 3 seções de lingotes em que foram efetuadas análises metalográficas, incluindo o valor médio. As impressões de dureza foram realizadas aleatoriamente em 10 pontos em cada lingote, empregando carga de ikgf da escala Vickers. Foram evidenciadas diferenças significativas na dureza global, conforme evidenciado pelas análises estatísticas (valor-P menor que a).

[0183] A incorporação do premix contendo 10g de pentóxido de nióbio resultou em um incremento de 5,1% na dureza, em comparação com o lingote de alumínio de referência, sem a incorporação do premix.

[0184] Por outro lado, a incorporação do premix da invenção não prejudicou outras propriedades mecânicas, o que em si é surpreendente. As propriedades mecânicas e ductilidade dos corpos de prova de tração dos lingotes de alumínio não foram significativamente distintas quando comparados o lingote de referência a aquele ao qual o premix foi adicionado. As propriedades de limite de resistência, limite escoamento e de alongamento também não foram significativamente distintas.

[0185] Exemplo 9 - Lingotes de Alumínio com aumentada dureza mediante o uso de premix contendo nanopartículas de Ferro Nióbio

[0186] No presente exemplo, lingotes de alumínio de 20kg foram obtidos mediante fusão da liga SAE 305, com ou sem a adição de 20g um premix compreendendo nanopartículas de Ferro Nióbio, com distribuição granulométrica de d10 = 2,29 pm, d50 = 5,62 pm, d90 = 9,94 pm.

[0187] Foram avaliados os valores de dureza em 3 seções de lingotes em que foram efetuadas análises metalográficas, incluindo o valor médio. As impressões de dureza foram realizadas aleatoriamente em 10 pontos em cada lingote, empregando carga de 1 kgf da escala Vickers. Foram evidenciadas diferenças significativas na dureza global, conforme evidenciado pelas análises estatísticas (valor-P menor que a).

[0188] A incorporação do premix contendo 10g de Ferro Nióbio resultou em um incremento de 6,1% na dureza, em comparação com o lingote de alumínio de referência, sem a incorporação do premix.

[0189] Novamente, a incorporação do premix da invenção não prejudicou outras propriedades mecânicas, o que em si é surpreendente. As propriedades mecânicas e ductilidade dos corpos de prova de tração dos lingotes de alumínio não foram significativamente distintas quando comparado o lingote de referência a aquele ao qual o premix foi adicionado. As propriedades de limite de resistência, limite escoamento e de alongamento não foram significativamente distintas.

[0190] Exemplo 10 - Lingotes de Aço com aumentada dureza mediante o uso de premix contendo nanopartículas de pentóxido de Nióbio

[0191] Esta concretização da invenção evidencia alguns dos efeitos técnicos relacionados ao uso do premix da invenção para: (i) preparar aço com aumentada mediante a incorporação do premix; (ii) prepara aço com aumentada da dureza sem com isso reduzir a ductilidade, o que seria esperado em condições normais. Esse surpreendente aumento de dureza sem diminuição da ductilidade é um notável efeito técnico do premix da invenção.

[0192] Nesta concretização, lingotes de aço foram preparados mediante a fusão de aço ASTM A36, com ou sem a incorporação do premix contendo nanopartículas.

[0193] No presente exemplo, lingotes de aço de 50kg foram obtidos mediante fusão do aço ASTM 36, com ou sem a adição um premix compreendendo 50g de nanopartículas de pentóxido de Nióbio, com distribuição granulométrica de dio = 0,16 pm, dso = 0,35 pm, d90 = 0,78 pm.

[0194] Nas mesmas seções de lingotes de aço em que foram efetuadas as análises metalográficas do exemplo 3, foram realizados ensaios de dureza. As impressões de dureza foram aleatórias, totalizando 10 identações em cada amostra aplicando carga de 1 kgf da escala Vickers.

[0195] A figura 20 mostra os resultados de dureza na escala Vickers (HVIkgf) nas ordenadas, para as seções da base (1), do centro (2) e do topo (3) de lingotes de aço em que A) é o lingote de referência, sem acréscimo de premix; B) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5; C) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5.

