Ferro Nodular

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UM BREVE ESTUDO SOBRE FERRO FUNDIDO NODULAR

Alexandre Reis Francklin

Rio de Janeiro Julho de 2009

Alexandre Reis Francklin

Aluno do curso de Tecnologia em Produo Siderrgica

UM BREVE ESTUDO SOBRE FERRO FUNDIDO NODULAR

Trabalho de Concluso de Curso, TCC, apresentado ao Curso de Graduao em Tecnologia em Produo Siderrgica, da UEZO como parte dos requisitos para a obteno do grau de Tecnlogo em Produo Siderrgica, sob a orientao do Prof. Flvio Lemos.

Rio de Janeiro Julho de 2009

UM BREVE ESTUDO SOBRE FERRO FUNDIDO NODULAR

Elaborado por Alexandre Reis Francklin, Aluno do Curso de Tecnologia em Produo Siderrgica, da UEZO

Este trabalho de Graduao foi analisado e aprovado com

Grau: 9,0

Rio de Janeiro, 24 de julho de 2009

_____________________________________ Fbio Henrique Silva dos Santos, D.Sc.

_____________________________________ Flvio de Almeida Lemos, D.Sc.

_____________________________________ Jos Roberto M. R. Gonalves, Esp.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JULHO DE 2009

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AGRADECIMENTOS

Obrigado me...

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RESUMO

O material aqui estudado ser o ferro fundido nodular obtido por fundio e que no apresenta a baixa resistncia e a fragilidade que caracterizam os ferros fundidos cinzentos, uma vez que os tipos nodulares assemelham-se mais aos aos de baixo e mdio carbono. O presente trabalho tem como objetivo avaliar as propriedades fsicas do ferro fundido nodular usado na indstria automobilstica. A reviso bibliogrfica foi realizada de modo a obtermos dados relevantes ao desenvolvimento do projeto, tais como: materiais, processamentos, tratamentos, caracterizaes e aplicaes. A partir de amostras fundidas em forno eltrico, foram produzidos corpos-de-prova para sua caracterizao e estudos. Para o preparo dos corpos-de-prova foram feitos alguns tratamentos trmicos descritos sucintamente a seguir e preparo de superfcie. Os resultados obtidos com a caracterizao das amostras mostraram-se satisfatrios e de acordo com a literatura.

Palavras-chave: Nodular. Propriedades mecnicas. Indstria automobilstica.

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SUMRIO

Apresentao......................................................................................................................... ii Agradecimentos................................................................................................................... iii Resumo................................................................................................................................. iv Sumrio................................................................................................................................. v Estrutura do Trabalho Cientfico.......................................................................................... vi 1. Introduo......................................................................................................................... 1 2. Objetivos........................................................................................................................... 2 3. Reviso Bibliogrfica........................................................................................................ 2 3.1 Ferro Fundido...................................................................................................... 2 3.2 A Estrutura do Ferro Fundido Nodular............................................................... 6 4. Materiais e Mtodos.........................................................................................................13 4.1 Preparao do Ferro Fundido Nodular...............................................................13 4.2 Tratamentos Trmicos....................................................................................... 15 4.2.1 Alvio de Tenses............................................................................... 15 4.2.2 Recozimento....................................................................................... 16 4.2.3 Normalizao...................................................................................... 16 4.2.4 Tmpera e Revenido........................................................................... 16 4.2.5 Austmpera......................................................................................... 17 4.2.6 Tmpera Superficial........................................................................... 20 5. Resultados...................................................................................................................... 20 6. Concluses...................................................................................................................... 21 Referncias Bibliogrficas.................................................................................................. 22

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O trabalho aqui apresentado possui a seguinte estrutura: Captulo I: Introduo: uma breve apresentao; Captulo II: Objetivos; Captulo III: Reviso Bibliogrfica; uma abordagem cientfica dos temas relevantes ao desenvolvimento do trabalho; Captulo IV: Materiais e Mtodos; descrio de todo material utilizado assim como as metodologias empregadas, seguido do preparo dos corpos de prova e sua posterior caracterizao; Captulo V: Resultados e Discusso; apresentao dos resultados obtidos e uma anlise dos mesmos; Captulo VI: Concluso; finalizao do trabalho com anlise adequada do projeto e sugestes para trabalhos futuros.

