Capítulo II Revisão bibliográfica
2.3. Ferros Fundidos Branco de Alto Cromo
Os ferros fundidos branco de alto Cromo, FFBAC, são basicamente ligas de Fe-Cr-C com Carbono variando de 1,5% a 4,0% e o Cromo entre 11% e 30%. Estas contêm ainda Silício, Manganês, Fósforo e Enxofre trazidos pelas matérias primas. Sua microestrutura é constituída de carbonetos do tipo M7C3 de elevada dureza (normalmente entre 1300 e 1800HV0,05) embutidos
em uma matriz tratada termicamente (Albertin, Sinatora, 1991).
O Cromo em teores de 1,0% a 4,0% aumenta a dureza e a resistência ao desgaste, porque estabiliza a cementita e impede a formação de grafita. Em teores de 12% a 35% confere também resistência à corrosão e à oxidação a altas temperaturas, além de aumentar a resistência à abrasão devido à formação de carbonetos de elevada dureza (Chiaverini, 1996).
O Cromo e o Carbono combinados aumentam a temperabilidade na medida em que a relação Cr/C se eleva (Maratray, 1970).
Os FFBAC são comumente utilizados na fabricação dos componentes das bombas de polpa. A elevada resistência ao desgaste erosivo desses ferros fundidos é devido à presença de carbonetos ricos em Cromo do tipo M7C3 embutidos em uma matriz composta normalmente de
martensita e austenita retida. A matriz tem como função básica dar suporte mecânico aos carbonetos, que são os responsáveis diretos pela redução da taxa de desgaste (Llewellyn, 2004).
A constituição dessa matriz pode ser amplamente alterada através de tratamentos térmicos. Esses tratamentos consistem da desestabilização da austenita, seguido de um resfriamento ao ar, que propicia a formação de uma matriz contendo martensita, austenita retida e carbonetos do tipo M3C, M7C3 e M26C6 (Maratray, 1991).
O desempenho de peças fabricadas com ferro fundido branco de alto Cromo está também fortemente ligado à constituição da matriz. A alteração do seu estado através do tratamento térmico pode levar a uma significativa modificação nas propriedades tribológicas da liga (Turenne, 1989). Portanto, as melhores combinações de teores de austenita retida, fração volumétrica de carbonetos e composição devem ser determinados para cada tribosistema.
Um aumento maior na resistência ao desgaste dos ferros fundidos pode ser obtido com a introdução de outros elementos de ligas além do Cromo, que levam à formação de carbonetos de Nióbio, Tungstênio e/ou Vanádio (Gregolim, 1990, Guesser, 1989, Arikan, 2001 e Chen, 1993). O Molibdênio, adicionado em teores de até 3%, proporciona um considerável aumento na temperabilidade dos ferros fundidos brancos, além de favorecer a formação de carbonetos secundários do tipo M2C (Maratray, 1971).
O Molibdênio é o elemento mais comumente adicionado às ligas de FFBAC, o mesmo, tem um efeito equivalente a um terço do cromo no que diz a respeito ao aumento da profundidade de coquilhamento. O Mo endurece e melhora a tenacidade à fratura da matriz perlítica. Em combinação com Ni e Cr ou ambos, leva a formação de uma matriz martensítica em vez de perlítica e melhora, em consequência a resistência a abrasão. Ferros fundidos brancos com 12 a 18% de cromo, usados em peças fundidas resistente ao desgaste, apresentam uma melhora desta resistência, quando adicionado de 1 a 4% de Mo, pois a matriz perlítica é suprimida, mesmo com resfriamento lento característico de seções mais espessas (Chiaverini,1996).
O Vanádio como elemento de adição as ligas de FFBAC, além da formação de carbonetos tipo VC, implica em uma redução do carbono disponível na matriz. Radulovic e Tomovic (1994) concluíram que uma liga de Fe-C-Cr-V, contendo 3,28%V mostrou maior resistência à abrasão. Esta liga apresentou uma maior fração volumétrica de carbonetos, uma estrutura mais fina e uniforme, uma menor distância entre os carbonetos M7C3, que contribuíram para melhorar a
resistência ao desgaste abrasivo.
O Titânio é também um forte elemento formador de carbonetos, similar ao Cromo, Molibdênio, Nióbio e Vanádio. Arikan (2001) estudou o efeito da adição de até 0,38% de Ti e o tratamento térmico sobre a resistência a abrasão de um ferro branco comercial CrMo 15 3, e concluiu que houve um incremento na resistência ao desgaste abrasivo e aumento da dureza.
