Assim como já apresentado anteriormente nas propriedades mecânicas no tópico destinado ao ADI, este apresenta grande versatilidade, com o ciclo de
tratamento térmico de austêmpera, várias destas propriedades podem ser obtidas a partir de uma mesma liga, variando as temperaturas e os tempos de austêmpera [5].
O tratamento térmico denominado de austêmpera tem sido empregado em larga escala desde os anos 30 em aços. Nos anos 60, foram publicados os primeiros experimentos com o ferro fundido nodular austemperado, conduzidos pela
Internacional Harvester[52,59]. Um notável avanço ocorreu na década de 70 com
investigações pela General Motors nos Estados Unidos e também com Johansson na Finlândia, para substituir engrenagens em ferro fundido temperadas e revenidas [45]. Desde 1973, o nodular austemperado é utilizado industrialmente na Finlândia, sendo aplicado inicialmente em engrenagens, com o nome de KYMENITE.
Durante a fusão é importante o controle da composição química, das temperaturas do banho assim como o de vazamento e da inoculação para a nodularização, de forma a obter um fundido com nódulos de grafita e matriz que
garantam boas propriedades mecânicas após a austêmpera[85].
Segundo o autor abaixo citado, foram determinadas as austemperabilidades de 19 diferentes composições químicas de ferros fundidos nodulares com adições de cobre, manganês, molibdênio e níquel para diferentes temperaturas de austêmpera (300, 350 e 400ºC)[128]. Para todas as composições estudadas, os autores determinaram, por meio de análises metalográficas, o diâmetro máximo para o qual se evitava a formação de perlita [128].
Foi realizado um tratamento matemático nos resultados considerando os efeitos de sinergia dos diversos elementos presentes na composição química, e propuseram a seguinte equação para o cálculo do diâmetro crítico de austêmpera (DC)[128,129]:
Já para o cálculo do teor de carbono na austenita pode ser efetuado utilizando a equação abaixo apresenta boa correlação com os valores determinados
experimentalmente [121, 129, 130]:
onde:
T é a temperatura de austenitização; C é o teor de carbono em porcentagem; e Si é a quantidade de silício na liga.
O teor do cobre destaca-se pelo efeito perlitizante na matriz metálica [70]. No decorrer da reação, a difusão de carbono a frente das placas de ferrita torna- se mais difícil e o crescimento das placas de ferrita cessa, resultando em uma matriz austenita-ferrítica, chamada ausferrítica [6].
Com relação a segregação do silício próxima aos nódulos de grafita, esta é a razão da ausência de austenita nessas regiões nos primeiros estágios de austenitização [3]. O silício aumenta as temperaturas críticas superior e inferior, assim como o tamanho deste intervalo. Outros elementos, como o alumínio e molibdênio tem efeito similar ao do silício, de outra forma, o manganês, o níquel e o cobre reduzem as temperaturas críticas superior e inferior, bem como a distância entre elas. Entretanto, dada a grande quantidade de silício nos ferros fundidos, o efeito deste elemento deve ser especialmente considerado [9].
O tratamento térmico de austêmpera envolve a austenitização, seguida de resfriamento rápido até a temperatura de austêmpera, e manutenção nesta temperatura por certo tempo. A microestrutura resultante é composta por ferrita fina e de austenita estabilizada, denominada de ausferrita. Esta microestrutura confere propriedades mecânicas muito especiais a esta família de ferros fundidos nodulares[3].
A austemperabilidade do ferro fundido pode ser definida como a capacidade de ser resfriada a partir do campo austenítico, permitindo a obtenção da estrutura ausferrítica. Conceito este que difere da temperabilidade, no sentido em que se objetiva justamente evitar a formação de estruturas perlíticas durante o resfriamento, enquanto esta tem por objetivo evitar também a formação da estrutura bainítica e as
microestruturas de carboneto de ferro. A austemperabilidade depende não somente da composição química da liga, como também das temperaturas e tempos de austenitização e austêmpera, do meio em que o material é resfriado e da espessura da peça[121].
Ferros fundidos de espessuras abaixo de 20 mm, normalmente não são necessários elementos de liga para que não se atinja a formação da perlita antes de atingir o patamar de austêmpera. Nesse estágio, o tempo e a temperatura de austêmpera, bem como a temperatura de austenitização irão definir sensivelmente o resultado da transformação, uma vez que a difusão dos átomos de carbono pode ser estimulada ou dificultada, alterando a morfologia da microestrutura e consequentemente as propriedades mecânicas do material [66].
