Considerações IniciaisConsiderações Iniciais

Devido à grande competitividade no mercado as organizações buscam a cada dia a

excelência no segmento de atuação. Para este enfoque, é necessário a utilização de

métodos que permitam melhorar continuamente o entendimento do processo de fabricação.

Foi identificada a oportunidade de realizar um trabalho voltado para uma das etapas mais

importantes para o processo de fundição, que vem a ser o entendimento do modo de

solidificação das ligas de ferro fundido nodular.

Este trabalho está sendo realizado para desenvolver um método fácil e confiável para

reconhecer os tipos de solidificação das ligas usadas pela BR Metals, visando associar

causas de processos às não conformidades crônicas em nossos produtos fundidos.

A análise térmica é principalmente utilizada para determinar as fases dos constituintes das

ligas metálicas em equilíbrio durante um processo de aquecimento ou solidificação.

Dentro desta técnica, pode-se obter em regime industrial, ensaios repetitivos simples para

monitoramento e registro de dados de temperatura e tempo de resfriamento durante a

solidificação de uma amostra padrão.

Através da coleta dos dados e sua apresentação gráfica, podemos obter nas curvas

temperatura x tempo, parâmetros de solidificação cuja análise nos levará ao entendimento e

padronização do comportamento metalúrgico das ligas produzidas a partir de rotinas de

fabricação definidas em nosso sistema de fabricação e de controle da qualidade.

A TécnicaA Técnica

ObjetivoObjetivo

O método de análise utilizado permitiu identificar através dos dados encontrados nas curvas

de resfriamento os modos de solidificação de ligas tipo hipoeutéticas e eutéticas.

Portanto, o desenvolvimento e a aplicação da análise térmica no setor de fusão da BR

Metals, poderá contribuir para reduzir a quantidade e tipos de defeitos associados à

solidificação do metal no molde, a saber , vazios de contração ou rechupes. Além disso

pode-se obter um banco de dados dos parâmetros do processo de preparação do metal e

os possíveis efeitos associados ao produto final.

Sendo assim, pode ser uma ferramenta para redução de micro e macroporosidades,

redução de necessidades de resfriadores, melhoria dos sistemas de alimentação,

otimização de propriedades metalúrgicas, avaliação de especificações de processo,

redução de variabilidade e ganhos de capabilidade.

Ponto de Partida – Diagrama Ferro Carbono Ponto de Partida – Diagrama Ferro Carbono

Diagrama Ferro- Carbono e a Curva de Resfriamento

Diagrama Ferro- Carbono e a Curva de Resfriamento

O Verdadeiro Ponto Eutético

O Verdadeiro Ponto Eutético

Parâmetros Típicos da Curva de Resfriamento e sua

Derivada

Parâmetros Típicos da Curva de Resfriamento e sua

Derivada

Modelo Esquemático de Grafitização

Modelo Esquemático de Grafitização

1 – Primeira nucleação da Austenita.

2 – Crescimento dos núcleos de Austenita e a primeira nucleação da Grafita.

3 – Crescimento livre da Austenita-Grafita.

4 – Crescimento e segunda nucleação da Grafita.

5 – Solidificação total.

Esquema do Processo de Solidificação

Esquema do Processo de Solidificação

Nucleação de nódulos e dentritas

(Eutética primária)

Crescimento de Austenita

( Eutética secundária)

Crescimento de Grafita na interface da Austenita

(Eutética terciária)

Nucleação dos nódulos eutéticos secundários

(Eutética final)

Processo de solidificação esquemático em 4 passos

O Ferro fundido dúctil hipoeutético

A solidificação deste ferro começa com a nucleação e o crescimento de austenita primária,

assim, entre a Tliq e Temin estará presente uma zona bifásica (zona pastosa): dendritos

sólidos de austenita, porque o espaço é muito pequeno (quadro c e d) e assim a

alimentação da parte inferior da peça é impossível. Este é mecanismo não é vantajoso na

solidificação do fundido.

Macro Rechupe

Macro Rechupe

Formação de macro rechupe devido a solidificação hipoeutética.

Macro rechupe

O Ferro fundido dúctil eutético

A solidificação do ferro fundido dúctil eutética começa com a nucleação e crescimento da

complexa fase eutética austenita e grafita. As dendritas da austenita eutética tem ramos

pequeno calibre e o crescimento é igual em três direções (figura B), e não apenas em uma

direção, como no caso de austenita primária (quadro a). Teoricamente, no ponto eutético

não existe a zona bifásica (líquido e sólido) , de modo que o ferro que permanece mais

tempo no estado líquido, e favorece a alimentação da parte de baixo da peça.