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1. INTRODUO

O ferro fundido nodular uma liga composta de, basicamente, carbono e silcio, com o carbono (grafite) livre na matriz metlica, porm em forma esferoidal e passou a ser empregado industrialmente a partir da dcada de 70, ampliando o campo de aplicao dos ferros fundidos, devido combinao de propriedades como elevada tenacidade, resistncia trao, ductilidade, resistncia ao desgaste e fadiga, tornando-se um material de engenharia competitivo, combinando propriedades antes encontradas somente nos aos.

O ferro fundido nodular, que apresenta boa resistncia trao muito utilizado na indstria automobilstica, cujo objetivo a melhoria da produtividade com reduo de custo nas operaes. Para que a dureza do ferro fundido nodular convencional alcance um nvel determinado dentro de um intervalo estreito, so necessrios requisitos considerveis no processo da fundio.

A composio qumica, a velocidade de resfriamento e o estado de nucleao do banho fundido requerem uma ateno cuidadosa. Para uma dada geometria da pea fundida com grandes variaes na espessura da parede, uma ampla gama de diferentes velocidades de resfriamento obtida e no pode ser influenciada pela fundio. Estas variaes podem ser evitadas somente no estgio de projeto da pea fundida.

Um modo de reduzir a disperso da dureza produzir um material que seja menos suscetvel s variaes mencionadas acima. Uma alternativa o ferro fundido nodular com matriz de fase nica, que menos passvel de sofrer com a variao da espessura de parede, com a composio qumica e com o estado de nucleao.

A busca contnua pelas melhorias de propriedades tem levado vrias indstrias e centros universitrios ao desenvolvimento de vrias pesquisas a fim de se manterem competitivas no mercado. A adio de elementos tais como o silcio, magnsio, cromo, molibdnio e o cobre, e tambm a aplicao de tratamentos trmicos adequados tem contribudo muito para a melhoria das propriedades mecnicas destes materiais, como, por exemplo, a rigidez

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e a ductilidade, tornando o emprego destes materiais vivel em certas aplicaes que eram at ento exclusivas dos aos mdio teor de carbono.

Atualmente devido s necessidades impostas pelos novos motores de combusto, vrios tipos de materiais esto sendo desenvolvidos para atender a indstria automotiva. Entre eles o ferro fundido nodular com nibio. O nibio forma carbonetos estveis melhorando a resistncia ao desgaste. Alm desta propriedade, o nibio um microconstituinte quase inerte, pois, pouco interfere na densidade do ferro fundido e no modifica a composio das microestruturas (grafita, perlita, etc) do ferro fundido em nveis significantes.

Algumas aplicaes significantes para este tipo de material se encontram na indstria automotiva na confeco de cabeote de motores, anis de pisto e panelas de freio. Encontra-se tambm na indstria siderrgica na fabricao de rolos laminadores e moinhos.

2 OBJETIVOS O presente trabalho teve como objetivo inicial realizar a caracterizao e determinao das propriedades mecnicas de ferro fundido nodular produzido nas dependncias da Empresa Schlauder Metal Centrifugal S.A.

3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 FERROS FUNDIDOS

O ferro fundido foi descoberto em meados do ano 500 (DC) e foi inicialmente comercializado em 1388. Ele tem sido a liga metlica mais comum utilizada em aplicaes tribolgicas. Os ferros fundidos so ligas com grande aplicao em engenharia mecnica e na indstria automobilstica sendo empregados, por exemplo, na fabricao de blocos de motores de combusto interna ou peas de motores em geral. Em 2005, dos cerca de 60% dos metais ferrosos produzidos na Alemanha (aproximadamente 4 milhes de toneladas)

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2,5 milhes de toneladas correspondiam produo de ferro fundido cinzento, seguido pelo ferro fundido nodular, com quase 35% ou 1,4 milho de tonelada. Estas ligas oferecem custos de produo relativamente baixos, propriedades mecnicas satisfatrias, alm de elevada resistncia corroso em altas temperaturas.

O ferro fundido pode ser definido como uma liga de Fe-C contendo aproximadamente 2% de carbono, muitas vezes resultando em carbono livre na forma de partculas de grafita. Desta forma, um material composto de partculas de grafite dispersas em uma matriz metlica.

Os ferros fundidos so classificados em seis classes: 1) ferro fundido cinzento; 2) ferro fundido branco; 3) ferro fundido mesclado; 4) ferro fundido malevel; 5) ferro fundido de grafita compactada e 6) ferro fundido nodular.