[0196] Os resultados mostram que: o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5 teve um incremento de 22,1% na dureza, em comparação com o lingote de aço de referência, sem a incorporação do premix; e o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5 teve um incremento de 107,2% na dureza, em comparação com o lingote de aço de referência, sem a incorporação do premix.

[0197] As análises de variância (ANOVA), para um nível de significância de 95% (a = 5%) indicaram que o valor-P para o limite de escoamento e limite resistência foi menor que a, ou seja, confirma diferença entre as médias do limite de escoamento e limite de resistência dos lingotes aos quais foram acrescentados o premix nas duas condições (o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de Nb2O5; e o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix na forma de papel alumínio de 18,6g contendo 10g nanopartículas de Nb2O5).

[0198] Por outro lado, a ductilidade dos corpos de prova de tração dos lingotes de aço não foi significativamente distinta quando comparado o lingote de referência a aqueles aos quais o premix foi adicionado. Esse surpreendente aumento de dureza e de propriedades mecânicas, sem diminuição da ductilidade, é um notável efeito técnico do premix da invenção.

[0199] Importante ressaltar também que os resultados são surpreendentes inclusive frente à incorporação de partículas na faixa micrométrica, evidenciando ainda mais o efeito técnico atingido pelo premix e processo desenvolvidos na presente invenção.

[0200] Exemplo 11 - Lingotes de Aço com aumentada dureza mediante o uso de premix contendo nanopartículas de Ferro Nióbio

[0201] Esta concretização da invenção evidencia alguns dos efeitos técnicos relacionados ao uso do premix da invenção para: (i) preparar aço com aumentada dureza mediante a incorporação do premix; (ii) preparar aço com aumentada dureza sem com isso reduzir a ductilidade, o que seria esperado em condições normais. Esse surpreendente aumento de dureza sem diminuição da ductilidade é um notável efeito técnico do premix da invenção.

[0202] Nesta concretização, lingotes de aço foram preparados mediante a fusão de aço ASTM A36, com ou sem a incorporação do premix contendo nanopartículas.

[0203] No presente exemplo, lingotes de aço de 50kg foram obtidos mediante fusão do aço ASTM 36, com ou sem a adição um premix compreendendo 50g de nanopartículas de Ferro Nióbio, com distribuição granulométrica de d10 = 2,29 pm, d50 = 5,62 pm, d90 = 9,94 pm.

[0204] Nas mesmas seções de lingotes de aço em que foram efetuadas as análises metalográficas do exemplo 4, foram realizados ensaios de dureza. As impressões de dureza foram aleatórias, totalizando 10 identações em cada amostra aplicando carga de 1 kgf da escala Vickers.

[0205] A figura 21 mostra os resultados de dureza na escala Vickers (HVIkgf) nas ordenadas, para as seções da base (1), do centro (2) e do topo (3) de lingotes de aço em que A) é o lingote de referência, sem acréscimo de premix; B) é o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb.

[0206] Os resultados mostram que: o lingote no qual foi feita a adição, após a fusão da carga, de um premix contendo 10g de nanopartículas de FeNb teve um incremento de 68% na dureza, em comparação com o lingote de aço de referência, sem a incorporação do premix.

[0207] As análises de variância (ANOVA), para um nível de significância de 95% (a = 5%) indicaram que o valor-P para o limite de escoamento e limite resistência foi menor que a, ou seja, confirma diferença entre as médias do limite de escoamento e limite de resistência do lingotes ao qual foi acrescentado o premix contendo Ferro Nióbio, sendo ao aumento do limite de resistência e de escoamento mais pronunciando com a adição de premix contendo Ferro Nióbio do que com a adição de premix contendo pentóxido de Nióbio.

[0208] Por outro lado, a ductilidade dos corpos de prova de tração dos lingotes de aço não foi significativamente distinta quando comparado o lingote de referência a aqueles aos quais o premix foi adicionado. Esse surpreendente aumento de dureza e de propriedades mecânicas, sem diminuição da ductilidade, é um notável efeito técnico do premix da invenção.

[0209] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes e alternativas, abrangidas pelo escopo das reivindicações a seguir.