A alimentação também é assegurada pela precipitação da grafita.

Ferro Nodular Eutético

Ferro Nodular Eutético

Diferentes curvas resultados distintos

Diferentes curvas resultados distintos

S1 – Nucleação dos cristais de austenita ou nódulos de grafita

S2 – Nucleação das células eutéticas Grafita e Austenita conjugadas

S3 – Crescimento das células eutéticas e nucleação intercelular da Grafita

Método de EnsaioMétodo de Ensaio

CápsulaPedestal para conexão da

cápsula.

Cápsula conectada corretamente, sinaliza

verde

Informações sendo recebidas, sinaliza

amarelo

Leitura terminada com sucesso, sinaliza

vermelho e apaga.Leituras da última

análise são mostradas.

Ao girar, visualiza-se TL, SC, CEL, TS/ T, %C// TM, %Si, Si-adj, C adj,

Altera-se para correção do Silício - Si-adj,

Liga/Desliga.Termopar que transfere

as informações para aparelho

Cabo transfere informações para

software.

Cabo transfere informações para

software.

O operador coleta uma amostra Preenche a cápsula refratária com a amostra do metal.

Método de EnsaioMétodo de Ensaio

A amostra resfria dentro da cápsula

As informações são transmitidas para o aparelho.

Mn, Nb, Ti, Sn, W, Mo,S, Cr, V, B, diminui a faixa entre Tst-Tmst,

favorecendo a solidificação branca.

Si, C, Al, Cu, Co, Ni, aumenta a faixa entre

Tst-Tmst, favorecendo a solidificação do cinzento.

Temperatura Estável - MetaestávelTemperatura Estável - Metaestável

Coleta de DadosColeta de Dados

Para identificar as curvas de resfriamento geradas pelo software do método de

análise térmica da empresa Heraeus – Eletronite, foram coletadas amostras referente

a um lote de 12 peças fundidas entre Dezembro/2014 a Janeiro/2015. Foram também

levantados dados de composição química via espectrômetro, temperatura de líquido,

carbono equivalente líquido, carbono equivalente calculado pelo programa CAF,

temperatura do Eutético Teórico Estável e Metaestável, de acordo com a composição

química obtida em cada corrida. O grau de subresfriamento (DT) e recalescência

(DTM), foram analisados e os resultados encontrados foram apresentados

graficamente.

(T)

(t)

Temperatura de Líquido e do Eutético MínimoTemperatura de Líquido e do Eutético MínimoA análise térmica nos mostra que a temperatura de líquido (TL), quando igual a Temperatura do Eutético Mínimo, resulta em um metal Eutético.

1º Curva TL=Temin=1143°C2º Curva TL=1155°C; Temin=1132°C

A distância entre as Temperaturas dos Eutéticos Estável e Metaestável teórico é de 7°C para

uma liga Fe-C. Esta distância aumenta com a adição de Si. Os elementos que aumentam esta

distância são os gratifizantes, que favorecem a solidificação grafítica do ferro, principalmente o

Si, Cu, Ni, Ca e Ba. Já os que diminuem esta distância são os chamados formadores de

carbonetos, são eles Mn, Mo, Mg, Ce e Cr. O cálculo utilizado para identificar as Temperaturas

do Eutético Estável e Metaestável (T.A.G, - Thermal Analysis Guardian) é:

Temperatura Eutético Estável / MetaestávelTemperatura Eutético Estável / Metaestável

FB FInoc FF

Análise de dadosAnálise de dados

Análise de dadosAnálise de dados

Quanto mais próximo a Temperatura do Eutético Mínimo estiver da Temperatura do Eutético

Estável, favorecerá a solidificação do metal no sistema estável. O magnésio promove baixas

temperaturas do Eutético Mínimo, favorecendo ao coquilhamento, uma boa inoculação diminuirá

esta tendência.

Temperaturas do Eutético Mínimo Temperaturas do Eutético Mínimo

É importante perceber que o ferro fundido não se solidifica conforme a linha do

estável teórico, mas sim abaixo dela, devido às condições de composição química,

da taxa de resfriamento e do grau de nucleação, que fazem com que as linhas

estável e metaestável se movimentem, promovendo a abertura ou fechamento

desta faixa. Neste caso houve a abertura da faixa.