Tradicionalmente os ferros fundidos so classificados de acordo com a cor da sua fratura, em cinzentos, brancos ou mesclados. Uma anlise microestrutural mostra que os ferros fundidos cinzentos apresentam a grafita (C) em sua constituio, os ferros fundidos brancos apresentam carbonetos (Fe3C, o M3C ou M7C3) e os mesclados, uma mistura das duas fases. A grafita pode se apresentar sob a forma compacta, de veios ou ndulos, entre outras, dependendo da presena de pequenas quantidades de elementos, dentre os quais os mais importantes so o magnsio e o crio adicionados num processo conhecido como nodulizao. O ferro fundido apresenta partculas de diferentes formas que afetam diretamente suas propriedades termo-mecnicas. A dureza e a ductibilidade so fortemente dependentes da forma da partcula de grafite. As partculas com formas nodulares aumentam essas propriedades, enquanto as partculas mais alongadas ou com contornos irregulares so prejudiciais devido concentrao de pontos de tenso. Desta forma, o ferro fundido pode ser classificado de acordo com a forma de suas partculas de grafita.

A Figura (1) ilustra as diferentes formas das partculas de grafite, encontradas em ferros fundidos.

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Figura 1 - Imagens de referencia para as seis classes de partculas de grafite de acordo com a Norma ISO-945 A Classe I denominada de laminar devido s caractersticas da forma de suas partculas observadas na seo plana. Na verdade, as lamelas esto interconectadas, formando colnias que somente podem ser observadas em trs dimenses. As partculas de grafite da Classe I so tpicas do ferro fundido cinzento.

A Classe II, chamada de pontiagudo devido a sua forma com ramificaes afiadas que lembram pernas de siri e representa uma forma de partcula de grafite que no corresponde a nenhum tipo de ferro fundido. As partculas desta classe aparecem devido a degenerao das partculas da Classe VI na produo de ferro fundido quando esto presentes impurezas ou presena de excessos de elementos nodulizantes. As partculas desta classe tambm podem se formar no resfriamento rpido de ferro cinzento hipereuttico.

A Classe III composta de ferro fundido vermicular (tambm conhecido como ferro fundido graftico compacto). O ferro fundido vermicular, tambm conhecido como Compacted Graphite Iron (CGI), foi descoberto por acaso durante a fabricao do ferro fundido nodular. O ferro fundido vermicular tem sido produzido em componentes de

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geometria relativamente simples h mais de trinta anos; no entanto apenas nos ltimos anos as fundies tm empregado essa tecnologia em componentes mais complexos. Portanto, o material denominado vermicular quando 80% das partculas de grafita esto na Classe III e tambm contm partculas da Classe V e VI.

Este material apresenta boas caractersticas de resistncia mecnica, amortecimento, tenacidade, resistncia a choques trmicos, condutividade trmica, e ductilidade. A juno de caractersticas to importantes, tanto do ferro fundido cinzento quanto do ferro fundido nodular, atribui ao ferro fundido vermicular uma grande importncia para aplicao industrial. Nos ltimos anos ele vem sendo matria-prima na fabricao de prottipos e blocos de motores de carros de corrida e, mais recentemente, na fabricao de motores a diesel substituindo o ferro fundido cinzento que at ento era tradicionalmente utilizado.

As propriedades mecnicas do vermicular so superiores e possibilitam a fabricao de motores mais potentes com mesma cilindrada ou at mais compactos. Outro fator que contribui para o desenvolvimento do ferro fundido vermicular se deve as rgidas normas europias e norte-americanas de controle de poluentes. A combusto mais eficiente uma caracterstica dos blocos de motor fabricados com este material.

A composio do ferro fundido vermicular muito similar do cinzento. A grande diferena est na presena de magnsio. No tradicional, o cinzento, no h magnsio, ou h quantidade muito pequena. No vermicular, o elemento qumico tem de ser mantido em uma faixa bastante estreita, entre 0,010% e 0,012%. Se houver mais do que isso, o ferro deixa de ser vermicular e perde suas caractersticas. O ferro fundido nodular, que tem outras propriedades, utilizado na fabricao de virabrequins, por exemplo pode ter entre 0,035% e 0,060% de magnsio em sua composio.

A presena de magnsio na quantidade exata faz com que se formem, no ferro fundido, estrias grossas de grafita o que inspirou o nome vermicular. No ferro fundido cinzento, a grafita aparece em forma de veios finos e, no nodular, como bolinhas ou ndulos. E esta microestrutura que determina a resistncia do material. No cinzento, o limite de resistncia de 250 MPa; no vermicular, de 450 MPa; e no nodular, de 700 MPa.

