CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
VICTOR DE SOUZA MACCARINI
AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA EM UMA LIGA
DE FERRO FUNDIDO NODULAR CLASSE GGG50
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PONTA GROSSA 2018
VICTOR DE SOUZA MACCARINI
AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA EM UMA LIGA
DE FERRO FUNDIDO NODULAR CLASSE GGG50
Trabalho de conclusão de curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Me. Danillo Eduardo M. Ferreira
PONTA GROSSA 2018
TERMO DE APROVAÇÃO
AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA EM UMA LIGA DE FERRO FUNDIDO NODULAR DA CLASSE GGG50
por
VICTOR DE SOUZA MACCARINI
Este Trabalho de Conclusão de Cursofoi apresentadoem30de agosto de2018como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharelem Engenharia Mecânica. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso -
Prof. Me.Dannilo Eduardo Munhoz Ferreira Orientador
Profa. Ma.Sandra Mara Kaminski Tramontin Membro Titular
Prof. Me.Selauco Vurobi Júnior Membro Titular
Prof.Dr. Marcos Eduardo Soares Prof. Dr. Marcelo Vasconcelos de Carvalho
Responsável pelos TCC Coordenador do Curso
– O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso –
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus Ponta Grossa
Diretoria de Graduação e Educação Profissional Departamento de Engenharia Mecânica
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a minha Família por todo apoio recebido ao longo deste curso. Ao meu Irmão Felipe de Souza Maccarini, a minha Irmã Catiuscia de Souza Maccarini, a minha Mãe Solange Lopes de Souza, e a minha madrasta Luce Mara Leidens pelo apoio constante, mas principalmente ao meu Grande Pai José Vitorino Maccarini que além do apoio incondicional, proporcionou todas as condições para conclusão desta etapa da minha vida, e que permanece vivo aqui, em Mim!
Ao Professor Denílson José Marcolino de Aguiar pelas sugestões e primeiras orientações deste trabalho.
Ao Professor Dannilo Eduardo Munhoz Ferreira, em dar continuidade na orientação deste trabalho, assim como toda a sua ajuda em todos os momentos em que precisei.
Ao Professor Selauco Vurobi Junior por ter aceito o convite para participar da banca examinadora. Também agradeço ao professor e seus colaboradores por ter disponibilizado condições para realização do procedimento de tratamento térmico.
A Professora Sandra Mara Kaminski Tramontin por ter aceitado participar da banca examinadora, assim como sua contribuição na realização dos ensaios mecânicos.
A professora Heliety Rodrigues Borges Barreto, pela orientação na avaliação metalogáfica do material.
Ao Engenheiro de materiais Wilson Iraja Taborda Ribas Neto pela disponibilização do material tratado neste trabalho.
Ao Sr. Leori Vitório de Castro e seus colaboradores, responsáveis pelo trabalho de usinagem do material deste trabalho, e principalmente pela sua amizade e compreensão da necessidade da realização do trabalho naquele momento.
Por último e não menos importante, agradeço a Ana Paula Ferraro Cornelio por todo seu incentivo e ajuda, principalmente nos momentos mais difíceis.
RESUMO
MACCARINI, Victor.AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA EM UMA LIGA DE FERRO FUNDIDO NODULAR CLASSE GGG50. 2018. 122 f.Trabalho de conclusão de curso (Bacharel em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2018.
