INCORPORAÇÃO DE PLACAS DE METAL DURO EM PEÇAS … · aplicação de ligas de brasagem à base de cobre (Cu) e prata (Ag) e revestimentos ... Incorporação de placas de metal duro

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

INCORPORAÇÃO DE PLACAS DE METAL DURO EM PEÇAS

FUNDIDAS

André Miguel Azevedo Barbosa

Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Dissertação realizada com orientação do Professor Doutor Carlos Silva Ribeiro

do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais e co-orientação do

Doutor Joaquim Sacramento da DURIT

Porto, Março de 2008

Candidato: André Miguel Azevedo Barbosa Código: emt02022 Titulo: Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas Data: 13 de Junho de 2008 Local: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto -Sala C603-11 h Júri

Presidente: Professor Doutor Henrique Santos DEMM/FEUP

Arguente: Professor Doutor Rui Silva

Orientador: Professor Doutor Carlos S. Ribeiro DEMM/FEUP

Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas

I

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer à DURIT – Metalurgia Portuguesa do

Tungsténio, Lda, em especial ao Sr. Eng. Manuel Valente, pela oportunidade que me

concedeu para a realização deste estágio curricular em Engenharia Metalúrgica de

Materiais.

Queria agradecer de um modo especial ao meu orientador Professor Carlos Alberto

Silva Ribeiro pela orientação, disponibilidade, incentivo e apoio que me dispensou. Ao

Professor Luís Filipe Malheiros pelos conselhos, ajuda e oportunidade que me

concedeu.

Ao Doutor Joaquim Sacramento, Eng. Eduardo Soares, Eng. Henrique Tavares, Eng.

João Silva, Eng. Fernando Antunes, Eng. José Magalhães e ao Eng. Jorge Valente

gostaria de agradecer a ajuda e apoio que tiveram comigo durante o meu estágio na

DURIT.

Quero agradecer a todos os funcionários da DURIT que sempre se mostraram

disponíveis, em particular ao Sr. Azevedo pelo apoio e carinho com que me acolheram e

ajudaram.

Gostaria de agradecer à FUSAG por disponibilizar as suas instalações, em particular ao

Eng. Paulino Oliveira e à Engª Odete Santos pela simpatia com que me acolheram e

pela ajuda e acompanhamento ao longo deste trabalho.

Queria agradecer à Metafalb pela disponibilidade e ajuda dispensada, em particular ao

Eng. Ricardo Ferreira e Eng. Paulo Figueiredo.

Agradeço aos meus Pais e ao meu irmão, aos quais tudo devo, à Maria João Matos e aos

meus colegas, que sempre me apoiaram e continuam a transmitir-me todo o carinho e

amizade.

A Todos o Meu Sincero Agradecimento.


II

Resumo

Este trabalho teve como objectivo o desenvolvimento de um novo produto ferro

fundido/metal duro, constituído por placas de metal duro sinterizado incorporadas numa

matriz de ferro fundido. Pretendia-se que os dois materiais estivessem unidos

quimicamente de modo a obter uma ligação resistente.

Este produto foi obtido por vazamento directo do ferro fundido sobre as placas de metal

duro sinterizado. A ligação entre estes dois materiais foi caracterizada mecanicamente e

microestruturalmente através de microscopia óptica e electrónica.

Para a concepção deste produto, foram seleccionados como material de base, o ferro

fundido nodular com matriz ferrítica e, para as placas, um metal duro com 90% de

carboneto de tungsténio grosso com 6 μm de tamanho médio de partícula e 10% de

cobalto (grau BD20 da DURIT).

O processo de fabrico deste produto foi sendo melhorado a partir de vazamentos

sucessivos com alterações na geometria das placas, tipo de moldação utilizada e massa

de ferro vazada. Para além do vazamento directo, foi também testado o efeito da

aplicação de ligas de brasagem à base de cobre (Cu) e prata (Ag) e revestimentos

metálicos à base de ferro (Fe) e níquel (Ni) nas placas de metal duro antes do

vazamento, no sentido de promover uma ligação mais homogénea entre os dois

materiais.

A ligação entre os dois materiais, mostrou-se bastante difícil de ser obtida no caso do

vazamento directo do ferro fundido sobre o metal duro. Com o revestimento metálico, à

base de ferro, na superfície exposta das placas de metal duro, obteve-se após vazamento

directo, componentes finais com uma ligação homogénea e constante ao longo da

interface entre os materiais. A análise microscópica posterior das zonas de união entre

os materiais revelou espessuras de difusão ao longo das interfaces da ordem de 1 mm,

enquanto que para os outros ensaios realizados se verificou uma espessura de difusão

bastante menor.

Perfis de dureza em conjunto com os perfis de elementos químicos realizados

transversalmente à zona de ligação dos materiais e ao longo da zona de difusão atestam


III

uma boa ligação entre os dois materiais. A dureza varia de um modo gradual desde o

metal duro até ao ferro fundido.

Estes novos materiais, produzidos actualmente por um pequeno número de empresas,

apresentam-se como uma alternativa substancialmente melhorada e expedita para a

substituição, em diversas aplicações, de outros tipos de aços e ferros fundidos, tendo a

vantagem de aumentar significativamente o tempo de vida útil de componentes

utilizados em situações de desgaste intensivo.


IV

Abstract

The aim of this work was the development of a new product iron / hard metal, with

plates of sintered hard metal embedded on an iron matrix. The objective was to make a

chemically resistant connection.

This type of product was obtained by direct cast of iron on the plates of sintered hard

metal. The connection between these two materials was characterized mechanically and

microstructurally through an optical and electronic microscope.

For the conception of these products, a nodular iron with a ferritic matrix was selected

as the base material and for the plates, a hard metal with 90% of tungsten carbide with 6

μm average size of particle and 10% of cobalt (BD20 degree of DURIT).

The process of manufacture of these product was improved with successive castings

changes in the plates geometry, type of molding used and the mass of iron cast. Besides

the direct cast, the effect of the application of alloy brazing based on copper (Cu) and

silver (Ag) and metallic coatings to the iron base (Fe) and nickel (Ni) in the hard metal

plates before the casting in order to promote a more homogeneous connection between

the two materials was also tested.

The connection between the two materials has proved to be very difficult to obtain in

the case of direct casting of iron on the hard metal. With the metallic coating, that was

iron based, final components with a homogeneous and constant link along the interface

between materials were obtained. A microscopic analysis of the areas of the union

between the materials revealed diffusion thickness along the interfaces of the order of 1

mm, while other tests showed lower diffusion thickness.

Hardness and chemical elements profiles made across the connection area of the

materials and along the diffusion zone testify a good connection between the two

materials. The hardness varies gradually from the hard metal to the iron.

These new materials, currently produced by a small number of companies are in most

cases an alternative to replace, in several applications, other types of steels and cast

irons, and they have the advantage of increasing the components useful life, in an

intensive wear situation.


V

ÍNDICE GERAL

Agradecimentos ……………………………...……………………………I

Resumo ………………………………………...…………………………II

Abstract ……………………...……………………...…………………...IV

Índice geral ………………………………………………...……..............V

Lista de Tabelas ……………………………………………...………...VII

Lista de Figuras …………...………………………………...………...VIII

1 – Objectivos...............................................................................................................1

2 – Enquadramento………………………………………………………………...1

3 – Metal duro……………………………………………………………………….1

3.1 – Sinterização………………………………………………………………...5

3.2 – Processo produtivo do metal duro…………………………………………7

4 – Ligas ferrosas………………………………………………………………..….8

4.1 – Ferros fundidos………………………………………………………...…..9

4.2 – Ferro fundido nodular…………………………………………………….11

4.3 – Influência dos nódulos de grafite na resistência mecânica do ferro fundido

nodular …………………………………………………………………………12

4.4 – Fabrico de ferro fundido…………………………………………………13

4.4.1 – Cubilote ……………….…………….………………………………….13

4.4.2 – Forno eléctrico de indução……………………….…………………..…14

5 – Novo produto ferro fundido/metal duro……………………..………...14

5.1 – Características geométricas das placas de metal duro……………………15

5.2 – Aplicações dos compósitos metal duro/ferro fundido……………………17

5.3 – Propriedades relevantes para obter uma boa ligação……………………..19

5.3.1 – Coeficientes de expansão térmica………………………………………19


VI

5.3.2 – Condutividade térmica………………………………………………….20

5.3.3 – Difusão………………………………………………………………….21

6 – Considerações teóricas……………………………………………………….22

7 – Materiais e procedimento experimental…………………………………22 7.1 – Selecção do grau de metal duro…………………………………….…….22

7.2 – Selecção do ferro fundido………………………………………………...24

7.3 – Condições de produção deste novo produto...……………………..…….24

7.3.1 – Obtenção do novo produto………………………………………......25

7.4 – Condições alteradas ao longo dos ensaios ……………………………….26

a) Geometria das placas de metal duro………………………………..26

b) Optimização da caixa de moldação…………………………………27

c) Percentagem de ferro nodular na moldação………………………...27

d) Revestimento das placas de metal duro…………………………….27

8 – Apresentação e discussão dos resultados………………………………..30 8.1 – Resultados obtidos para as placas de metal duro sem revestimento……...30

8.2 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com silicato de

sódio……………………………………………………………………...32

8.3 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com níquel…35

8.4 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de

cobre……………………………………………………………………...37

8.5 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de

prata………………………………………………………………………45

8.6 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com a “liga de

encapsulamento”…………………………………………………………48

8.7 – Considerações finais ……………………………………………………..53

9 – Conclusões………………………………………………………………………53

10 – Referências Bibliográficas…………………………………………………55


VII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Propriedades do carboneto de tungsténio.

Tabela 2 – Classificação dos pós de WC de acordo com a sua

granulometria.

Tabela 3 – Propriedades do cobalto.

Tabela 4 – Propriedades mecânicas do metal duro para diferentes graus.

