Tratamento de nodulização de ferros fundidos

O tratamento de nodulização consiste na adição de elementos que promovem a formação dos nódulos de grafita. O magnésio é o elemento mais empregado comercialmente na fabricação de ferro dúctil, pois permite obter a grafita na forma esferoidal (Brown, 2000; Santos e Branco, 1989), formando o nódulo de maneira mais regular e diminuindo o custo de produção.

Entretanto, outros elementos também podem formar os nódulos de grafita em ligas Fe-C-Si, mas nem todos permitem a obtenção de grafita em nódulos em condições industriais. Dentre os elementos que podem ser adicionados no tratamento de nodulização, além do magnésio e do cério, destacam-se o cálcio, lítio, bismuto, sódio, potássio, selênio, bário, estrôncio, zinco, escândio, samário, neodímio, lantânio, alumínio, silício, ítrio e telúrio (Santos e Branco, 1989; Dawson, 1971).

Santos e Branco (1989), baseando-se no trabalho de Lux (1972), enfatizam que os elementos nodulizantes eficientes em ligas comerciais devem possuir como características em comum, ampla afinidade com o enxofre e o oxigênio para formar produtos de reações estáveis, diminuindo assim, de forma drástica, os teores destes elementos em solução no banho metálico. Devem ainda possuir baixa solubilidade no ferro fundido, acentuada tendência para segregação durante a solidificação, bem como uma adequada afinidade com o carbono e uma baixa solubilidade na grafita.

Ao utilizar o magnésio, quer na forma pura ou na forma de ligas nodulizantes, deve-se considerar a importância do seu teor residual, ou seja, não deve exceder a certos limites, especialmente quando se emprega este elemento como nodulizante, uma vez que pode ocorrer a formação de carbonetos na solidificação, sendo então imprescindível efetuar-se o tratamento térmico posterior para a decomposição desta fase, o que de certa forma vai trazer custos para a sua produção e assim elevar o valor do produto final (Santos e Branco, 1989).

Destaca-se ainda, como problema observado quando os teores de magnésio são elevados, superiores a 0,10%, a formação de grafita degenerada, não nodular. Existe, por outro lado, um limite inferior para o teor residual de elementos nodulizantes, abaixo do qual não se obtém grafita exclusivamente na forma de nódulos. Os teores residuais de magnésio recomendado variam entre 0,04 e 0,08% (Santos e Branco, 1989; Brown, 2000). No entanto, Loper Jr. e Heine (1965), ressaltam teores residuais menores de magnésio, de apenas 0,02%, e até menos, considerando que o teor de enxofre seja reduzido.

Segundo Santos e Branco (1989) e Brown (2000), se torna mais simples a adição de magnésio quando se utilizam ligas de alto peso específico, tais como Ni- Mg (20% Mg) ou Cu-Mg (15% Mg). Entretanto, sob o ponto de vista econômico, foi de grande importância o desenvolvimento das ligas a base de Fe-Si-Mg, de 5 a 35% Mg, que podem conter ainda cálcio, cério e terras-raras.

2.4.2.1. Técnica de nodulização

As ligas Fe-Si-Mg, pelo seu menor custo, são consideradas os nodulizantes mais utilizados. Estas ligas, que possuem baixo peso específico, podem ser adicionadas por vários métodos, tais como por processo de injeção, espalhamento, imersão por sino, panela rotativa, agitador sueco e agitador alemão. Estes

Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

processos mencionados ocorrem para adição de ligas de magnésio com 5-35% de Mg. Entretanto, para processos de adição de ligas inferiores, ou seja, com 5-15% de Mg utiliza-se os seguintes processos, simples transferência, sandwich, adição de liga em pó ao jato de metal e proteção com escória (Santos e Branco, 1989; Brown, 2000).

Dentre os métodos de nodulização mencionados, um dos mais utilizado é o de imersão por sino, Fig. 17 (a), em que se utiliza uma panela estreita e alta, tendo uma relação de altura/diâmetro de 2:1, e uma tampa de ferro fundido (usada para impedir que o metal líquido seja projetado para fora da panela) no qual é fixado um sino de material refratário, que contém a liga nodulizante Fe-Si-Mg (Jenkins e Forrest, 2005; Brown, 2000; Santos e Branco, 1989). Esta técnica é normalmente empregada para ligas contendo elevado teor de magnésio.