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A Classe III apresenta partculas de grafite com formas intermedirias entre as Classes I e VI e tambm pode formar colnias. Similarmente, o ferro fundido vermicular um intermedirio entre o ferro fundido cinzento e o ferro fundido nodular, apresentando propriedades trmicas similares ao ferro fundido cinzento e propriedades mecnicas similares ao ferro fundido nodular.

As Classes IV, V e VI so denominadas, respectivamente, de nodular irregular, nodular indistinto e nodular regular ou esferoidal e so as classes que correspondem a ferros fundidos maleveis (IV e V) e nodulares (V e VI). De fato, o ferro fundido nodular geralmente caracterizado pela presena de pelo menos 80% das partculas de grafite nas classes V e VI e pela ausncia de partculas das classes I e II.

Normalmente, a classificao de ferro fundido feita pela comparao visual de micrografias ticas com cartes de referncia da norma ISO-945. Obviamente, uma comparao visual simples subjetiva e no pode ser automatizado em um ambiente industrial. Desta forma, GOMES e PACIORNIK (2005) desenvolveram um mtodo automtico para classificao de formas de partculas de grafita.

3.2 A ESTRUTURA DO FERRO FUNDIDO NODULAR

Quando a grafita est na forma de ndulos os ferros fundidos so chamados de nodulares ou esferoidais, designados por FE de acordo com a Norma NBR 6916/1981 (Quadro 1). Por exemplo: FE 38017 indica que o ferro fundido tem grafita esferoidal. As propriedades indicadas na tabela correspondem ao estado bruto de fuso.

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Quadro 1 - Propriedades de ferros fundidos nodulares de acordo com a Norma Tcnica ABNT (NBR 6916/1981) Limite de Resistncia (LR) (Mpa) 380 420 500 600 700 800 380 Limite de Escoamento (LE) (Mpa) 240 280 350 400 450 550 240 Alongamento (A) (%) 17,0 12,0 7,0 3,0 2,0 2,0 17,0 Dureza Brinnel (HB) 140 - 180 Microestrutura predominante Ferrtica

Classe

FE 38012 FE 42012 FE 50007 FE 60003 FE 70002 FE 80002 FE 38017 - RI

150 - 200 Ferrtica - Perltica 170 - 240 Ferrtica - Perltica 210 - 280 230 - 300 240 - 312 140 - 180 Perltica Perltica Perltica Ferrtica

Obs.: RI Classe com requisito de resistncia ao choque.

De acordo com a Norma NBR 8650/1984 (Quadro 2), estes ferros fundidos so aplicados, em flanges, engrenagens, pinhes, etc, e os teores de carbono variam entre 3,40% e 3,80%, os de mangans entre 0,30% e 1,00% e os de silcio, entre 2,10% e 2,80%, Os teores de fsforo e enxofre so geralmente menores que 0,09% e 0,02%, respectivamente, com magnsio residual entre 0,04% e 0,06%. O nquel, cobre, estanho e o cromo so os elementos de liga mais comuns para elevar as propriedades de resistncia mecnica.

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Quadro 2 Composies de diferentes tipos de ferros fundidos nodulares de acordo com a Norma NBR 8650/1984 Elemento C Si Mn (mx) P (max) S (mx) Cu Mg FE 38017 3,4 a 3,8 2,1 a 2,8 0,3 0,09 0,02 0,04 a 0,06 Classes de ferro fundido nodulares FE 42012 FE 50007 FE 60003 FE 70002 3,4 a 3,8 2,1 a 2,5 0,3 0,09 0,02 3,4 a 3,8 2,8 a 2,8 0,5 0,09 0,02 0,2 a 0,7 3,4 a 3,8 3,4 a 3,8 0,5 0,09 0,02 0,5 a 1,0 0,04 a 0,06 3,4 a 3,8 2,3 a 2,8 1,0 0,09 0,02 0,5 a 1,0 0,04 a 0,06 FE 80002 3,4 a 3,8 2,1 a 2,8 1,0 0,09 0,02 0,5 a 1,0 0,04 a 0,06

0,04 a 0,06 0,04 a 0,06

O quadro (3) apresenta as principais aplicaes para diferentes classes de ferro fundido nodular:

Quadro 3 - Aplicaes industriais de diferentes classes de ferros fundidos nodulares Classe FE 38017 FE 42012 FE 50007 FE 60003 FE 70002 FE 80002 Aplicao Fundidos submetidos presso, corpos de vlvulas e de bombas, mecanismos de direo, flanges Fundidos para mquinas submetidas a cargas de choque e fadiga, discos de freio Girabrequins e engrenagens Engrenagens de alta resistncia, componentes de mquinas, peas automotivas Engrenagens de alta resistncia, componentes de mquinas, peas automotivas Pinhes, engrenagens, trilhos

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Existe um bom relacionamento entre as propriedades de trao com a dureza Brinell. Essa relao depende da microestrutura do material. A figura (2) mostra a relao geral entre a dureza e os caractersticos de resistncia trao, limite de escoamento e alongamento de ferros nodulares nas condies fundida e recozida (ou normalizada) com uma microestrutura de ferrita e/ou perlita.

Figura 2 - Relao geral entre dureza e propriedades de trao de ferros nodulares na condio fundida e recozida (ou normalizada) com microestrutura de ferrita e/ou perlita

A figura (3) mostra o comportamento da curva tenso-deformao para dois tipos de ferro fundido nodular, onde pode ser visto um menor desempenho do ferro nodular ferrtico recozido:

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Figura 3 - Comportamento de dois tipos de ferros fundidos nodulares Para a produo de ferro nodular vital o estrito controle da constituio do metal lquido. Este um dos mais importantes fatores metalrgicos que permitem dar incio ao objetivo de solidificar peas adequadas com microestruturas que garantam as melhores combinaes das propriedades em uso.

Outros fatores que tambm tem efeitos marcantes sobre a microestrutura do material so as velocidades de resfriamento e sub-resfriamento e o tempo de solidificao. Na produo de ferro nodular, o lquido de base algumas vezes est severamente restrito a pequenas quantidades de elementos minoritrios que interferem na formao de grafite esferoidal. O nodulizante mais comumente empregado o magnsio que possui elevada afinidade para reagir como enxofre e com o oxignio com a formao de compostos estveis. Este fato, na prtica obriga a necessidade de realizar operaes de dessulfurizao e de refino do lquido e adies prvias de elementos nodulizantes.

Desta forma, pode-se afirmar que modificaes no processo de fabricao de materiais tm um efeito direto sobre o desempenho do produto, conforme demonstra a Pirmide de Processo apresentada na Figura (4). Nesta, pode-se observar que o desempenho de um componente fundido

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est diretamente relacionado com o processo de fabricao e demais caractersticas como microestrutura, composio qumica e propriedades mecnicas. Alterando-se um dos vrtices desta pirmide, como no caso das alteraes provocadas no processo de solidificao do ferro fundido, usando-se resfriadores em pontos localizados do molde, os outros vrtices tambm sero alterados, uma vez que existem ligaes entre as caractersticas do desempenho do material. Desta maneira, pode-se variar as caractersticas mecnicas e metalogrficas do produto, sem haver, porm, alteraes na composio qumica do material indicada para a obteno de um ferro nodular ferrtico.

Figura 4. Pirmide de um processo de um componente fundido A usinabilidade desses materiais depende da composio qumica e da microestrutura. As principais relaes so: a reduo do teor de carbono causa o aparecimento de carbono livre, fragilizando a matriz e conseqentemente prejudicando a usinabilidade; o aumento no teor de silcio causa a diminuio de APC (aresta postia de corte) e assim melhora usinabilidade do material; o aumento do teor de perlita torna a regio branca mais dura e reduz a usinabilidade do material. A usinagem do ferro fundido pode variar desde muito fcil, como no caso do ferro fundido cinzento ferrtico, at muito difcil, como no caso do ferro fundido branco. A dureza do ferro fundido cinzento, e, portanto, o desgaste da ferramenta, aumenta com o aumento da porcentagem de perlita e cementita. Os flocos de grafita no ferro fundido cinzento eliminam a ductilidade do material, o que facilita a quebra dos cavacos, produzindo um comprimento de contato cavaco-ferramenta pequeno, relativamente baixas foras de usinagem e potncia consumida, baixas taxas de desgaste e

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altas taxas de remoo de material. O ferro fundido nodular permite maiores vidas nas ferramentas de metal duro do que os ferros fundidos cinzentos.

O ferro fundido, ainda no seu estado lquido recebe adio de elementos no banho metlico, que visam aumentar a velocidade de resfriamento do metal, e conseqentemente, esferoizar grafita. Este procedimento chamado de esferoidizao. Aps este tratamento, se faz necessria a introduo de outros elementos qumicos para reduzir o efeito de coquilhamento, por de um processo chamado de inoculao.