Tabela 5 – Gama de composição química dos principais elementos

presentes nas quatro classes de ferros fundidos.

Tabela 6 – Propriedades mecânicas de diferentes ferros nodulares.

Tabela 7 – Propriedades físicas do grau BD20

Tabela 8 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na

zona da interface, obtidas em EDS.

Tabela 9 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na

zona da interface, obtidos em EDS.


VIII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Imagens da microestrutura de graus de metal duro.

Figura 2 – a) Grau com tamanho de partícula 0,8 μm; b) Grau com

tamanho de partícula 8 μm.

Figura 3 – Etapas do processo de produção do metal duro na DURIT

Figura 4 – Diagrama Fe-C.

Figura 5 – Gamas típicas de composição em carbono e silício, para tipos

de aços e ferros fundidos distintos.

Figura 6 – Imagens das principais microestruturas de ferros fundidos

nodulares.

Figura 7 – Esquema detalhado de um cubilote e respectivas cargas.

Figura 8 – Esquema de um forno eléctrico de indução.

Figura 9 – Duas formas de se produzir este material.

Figura 10 – Pequenas placas de metal duro incorporadas no metal base.

Figura 11 – As formas preferenciais para produzir este material.

Figura 12 – Exemplo de uma pré-incorporação.

Figura 13 – Martelos de trituração.

Figura 14 – a) Hélices de fragmentação; b) pás de moagem.

Figura 15 – a) Pá de um camião limpa neve; b) Dentes duma escavadora.

Figura 16 – Variação da expansão térmica com o conteúdo de cobalto para

graus de um metal duro.

Figura 17 – Condutividade térmica do metal duro.


IX

Figura 18 – Representação esquemática da localização dos átomos de A

(círculos à esquerda) e B (círculos à direita) no interior do par de difusão,

antes da difusão a) e Representação esquemática da localização dos átomos

de A e B no interior do par de difusão, após difusão b).

Figura 19 - Fotomicrografia do grau BD20.

Figura 20 – Esquema do processo de vazamento.

Figura 21 – Imagem 3D das placas de metal duro; do lado esquerdo são

placas com geometria trapezoidal; do lado direito são placas com geometria

paralelepipédica.

Figura 22 – Moldação sem meia moldação superior.

Figura 23 – Moldação com meia moldação superior.

Figura 24 – Régua cronológica.

Figura 25 – a) Moldação com duas placas de metal duro na cavidade; b)

bloco de metal duro/ferro fundido.

Figura 26 – Corte transversal do bloco vazado.

Figura 27 – Fotomicrografias da zona de união entre o metal duro e o ferro

fundido.

Figura 28 – Fotomicrografias da interface entre o metal duro e o ferro

fundido.

Figura 29 – Mapa de raios – X, onde se observa a localização dos

elementos Fe, Co, W e Mn na interface.

Figura 30 – Mapa de raios - X dos elementos Fe (verde), Co (azul

marinho), W (azul água) e a negro é uma zona sem material.


X



Figura 33 – Fotomicrografia de um ponto de ligação entre os dois

materiais.

Figura 34 – Mapa de raios – X duma zona de ligação entre o metal duro e

o ferro fundido.

Figura 35 – Perfil EDS realizado sobre a interface metal duro – ferro

nodular.

Figura 36 – Fotomicrografia da zona da interface entre os dois materiais.

Figura 37 – Fotomicrografia evidenciando a fissura no revestimento de

níquel.

Figura 38 – Filete de cobre soldada à placa de metal duro.

Figura 39 – Zona de interface entre os dois materiais.

Figura 40 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de

uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. A interface é

representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.

Figura 41 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro

fundido passando pela interface.

Figura 42 – Zona de interface entre o metal duro e o ferro nodular.

Figura 43 – Zona de interface com menor ampliação.

Figura 44 – Zona de concentração de partículas de WC.

Figura 45 – Imagem SEM da zona de interface.


XI

Figura 46 – Espectro de concentração de elementos químicos na zona de

interface.

Figura 47 – a) Forma tipo “esqueleto” de carbonetos de W; b) esqueleto

analisado a maior ampliação.

Figura 48 – Espectro da zona 1.


Figura 50 – Fissura na interface entre o metal duro e o ferro nodular.

Figura 51 – Fita de prata soldada à placa de metal duro.



uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. A interface é

representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.



Figura 55 – Zona de interface entre o metal duro e a liga de

encapsulamento (interface 1).


uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. O ponto zero

identifica uma zona no ferro nodular, e os restantes pontos são retirados na

direção do metal duro.



Figura 58 – Mapa de raios – X do elemento Fe na interface.

Figura 59 – Mapa de raios – X do elemento W.


XII

Figura 60 – Imagem SEM da zona de união, ilustrando as duas interfaces.

Figura 61 – Zona da interface 2 entre o ferro nodular e a liga de

encapsulamento.

Figura 62 – Interface 2; nódulos de grafite distribuídos desde o ferro

nodular até à liga de encapsulamento.

Figura 63 – Registo da temperatura desde o momento do vazamento até à

estabilização da temperatura.


1

1 – Objectivos O principal objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de um novo produto

constituído por metal duro/ferro fundido através de vazamentos directos. Englobado neste

objectivo geral, foram também definidos os seguintes sub-objectivos:

1 – Estudar e caracterizar o tipo de ligação estabelecida entre os dois materiais;

2 – Definir as temperaturas mais adequadas de vazamento e

3 – Estudar o tipo e a geometria de metal duro e ferro fundido a utilizar nestes

materiais compósitos.

2 – Enquadramento Este trabalho foi realizado na empresa DURIT – Metalurgia Portuguesa do Tungsténio, Lda.,

sedeada na zona industrial da Albergaria-A-Velha, e enquadrado no plano de estudos do

Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

A DURIT – Metalurgia Portuguesa do Tungsténio, Lda., foi fundada em 1981 e exerce a sua

actividade na concepção de ferramentas e componentes de precisão em metal duro através do

processo pulverometalúrgico. O espectro de aplicação destes produtos é muito vasto, pelo que

a DURIT possui clientes nos sectores da indústria metalomecânica, química e petroquímica,

farmacêutica, automóvel e mineira.

Presentemente a DURIT possui duas unidades produtivas, localizadas em Portugal e no

Brasil, e diversas representações técnico-comerciais sediadas na Alemanha e Espanha. A

empresa registou em 2007 uma facturação de 15,4 milhões de €, dos quais 90% provêm de

mercados externos exigentes, tais como o mercado alemão, para onde exportam 60% dos seus

produtos.

O grupo DURIT tem-se envolvido no desenvolvimento de novos produtos, nos quais se pode

enquadrar o que é objecto deste trabalho.

3 – Metal duro O metal duro é o nome atribuído aos materiais compósitos do tipo metal/cerâmico, obtidos

por pulverometalurgia e constituídos na maior parte dos casos por partículas duras de

carboneto de tungsténio (WC) dispersas em matrizes metálicas de cobalto (Co). O teor em Co

destes materiais varia normalmente entre 5,5 e 30% em peso, enquanto que o tamanho de grão

do WC está situado normalmente entre 0,8 e 10µm, estando dependente das propriedades


2

requeridas para a aplicação. Quando são exigidas resistência à corrosão ou ausência de Co,

como, por exemplo, em certos sectores da indústria farmacêutica, são utilizados outros tipos

de ligantes, nomeadamente o Ni, ou ligas destes metais como o crómio (Cr) e o molibdénio

(Mo).

O WC é normalmente o constituinte maioritário e o mais utilizado na formulação do metal

duro que se caracteriza por ser extremamente duro (2200HV) e frágil. A tabela 1 apresenta

algumas das principais propriedades deste cerâmico.

Tabela 1 – Propriedades do carboneto de tungsténio [1].

Estrutura Cristalina Hexagonal

Massa Molecular 195,87 g/mol

Densidade 15,7 g/cm3

Ponto de Fusão 2800ºC

Expansão térmica 5,2 x 10-6/K

Dureza 2200 HV50

Módulo de Young 696 GPa

Apesar de ser menos duro que outros carbonetos, o WC é o mais utilizado na produção de

metal duro por ter características ímpares, tais como a possibilidade dos cristais de WC

sofrerem alguma deformação plástica, o elevado módulo de Young, apenas superado pelo

diamante, além de que, tem uma excelente molhabilidade pelo Co, facilitando o processo de

sinterização.

A granulometria dos pós de WC utilizados na produção de metal duro na DURIT varia

normalmente, entre os 0,8 e os 10 μm. Contudo algumas empresas produzem já componentes

em metal duro a partir de pós de WC com granulometrias da ordem dos 0,4 μm, denominados

pós ultrafinos [2, 3], mas os pós mais utilizados ainda são do tipo microgrãos, fino, médio e

grosso.

A classificação granulométrica dos pós de WC pode ser feita de acordo com a tabela 2.


3

Tabela 2 – Classificação dos pós de WC de acordo com a sua granulometria [1].

Na figura 1 pode-se observar várias microstuturas de graus de metal duro preparados com

diferentes tamanhos de particulas de WC dispersas em matrizes de Co [1].

Figura 1 – Imagens da microestrutura de graus de metal duro [1].

Os pós mais finos de WC têm também maior susceptibilidade à ocorrência de fenómenos de

crescimento de grão durante a sinterização. Para controlar este efeito, são normalmente

adicionadas pequenas quantidades de outros carbonetos, tais como TaC, VC, Cr3C2, NbC

durante a moagem das composições, ou até mesmo na produção prévia dos pós de WC

(processo apelidado de “dopagem”) de modo a garantir um tamanho de grão final próximo

dos pós de WC que lhe deram origem.

Quanto ao ligante, em mais de 96% de toda a produção de metal duro é usado o Co, devido à

excelente molhabilidade com o WC, que resulta da baixa tensão superficial entre os dois

materiais e devido à temperatura de sinterização.