Este trabalho teve como finalidade verificar e posteriormente demonstrar os benefícios do ferro fundido nodular com tratamento térmico denominado austêmpera (ADI), com a submissão do material em ensaios específicos de tração, Impacto, dureza e caracterização metalográfica. Tanto o ADI quanto o material base (FN) passaram pelos mesmos testes para que se pudesse comprovar as diferenças após o tratamento térmico para modificar os valores das propriedades mecânicas do material. Inicialmente foram confeccionados os corpos de prova a partir do ferro fundido Nodular bruto de fundição da Classe GGG 50 com matriz ferrítica/perlítica fornecidos por empresa do ramo metal mecânico da região dos campos gerais no formato de corpos de prova do tipo Y, e posteriormente metade deles foram tratados termicamente. O material foi escolhido devido a ter bom volume de produção na empresa.Os parâmetros utilizados foram escolhidos por serem usualmente utilizados industrialmente, que foram a austenitização na temperatura de 900°C por 60 minutos e austêmpera em 400°C por 60 minutos. Os resultados dos testes foram avaliados comparativamente entre o ferro fundido nodular bruto de fundição (FN) e o mesmo na condição de austemperado (ADI), assim como com valores encontrados na literatura. Entre as vantagens, estão as possibilidades de se reduzir o tempo total de fabricação, os custos e disponibilidade dos processos quando comparado a outro material de mesmas propriedades mecânicas. O ferro fundido nodular austemperado (ADI) apresentou variação em seus valores comparado ao material base (FN), como por exemplo as médias de limite de resistência a tração, que passou de LR(FN)= 725.3 Mpa para LR(ADI)= 876.1 Mpa ou o limite de escoamento que passou de LE(FN)= 436.05 Mpa para LE(ADI)= 604.84 Mpa. Estes valores foram obtidos em testes de laboratório, demonstrando também a variação de valores na tenacidade, energia absorvida ao impacto, dureza e alongamento entre os dois materiais. Apresentando estas possibilidades de valores, este material mostra o seu potencial para uma ampla gama aplicações, sejam em substituição a ferros fundidos convencionais ou aços forjados que requerem vários processos de fabricação para atingirem sua forma final.
Palavras Chave:Ferro fundido nodular GGG 50. Ferro fundido nodular austemperado.
ABSTRACT
MACCARINI, Victor.EVALUATION OF THE AUSTEMPERING HEAT TREATMENT IN CAST IRON LEATHER NODULAR CLASS GGG50. 2018. 122 f.Trabalho de conclusão de curso (Bacharel em Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Ponta Grossa, 2018.
The purpose of this work was to verify and later demonstrate the benefits of nodular cast iron with a thermal treatment denominated austempering (ADI), with the submission of the material in specific traction tests, Impact, hardness and metallographic characterization. Both the ADI and the base material (FN) underwent the same tests so that differences could be verified after the heat treatment to modify the values of the mechanical properties of the material.Initially, the specimens were prepared from the nodular cast iron GGG 50 Class with ferritic / perlite matrix supplied by a metalworking company from the region of general fields in the form of type Y test specimens, and later half of them were heat treated. The material was chosen because of the good volume of production in the company. The parameters used were chosen because they are usually industrially used, which were the austenitization at the temperature of 900 ° C for 60 minutes and the temperature at 400 ° C for 60 minutes. The results of the tests were evaluatedcomparatively between nodular cast iron(FN) and the same in austempering condition (ADI), as well as with values found in the literature.Among the advantages are the possibilities of reducing the total time of manufacture, costs and availability of processes when compared to other material with the same mechanical properties. The austempering nodular cast iron (ADI) showed a variation in its values compared to the base material (FN), as for example the tensile strength limit values, which went from LR (FN) = 725.3 MPa to LR (ADI) = 876.1 MPa or the yield stress from LE (FN) = 436.05 MPa to LE (ADI) = 604.84 MPa. These values were obtained in laboratory tests, also showing the variation of values in the toughness, energy absorbed to the impact, hardness and elongation between the two materials. By presenting these value possibilities, this material shows its potential for a wide range of applications, either in place of conventional cast irons or forged steels that require various manufacturing processes to reach their final shape.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplos de morfologia típica da grafita encontrada em ferros fundidos...20