Quando se utiliza altas temperaturas de austêmpera, obtêm-se materiais com tenacidade à fratura mais elevada devido a maior quantidade de austenita na matriz, e ao maior teor de carbono da austenita, e a maior ductilidade do material[124,127]. Para as propriedades mecânicas, a uma mesma temperatura de austenitização, quanto maior a temperatura de austêmpera, menor será o limite de resistência e maior o alongamento, como mostra a figura 14 para faixas fixas de tempo [67,68, 131,132]:
Figura 14: Influência dos patamares de Austenitização e Austêmpera nas propriedades do ADI.
A cementita (Fe3C), geralmente é evitada no ADI. Essa fase é substituída por filmes de austenita rica em carbono, com ou sem carbonetos metaestáveis, o que depende da composição química e das condições de tratamento térmico[71].
Posteriormente a transformação da austenita em ferrita bainítica, tem-se a precipitação de carbonetos, que ocorre devido à temperatura de austêmpera ser mantida pelo tempo elevado, pois a austenita rica em carbono pode reduzir a energia livre pela rejeição de carbono, induzindo a precipitação de carbonetos dentro da austenita, até que a austenita seja praticamente consumida[76].
A taxa de nucleação de uma nova fase é função do intervalo de temperatura no qual se afasta um sistema em relação a uma temperatura de equilíbrio teórica[73]. Há divergência com relação aos mecanismos de transformação ou formação da bainita, se ocorre por difusão ou por cisalhamento. A formação da bainita ocorre pela nucleação de subunidades de ferrita a partir dos contornos de grão da austenita e que o crescimento da mesma se dá por nucleação de repetidas subunidades, formando feixes de ripas de ferrita bainítica, entremeadas ou não por dispersões de carbonetos,austenita retida e martensita[72,69].
Também com relação a temperatura de austenitização é dependente da composição química do ferro nodular e das propriedades mecânicas desejadas, assim como otamanho da seção [4,6,5].
Cada seção do agrupamento compõe feixes de bainita. A outra fase, a cementita (Fe3C), normalmente não existe no ADI. No lugar da cementita existem filmes de austenita rica em carbono, com ou sem carbonetos metaestáveis, o que depende da composição química e das condições de tratamento térmico[71].
Para o sistema de arranjos onde se formam discordâncias na interface ferrita e austenita, os núcleos estão aleatoriamente dispersos e as taxas de nucleação e crescimento permanecem constantes durante a transformação[73].
Figura 15: Mecanismo de nucleação da Ferrita no ADI.
A figura 15 mostra a nucleação de ferrita, composta da interface entre grafita e austenita e no interior deste núcleo o surgimento de dentritas de ferrita ou ferro (alfa), sendo que no interior do núcleo o surgimento de austenita ou ferro(gama) com alto teor de carbono na sua matriz. Este crescimento ocorre simultaneamente com a difusão do carbono para a austenita. A medida que a austenita enriquece de carbono, vai-se inibindo a formação das agulhas de ferrita até cessar a transformação.
Ao término do primeiro estágio da reação têm-se uma microestrutura formada por ferrita acicular e austenita de alto carbono [80].
O termo “Janela de Processo” como o período de tempo e temperatura, em patamar de austêmpera, que consiga produzir em um determinado material com a microestrutura ausferrítica, sem a presença de carbonetos prejudiciais às propriedades do ADI[86].
Figura 16: Diagrama esquemático da janela de processo.
Fonte: [133]
A figura 16 mostra de forma indicativa como se define a janela de processo de um determinado material, limitando-a entre o início do Estágio I e o início do Estágio II. A janela do processo é um intervalo de tempo em que se obtém a estrutura ausferrítica no ADI.O mecanismo de transformação irá cessar quando todo o carbono disponível na matriz para esta reação, seja pela formação da ferrita ou pela decomposição parcial da cementita saturar a austenita. Após ocorrer a saturação, ocorrerá o fenômeno onde a austenita sob determinadas condições não consegue mais absorver carbono provindo do crescimento ferrítico, então se inicia a formação
de carboneto de ferro(Fe3C) [86]. O controle dos elementos residuais da composição química com potencial para formação de carbonetos estáveis como o manganês deve ser rigoroso. Os principais fatores que podem influenciar essa transformação são [66,86]:
• Composição química: influenciada principalmente pelo carbono equivalente, mas também por teores de elementos que facilitam ou dificultam a temperabilidade do material;
• Contagem de nódulos acima de 100/mm2;
• Presença de defeitos como carbonetos, micro porosidades e outras inclusões que não devem ultrapassar 1,5%.