Tamanho de Grão FSSS

do WC ( μm) Classificação

< 0,1 Nano

0,1 < 0,4 Ultrafinos

0,4 < 0,8 Microgrãos

1 < 2 Grão Fino

2 < 4 Grão Médio

> 4 Grão Grosso


4

O Co apresenta duas formas alotrópicas, a fase ε, a baixa temperatura, com estrutura

hexagonal compacta (HC) e a fase α, a temperaturas superiores a 450º C, com estrutura cúbica

de faces centradas (CFC). Na tabela 3 apresentam-se algumas das características de cada uma

destas fases:

Tabela 3 – Propriedades do cobalto [1].

Estrutura Cristalina ε – HC α – CFC

Massa Atómica 58,93 g/mol

Densidade ε – 8,85 g/cm3 α – 8,80 g/cm3

Ponto de Fusão 1495º C Ponto de Ebulição 2927º C Módulo de Young 210 GPa

Resistividade Eléctrica 6,24 μΩ.cm Dureza 280-370 HV

Para que a composição química do compósito se situe dentro do domínio de estabilidade

bifásico WC-Co, é essencial controlar também a composição em carbono total do metal duro

e do WC para que não ocorra a precipitação de uma fase frágil e geralmente indesejável do

ponto de vista das propriedades mecânicas, denominada por fase η (W3Co3C) ou a nucleação

e precipitação de carbono não combinado também indesejável do ponto de vista mecânico,

estas fases ocorrem respectivamente com a deficiência em carbono ou excesso em carbono

[1].

A avaliação da qualidade dos componentes sinterizados é feita, de uma forma não destrutiva,

a partir das propriedades magnéticas do metal duro [4]. As principais propriedades magnéticas

controladas no metal duro são a força coerciva a saturação magnética e a quantidade de

ferrite.

A medição da força coerciva é uma forma expedita de estimar o tamanho de grão do metal

duro. Esta propriedade mede a velocidade de decaimento do campo magnético de materiais

saturados magneticamente. Verifica-se um aumento da força coerciva à medida que o

tamanho de grão de WC diminui, uma vez que os graus com grão mais fino possuem um

maior número de grãos e, como tal, mais domínios microscópicos passíveis de serem

magnetizados, o que dificulta a sua posterior desmagnetização [2]. A força coerciva aumenta

também com a diminuição do teor em Co, uma vez que este é um elemento ferromagnético.

Por sua vez, a saturação magnética permite determinar o quão próximo está um grau de ter

fase η ou carbono livre após sinterização, isto porque quanto menor for o conteúdo em


5

carbono do material, mais W se dissolve na fase ligante rica em Co durante a sinterização. Tal

resulta numa diminuição da concentração de Co ferromagnético na fase ligante, e num

aumento da quantidade da fase η paramagnética, baixando os valores de saturação magnética

do material.

O valor da quantidade de ferrite refere-se à percentagem de ferrite nos aços. No caso do

metal duro determina a percentagem de material ferromagnético existente porque o Co é um

material ferromagnético, podendo estabelecer-se uma relação praticamente linear entre o valor

da quantidade de ferrite e a percentagem de Co presente nas microestruturas [5, 6].

3.1 – Sinterização Para que o metal duro adquira as propriedades mecânicas, físicas e químicas que são

fundamentais para os fins a que se destina, é necessário densificar o material por sinterização.

A sinterização consiste num tratamento térmico através do qual o componente de metal duro

prensado a partir dos pós é elevado a uma temperatura inferior à Tfusão do constituinte

principal, de modo a favorecer a densificação por ligação entre as suas partículas e eliminar a

porosidade entre elas. Este processo é utilizado preferencialmente através de mecanismos de

sinterização em presença de uma fase líquida [7].

O metal duro é normalmente sinterizado a temperaturas entre os 1300 e os 1500ºC,

necessárias à formação de uma fase líquida rica em Co, que remove a porosidade existente

nos prensados (aproximadamente 40%), ocorrendo uma contracção linear do metal duro entre

18 a 26% (45 a 60% em volume), e uma densificação muito próxima dos 100%. Para esta

finalidade, a DURIT dispõe de fornos para sinterizar em vácuo (sinterVac) e fornos do tipo

sinterHIP que aplicam uma pressão gasosa no ciclo final de sinterização. O controlo do vácuo

e das atmosferas é essencial em todo o processo, por forma a evitar contaminações e

oxidações dos pós durante a sinterização [8]. Na figura 2 estão representadas duas

microestruturas de graus sinterizados pela DURIT.


6

a) b)

Figura 2 – a) Grau com tamanho de partícula 0,8 μm; b) Grau com tamanho de partícula 8 μm [9].

A fotomicrografia do lado esquerdo apresenta um grau com 3,5% de Co, 96,5% de WC e um

tamanho médio de partícula de 0,8μm, sendo considerado um microgrão; na fotomicrografia

do lado direito observa-se um grau que tem na sua composição uma percentagem em Co de

15% e 85% WC tendo um tamanho médio de partícula de 8μm, sendo considerado um grão

grosseiro. Pela análise da figura 2 é possível verificar a diferença no tamanho de grão.


7

3.2 – Processo produtivo do metal duro As etapas do processo de obtenção de componentes em metal duro desde as matérias – primas

até ao produto final e com base na linha de produção da DURIT apresentam-se no fluxograma

da figura 3.

Figura 3 – Etapas do processo de produção do metal duro na DURIT [9].

O processo de produção pulverometalurgico inicia-se com a preparação das misturas dos pós

(graus), que engloba as operações de moagem, secagem e granulação, a que se segue a

prensagem, desparafinação, pré – sinterização e maquinação dos compactos prensados. Em

seguida, os componentes acabados são sinterizados e posteriormente sujeitos a um controlo

das propriedades físicas e metalúrgicas antes de seguirem para as operações de rectificação

que englobam a electroerosão e o polimento. Por sua vez todos os componentes de metal duro

acabados são submetidas a um controlo rigoroso das tolerâncias dimensionais antes de serem

embalados e enviados para o cliente [10].

De um modo geral, o metal duro destaca-se pelas suas excelentes propriedades mecânicas

permitindo a sua aplicação em condições que requerem elevada dureza e excelente resistência

ao desgaste em detrimento de outros materiais, como os aços rápidos [11]. São exemplo disso

as matrizes e punções de prensagem produzidas em metal duro que demonstram a sua

superior qualidade na conformação de pós abrasivos em relação às matrizes produzidas em


8

aço rápido, aumentando o seu tempo de vida útil em cerca de 50 vezes, tendo como

consequência uma redução dos tempos de paragem para substituição das ferramentas [9]. No

caso da indústria metalomecânica, as ferramentas de corte fabricadas em metal duro permitem

produzir peças com tolerâncias dimensionais apertadas e um melhor acabamento superficial

[12].

Além da elevada dureza e da resistência ao desgaste, consequência da combinação de dureza

elevada com níveis moderados de tenacidade à fractura, o metal duro apresenta também uma

elevada resistência à flexão e à compressão, boa resistência ao choque térmico, razoável

tenacidade associada à presença da fase metálica de Co e resistência à corrosão que como já

foi referido depende do tipo e do teor de ligante [11].

As propriedades físicas e mecânicas do metal duro variam com a constituição do grau, isto é a

densidade, a força coerciva, a dureza, a resistência à compressão e o módulo de Young são

tanto maiores quanto menor o teor de fase ligante e o tamanho médio de grão de WC, ao

contrário da tenacidade à fractura, conteúdo de ferrite e resistência à flexão, que aumentam

com o teor da fase ligante e do tamanho de grão. A tabela 4 mostra algumas propriedades

mecânicas do metal duro para diferentes graus.

Tabela 4 – Propriedades mecânicas do metal duro para diferentes graus [13, 14].

Grau (%p) Dureza HV30

Resistência à compressão

(MPa)

Tensão de ruptura (MPa)

Módulo de Young (GPa)

Tenacidade à fractura (MPa/m2)

Coeficiente de expansão

térmica (10‐6/K)

WC‐4Co 2000 7100 2000 665 8,5 5,0

WC‐6Co/* 1800 600 3000 630 10,8 6,2

WC‐6Co/** 1580 5400 2000 630 9,6 5,5

WC‐6Co/*** 1400 5000 2500 620 12,8 5,5

WC‐25Co/** 780 3100 2900 470 14,5 7,5 *microgrão; **grão fino/médio; ***grão grosso

4 – Ligas ferrosas As ligas ferrosas são essencialmente ligas ferro-carbono das quais se destacam os aços e os

ferros fundidos. Estas ligas podem conter ainda outros elementos químicos tais como Si, Mn,

Mg, Ni, S, P, Cu, Cr, Mo. Dada a excelente combinação de propriedades mecânicas tais como

a resistência mecânica a ductilidade e a tenacidade, aliadas à relativa facilidade como são

produzidos e transformados, o ferro e as suas ligas têm uma grande aplicabilidade industrial,


9

nos processos produtivos e nos bens utilizados pelo consumidor final, contribuindo

actualmente com cerca de 90% da produção mundial de metais [15-18].

4.1 – Ferros fundidos Os ferros fundidos são ligas com particular aptidão ao processamento por fundição, como

aliás a sua designação o sugere. Estas ligas caracterizam-se por possuírem entre 2 a 6% de

carbono e pela formação dum constituinte eutéctico durante a solidificação. A sua composição

química, próxima da eutéctica, com 4,3% de carbono garante-lhes temperaturas de vazamento

baixas (ver figura 4) e uma elevada vazabilidade ou seja, aptidão a encher com metal líquido

espaços de pequena espessura, simplificando a obtenção de peças com alguma complexidade.

Figura 4 – Diagrama Fe-C [19].

O diagrama de equilíbrio Fe-C admite duas opções para a solidificação de um ferro fundido,

conforme se pode verificar na figura 4:

• Solidificação segundo a versão metaestável, com o carbono combinado na forma de

Fe3C (carbonetos), representado pela linha a cheio no diagrama de equilíbrio.