Figura 2: Diagrama metaestável Fe-Fe3C...22
Figura 3: Diagrama estável Fe-C-Si para uma liga contendo 2%Si...22
Figura 4: Distribuição dos veios de grafita no ferro fundido cinzento (Matriz perlítica com pequenas áreas de ferrita e veios de grafita)...24
Figura 5: Ferro Fundido nodular observado em MEV com ataque profundo...27
Figura 6: Microestrutura de um ferro fundido nodular bruto de fundição...29
Figura 7: Micrografia e microanálise química via EDS da amostra com 0,12% de antimônio...30
Figura 8: Faixa de temperaturas de coexistência de ferrita + austenita + grafita...30
Figura 9: Morfologia típica de um nódulo de grafita circundado por ferrita em uma matriz Perlítica...31
Figura 10: Reações eutetóides estável e metaestável, conduzindo à formação de microestrutura tipo "olho-de-boi"...32
Figura 11: Estrutura formada por agulhas de ferrita, placas de austenita e nódulos de grafita...35
Figura 12: Influência do número de nódulos de grafita no alongamento do nodular austemperado...36
Figura 13: dimensão (d) da célula ferritica...37
Figura 14: Influência dos patamares de Austenitização e Austêmpera nas propriedades do ADI...43
Figura 15: Mecanismo de nucleação da Ferrita no ADI...44
Figura 16: Diagrama esquemático da janela de processo...45
Figura 17: Diagrama TTT para Ferro Fundido Nodular Não Ligado...46
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”...47
Figura 19: Diagramas ferro-carbono estável e metaestável sobrepostos...48
Figura 20: Efeitos de trabalho fora da faixa de carbono equivalente...49
Figura 21: comparação entre a intensidade de tensões na grafita nodular e na forma de veios...51
Figura 22: propagação do calor para grafita paralela no plano basal...52
Figura 23: comparação de propriedades mecânicas de nodulares austemperados com outras classes de ferros fundidos nodulares...53
Figura 25: Forno para Austenitização Depto DEMA UEPG...60
Figura 26: Forno para Austempera em Banho de Estanho e Chumbo do Depto DEMA...60
Figura 27: Corpo de prova segundo ASTM 2004. (E 8M – 04_RTHN)...61
Figura 28: Corpo de prova de tração...62
Figura 29: Foto da Máquina de teste de tração...63
Figura 30: Foto do extensômetro...63
Figura 31: Ilustração corpo prova Impacto...64
Figura 32: Foto corpo prova Impacto...65
Figura 33:Imagem Ilustrativa martelo pendular...65
Figura 34: Foto do Martelo Pendular...66
Figura 35: Foto das amostras metalográficas embutidas na resina de poliéster...67
Figura 36: Corpo de prova metalográfico lixado e polido...67
Figura 37: Foto do microscópio óptico...68
Figura 38: Foto do corpo de prova para dureza Rockwell B (HRB)...69
Figura 39: Foto da Máquina de teste para dureza Rockwell B...69
Figura 40: Procedimento de usinagem de corpo de prova de tração...70
Figura 41: Temperatura em função do tempo durante tratamento térmico...71
Figura 42: Corpos de prova após tratamento de austêmpera...72
Figura 43: Corpo de prova fixado nas garras da máquina de tração...73
Figura 44: Corpo de prova de tração após a ruptura...73
Figura 45: Corpos de prova de impacto após ruptura...74
Figura 46: Marcador de energia após ruptura do corpo de prova de impacto...75
Figura 47: Ataque químico no Corpo de prova Metalográfico...75
Figura 48: Análise Metalográfica...76
Figura 49: Corpo de prova de dureza fixado no equipamento de teste...77
Figura 50: Corpo de prova de dureza...77
Figura 51: Durômetro com carga aplicada...78
Figura 52: Corpo de prova rompido...80
Figura 53: Gráfico Tensão X Deformação para Ferro Fundido Nodular...82
Figura 54:Gráfico Tensão X Deformação para Ferro Fundido Nodular Austemperado...83
Figura 55: Corpo de prova fraturado após teste de impacto...84
Figura 57: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em
100x...99
Figura 58: Imagem do Ferro Fundido Nodular classe ISO 1083/JS/500-7 com ampliação 100x...100
Figura 59: Imagem do Ferro Fundido Nodular classe ISO 1083/JS/700-2 com ampliação 100x...101
Figura 60: Quantidade de perlita na Matriz de20% a 50%...102
Figura 61: Quantidade de perlita na Matriz de 60 % até 90%...102
Figura 62: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em 200x...103
Figura 63: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em 400x...104