Claims (20)

1. Premix contendo nanopartículas caracterizado por compreender - um veículo; e - nanopartículas na faixa granulométrica de nanômetros compostas por metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos.
2. Premix de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de a proporção em massa entre nanopartículas e veículo está na faixa de 99:1 a 50:50.
3. Premix de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de que as referidas nanopartículas têm distribuição granulométrica de d10 a partir de 0,16 µm até 2,29 µm, d50 a partir 0,35 µm até 5,62 µm e d90 a partir de 0,78 µm até 9,94 µm.
4. . Premix de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de as ditas nanopartículas serem compostas de óxido de Nióbio, Ferro Nióbio ou combinações dos mesmos.
5. Premix de acordo com a reivindicação 4 caracterizado pelo fato de o dito óxido de Nióbio ser pentóxido de Nióbio (Nb2O5), dióxido de Nióbio (NbO2), óxido de Nióbio (NbO), ou combinações dos mesmos.
6. Premix de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelo fato de o dito veículo ser selecionado dentre uma cápsula, lâmina, recipiente ou compósito composto de material metálico, cerâmico, vítreo, hidrocarbonetos, ácidos graxos, ceras, aditivos de processamento, material polimérico, material compósito ou combinações dos mesmos.
7. Premix de acordo com a reivindicação 6 caracterizado pelo fato de que:
   - o dito material metálico é alumínio ou cobre;
   - o dito hidrocarboneto é parafina;
   - os ditos ácidos graxos são ácido oleico, ácido palmítico, ácido erúcico;
   - a dita cera é cera de abelha ou cera de carnaúba;
   - o dito aditivo de processamento é estearato de sódio ou estearato de zinco; e/ou
   - o dito material polimérico é polímero termoplástico.
8. Uso de um premix contendo um veículo e nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos caracterizado por ser para a preparação de materiais com propriedades mecânicas melhoradas.
9. Uso de acordo com a reivindicação 8 caracterizado pelo fato de que os referidos materiais são selecionados dentre: metais, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.
10. Uso de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo fato de que o referido premix contém nanopartículas de nióbio e o referido material com propriedades mecânicas melhoradas é aço.
11. Uso de acordo com a reivindicação 9 caracterizado pelo fato de que o referido premix contém nanopartículas de nióbio e o referido material com propriedades mecânicas melhoradas é alumínio.
12. Processo para a incorporação de nanopartículas em material de matriz caracterizado por compreender: - uma etapa de administrar o premix conforme definido na reivindicação 1 a um material de matriz; - pelo menos uma etapa subsequente de dispersão e/ou reação in situ entre os componentes do dito premix e o dito material de matriz; em que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas, cerâmicas, vidros, polímeros, compósitos ou combinações dos mesmos.
13. Processo de acordo com a reivindicação 12 caracterizado pelo fato de que o dito material de matriz é selecionado dentre metais, metais reforçados/funcionalizados, ligas metálicas ou combinações dos mesmos.
14. Processo de acordo com a reivindicação 13 caracterizado pelo fato de que a etapa de administrar o premix é executada em fases fundidas do dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica.
15. Processo de acordo com a reivindicação 14 caracterizado pelo fato de que o dito metal, metal reforçado/funcionalizado ou liga metálica compreende aço ou alumínio.
16. Metal caracterizado por apresentar melhoradas propriedades mecânicas compreendendo nanopartículas de metais, metais de transição, terras raras, óxidos dos mesmos ou combinações dos mesmos.
17. Metal de acordo com a reivindicação 16 caracterizado pelo fato de que o referido metal é aço ou alumínio melhorado.
18. Metal de acordo com a reivindicação 17 caracterizado pelo fato de que: - o referido aço apresenta incremento de dureza de pelo menos 20% em comparação com aço de referência; ou - o referido alumínio apresenta incremento de dureza de pelo menos 5% em comparação com alumínio de referência, em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.
19. Metal de acordo com a reivindicação 17 caracterizado pelo fato de que: - o referido aço e/ou alumínio apresenta dureza Vickers de até 380 HV em 1kgf; em que o referido metal melhorado tem mesma ductilidade, limite de resistência, de escoamento e/ou de alongamento, quando comparados com o respectivo metal convencional.
20. Metal de acordo com a reivindicação 16 caracterizado pelo fato de que o metal: - é isento de ou ter reduzida quantidade de rechupes e vazios de solidificação; e/ou - tem estrutura refinada e homogênea; e/ou - tem modificado perfil químico.

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