10

• Solidificação segundo a versão estável, com o carbono livre, na forma de grafite,

representado pela linha a tracejado no diagrama de equilíbrio [15].

Podem-se distinguir quatro tipos ou categorias de ferros fundidos, consoante a distribuição do

carbono na sua microestrutura: branco, cinzento, maleável e nodular ou dúctil. Na tabela 5

apresentam-se as gamas de composição química dos cinco principais elementos químicos,

para as quatro classes de ferros fundidos [20].

Tabela 5 – Gama de composição química dos principais elementos presentes nas quatro classes de ferros fundidos [20].

Elemento Ferro fundido cinzento

Ferro fundido branco

Ferro fundido maleável

Ferro fundido nodular

Carbono (%) 2,50 – 4,00 1,80 – 3,60 2,00 – 2,60 3,00 – 4,00

Silício (%) 1,00 – 3,00 0,50 – 1,90 1,10 – 1,60 1,80 – 2,80

Manganês (%) 0,25 – 1,00 0,25 – 0,80 0,20 -1,00 0,10 – 1,00

Enxofre (%) 0,2-0,25 0,06 – 0,20 0,04 – 0,18 <= 0,03

Fósforo (%) 0,05 – 1,00 0,06 – 0,18 <= 0,18 <= 0,10

O papel do silício é de grande importância nestes sistemas pois determina a relação entre a

composição química, as propriedades, a microestrutura e o processamento térmico a que

normalmente estes materiais estão sujeitos. O silício é um elemento grafitizante, ou seja,

quanto mais elevado for o seu teor numa dada liga, maior será a sua tendência para apresentar

o carbono na forma grafítica. A presença de silício inibe progressivamente a possibilidade de

formação de carbonetos durante a solidificação e implica ainda alterações nas temperaturas de

transformação dos ferros fundidos. Os teores em silício crescentes diminuem o teor em

carbono do ponto eutéctico e esta deslocação do eutéctico traduz-se em geral pela seguinte

equação [20]:

% Ceutéctico = 4.30 – 1/3 (% Si + % P)

Para medir a tendência de um ferro fundido em solidificar como um eutéctico (com elevada

fluidez), define-se o chamado “carbono equivalente” através da relação:

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

Na figura 5 é apresentado um diagrama que estabelece os domínios característicos dos teores

de carbono e silício para algumas ligas ferrosas [20].


11

Figura 5 – Gamas típicas de composição em carbono e silício, para tipos de aços e ferros fundidos distintos [19].

4.2 – Ferro fundido nodular Actualmente, tem vindo a crescer o interesse industrial na utilização do ferro fundido nodular,

dadas as suas boas propriedades mecânicas e baixo custo de produção [17].

Estes ferros caracterizam-se por uma excelente combinação de propriedades mecânicas, tais

como, a resistência mecânica, ductilidade, dureza, resistência ao impacto e à fadiga, que se

apresentam na tabela 6.

Tabela 6 – Propriedades mecânicas de diferentes ferros nodulares [21]

Matriz R0,2 min (MPa) Rm min (MPa) A min (%) HB

Ferrítica 230 ‐ 250 370 ‐ 400 12 ‐ 17 <200

Ferrítica/Perlítica 320 ‐ 370 500 ‐ 600 3 ‐ 7 170 ‐ 270

Perlítica 420 ‐ 480 700 ‐ 800 2 230 ‐ 350

As propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares são, por sua vez, dependentes do

tipo de matriz, quantidade das partículas de grafite e da presença de defeitos como inclusões e

porosidade [22, 23]. Na figura 6 apresentam-se as principais microestruturas de um ferro

nodular.


12

Figura 6 – Imagens das principais microestruturas de ferros fundidos nodulares [21].

4.3 – Influência dos nódulos de grafite na resistência mecânica do ferro

fundido nodular As partículas de grafite contidas nos ferros nodulares têm uma morfologia peculiar

responsável pela boa ductilidade e dureza destas ligas e caracterizam-se por uma forma

próxima da esférica, conhecidas como "nódulos". Estes nódulos actuam como "inibidores de

fissuração", com o consequente aumento de ductilidade e resistência à propagação de fissuras.

A formação dos nódulos é conseguida com uma boa "nodularização" das partículas de grafite

[23].

Durante a reacção eutéctica, os nódulos de grafite são rodeados por austenite e o seu

crescimento ocorre por difusão do carbono através da austenite. O número, tamanho e a

distribuição dos nódulos de grafite são muito importantes para a definição das propriedades

finais dos materiais. O número de nódulos terá que ser suficiente para evitar a formação de

carbonetos durante a solidificação, especialmente em peças com paredes finas.

Por sua vez, um maior número de nódulos de grafite favorece a presença da ferrite. O carbono

da liga é transferido para a grafite empobrecendo a matriz metálica, fazendo com que os

nódulos fiquem, geralmente, envoltos por regiões de ferrite. A influência do grau de

nodularização nas propriedades mecânicas do material representa a influência da geometria do

nódulo da grafite [24].


13

4.4 – Fabrico de ferro fundido

No fabrico do ferro fundido podem utilizar-se vários processos de fusão, entre os quais se

destacam os seguintes:

• Fusão pelo calor libertado na queima de carvão e

• Fusão por indução magnética.

Estes dois processos de fusão são utilizados, respectivamente, no forno de cubilote e no forno

de indução.

4.4.1 – Cubilote A característica mais importante deste forno é a sua marcha contínua ou semi-contínua, sendo

a qualidade do ferro fundido produzido condicionada por uma série de factores, os mais

importantes são:

Dimensão do cubilote; Cargas metálicas; Débito de vento; Composição da escória; Qualidade do coque

Na figura 7 pode observar-se um esquema da constituição do cubilote.

Figura 7 – Esquema detalhado de um cubilote e respectivas cargas [25].

O corpo cilíndrico do cubilote tem na sua parte superior uma porta lateral de carga, acima da

zona do refractário, para carregamento do forno. Este carregamento do forno faz-se


14

depositando camadas alternadas de coque, castina (materiais fundentes que ajudam à

formação da escória) e metais ferrosos tais como lingotes de segunda fusão ou sucatas de

ferro ou aço.

O fundo é amovível (chapa, com uma articulação revestida com material refractário), o que

permite a limpeza do forno e a substituição ou reparação do refractário [26].

4.4.2 – Forno eléctrico de indução Este tipo de forno caracteriza-se pela produção de calor no seio da carga metálica, devido à

sua resistência eléctrica e propriedades magnéticas e garante um controlo adequado das ligas

nele elaboradas. Na figura 8 está representado um forno de indução.

Figura 8 – Esquema de um forno eléctrico de indução [25].

O rendimento destes fornos é bom embora tenham que arrancar, geralmente, com uma carga

metálica parcialmente líquida obtida noutros fornos auxiliares. O metal após aquecer dentro

do canal fica menos denso e por convecção sobe, dando lugar ao metal mais frio do banho

metálico em fusão. A vantagem é que não necessitam de tanta energia eléctrica para manter o

metal em fusão [25].

5 – Novo produto ferro fundido/metal duro Este trabalho surgiu da ideia da combinação das boas propriedades de ferro fundido nodular

(boa vazabilidade, tenacidade e ductilidade) com as do metal duro para aplicações de impacto


15

e desgaste. Apesar de serem recentes, estes novos materiais têm já vindo a ser produzidos por

algumas grandes multinacionais do ramo do metal duro, sendo que os produtos são

comercializados sob duas formas, apresentadas na figura 9:

1 - Grânulos de metal duro embebidos em matrizes de ferro fundido.

2 – Placas de metal duro incorporadas na superfície de ferros fundidos.

Figura 9 – Duas formas de se produzir este material [27].

Para aplicações em que os componentes sejam sujeitos a um desgaste intensivo, de forma

contínua e que exijam simultaneamente alguma resistência ao impacto, é preferível escolher o

compósito produzido com grânulos de metal duro dispersos na matriz de ferro fundido.

Quando se pretende uma melhor protecção contra o desgaste abrasivo e erosivo com uma

resistência ao impacto moderada, a escolha recai no caso do compósito produzido com placas

de metal duro na superfície dos fundidos. Em ambas as situações, o princípio base de união

dos materiais é o estabelecimento de uma ligação metalúrgica entre o metal duro e o ferro

fundido [27, 26].

5.1 – Características geométricas das placas de metal duro Como foi dito anteriormente, o compósito metal duro/ferro fundido consiste em placas de

metal duro embebidas na superfície exposta do material de base. A forma e tamanho das

placas pode ser variada, sendo aconselhado [27, 28] o uso de placas quadradas ou hexagonais

com largura e comprimento de 10 a 50 mm, respectivamente, e espessura entre 2 e 5mm.

Os componentes com uma grande superfície de desgaste, necessitam de placas de metal duro

com maiores espessuras, sendo geralmente, a espessura mínima das placas de 20 mm. Em

relação à sua área, é vantajoso em termos de resistência mecânica, dividir as placas grandes de

metal duro em unidades mais pequenas para permitir alguma deformação do compósito, como

demonstra a figura 10.


16

Figura 10 – Pequenas placas de metal duro incorporadas no metal base [28].

A partir da análise dos catálogos das empresas que comercializam estes produtos e, não

obstante algumas limitações relacionadas com a sua complexidade geométrica, pode concluir-

se que estes produtos podem ser produzidos com as mesmas condições e com as mesmas

tolerâncias dimensionais de um vazamento convencional. Por outro lado, não é aconselhável

que estes componentes sejam fabricados com superfícies de desgaste em faces opostas, como

mostra a figura 11, pois provavelmente, teria como consequência uma perda de propriedades

mecânicas nomeadamente, a sua ductilidade, dificultando a deformação do conjunto além das

dificuldades que seriam criadas ao processo de vazamento [28].