Figura 64: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em 1000x...104
Figura 65: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em 2000x...105
Figura 66: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular analisada em laboratório ampliada em 2000x...105
Figura 67: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Austemperado analisada em laboratório ampliada em 100x...106
Figura 68: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Austemperado analisada em laboratório ampliada em 200x...106
Figura 69: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Austemperado analisada em laboratório ampliada em 400x...107
Figura 70: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Ausferrítico ISO 17804/JS/800-10 ou 17804/JS/900-8 ampliada em 500x...108
Figura 71: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Austemperado analisada em laboratório ampliada em 1000x...109
Figura 72: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Ausferrítico ISO 17804/JS/800-10 ou 17804/JS/900-8 ampliada em 1000x...109
Figura 73: Imagem da Metalografia do Ferro Fundido Nodular Austemperado analisada em laboratório ampliada em 2000x...110
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: condutividade térmica dos constituintes metalográficos dos ferros fundidos...24
Tabela 2: Composição Química típica do Ferro Fundido Nodular...27
Tabela 3: Composição química dos ferros fundidos básicos para a produção de ferro fundido nodular...33
Tabela 4: Classificação para ferro fundido nodular...34
Tabela 5: Especificação para o ADI segundo a norma ASTM 897M (1990)...38
Tabela 6: Propriedades mecânicas dos materiais após tratamento térmico de Austêmpera...39
Tabela 7: Tenacidade à fratura e fator cíclico limiar de intensidade de tensão dos materiais austemperados...39
Tabela 8: Resultados para análise de micro dureza Vickers na Austenita...39
Tabela 9: Resultados para análise de Dureza Brinnell na Austenita...40
Tabela 10: Energia absorvida ao impacto para os diferentes tratamentos...40
Tabela 11: Resistência a tração para os diferentes tratamentos...40
Tabela 12:Transformações de estado sólido no ciclo de austêmpera...47
Tabela 13: Classificação usualmente utilizada no Brasil para ferros fundidos comerciais...50
Tabela 14: Composição Química do Ferro Fundido Nodular classe GGG50...58
Tabela 15: Classificação Ferro fundido Nodular GGG50...58
Tabela 16: Propriedades mecânicas dos materiais após tratamento térmico de austêmpera...79
Tabela 17: Norma DIN...80
Tabela 18: Resultados para análise de Resistência a Tração para o FN...81
Tabela 19: Resultados para análise de Resistência a Tração para o ADI...82
Tabela 20: Resultados de análise de Impacto para o FN...84
Tabela 21: Resultados de análise de Impacto para o ADI...84
Tabela 22: Resultados de Dureza Rockwell B (HRB) para o FN...85
Tabela 23: Resultados de Dureza Rockwell B (HRB) para o ADI...86
Tabela 24: Resultados dos ensaios mecânicos para o estado bruto de fundição e após tratamentos térmicos de austêmpera...88
Tabela 25: Resultados para análise de Micro dureza...89
Tabela 26: Resultados para análise de Resistência ao impacto...89
Tabela 28: Resultados dos ensaios de tração, dureza e microscopia ótica do ferro fundido nodular
bruto de fusão...90
Tabela 29: Resultados obtidos nos ensaios de tração e dureza...91
Tabela 30: Comparação das propriedades mecânicas para tração dos tratamentos térmicos...92
Tabela 31: Comparação entre resistência ao impacto dos tratamentos térmicos...93
Tabela 32: Comparação entre dureza após tratamentos térmicos...94
Tabela 33: Classificação do Ferro Fundido esferoidal/nodular segundo Normas ISO...95
Tabela 34: Classificação Ferro fundido Nodular GGG50 e GGG70...96
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 JUSTIFICATIVA ... 15 1.2 OBJETIVO GERAL ... 17 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 19 2.1 FERRO FUNDIDO ... 19
2.2 FERRO FUNDIDO CINZENTO ... 24
2.3 FERRO FUNDIDO NODULAR ... 26
2.4 FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMEPERADO ... 34
2.5 TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA ... 40
2.6 COMPARAÇÃO ENTRE FERRO FUNDIDO CINZENTO E FERRO FUNDIDO NODULAR ... 49
2.7 COMPARAÇÃO ENTRE FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO, FERRO FUNDIDO NODULAR. ... 52
2.8 APLICAÇÕES DOS FERROS FUNDIDOS ... 53
2.8.1 Aplicações do ferro fundido nodular ... 54
2.8.2 Aplicações do ferro fundido nodular austemperado ... 55
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 57