(T)

(t)

Através de uma correlação da diferença entre a TL (temperatura líquido e Temin (temperatura eutético mínimo) versus a porcentagem de carbono, verificou-se que quando o carbono se encontra em seu limite máximo da faixa, de acordo com a especificação de cada TM, esta diferença entre as temperaturas é reduzida e em alguns casos igual a zero.

Análise (TL-Temin) X %CAnálise (TL-Temin) X %C

1164 1161 1138 1141 1145 1135 1157 1155 1144 1143 1146 1153 1152 1128 1134 1136 1132 1131 1130 11101140 1137 1134 1140 1140 1135 1128 1132 1142 1143 1136 1132 1138 1110 1114 1135 1128 1110 1126 1106

“Carbono Equivalente Líquido e Sólido”“Carbono Equivalente Líquido e Sólido”

Observando os resultados do carbono equivalente, constatou-se que aqueles

calculados pelo CAF eram maiores do que calculado pela análise térmica ,e pois

conforme as equações de cada conceito, temos:

Análise Química Análise Térmica

CE= %C+1/3(%Si+%P) CEL= %C+(1/4%Si+1/2P)

Coletando vários resultados do carbono equivalente, pela fórmula de análise

térmica é possível fazer uma correlação destes dados com a temperatura de

líquido e criar uma equação. Calcular o carbono equivalente através da análise

térmica nos leva a valores mais aproximados do verdadeiro ponto de temperatura

do líquido eutético.

Cálculo Carbono EquivalenteCálculo Carbono Equivalente

Análise Química (AQ) Análise Térmica (AT)

CE= %C+1/3(%Si+%P) CEL= %C+(1/4%Si+1/2P)

Carbono Equivalente: Análise Térmica X Análise QuímicaCarbono Equivalente: Análise Térmica X Análise Química

Após a coleta dos dados mostrados no gráfico, foi possível verificar que entre

carbono equivalente da análise térmica e o da análise química possui uma

diferença média de 0,17 pontos percentuais entre os dois.

(%Ceq)

(≠ Ceq)

DT (Subresfriamento)DT (Subresfriamento)

DT

≠Temin-Tmeta

(T)

(t)

Temin

1150°C

1143°C

DT x Temin-Tmetaestável (calculado)DT x Temin-Tmetaestável (calculado)

Verifica-se que quanto maior o DT (diferença entre temperatura do Eutético

Estável Teórico menos a Temperatura do Eutético Mínimo) maior a diferença

Temin-Tmst (Temperatura do Eutético Mínimo menos a Temperatura Eutético

Metaestável ). Quanto menor (Temin-Tmst) maior será a tendência de formar

carbonetos, e quanto menor o DT o metal estará mais nucleado e de melhor

qualidade.

Histórico de DadosHistórico de Dados

A análise dos parâmetros pode também ser realizada através de uma planilha

Excel de armazenamento e cálculo de dados, integrada apresentação gráfica das

curvas, através da exportação de dados oferecidos pelo software da Heraeus,.

ConclusõesConclusões• A técnica de análise térmica permite observar o comportamento da solidificação

no campo hipoeutético e eutético.

• O grau de nucleação do metal pode ser avaliado e comparado em amostras do

ferro base e ferro final tratado e inoculado.

• A possibilidade de obtenção de análise química via cálculos através das

expressões da análise térmica não se mostra de fácil acurácia e repetibilidade.

• A técnica de análise térmica é de fácil aprendizagem e permite definições claras

dos principais parâmetros tecnológicos.

• A atual especificação via análise química pelo espectrômetro não nos conduz ao

desejável ferro nodular eutético na amostragem.

• A correlação entre o ensaios de análise térmica e resultados no produto requer

testes que permitam a continuidade das avaliações.

SugestõesSugestões

• Avaliar a prática operacional de outros softwares de análise térmica.

• Dar continuidade ao uso do software da Heraeus. Elaborar análises detalhadas,

estudos estatísticos e instruções de trabalho.

• Utilizar dois pontos de coleta de amostras para avaliar diferentes condições de

nucleação do metal base, após tratamento de nodulização e inoculações.

• Identificar novos parâmetros para aprofundar o conhecimento dos modos de

solidificação hipereutética.

• Realizar testes de Engenharia para avaliação da composição eutética nos

resultados dos nossos produtos.

Equipe de TrabalhoEquipe de Trabalho

• Engº Metalurgista Anderson Lúcio Morais de Souza (Produção)

• Futura Engª de Produção Renata Teixeira da Cruz Paixão (Engenharia)

• Supervisor da Produção da Fusão Isaac de Oliveira Fraga (Produção)

• Time da Fusão da BR Metals Matozinhos