Todos estes fatores tratam basicamente do suprimento de carbono na matriz, seja presente em nódulos de grafita ou em perlita, fase presente na fase bruta de solidificação, pois alteram a mobilidade dos átomos e por consequência a difusividade de carbono na matriz e influenciam diretamente na determinação da janela de processo do material.
Cada situação deve ser avaliada para que se obtenha os resultados desejados, como exemplo, as análises pontuais do autor, mostraram que a “janela do processo” se encontra na temperatura de austêmpera de 370°C, e tempo de 15 a 210 minutos[85].
Na decomposição isotérmica da austenita, em temperaturas abaixo da baía da curva TTT, a transformação é rápida e resulta na formação de um produto isento de carbonetos, descrito na literatura como bainita superior isenta de carbonetos ou ferrita pró-bainítica, inicialmente denominada apenas de ferrita bainítica [70].
Figura 17: Diagrama TTT para Ferro Fundido Nodular Não Ligado.
A partir da figura 17, para tornar possível a estabilização da temperatura de transformação adequada à formação da ferrita, dentro da janela do processo, é necessário um meio que consiga resfriar o material rapidamente a ponto de não atingir a curva de formação da perlita, assim como estabilizar a temperatura nas faixas de transformação do ADI que são tipicamente utilizadas entre 320°C a 400°C [86].
De acordo com o autor citado na figura 17, o banho de austêmpera deve obedecer as taxas de resfriamento da ordem de 6°C/s sem alcançar a curva de formação da perlita.
Tabela 12:Transformações de estado sólido no ciclo de Austêmpera.
Fonte: [86]
Segundo a tabela 12, o processo de tratamento térmico de austêmpera com objetivo alcançar a microestrutura ausferrítica, que consiste numa mistura de ferrita acicular e austenita de alto teor de carbono se dá em patamar isotérmico de temperatura e, para que esta transformação seja completa, é necessário um ciclo adequado de tratamento, onde podem ocorrer duas etapas conforme descrito na tabela.
Figura 18: Representação esquemática da concentração de austenita de alto carbono em função do tempo de austêmpera, apresentando os dois estágios da reação e a “janela de
processo”.
Como nas demais transformações no estado sólido, o tempo de permanência a temperatura de austêmpera é fundamental. Pouco tempo significa em transformação incompleta uma vez que a austenita não saturou-se em carbono. Neste caso, nem toda austenita é estável na temperatura ambiente transformando-se em parte em martensita ao resfriar-se. Se o tempo for excessivo ocorrerá o segundo estágio da reação, onde a austenita decompõe-se em ferrita e carbonetos, fragilizando o metal. Tanto a martensita quanto a bainita são microestruturas indesejáveis no ADI [85].
Quando o banho metálico é aquecido a temperaturas muito elevadas ou permanece muito tempo em temperatura de fusão o superresfriamento necessário para solidificação torna-se maior. Isso faz com que o fundido ao resfriar-se no sistema metaestável, formando cementita na microestrutura, o que para este procedimento é indesejável [136]. Durante a solidificação, caso o superresfriamento ultrapassar a temperatura de equilíbrio metaestável, haverá a formação de ferro fundido branco. Caso contrário, haverá a formação de ferro fundido grafítico.
A figura 19 sobrepõe os diagramas ferro carbono estável e metaestável a fim de se evidenciar a diferença entre ambos.
Figura 19:Diagramas ferro-carbono estável e metaestável sobrepostos.
A seguir está a figura 20 composta pelo diagrama com os possíveis efeitos de se trabalhar fora da faixa de carbono equivalente recomendada são mostrados no diagrama de Henderson abaixo:
Figura 20: Efeitos de trabalho fora da faixa de carbono equivalente.
Fonte: [1]
O uso do ADI em temperaturas de serviço elevadas poderá resultar em perdas
de propriedades mecânicas. Isso ocorre porque o ADI desenvolve suas propriedades pelo tratamento isotérmico entre 235°C e 400ºC[52]. Temperaturas de uso acima do patamar isotérmico podem provocar mudanças micro estruturais.
2.6 COMPARAÇÃO ENTRE FERRO FUNDIDO CINZENTO E FERRO FUNDIDO