Figura 11 – As formas preferenciais para produzir este material [27].

Em termos geométricos, é recomendada a concepção de cantos arredondados. No entanto, se

forem pretendidos cantos com arestas vivas é possível pré-incorporar uma placa na aresta da

peça como pode ser observado na figura 12.

Figura 12 – Exemplo de uma pré-incorporação [27].


17

O conjunto deve preferencialmente ser utilizado na forma “as cast”, isto porque os dois

materiais apresentam durezas bastante distintas, dificultando a sua maquinação. No entanto,

em situações que exijam operações ligeiras de maquinação pós-vazamento, é possível utilizar

as mesmas tecnologias envolvidas na maquinação do metal duro e ferro fundido. As secções

exclusivamente constituídas por ferro fundido podem ser perfuradas e fresadas pelas

tecnologias tradicionais e as secções com metal duro devem ser maquinadas por rectificação

e/ou electroerosão.

As principais desvantagens deste tipo de produto são o facto de não se conseguir conceber

peças de elevada complexidade geométrica e do reduzido número de indústrias onde pode ser

aplicado. A indústria de minerais e de construção civil são os seus maiores clientes, até ao

momento [27].

5.2 – Aplicações dos compósitos metal duro/ferro fundido. Estes compósitos podem ter um vasto leque de aplicações, principalmente na indústria

mineira e de construção civil, substituindo os convencionais aços resistentes ao desgaste, em

equipamentos de trabalho pesado. A maior resistência ao desgaste destes compósitos fazem

deles opções mais económicas, do que os aços convencionais garantindo uma maior

longevidade dos componentes. A seguir são apresentados vários exemplos de possíveis

aplicações destes compósitos

Martelos de trituração – são equipamentos que sofrem um elevado desgaste, por esse facto

são, normalmente reforçados na superfície a fim de aumentar a sua vida útil. Ao serem

produzidos pelo compósito metal duro/ferro fundido, onde a zona sujeita a desgaste é

constituída por metal duro, o martelo vê aumentada a sua duração cerca de 3 a 5 vezes mais

(ver figura 13) [27].

Figura 13 – Martelos de trituração [27, 28].


18

Hélices ou pás de fragmentação – ao produzir-se este equipamento em metal duro/ferro

fundido em vez do tradicional aço endurecido, consegue-se um tempo de vida útil cerca de 4

vezes mais longo. Além disso, é possível uma maior homogeneidade dimensional das

partículas trituradas, que é um aspecto vantajoso para o processo subsequente. A figura 14a

ilustra um esquema de uma hélice produzida com este material [27].

Pás de moagem – estes equipamentos são submetidas a desgaste rápido, como mostra a

figura 14b. Ao utilizar o compósito metal duro/ferro fundido neste equipamento, é possível

aumentar a sua vida útil cerca de 4 a 5 vezes mais se compararmos com o equipamento

produzido em aço [27, 28].

a) b)

Figura 14 – a) Hélices de fragmentação; b) pás de moagem [27].

Este compósito pode ser usado num outro tipo de equipamentos, como são os exemplos das

“pás” dos camiões limpa-neves, onde a zona que está em contacto com o solo é constituída

por este material, ou os dentes de corte da roda duma escavadora, na figura 15 pode constatar-

se isso mesmo.

a) b)

Figura 15 – a) Pá de um camião limpa neve; b) Dentes duma escavadora [27, 28]

Neste caso a zona da “pá” que se encontra constantemente em contacto com o solo, é

arrastada a velocidades elevadas, o que provoca um desgaste intenso. Com a utilização do

compósito nessa superfície de contacto pode-se ter um aumento, 5 a 10 vezes mais, do tempo

de vida útil da ferramenta [27, 28].


19

Também no caso de ferramentas de corte, este compósito tem vantagens em relação a outros

materiais pois é possível manter a ponta dos dentes afiada (propriedade importante para este

componente desempenhar a sua função) durante mais tempo e com superiores propriedades de

corte [27, 28].

5.3 – Propriedades relevantes para obter uma boa ligação O ferro nodular e o metal duro são materiais muito diferentes e a conjugação das suas

propriedades é complexa. Torna-se importante analisar algumas propriedades destes materiais

que possam influenciar a ligação dos mesmos. Sendo assim e não esquecendo que todo o

processo de união ocorre a altas temperaturas, é de elevada relevância analisar propriedades

como o coeficiente de expansão térmica, o coeficiente de difusão e a condutividade térmica,

para seleccionar as composições de cada um dos materiais, que permitam minimizar a

diferença existente entre eles.

Estudos disponíveis [27, 28] apontam os valores de dureza 200 a 450 HV30 para o ferro

nodular e 950 a 1500 HV30 para o metal duro, como sendo os valores desejados para que a

ligação entre estes dois materiais seja possível.

5.3.1 – Coeficientes de expansão térmica Os coeficientes de expansão térmica têm de ser considerados para a execução destes

compósitos metal duro/ferro nodular. O coeficiente de expansão térmica do metal duro

aumenta com o teor de cobalto (figura 16) e é independente do tamanho de grão, normalmente

apresenta valores entre 5,0 x 10-6 a 5,9 x 10-6/K.

Figura 16 – Variação da expansão térmica com o conteúdo de cobalto para graus de um metal duro [29].


20

Os tradicionais aços com baixo teor de carbono, os aços ferramenta, os aços inoxidáveis e os

ferros fundidos possuem coeficientes de expansão térmica 2 a 3 vezes superiores aos do metal

duro. Por exemplo, nas aplicações de conformação de metais a alta temperatura, tais como a

laminagem a quente ou a extrusão, essa diferença tem de ser levada em consideração quando

se concebem junções aço/metal duro. Essa falta de correspondência no referido coeficiente

também dificulta as operações de brasagem aquando da união entre aços e metal duro [29].

5.3.2 – Condutividade térmica Uma vez que o processo de obtenção das peças de metal duro/ferro nodular decorre a alta

temperatura torna-se necessário limitar ao máximo perdas muito rápidas de calor. Assim

sendo, a condutividade térmica é um indicador a ter em conta na escolha do metal duro a

utilizar, devendo-se seleccionar um grau que minimize as perdas de calor no vazamento. Pela

análise do gráfico da figura 17 pode-se constatar que os graus de metal duro com maiores

quantidades de Co têm uma menor condutividade térmica [30, 31].

Figura 17 – Condutividade térmica do metal duro [31].

Para além do teor de Co, o tamanho das partículas de WC é também um aspecto a ter em

conta, visto que os componentes em metal duro com partículas grosseiras de WC apresentam

uma tenacidade e resistência ao choque térmico superiores às dos componentes contendo

partículas mais finas. Quer do ponto de vista do processo de concepção deste produto (menor

probabilidade de fissuração por choque térmico), quer do ponto de vista da aplicação (maior

resistência ao impacto), torna-se favorável a utilização de placas de metal duro contendo

partículas grosseiras [30, 31].


21

5.3.3 – Difusão Pela bibliografia consultada [16,32-35], é possível perceber que a ligação metalúrgica

existente entre estes dois materiais se processa por difusão. Como sabemos a difusão é

melhorada pela exposição dos materiais a altas temperaturas e também quando dois materiais

são sujeitos a forças de compressão que é a situação que decorre do vazamento.

A difusão ocorre por movimentação atómica, e é um processo activado termicamente. Os

fenómenos de difusão têm grande interesse na interpretação de muitos processos

metalúrgicos. Intervêm na preparação e transformações dos metais, em particular, na

homogeneização da composição de ligas heterogéneas, nos tratamentos térmicos (com

excepção da transformação martensítica), na maleabilização, nos tratamentos de superfície

(cementação e nitruração) e na fabricação de peças metálicas por sinterização.

Uma visão idealizada do fenómeno da difusão pode ser obtida com o auxílio do chamado par

de difusão. O par de difusão é formado quando as superfícies de duas barras de materiais

distintos são colocadas em contacto íntimo No interior dos sólidos, a difusão ocorre por

movimentação atómica (no caso de metais), de catiões e aniões (no caso dos cerâmicos), em

qualquer dos casos é um processo activado termicamente. Na figura 18 pode-se observar um

esquema representativo da movimentação dos átomos de dois materiais diferentes, bem como

a distância de migração resultante do movimento aleatório dos átomos [16, 32].

a) b)

Figura 18 – Representação esquemática da localização dos átomos de A (círculos à esquerda) e B (círculos

à direita) no interior do par de difusão, antes da difusão a) e Representação esquemática da localização dos átomos de A e B no interior do par de difusão, após difusão b). [35]

Entre os diferentes tipos de difusão (em volume, intergranular e à superfície), a difusão em

volume é aquela que ocorre mais frequentemente, apesar de necessitar duma maior energia de

activação visto que o interior do grão tem menor energia interna [33, 34].


22

6 – Considerações teóricas É digno de reparo, uma série de considerações que tornaram interessante o estudo, pesquisa e

elaboração deste tema de projecto.

Além de ser, cientificamente, um projecto actual e exigente, a produção destes compósitos

perspectiva-se como sendo uma excelente oportunidade de mercado para as empresas de

metal duro e fundições. No entanto, deve-se ter em conta as dificuldades existentes no

planeamento e estruturação do método de processamento a fim de se concretizar o objectivo

proposto no inicio deste trabalho.

Uma das maiores dificuldades encontradas foi a inexistência de um suporte científico,

funcionando como um sustento credível no sentido de estudar as variáveis do processo.

Provavelmente este facto deve-se à recente produção deste material, visto que só um muito

pequeno número de empresas possui o know how que lhes permite, para já, serem os

detentores deste mercado. Para efectuar um planeamento inicial deste trabalho, recorreu-se a

uma tese de mestrado, realizada recentemente e intitulada “Enxertos de metal duro em ligas

ferrosas” [20], tendo-se revelado um bom suporte bibliográfico. Posto isto, este “novo”

produto poderá ser uma alternativa interessante a diversos componentes, produzidos noutro

tipo de materiais de elevado custo e por vezes de elevada complexidade tecnológica.