3.1MATERIAIS ... 57
3.1.1Material Bruto de Fundição ... 58
3.1.2 Forno para Austênitização ... 59
3.1.3Tratamento de Austêmpera em banho de chumbo e zinco ... 60
3.1.4Testes de Tração ... 61
3.1.4.1 Corpo de Prova de tração ... 61
3.1.4.2 Máquina de teste de tração ... 62
3.1.5Testes de Impacto ... 64
3.1.5.1 Corpo de prova para teste de impacto... 64
3.1.5.2 Máquina de teste para ensaio de impacto Charpy ... 65
3.1.6Microscopia ... 66
3.1.6.1 Amostras embutidas na resina de Poliéster ... 66
3.1.6.2 Resina de embutimento a frio ... 67
3.1.7Dureza Rockwell B (HRB) ... 68
3.1.7.1 Corpo de prova para dureza Rockwell B (HRB) ... 68
3.1.7.2 Máquina de teste de dureza ... 69
3.2MÉTODOS ... 70
3.2.1Usinagem ... 70
3.2.2Procedimento de austêmpera ... 70
3.2.3 Metodologia de ensaio de tração ... 72
3.2.4Metodologia de ensaio de impacto ... 74
3.2.5Metodologia de Microscopia ... 75
3.2.6Teste de Dureza Rockwell B (HRB) ... 76
4 PROPRIEDADES COMPARATIVAS, RESUTADOS E DISCUSSÃO ... 79
4.1RESULTADOS COMPARATIVOSENTRE FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO E FERRO FUNDIDO NODULAR OBTIDOS NESTE TRABALHO...80
4.1.1Teste de tração ... 80
4.1.2Teste de Impacto ... 83
4.1.3 Teste de Dureza ... 85
4.1.4Comparação dos resultados com os de outros trabalhos . ...87
4.2AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO MATERIAL RECEBIDO... 94
4.3AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO ADI ... 96
4.4ANÁLISE METALOGRÁFICA ... 97
4.4.1Análise Metalográfica do FN ... 99
4.4.2Análise Metalográfica do ADI ... 106
5 CONCLUSÕES ... 111
1 INTRODUÇÃO
O avanço das pesquisas em torno dos materiais e de suas propriedades tem possibilitado o emprego de elementos competitivos na indústria, principalmente na indústria Metal Mecânica. Como um conceito global, a indústria mundial busca a segurança e qualidade de seus produtos e serviços, que vem proporcionando a possibilidade de reduzir custos e otimizando as propriedades mecânicas e torna-las mais eficientes[88].
Dentre os materiais existentes, os ferros fundidos apresentam ótimas relações de custo benefício pelo processamento mais simples, seja pela menor necessidade de redução de carbono em sua composição ou devido a menor quantidade de processamentos. Quando comparados com os aços que são seus concorrentes em algumas aplicações, e aliados as várias possibilidades de realizar tratamentos térmicos, químicos ou termoquímicos. Além disto, seu custo de produção e processamento se torna menor quando comparados a materiais mais nobres, principalmente devido a sua abundância para extração do minério de ferro, também devido à grande quantidade de materiais de base ferrosa que são reciclados. A produção de ferros fundidos tem crescido muito nos últimos anos e representa grande parte do mercado dos materiais utilizados na indústria Metal Mecânica no mundo, e por isso, a busca contínua pelas melhorias de propriedades tem levado várias indústrias e também centros universitários ao desenvolvimento de várias pesquisas a fim de se manterem competitivas no mercado [91].
Sobre o mercado nacional, além dos ferros fundidos serem as ligas metálicas que possuem a mais elevada produção em termos de peças fundidas no mundo, no Brasil a produção de ferros fundidos tem aumentado significativamente [77].
Dentre os tipos de ferros fundidos, as principais classes se originam do ferro fundido bruto de fundição são o branco e o cinzento. Entre estes existem suas derivações, como o ferros fundido maleável, mesclado, de grafita compactada e o ferro fundido nodular, que é o alvo deste trabalho, porém com tratamento térmico.
Neste trabalho avaliou-se comparativamente os ganhos em termos das propriedades mecânicas de se realizar o tratamento de austêmpera em um ferro fundido nodular (FN), denominado ferro fundido austemperado, ou ADI (Austempered
Ductile Iron), sigla em inglês para ferro dúctil austemperado, comparando-o com o bruto de fundição e ou material base.
OADI iniciou uma geração de FN tratado termicamente pelo processo de austêmpera. Apresenta uma extensa aplicação industrial devido à combinação de suas propriedades mecânicas otimizadas em relação ao FN, a um baixo custo, quando comparado com os ferros fundidos convencionais, os aços forjados e até ligas de alumínio com ou sem tratamento. As suas propriedades mecânicas são resultantes da qualidade da peça fundida, do controle da composição química e de um tratamento térmico utilizando os parâmetros corretos [84].