O magnsio, crio, clcio, brio, trio e as terras raras so os principais elementos que favorecem a esferoidizao da grafita. Porm, o processo mais comum e mais econmico usado para a fabricao do ferro fundido nodular o tratamento com magnsio, tendo como mtodo mais usual o processo sandwich. Neste processo, a liga de magnsio instalada em uma cavidade no fundo da panela de tratamento (geralmente, a panela de espera) e coberta com limalhas de ferro fundido, que tem a finalidade de retardar a reao do magnsio com o metal lquido. O metal vazado de modo a atingir o fundo da panela no lado oposto da colocao da liga, evitando um ataque direto do metal lquido com a liga. A reao com a liga explosiva e muito rpida, sendo assim, perigosa.

Aps testes laboratoriais, se estabeleceu uma frmula emprica (1) para calcular a quantidade de liga de magnsio indicada no tratamento de esferoidizao, e que apresentada por:

Q= {P * [0,76 (%S 0,01) + K + t * 10 ] / (R * % Mg)/100} * (T/1450)

-

(1)

Onde: Q = quantidade em quilos da liga de magnsio; P = quantidade em quilos do metal lquido a ser tratado; %S = teor de enxofre do metal lquido; K= teor residual de Mg do metal lquido, fixado na faixa de 0,03 a 0,06%, dependendo de vrios fatores como: espessura da pea, quantidade de elementos que dificultem a esferoidizao e estrutura da matriz metlica requerida.

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t = tempo em minutos entre o tratamento com magnsio e o vazamento da ultima pea; R = rendimento do Mg em % no tratamento; %Mg = % de Mg na liga utilizada; T = temperatura do metal lquido, em graus centgrados, no momento do tratamento. importante citar que a quantidade de liga de magnsio adicionada depende tambm da espessura da pea final e de outros fatores. Considera-se, na prtica, uma adio de 0,8% de liga nodulizante para peas muito finas e at 1,5% para peas espessas.

4. MATERIAIS E MTODOS

As etapas inicialmente previstas para o presente trabalho consistiam das seguintes atividades: - Preparao do ferro fundido nodular nas dependncias da Companhia Schlauder Metal Centrifugal S/A. - Confeco dos corpos de provas na oficina do Centro de Tecnologia Mineral CETEM. - Preparao de amostras para microscopia ptica na Pontifcia Universidade Catlica PUC/RJ. - Anlises de propriedades mecnicas no Laboratrio de Ensaios no Destrutivos do Programa de Engenharia Metalurgia e de Materiais da COPPE/UFRJ. - Microscopia tica no Laboratrio da Coordenao de Anlises Minerais do Centro de Tecnologia Mineral onde seria empregada a tcnica desenvolvida por Gomes e Paciornik, (2005) para classificar ferros fundidos nodulares.

Em seguida ser descrito de forma sucinta o procedimento de preparao do ferro nodular e as etapas de tratamento trmico.

4.1. PREPARAO DO FERRO FUNDIDO NODULAR

A fuso do ferro foi efetuada em fornos eltricos com capacidade til de 3 toneladas e potncia total de 2000 kW, com freqncia mxima de 300 Hz. Na figura (5), tem-se o forno e, logo abaixo deste, a panela de espera:

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Figura 5: Forno de induo e panela de espera

Uma carga de ferro fundido para produo de ferro nodular composta de 30 % de sucata de ao, 60% de gusa, 10% de material de retorno interno e de material para correo, elementos de liga e fundentes (FeSi, FeMn, FeP, FeCr, FeMo, Cu, Ni, Mg e S). No momento do vazamento na panela de espera (1520C), a liga nodulizante adicionada (composta basicamente de Magnsio e Crio), responsvel por transformar em ndulos a grafita dissolvida.