7 – Materiais e procedimento experimental A técnica utilizada para produzir este compósito deve ser o mais possível tradicional,

permitindo uma boa ligação entre os materiais e obter peças de boa sanidade. Para tal

procedeu-se ao vazamento directo de ferro nodular sobre placas de metal duro.

Alternativamente, e no sentido de melhorar a ligação, as placas de metal duro foram numa

fase posterior recobertas com vários revestimentos superficiais e ligas de brasagem, antes do

vazamento, para avaliar o efeito na ligação ao ferro nodular.

7.1 – Selecção do grau de metal duro A utilização de enxertos de metal duro em ferro fundido é muitas vezes difícil de obter devido

às diferenças dos coeficientes de expansão térmica existentes entre estes dois materiais,

podendo resultar numa ligação deficiente ou mesmo fissuração do metal duro. Estes

problemas são idênticos aos existentes na concepção de vários revestimentos em engenharia

de superfícies e de outro tipo de materiais compósitos [35].


23

Como o processo de ligação é realizado a altas temperaturas e o metal duro é sujeito a um

aumento brusco da temperatura durante o vazamento, é importante seleccionar um grau de

metal duro que conjugue a condutividade térmica, com o coeficiente de expansão térmica.

Os graus que conjugam melhor estas propriedades são aqueles com maior teor em Co e com

tamanho de grão de WC grosseiro. Esta escolha resulta desde logo da análise das figuras 16 e

17 onde se verifica que o aumento do teor de Co provoca um aumento do coeficiente de

expansão térmica (quanto maior esse coeficiente, menor a tendência à fissuração) e uma

diminuição da condutividade térmica. O objectivo é potenciar um grau de elevado coeficiente

de expansão térmica no sentido de aproximar-se do coeficiente do ferro, contudo o teor de Co

não pode ser exagerado pois diminui a condutividade térmica, o que implica um tempo de

exposição a altas temperaturas menor.

Em relação ao tamanho de grão, a escolha foi baseada nos valores de dureza apontados na

bibliografia para o metal duro (entre 950 e 1500 HV30), e ao facto dos graus contendo grãos

mais grosseiros apresentarem um KIC superior assim como uma melhor resistência ao impacto

e ao choque térmico, limitando a probabilidade de fissuração por efeito de choque térmico.

Do ponto de vista da aplicação, é também favorável a utilização de graus que maximizem a

relação resistência ao desgaste/resistência ao impacto. Os graus com teores médios em Co e

partículas de WC médias a grosseiras são aqueles que melhor conjugam estas mesmas

propriedades.

Com base nos pressupostos anteriormente descritos, e tendo como base a tabela de graus de

metal duro disponíveis na DURIT, chegou-se à conclusão que o grau que estabelecia um

melhor compromisso entre as propriedades referidas era o grau BD20 com 10% de Co, 90%

de WC e 6 μm de tamanho de partícula. Na figura 19 está representada uma microestrutura

deste grau.

Figura 19 - Fotomicrografia do grau BD20 [9].


24

Na tabela 7 pode analisar-se as propriedades físicas do grau BD20. Posto isto, o grau BD20

será o usado ao longo do trabalho.

Tabela 7 – Propriedades físicas do grau BD20 [13, 36].

Propriedades do grau BD20

Dureza 1240 HV30

Quantidade de ferrite

11%

Coeficiente de expansão térmica

5,5 x 10‐6 /K

Condutividade térmica

90 W.(mK)‐1/2

7.2 – Selecção do ferro fundido Neste trabalho seleccionou-se o ferro fundido nodular como material de base com valores de

dureza entre 200 e 450HV.

Esta escolha relaciona-se com as propriedades mecânicas do ferro nodular em comparação

com o ferro branco e cinzento. A forma esférica da grafite contida no ferro nodular aumenta a

dureza, ductilidade e resistência à propagação de fissuras. Por outro lado, o ferro nodular

combina também as vantagens de processamento dos ferros cinzentos e de alguns aços tais

como boa fluidez, elevada vazabilidade, excelente maquinabilidade, aliados a baixos custos

de produção.

Quanto à matriz do ferro nodular, a escolha recaiu sobre a matriz ferrítica uma vez que é a

mais dúctil e tenaz e com resistência adequada à finalidade pretendida.

7.3 – Condições de produção deste novo produto Todas as experiências obedeceram a um procedimento comum no sentido de se obter um

compósito metal duro/ferro nodular de boa sanidade. As grandes alterações são ao nível dos

revestimentos operados nas placas de metal duro. Juntamente com a modificação dos

revestimentos foram realizadas alterações nas moldações e na quantidade de ferro vazado.

As amostras resultantes das diversas experiências foram analisadas para caracterizar

essencialmente a qualidade da ligação obtida e as propriedades dos materiais de modo a

verificar a necessidade de introduzir alterações em futuras experiências. A qualidade e a


25

uniformidade da ligação foram analisadas recorrendo à inspecção visual acompanhada por

observação em microscópio óptico, microscópio electrónico de varrimento (SEM), análises

EDS, microanálise de raios-X e ensaios de microdureza Vickers.

7.3.1 – Obtenção do novo produto A incorporação de placas de metal duro em peças fundidas realizou-se seguindo o

procedimento experimental base:

1 – Preparação da placa de metal duro:

• Rectificação das placas com mós resinóides.

• Desengorduramento das placas com solcol.

2 – Preparação da moldação onde será efectuado o vazamento.

3 – Colocação e fixação da placa de metal duro na cavidade da moldação previamente

preparada.

4 - Fusão do ferro nodular realizada em fornos cubilote e de indução. As temperaturas

de vazamento variaram entre 1400 e 1425ºC e os tempos de enchimento da cavidade

foram de aproximadamente 5s.

5 – Revestimento das placas de metal duro.

6 – O processo de vazamento de ferro nodular sobre as placas de metal duro está

representado na figura 20.

Figura 20 – Esquema do processo de vazamento.


26

7 – Desmoldação do conjunto após arrefecimento até à temperatura ambiente.

8 – Grenalhagem do conjunto.

9 – Corte transversal do conjunto por electroerosão.

10 – Polimento das zonas de ligação.

11 – Ataque químico com solução de Murakami.

12 – Observação da zona de ligação por microscopia óptica.

13 – Análise da zona de ligação por microscopia electrónica de varrimento e registo

EDS.

14 – Ensaios de microdureza Vickers no ferro fundido no metal duro e na zona de

ligação.

7.4 – Condições alteradas ao longo dos ensaios a) Geometria das placas de metal duro

Para avaliar a dependência da ligação em relação à geometria das placas, utilizaram-se

placas com geometria paralelepipédica e trapezoidal, como mostra a figura 21. As

dimensões das placas foram 50x25x10 mm.

Figura 21 – Imagem 3D das placas de metal duro; do lado esquerdo são placas com geometria

trapezoidal; do lado direito são placas com geometria paralelepipédica.


27

b) Optimização da caixa de moldação

Para os primeiros vazamentos utilizou-se a moldação inferior e o enchimento foi

realizado em fonte, na figura 22 é apresentado um exemplo de uma moldação

preparada.

Posteriormente optou-se por utilizar moldações que já continham a meia moldação

superior (figura 23), de modo a que as placas de metal duro permanecessem mais

tempo a altas temperaturas.

Figura 22 – Moldação sem meia moldação superior.


c) Percentagem de ferro nodular na moldação

A percentagem de ferro nodular foi sucessivamente aumentada no sentido de

conservar o maior tempo possível, as placas de metal duro a altas temperaturas

envolvendo-as numa maior massa de ferro e de aumentar a força aplicada sobre as

placas de metal duro.

d) Revestimento das placas de metal duro

A acção de diferentes revestimentos superficiais foi testada, nas placas de metal duro,

no sentido de melhorar a qualidade da ligação.


28

d1) Revestimento da placa de metal duro com silicato de sódio.

As placas de metal duro foram mergulhadas numa solução de silicato de sódio.O

silicato de sódio, muitas vezes designado de “fluido térmico”, foi utilizado na tentativa

de melhorar a molhabilidade do ferro fundido no metal duro, uma vez que é apontado

na bibliografia [34] como sendo um material ideal para estabelecer contacto térmico

entre diferentes materiais, devido à sua fluidez e conformabilidade.

d2) Revestimento da placa de metal duro com níquel.

Revestiu-se as placas de metal duro com níquel por electrodeposição. Este metal com

grande afinidade tanto com o metal duro como com o ferro, funcionaria como uma

liga de brasagem.

d3) Revestimento da placa de metal duro com uma liga de cobre e com uma liga de

prata.

A razão para o uso de um revestimento com estas ligas prende-se pelo facto de serem

ligas usualmente utilizadas na brasagem de metal duro com aços.

d4) Revestimento da placa de metal duro através de um tratamento térmico de

encapsulamento.

Submeteram-se as placas a um tratamento térmico usando uma técnica de metal duro.

O tratamento fez-se num forno cilíndrico em atmosfera de vácuo (4 x 10-1 mbar).

Na figura 24 está representada uma régua cronológica onde é possível acompanhar todas as

alterações efectuadas ao longo do trabalho.


29

Figura 24 – Régua cronológica.


30

8 – Apresentação e discussão dos resultados 8.1 – Resultados obtidos para as placas de metal duro sem revestimento

No primeiro ensaio foi realizado um vazamento de ferro nodular sobre placas de metal duro

com a forma trapezoidal sem qualquer tipo de revestimento superficial (figura 25). A

temperatura de vazamento foi de 1405ºC tendo-se vazado uma massa de ferro de 1300g.

a) b)

Figura 25 – a) Moldação com duas placas de metal duro na cavidade; b) bloco de metal duro/ferro fundido.