Os ADI foram desenvolvidos a partir de classes brutas de fundição, obtidos após o tratamento térmico de austêmpera, em um material de elevada resistência mecânica, absorção de impacto e ganho em relação entre alongamento e resistência à tração, o que são características antagônicas em uma classe bruta de fundição. Tais propriedades são obtidas através do tratamento térmico de austêmpera, que proporciona uma microestrutura ausferrítica (ferrita acicular e austenita estável de alto carbono) [85].
O universo de possibilidades que as propriedades físicas e mecânicas que o ferro fundido ADI proporciona trouxe novamente esse material ao foco de desenvolvimento atual de materiais, uma vez que é possível obter as mesmas características de um ferro nodular clássico em uma seção resistente bastante reduzida. O material produzido possui boa relação resistência/peso resultando em projetos com aproximadamente 8% de redução de peso em relação aos aços equivalentes em uma comparação direta [86].
Como já citado anteriormente, este material se mostra extremamente competitivo, portanto, devido a sua demanda aumentam os interesses em obter maiores informações deste material.
De uma forma geral para o ADI, as informações disponíveis sobre propriedades e com relação a microestrutura são escassas e o aumento da utilização deste material em elementos de máquinas e estruturais sujeitos à fadiga, dependem da disponibilidade e confiabilidade de tais informações [83,84].
No Brasil, no início dos anos 2000, a produção e o interesse acadêmico pelo material eram incipientes, apesar de se ter excelentes condições para a fabricação do ADI, devido à disponibilidade de matéria-prima e à capacidade de produzirem fundidos de qualidade [84].
O tratamento térmico de austêmpera é realizado nos aços desde os anos 1930, passou a ser empregado também nos ferros fundidos a partir da década de 1960. Atualmente, é utilizado em larga escala em vários países, principalmente nos Estados Unidos e também no continente Europeu. Suas aplicações envolvem a indústria automobilística, a agricultura, os equipamentos de construção, a indústria ferroviária, armamentos e componentes de uso geral [52].
Industrialmente as investigações sobre as aplicações do ADI iniciaram na década de 70, na General Motors e nos estudos de Johansson, na Finlândia, objetivando fabricar engrenagens em ferro fundido nodular, inicialmente temperadas e revenidas [80]. Os estudos mostraram que no estado austemperado, o ferro fundido nodular apresentava propriedades mecânicas superiores a qualquer outro tratamento. Esta corrida industrial que se iniciou a partir dos anos 80, quando uma série de empresas e instituições desenvolveram pesquisa sem ADI, o que proporciona o acréscimo em qualidade [81].
Como pode se ver, o emprego deste material (ADI) tem crescido com taxas expressivas em todo mundo, principalmente no setor mecânico, o que se faz necessário como foi dito anteriormente, conhecer profundamente o comportamento, os limites e as possibilidades que o (ADI) tem a oferecer.
Para a avaliação dos efeitos da austêmpera em que o FN da classe GGG50foi submetido, foram escolhidos alguns tipos de comportamentos deste após o tratamento térmico, que foram julgados como mais importantes e podem revelar a dinâmica do material em comparação ao seu estado bruto de fusão.
As avaliações são:
- Avaliar o efeito do tratamento de austêmpera no limite de escoamento, de resistência a tração, alongamento e impacto do material.
- Avaliar os efeitos da austêmpera na microestrutura do material tratado termicamente. - Avaliar os efeitos de austêmpera na dureza do material.
O procedimento de austêmpera foi realizado inicialmente com pré aquecimento dos corpos de prova a 400°C, e posteriormente austenitização a uma temperatura de 900°C pelo tempo de 60 minutos e após, resfriamento e manutenção a temperatura de 400°C em um tratamento isotérmico pelo tempo 60 minutos em um banho de chumbo (60%) e estanho (40%), e posteriormente comparados ao material em seu estado bruto de fusão. Estes parâmetros foram escolhidos devido ao fato de serem usualmente utilizados em tratamentos industriais.
1.1 JUSTIFICATIVA
A necessidade da otimização dos processos e redução de custos se faz presente em todo o meio fabril para que o produto se mantenha competitivo no mercado devido à concorrência, e a possibilidade de oferecer bens e serviços menos onerosos, porém as exigências de qualidade mínimas devem ser mantidas para que o material não apresente falhas e quaisquer consequências negativas. Os ferros fundidos de uma maneira geral apresentam muitas limitações, porém apresentam uma quantidade reduzida de processos de fabricação se comparados por exemplo ao aço, e consequentemente tem seu custo reduzido ainda quando comparados, o que lhes dá margem para aplicações de tratamentos, como por exemplo o tratamento térmico. Portanto este trabalho tem como finalidade demostrar os ganhos em termos das Propriedades Mecânicas de um FN da classe GGG50 após um tratamento térmico de austêmpera, denominado ferro fundido nodular austemperado (ADI).