Figura 17 – Esquema do tratamento de nodulização de imersão por sino (a), de simples transferência (b) e sandwich (c) (Santos e Branco, 1989; Brown, 2000).

Levantar e abaixar o dispositivo Tampa Ferro líquido Panela de tratamento Sino submerso Liga de tratamento a) Ferro líquido Panela de tratamento Liga de tratamento b) Ferro líquido Panela de tratamento Liga c) Cobertura com sucata

Os processos de simples transferência, para ligas com 5-15% de Mg, Fig. 17 (b), e de sandwich, para ligas geralmente com 5-10% Mg, Fig. 17 (c) são outras duas técnicas muito utilizadas para a nodulização. No primeiro processo, a liga de Fe-Si-Mg é depositada de um lado da panela sendo coberta com uma fina camada de sucata de ferro fundido ou pequenas chapas de aço. Em seguida, vaza-se o banho metálico no lado oposto da panela para retardar o início da reação.

Para a segunda técnica (sandwich), a panela de tratamento é dotada de um degrau no fundo, no qual é colocada a liga nodulizante e também coberta com uma fina camada (chapas) de sucata de ferro fundido ou pequenas chapas de aço. Procede-se à transferência do metal líquido do lado oposto àquele onde se encontra a liga nodulizante (Santos e Branco, 1989; Brown, 2000).

É importante considerar que independente da técnica utilizada, o Mg entra em ebulição a uma temperatura baixa (1090ºC) e assim ocorre uma reação violenta devido à alta pressão de vapor do Mg na temperatura de tratamento causando agitação violenta do ferro líquido e considerável perda de Mg na forma de vapor que acarreta fervura, produzindo uma luz brilhante durante o tratamento acompanhado de nuvens de fumaça de óxido de magnésio que então é vaporizado e atravessa o ferro líquido, diminuindo, portanto, o seu teor de enxofre e provocando a formação de grafita esferoidal (Chiaverini, 2012; Brown, 2000).

Na produção do ferro fundido nodular o magnésio atua como uma espécie de inibidor de curta duração, que retarda a formação inicial da grafita. Para tanto, o ferro fundido solidifica, inicialmente, com formação de cementita, em seguida, cessada a ação do magnésio, a cementita decompõe-se produzindo a grafita que se desenvolve por igual em todas as direções, resultando, deste modo, em uma forma esférica (Chiaverini, 2012).

Durante o tratamento com o Mg óxidos e sulfetos são formados no ferro resultando na formação de escória na superfície do metal. Esta escória deve ser removida completamente antes do vazamento nos moldes. É importante considerar ainda que o magnésio residual no ferro líquido, após tratamento oxida continuamente a superfície do metal, causando a perda de magnésio, que podem afetar a estrutura dos esferóides de grafita, além disso, a escória formada pode resultar em inclusões prejudiciais nas peças vazadas (Brown, 2000).

Contudo, ao se utilizar as técnicas de nodulização descritas, imersão por sino, simples transferência ou sandwich, é importante considerar as variáveis

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fundamentais que podem influenciar no processo, tais como composição química, temperatura do banho metálico, e relação área da superfície exposta ou o volume da panela de tratamento (Santos et al. 1974).

Em relação à composição química, como afirma Santos e Branco (1989), é de extrema importância o teor do enxofre do ferro base, pois o magnésio é um excelente dessulfurante. Deste modo, parte do magnésio utilizado é consumida sem atuar como nodulizante. Por isso muitas vezes é necessário proceder-se à dessulfuração do ferro fundido antes mesmo de se realizar a nodulização, quando existe uma elevada porcentagem de enxofre no banho.

Deve-se controlar ainda a temperatura do banho metálico, uma vez que temperaturas de tratamento muito elevadas proporciona um menor rendimento de magnésio, por causa de perdas mais acentuadas por oxidação e volatilização. Entretanto, a temperatura de nodulização não deve ser muito baixa, pois, deste modo, a temperatura de vazamento poderia alcançar valores inferiores aos necessários, para que possa ser evitado o desenvolvimento da cementita livre na microestrutura. Portanto, recomenda-se uma faixa de temperaturas de nodulização entre 1470-1510ºC (Santos e Branco, 1989).