Apesar do grande nmero de variantes do processo de fundio, a obteno dos diferentes tipos de ferros fundidos pode ser sintetizada de acordo com o fluxograma a seguir, na figura (6):

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Figura 6: Fluxograma de produo em forno eltrico

4.2. TRATAMENTO TRMICO

Dependendo do tratamento que o material submetido, possvel determinar que tipo de matriz metlica envolve os ndulos de grafita: ferrita, perlita ou ainda, uma mistura dos dois tipos. O tratamento trmico usual o que decompe a cementita produzindo ferrita e mais grafita esferoidal, mediante um recozimento ou normalizao. Pode-se tambm temperar e revenir dureza desejada. As operaes de tratamento trmico a que usualmente podem ser submetidos os ferros nodulares so as seguintes:

4.2.1. Alvio de tenses

Reduz ou elimina as tenses residuais das peas fundidas de grandes dimenses ou de seco transversal no uniforme. Normalmente, a temperatura mantida abaixo de 600C e o tempo de cerca de 20 minutos por centmetro de seco. No h efeito sobre as propriedades mecnicas.

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4.2.2. Recozimento

feito o aquecimento a 900C e posterior resfriamento at 700C, em uma hora, seguido de resfriamento at 650C, razo do 3C/h, para obteno de matriz ferrtica. tambm chamado de recozimento para ferritizao, porque produz uma matriz essencialmente ferrtica.

4.2.3. Normalizao

Depois de austenitizado o material ( temperatura de 900C, durante determinado tempo), resfriado ao ar. Se o resultado final apresentar dureza acima da desejada, pode-se proceder a um revenido posterior, at a dureza desejada, revenido esse que tambm reduz as tenses internas.

4.2.4. Tmpera e Revenido O material austenitizado pelo aquecimento entre 870 e 900C. A seguir, feito o resfriamento em leo, geralmente e posterior revenido (que consiste em reaquecer a pea temperada a uma temperatura inferior da tmpera - zona crtica/fase austentica, deixando a pea por um determinado tempo em tal temperatura e em seguida, deixar a pea resfriar lentamente) at a dureza desejada. Isto resulta em estruturas correspondentes da martensita revenida e o tratamento tem como objetivo conferir ao material, valores de resistncia mecnica, dureza e resistncia a desgaste mais elevados. A linha indicativa do processo (cor verde) no diagrama TTT (transformao tempo-temperatura) da Figura (7) d uma idia das etapas. O resfriamento a parte esquerda da curva, isto , da temperatura pouco acima de A (fase austentica) at pouco abaixo de Mf (martensita final).

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Figura 7 Curva TTT para tmpera e revenido

Considerando a inrcia trmica do metal e a rapidez do resfriamento, conclui-se que este ltimo no se d de maneira uniforme. Quanto mais prximo do meio de resfriamento, maior a velocidade. Assim, h duas curvas extremas, uma para a superfcie e outra para a regio central.

4.2.5. Austmpera

H cerca de 15 anos, o ADI (Austempered Ductile Iron) ou ferro fundido nodular austemperado era desconhecido no mercado metalrgico nacional, j introduzido no mercado mundial desde a dcada de 1960, devido suas potencialidades, capaz de competir de maneira vantajosa com materiais clssicos como o ao forjado, o ferro fundido tradicional e as ligas de alumnio.

observada a melhora das propriedades devido esse tipo de tratamento. No processo, o aquecimento para austenitizao feito entre 850 e 925C, de modo a que haja transferncia suficiente de carbono matriz austentica. Como as zonas ferrticas do ferro nodular so isentas de carbono, para que o material se torne endurecvel, necessrio, na

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austenitizao, que haja suprimento de carbono ferrita ou austenta (acima da temperatura crtica), o que ocorre por soluo e difuso, a partir dos ndulos de grafita.

Por ser um tratamento isotrmico, esse processo depende da temperatura e do tempo. Por isso, s vezes ocorre austenitizao a temperaturas mais elevadas. Os tempos variam de duas a quatro horas, dependendo da seco, justamente para obter-se a mxima solubilizao do carbono e resultante endurecibilidade. No caso de componentes para a indstria automobilstica, verificou-se que, por exemplo, engrenagens pesadas exigiram quatro horas a 900C e engrenagens de eixo traseiro trs horas a 900C. A temperatura de formao da bainta varia entre 235 a 400C, para o ferro nodular sem elementos de liga. Na faixa de 235 a 270C, obtm-se bainta inferior ou acicular, de alta dureza, alta resistncia mecnica ao desgaste, com moderadas tenacidade e resistncia ao choque. As temperaturas mais altas de austmpera 300 a 400C produzem bainta mais dctil e tenaz. A figura (8) ilustra o tratamento:

Figura 8 Curva TTT para austmpera

A pea produzida (fundida) apresenta melhora significante em suas propriedades mecnicas, como a resistncia, a trao, comportamento fadiga, entre outras. O resultado

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um material to resistente quanto o ao e que consome, em sua produo, menos energia, o que o torna um forte concorrente.