Na figura 26 pode-se observar uma imagem do bloco obtido, cortado transversalmente,

evidenciando a zona de contacto entre o metal duro e o ferro fundido. Pode observar-se

facilmente e a olho nu, zonas onde não ocorreu contacto entre as placas de metal duro e o

ferro fundido. Uma hipótese possível para o referido facto é explicada pela forte contracção

do ferro fundido ao entrar em contacto com o metal duro, pois este comporta-se como um

arrefecedor, dificultando a união dos dois materiais.


Contudo, através de uma análise ao microscópio óptico, foi possível observar pontualmente

algumas zonas de ligação entre o metal duro e o ferro fundido, de acordo com a figura 27.

Nessas zonas, foi ainda possível observar-se a formação de ledeburite que é uma fase frágil e


31

indesejável para a ligação. A formação desta fase está relacionada com uma deficiente

germinação da grafite para a velocidade de arrefecimento em jogo.

Figura 27 – Fotomicrografias da zona de união entre o metal duro e o ferro fundido.

Figura 28 – Fotomicrografias da interface entre o metal duro e o ferro fundido.

Para analisar as zonas onde se identificaram alguns pontos de ligação entre os materiais

(figura 29), realizaram-se algumas observações dessas interfaces por microscopia electrónica

Ferro Fundido

Fissura na interface

Metal duro

Ledeburite

Ledeburite

Interface

Metal duro


32

de varrimento (SEM) e mapeamentos dos elementos por raios – X. Os resultados obtidos

demonstraram que de facto não ocorreu difusão de nenhum dos elementos dos dois materiais,

ou seja, do ferro (Fe), do cobalto (Co) e do tungsténio (W), como demonstram as figuras 29 e

30.

Figura 29 – Mapa de raios – X, onde se observa a localização dos elementos Fe, Co, W e Mn na interface.

Figura 30 – Mapa de raios - X dos elementos Fe (verde), Co (azul marinho), W (azul água) e a negro é

uma zona sem material.

8.2 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com silicato de sódio

No segundo vazamento decidiu-se revestir a placa de metal duro com silicato de sódio na

tentativa, já referida anteriormente, de aumentar a molhabilidade do ferro pelo metal duro.

Para este segundo vazamento a moldação foi completamente isolada, isto é, foi utilizada meia

moldação superior, como mostra a figura 31.

A geometria da placa de metal duro continuou a ser trapezoidal, a temperatura de vazamento

foi de 1420ºC e a massa de ferro vazada foi novamente de 1300g.


33


Na figura 32 pode-se observar um corte transversal do bloco metálico na zona de ligação entre

os dois materiais.


Tal como no primeiro vazamento é nítida a não existência de qualquer união entre os dois

materiais, verificando-se inclusive zonas onde os espaços vazios entre os dois materiais são

mais pronunciados do que os observados no primeiro ensaio.

A observação ao microscópio óptico da interface revelou novamente a existência pontual de

zonas de ligação, como mostra a figura 33. Nessa figura, é ainda possível observar-se a

formação de ledeburite, pelo que a utilização de uma meia moldação superior não foi

suficiente para evitar a sua formação.


34

Figura 33 - Fotomicrografia de um ponto de ligação entre os dois materiais.

Pelos resultados obtidos com o mapeamento por raios – X e perfis EDS, confirma-se de novo

pela figura 34 que não ocorreu difusão significativa dos elementos. O Fe (verde) é o único

elemento que se difunde, passando para o metal duro, sendo no entanto em pequena

quantidade e numa espessura muito reduzida de acordo com a figura 35.

Figura 34 – Mapa de raios – X duma zona de ligação entre o metal duro e o ferro fundido.


35

Figura 35 – Perfil EDS realizado sobre a interface metal duro – ferro nodular.

8.3 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com níquel

Com a contínua formação de ledeburite na zona de ligação decidiu-se aumentar a massa de

ferro passando de 1300g para 3100g. Com esta alteração pretendeu-se diminuir a cinética de

arrefecimento e simultaneamente exercer mais pressão (pelo peso do ferro), sobre as placas de

metal duro no sentido de favorecer a difusão. As placas de metal duro foram também

revestidas por electrodeposição com uma camada de níquel de 0,5 mm de espessura. Na

figura 36 está representada uma fotomicrografia da interface obtida.


36

Figura 36 – Fotomicrografia da zona da interface entre os dois materiais.

Pela observação a pequenas ampliações é perceptível inexistência de ledeburite na zona de

ligação, o que nos leva a afirmar que o aumento da massa de ferro se traduz num

arrefecimento mais lento promovendo a reacção estável do ferro. Através da figura 37 pode-se

verificar, também, a existência de uma fissura ao longo da interface entre os dois materiais.

Figura 37 – Fotomicrografia evidenciando a fissura no revestimento de níquel.

Ferro nodular

Camada niquelada Fissura

Metal duro

Ferro Nodula

Camada niquelada

Camada niqueladaFissura

Metal Duro


37

Apesar do Ni conseguir realizar uma boa ligação com o Fe e com o metal duro, por

contracção do ferro desenvolveram-se forças suficientes para “cortar” o Ni.

8.4 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de cobre

Neste vazamento foram operadas mais duas alterações em relação ao procedimento que se

vinha adoptando.

Uma vez que o problema da fissuração ao longo da interface persistia, decidiu-se aumentar

ainda mais a massa de ferro, passando de 3100g para 30500g, prevendo-se que esta alteração

melhorasse os fenómenos de difusão, através da permanência das placas mais tempo a altas

temperaturas e da acção de uma força de compressão maior, devido ao maior peso em ferro.

A outra alteração foi o revestimento da placa de metal duro. Resolveu-se revestir as placas de

metal duro com uma liga de cobre com 1 mm de espessura, correntemente utilizada como liga

de brasagem na ligação de metal duro a aço. Este filete de cobre foi soldado ao metal duro

como se mostra na figura 38.

Figura 38 – Filete de cobre soldada à placa de metal duro.

Pela observação da figura 39, é possível constatar-se que realmente ocorreu difusão entre os

dois materiais, apesar da espessura de difusão ser relativamente pequena e da ordem dos 0,5

mm, de acordo com os resultados obtidos com o perfil de durezas realizado sobre a interface

(figura 40) e de concentração dos elementos (figura 41) obtidos na interface.


38


Figura 40 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de uma “linha” perpendicular à

interface entre os dois materiais. A interface é representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.

Figura 41 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro fundido passando pela interface.

Metal duro

Interface

Ferro fundido


39

É perceptivel, pela análise dos gráficos anteriores, que a interface de difusão é de cerca de

0,5mm. Pelo gráfico da figura 40, podemos também verificar que os elementos que se

movimentam durante a difusão são o Fe e o W, uma vez que o Co só existe na zona de metal

duro diminuindo a sua concentração à medida que nos afastamos da interface. Verifica-se

também que o W se difunde mais para o lado do ferro nodular do que o Fe para o lado do

metal duro. Este facto pode ser explicado pelas diferenças do coeficiente de difusão do Fe no

metal duro e do W no ferro nodular ou pela intensa reacção entre o metal líquido e a

superficie do metal duro, induzindo a formação de uma fase líquida e o arrastamento de

partículas WC para o ferro (figura 42).

Figura 42 – Zona de interface entre o metal duro e o ferro nodular.

No entanto, é possível observar um segundo pico no gráfico das durezas o qual é

correspondido, no gráfico de EDS, a um aumento do elemento W e uma diminuição do

elemento Fe. Ao observarmos a interface numa menor ampliação, realmente é perceptível

uma faixa onde existe uma maior concentração de partículas de WC, como se pode observar

na figura 43.

Metal duro

Interface

Ferro fundido


40

Figura 43 – Zona de interface com menor ampliação.

Figura 44 – Zona de concentração de partículas de WC.

Pela observação geral em SEM da microestrutura (figura 45), pode confirmar-se a exisência

do WC na zona de interface e numa segunda zona que corresponde ao segundo pico no

grafico de durezas (figura 41). Nesta fotomicrografia, as zonas mais claras correspondem às

particulas de WC porque são partículas com maior numero atómico que o ferro (zona

Faixa com partículas de WC


41

cinzenta), visto que foi usado o método de análise com electrões retrodifundidos, que dá

origem a um contraste característico relacionado com o número atómico dos elementos.

Figura 45 – Imagem SEM da zona de interface.

Esta faixa supõe-se que terá sido “arrastada” pelo cobre que estava à superfície da placa e

aquando do vazamento, ao entrar em contacto com o metal líquido, fundiu e arrastou consigo

partículas de WC. O aparecimento desta faixa só se verifica na superfície da placa de metal

duro com cobre soldado. O cobre, como era em pequena quantidade, provavelmente difundiu-

se no ferro o que explica a sua ausência nos espectros de elementos químicos (ver figura 46).

Faixa com partículas de WC


42

Figura 46 – Espectro de concentração de elementos químicos na zona de interface.

O espectro representado na figura 46 foi efectuado na zona próxima à interface entre o metal

duro e o ferro fundido. Pode-se verificar que os elementos que estão em maior concentração,

nesta zona, são o W e o Fe, não se observando qualquer pico de concentração correspondente

ao Cu.

Na tabela 8 estão representados as quantidades ponderais dos principais elementos, nesta

mesma zona, verificando-se que os valores de Cu são praticamente nulos o que vem confirmar

o que foi dito anteriormente sobre o Cu.

Tabela 8 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na zona da interface,

obtidas em EDS.


43

Na zona de interface são visíveis ainda bolsas em que o efeito carburígeno do W se evidencia

pela existência de zonas praticamente isentas de nódulos de grafite. Analisando esta zona a

maior ampliação (ver figura 47a), verifica-se que o carbono se encontra combinado na forma

de “esqueletos” tendo sido identificados carbonetos de W. Este pormenor está indicado na

figura 47b.