A influência de adições de Nióbio em ferros fundidos brancos ligados ao Cromo é discutida por Guesser (1989), onde estão envolvidos, simultaneamente, os mecanismos de corte e de nucleação e propagação de trincas. Os teores recomendados de Nióbio dependem da intensidade de atuação de cada mecanismo. Assim em situações onde prepondera o mecanismo de nucleação e propagação de trincas, os melhores resultados foram obtidos com cerca de 1% de Nióbio, enquanto teores até 3% são indicados para solicitações onde o mecanismo de corte é o mais importante. Em componentes nos quais atuam os dois mecanismos, a adição recomendada deveria situar-se entre estes dois valores (1 a 3%), dependendo então da intensidade relativa dos mecanismos de desgaste atuantes. Os efeitos do Nióbio seriam decorrentes, principalmente, da presença do carboneto NbC, de alta dureza, e da maior disponibilidade de Cromo na matriz, aumentando a temperabilidade da liga.
O carboneto de Nióbio pode apresentar-se sob a forma poligonal (compacta) ou ainda alongada (bastonetes). À medida que se aumenta o teor de Nióbio, a forma do NbC tende a se modificar de alongada para compacta (Cemil, 2006).
A adição de Nióbio, dependendo do teor, pode levar à formação tanto de carbonetos primários NbC, quanto eutéticos em ligas ferrosas, Riedl (1983), Fischmeister (1989) e Sawamoto (1986). Esses carbonetos apresentam uma dureza de cerca de 2400 HV0,05 e uma tenacidade à
fratura de cerca de 2,4 MPa m exp 0,5, Berns et al. (1997). Essa dureza é consideravelmente superior à da areia (óxido de Silício), sendo, portanto um carboneto eficaz no combate ao desgaste erosivo, desde que a erosão frágil não venha a atuar.
Guesser (1989) observou em ligas desestabilizadas a 950ºC e revenidas a 250ºC, nas situações de elevadas solicitações tribológicas (microlascamento predominante), a adição ótima de Nióbio deveria ser de 1%. Em situações com predominância do microcorte e microsulcamento o teor ótimo deveria ser de 3%. Chen (1993) por sua vez, notou que a adição de Nb pode melhorar a resistência ao desgaste abrasivo em ensaios do tipo roda de borracha a úmido. O valor ótimo de Nb encontrado foi de cerca de 1,7 % de Nb.
A substituição de parte de Mo por Nb, no projeto de ligas pode ser utilizada, mantendo-se ainda a temperabilidade necessária (Guesser, 1989).
Em ensaios realizados em FFBAC no hidroabrasômetro, equipamento projetado e construído para simular o desgaste erosivo de bombas de mistura água/minério de cassiterita, pôde-se constatar que a resistência ao desgaste erosivo é maior nas amostras com maiores teores de Carbono e Cromo. Além disso, a adição de Molibdênio eleva consideravelmente a resistência ao desgaste erosivo (Máscia, 2002).
A Figura 2.14 apresenta os resultados para ensaios de desgaste abrasivo a dois corpos (Máscia, 2002) em ligas 15Cr2Mo, variando o teor de Nióbio de 0,0% a 1,5% e a temperatura de desestabilização da austenita. Observa-se que a taxa de desgaste cresce significativamente com o aumento da temperatura de revenimento, com exceção da liga contendo 0,0% de Nb desestabilizada a 950°C. Nessa condição a taxa de desgaste no estado temperado foi bem superior à observada na condição revenida a 200°C.
Nota-se que a adição de Nb nas ligas 15Cr2Mo, leva inicialmente a uma redução na taxa de desgaste, passando por um mínimo entre 0,5% e 1,0% de Nb. A seguir, a taxa de desgaste cresce. Exceção é feita à liga 15Cr2Mo1,5Nb desestabilizada a 1050°C e revenida a 500°C. Nesse caso a taxa de desgaste permaneceu praticamente constante com o teor de Nb.
A temperatura de desestabilização, por sua vez, tem um forte efeito sobre a taxa de desgaste. De modo geral, as taxas de desgaste observadas nas amostras tratadas a 1050°C tem um desempenho significativamente superior ao das ligas tratadas a 950°C.
Na Figura 2.14-f observa-se, de um modo geral, uma redução na taxa de desgaste abrasivo com o aumento da temperatura de desestabilização. Esse efeito é bastante pronunciado na liga 15Cr2Mo, onde a redução observada é de mais de 40% na taxa de desgaste.
Figura 2.15 - Influência do teor de Nióbio e da temperatura de desestabilização da austenita ( 950°C e 1050°C) na taxa de desgaste abrasivo a dois corpos das ligas no estado: a) Temperado; b) Revenido a 200°C; c) Revenido a 300°C; d) Revenido a 400°C; e) Revenido a 500°C e f) Efeito da temperatura de austenitização na taxa de desgaste. (Máscia, 2002).