Entre outros aspectos entre o ferro nodular e o ao o teor de carbono um grande diferencial, que altera as propriedades mecnicas e a maneira de o produto se solidificar. Densidade e algumas caractersticas microestruturais tambm diferem. Enquanto o ao pode ser trabalhado, laminado, o ferro fundido, inclusive o nodular e o austemperado, ganha a forma desejada na hora da fabricao da pea, de acordo com o molde o que traz vantagens, principalmente no caso de componentes com geometria mais complexa. J a fase de usinagem pode ser feita antes ou depois da austmpera e facilitada no ferro fundido pela presena da grafita, que ajuda na lubrificao.

O quadro (4) mostra as propriedades mecnicas do ADI, obtidas a temperaturas ambientes:

Quadro 4: Principais propriedades mecnicas de ferro fundido nodular austemperado Propriedades Limite de resistncia (MPa) Limite de escoamento a 0,2% (MPa) Alongamento (%) Mdulo de elasticidade longitudinal (GPa) Dureza (Brinell) Limite de resistncia fadiga (MPa)* Resistncia ao impacto (J/cm) *690MPa pode ser obtido por endurecimento localizado. Valores 800 - 1600 500 - 1500 1 - 16 150 X 162 150 X 550 310 X 690 25 - 170

Obs: para se converter a unidade da escala Brinell para Rockwell C, utiliza-se a equao (2), (2)

em que P representa a carga aplicada em Kgf, D o dimetro da esfera penetradora e d a diagonal mdia da identao (espao penetrado) em mm.

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4.2.6. Tmpera superficial

Aplica-se tanto o processo por chama como por induo, para obter-se uma dureza superficial da ordem de 60 Rockwell C (equivalente a 2,48mm e 611 HB na tabela Brinell de acordo com a ASTM E140 - Standard Hardness Conversion Tables for Metals) e uma superfcie de elevada resistncia ao desgaste. A temperatura da superfcie deve atingir 900C durante alguns segundos, seguindo-se resfriamento imediato por jato de gua.

5.

RESULTADOS

A figura (9) apresenta a imagem microscpica de uma amostra do material no seu estado bruto de fuso, onde possvel observar os ndulos de grafita (A), e a mesma amostra aps o ataque qumico com Nital (composto de 2% de cido ntrico e 98% de lcool) (B), onde podem ser vistos os ndulos de grafita numa matriz metlica.

A

BFigura 9: Microscopia de amostra de ferro fundido nodular

A anlise comparativa entre o ao e o ferro fundido nodular empregando a tcnica de espectroscopia por energia dispersiva (EDS) mostrada na figura (10). Como esperado, pode-se verificar uma elevada concentrao de cromo no ferro fundido nodular.

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cps 40

cps 30

Ferro Nodular

Fe

Ao30 20

Fe

20 Cr 10

10

Fe Cr C 0

Si 5

Cr Cr

Fe

0

Fe Cr 010

Si 5

Cr

Fe

0

10 Energy (keV)

Figura 10: Anlises de EDS de amostras de ao e ferro fundido nodular Quanto s demais anlises, fica a sugesto para futuros trabalhos.

6. CONCLUSES

O ferro fundido com grafita esferoidal considerado um grande avano da tecnologia metalrgica de fabricao dos fundidos. Conhecido internacionalmente como ferro fundido nodular tornou-se, em algumas aplicaes, um substituto do ao principalmente na indstria automobilstica. Testes prticos de fundio mostram que o material no parece ser mais difcil de fundir que o ao e que tal processo , de fato, mais econmico. Por reciclar a matria prima (sucata), deve ser considerado como alternativa s tcnicas convencionais buscando um desenvolvimento sustentvel, a proteo ao meio ambiente e a preveno da poluio equilibrada com as necessidades socioeconmicas do mundo atual.

Pode- se enumerar algumas caractersticas tpicas que apontam para o emprego de ferro fundido nodular: excelente ductilidade (de at 20% em componentes recozidos); tenacidade superior aos dos ferros fundidos brancos e cinzentos; limite de escoamento mais alto que os demais ferros fundidos e aos comuns; melhor resistncia ao impacto e a fadiga que os ferros fundidos cinzentos; baixa capacidade de absorver vibraes e

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sua usinabilidade e a resistncia ao desgaste, que dependem, basicamente, da microestrutura da matriz.

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