Interpretamos a ocorrência destes carbonetos como uma consequência do metal líquido ter

digerido parte das partículas de WC durante o vazamento. Assim sendo formaram-se

carbonetos ricos em W durante a solidificação, segundo a reacção eutética, na versão

metaestável:

L = γ + M7C3

e que L, γ e M7C3 simbolizam a fase líquida, a austenite e os carbonetos de W,

respectivamente.

a) b)

Figura 47 – a) Forma tipo “esqueleto” de carbonetos de W; b) esqueleto analisado a maior ampliação.

Foi feito um espectro da zona 1 e zona 2, assinaladas na figura 47b, para comprovar que a

zona 1 é maioritariamente constituída por W com algum carbono o que pressupõe que é

constituída por carbonetos ricos em W (ver figura 48). A zona 2 é a matriz do material e,

como é na zona do ferro fundido, o Fe é o elemento químico predominante (ver figura 49).


44

Figura 48 – Espectro da zona 1



45

Neste vazamento já foi possível verificar alguma difusão entre os dois materiais, o que vem

reforçar a ideia que o aumento da massa de ferro é uma variável importante. Não podemos

afirmar, no entanto, que o uso de uma fita de cobre resultou numa ligação perfeita e

homogénea, visto que a difusão não ocorreu ao longo de toda a superfície, como podemos ver

na figura 50, onde se verifica o aparecimento de fissuração.

Figura 50 – Fissura na interface entre o metal duro e o ferro nodular.

8.5 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de prata

Uma vez que o aumento da massa de ferro proporcionou melhorias em termos da difusão,

decidimos manter a mesma quantidade de ferro, alterando apenas o revestimento das placas

de metal duro. Sendo assim, resolveu-se revestir as placas de metal duro com uma liga de

prata (ver figura 51), tal como no caso da liga de cobre, que também é uma liga muito usada

na brasagem de metal duro a aço. Os resultados estão documentados na figura 52.

Figura 51 – Fita de prata soldada à placa de metal duro.

Fissura


46


Tal como se verificou com o cobre, também a prata se difunde no ferro quando entra em

contacto com o metal líquido, arrastando consigo particulas de WC. Como podemos

constactar, pela análise da tabela 9, os valores de concentração do Ag são insignificantes, o

que pode indicar que possivelmente este elemento se difundiu no ferro no momento do

vazamento.

Tabela 9 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na zona da interface,

obtidos em EDS.

Wt (%)

Amostra Ag Fe Co W Total

Ag_Z1 0,28 3,13 5,94 90,65 100 Ag_Z2 0,14 0,28 8,71 90,88 100 Ag_Z3 0,6 24,03 3,08 72,29 100 Ag_Z4 0,56 86,62 3,37 9,45 100 Ag_Z5 0,45 50,15 2,69 46,72 100 Ag_Z6 0,36 94,01 2,12 3,51 100

Continua a observar-se uma faixa de particulas de WC afastada da interface, sendo que, neste

caso, a faixa tem maior espessura (ver figura 54, 2º pico do gráfico) do que a observada no

ponto anterior. Este facto pode ser explicado possivelmente pelo baixo ponto de fusão da

prata em relação ao cobre. Sendo assim, a prata funde mais rapidamente e permanece mais

tempo no estado líquido o que favorece a difusão dos elementos.

Este revestimento, por sua vez, proporciona uma difusão ao longo de toda superficie revestida

sem qualquer tipo de fissuras, mas em contrapartida as espessuras de difusão são mais


47

pequenas (cerca de 0,35mm) e heterogéneas do que no caso do revestimento com cobre, como

podemos observar pela análise dos gráficos das figuras 53 e 54.


interface entre os dois materiais. A interface é representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.


Apesar de aparentemente não existirem fissuras com este revestimento, o facto de ter uma

espessura de difusão heterogénea e pequena, não dá garantias de um bom desempenho quando

for sujeita a forças mecânicas.

(mm)


48

8.6 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com a “liga de

encapsulamento”

No sentido de aumentar a espessura de difusão entre o metal duro e o ferro nodular,

submeteram-se as placas de metal duro a um outro revestimento com uma liga, no sentido de

melhorar a qualidade das ligações obtidas. A este procedimento e material deu-se o nome de

“liga de encapsulamento” cujos detalhes de realização não são abordados, dado que

configuram um processo industrial sigiloso, com elevado potencial económico. As placas de

metal duro foram então sujeitas a um tratamento de encapsulamento a alta temperatura. A

figura 55 apresenta algumas fotomicrografias das interfaces obtidas entre a placa de metal

duro e a liga de encapsulamento.

Figura 55 – Zona de interface entre o metal duro e a liga de encapsulamento (interface 1).

Depois de se realizar o tratamento de encapsulamento a alta temperatura, analisou-se a

interface entre o metal duro e a liga que contém ferro. Pela observação da figura 55 é possível

verificar que a interface entre os dois materiais é totalmente homogénea ao longo de todas as

superfícies e que se estende por uma espessura de cerca de 1 mm como podemos comprovar

pela análise dos gráficos de EDS e de dureza (figuras 56 e 57).

Metal duro

Interface 1

Liga de encapsu lamento


49


interface entre os dois materiais. O ponto zero identifica uma zona no ferro nodular, e os restantes pontos

são retirados na direção do metal duro.


O processo de união ocorre com o movimento, principalmente, das particulas de WC para a

liga de encapsulamento. O ferro da liga de encapsulamento também se movimenta na direção

do metal duro mas em menores quantidades e menor profundidade como se pode comprovar

pela observação dos mapas de raios – X (figura 58 e 59).


50

Figura 58 – Mapa de raios – X do elemento Fe na interface.

Figura 59 – Mapa de raios – X do elemento W.

Após este tratamento de encapsulamento, o conjunto (metal duro/liga de encapsulamemto) foi

colocado na cavidade de moldação onde foi vazado ferro nodular a 1420ºC. Os resultados

obtidos sugerem que a liga de encapsulamento auxiliou o processo de ligação do metal duro

com o ferro nodular, como se pode constatar na figura 60. Realce-se também a perfeita

distribuição dos nódulos de grafite na matriz da liga de encapsulamento, conforme mostra a

figura 62, comprovando a ocorrência de processos de difusão.

Interface 1

Metal Duro

Liga de encapsulamento

Interface 1

Metal Duro



51

Figura 60 – Imagem SEM da zona de união, ilustrando as duas interfaces.

Figura 61 – Zona da interface 2 entre o ferro nodular e a liga de encapsulamento.

Metal duro


Ferro nodular

Interface 1

Interface 2


52

Figura 62 – Interface 2; nódulos de grafite distribuídos desde o ferro nodular até à liga de

encapsulamento.

Neste ensaio foi também controlada a temperatura de arrefecimento do conjunto. Para isso, foi

colocado um termopar no interior da moldação, encostado a uma das placas de metal duro. O

registo de temperaturas obtido durante e após o vazamento está presente no gráfico da figura

63.

Figura 63 – Registo da temperatura desde o momento do vazamento até à estabilização da temperatura.

Este registo sustenta a ideia de que só o facto de aumentar a massa de ferro não é suficiente

para se obter uma ligação por difusão entre estes dois materiais. Pela análise do gráfico,

verifica-se que as placas só permanecem a temperaturas superiores a 1000ºC nos primeiros

segundos em que entram em contacto com o metal líquido, arrefecendo bruscamente até cerca


53

de 400ºC. Este grau de metal duro sinteriza a 1370ºC e os poucos segundos que está sujeito a

temperaturas próximas de 1000ºC não são suficientes para a formação de fase líquida. Sendo

assim, é necessária a presença de uma liga intermédia que facilite a ligação entre os dois

materiais e que não necessite de temperaturas tão elevadas para promover a ligação com o

ferro nodular.

Com o último tratamento superficial das placas de metal duro aqui desenvolvido, conseguiu-

se obter também uma ligação por difusão homogénea, sem fissuração, e com uma espessura

significativamente superior às anteriores, o que sugere que este tratamento foi o mais

adequado para a concepção deste novo material compósito.

8.7 – Considerações finais Os conhecimentos adquiridos no meio académico e a experiência e natureza objectiva de uma

empresa, permitiu-nos chegar aos resultados agora apresentados. A nível científico é digno de

registo realçar a notável melhoria da ligação entre o metal duro e o ferro nodular ao longo do

trabalho, graças à acção de um revestimento da superfície das placas de metal duro, com uma

“liga de encapsulamento”. Do ponto de vista tecnológico, o facto de apenas ser possível a

produção de peças com pouca complexidade torna-se a maior das limitações deste produto.

9 – Conclusões a) O trabalho evidencia a possibilidade de incorporar placas de metal duro em peças de

ferro fundido, directamente a partir do vazamento.

b) Dentro das geometrias ensaiadas, a geometria das placas de metal duro não tem

influência na ligação.

c) Quanto mais demorado for o arrefecimento maiores probabilidades de se obter uma

ligação por difusão:

i. Utilizar moldação com meia moldação superior.

ii. Aumentar a massa de ferro.

d) A ligação só é conseguida se as placas de metal duro forem revestidas.

e) As condições experimentais que levaram a uma melhor ligação foram as obtidas com

o revestimento com a liga de encapsulamento.


54

f) Foi conseguida uma ligação homogénea ao longo de todas as superfícies de contacto.

g) A espessura máxima de difusão que se obteve foi de cerca de 1 mm para as placas

revestidas com a liga de encapsulamento; para as placas revestidas com cobre e prata

este valor decresce para cerca de 0,5 e 0,35 mm, respectivamente.

h) As temperaturas que envolvem o processo de vazamento não permitem, por si só, uma

ligação com boa sanidade.

i) O W é o elemento que mais se movimenta no processo de difusão, sendo que o ferro

apenas se movimenta numa pequena quantidade para a zona do metal duro.

j) A dureza na interface de difusão, tem um valor médio da ordem de 600 HV, que é

aproximadamente 3 vezes superior à dureza do ferro nodular.


55

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