1.2 OBJETIVO GERAL
O objetivo Geral deste trabalho é avaliar as propriedades mecânicas deum FN da classe GGG50após o tratamento térmico de austempera em um banho de chumbo (60%) e estanho (40%) para obtenção de um ferro fundido nodular austemperado.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Avaliar os procedimentos para o tratamento térmico de austêmpera, no que se refere aos parâmetros gerais do processo;
- Avaliar comparativamente com o ensaio de tração as propriedades mecânicas do FNClasse GGG50 e o mesmo após o tratamento térmico (ADI), referentes a tenacidade, ductilidade, resistência a tração;
- Avaliar comparativamente com o teste de impacto charpy a energia absorvida do material, antes e depois do tratamento térmico, assim como o tipo de fratura;
- Avaliar comparativamente com o teste de dureza Rockwell B (HRB), a diferença desta propriedade com e sem tratamento térmico;
- Avaliar comparativamente as micro estruturas dos dois materiais por meio de microscopia óptica;
- Avaliar comparativamente os resultados obtidos nestes testes com a literatura e trabalhos existentes na área com a mesma finalidade deste.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 FERRO FUNDIDO (FoFo)
Os ferros fundidos são utilizados em larga escala devido a vários fatores, como menor quantidade de processos e custos mais baixos de produção quando comparado aos aços. Em razão da sua importância, os FoFos vêm recebendo, de maneira contínua importantes desenvolvimentos, tanto em processos de fabricação como em materiais. Tais desenvolvimentos trazem como consequência a sua contínua atualização tecnológica [1].
A manufatura de produtos que exigem um grau elevado de confiabilidade e equilíbrio de propriedades mecânicas e físicas que são constantemente aprimoradas. Algumas classes de FoFos são direcionadas para aplicações específicas, pelo fato de apresentarem particularidades estruturais que propiciam uma alta eficiência em aplicações onde se submete o material a elevadas cargas[87].
Atualmente os FoFos em função de sua composição e microestrutura são classificados em seis tipos distintos, a saber: ferro fundido branco, ferro fundido cinzento, ferro fundido mesclado, ferro fundido maleável, ferro fundido nodular e ferro fundido vermicular[2].
Ferros fundidos são ligas de ferro, carbono e silício, com teores de carbono geralmente acima de 2%. Podem conter ainda manganês, enxofre e fósforo, podendo adicionalmente apresentar elementos de liga diversos, e que se solidificam com reações eutéticas, geralmente uma fase pró-eutética (austenita, grafita) e que se completa com uma solidificação eutética (austenita + grafita ou austenita + carbonetos) [2,3,4,6,88].
Ferro fundido contém teor de carbono entre 1,8 e 4,5%, e possuem ponto de fusão relativamente baixo, em torno de T=1200ºC[90].
Ferro fundido possui carbono em quantidade superior a que se é retida em solução sólida na austenita, de modo que se resulte em carbono livre, na forma de veios ou lamelas de grafita, definidos pelo tratamento do ferro fundido, assim como sua quantidade de carbono retida na austenita [2].
A presença dos elementos como magnésio, fósforo e enxofre nas ligas de ferro fundido, considerados impurezas, cujo objetivo é a melhoria da produtividade, dependendo do objetivo a ser alcançado[89].
As propriedades mecânicas, bem como as magnéticas, dos materiais de ferro são sensíveis ao seus teores de carbono, tipo de liga de fundição, bem como tratamento térmico, o que afeta diretamente a resistência a corrosão, propriedades físicas e a resistência elétrica do material[88].
Os ferros fundidos apresentam ductilidade insuficiente para operações de conformação mecânica, logo, os componentes fabricados em ferro fundido só podem ser obtidos pelos processos de fundição [10,88,2,89].
A seguir pode-se verificar na figura 1 duas estruturas típicas dos ferro fundido geradas por MEV após ataque químico profundo, onde a grafita se encontra em forma de lamelas ou em forma de nódulos.
Figura 1- Exemplos de morfologia típica da grafita encontrada em ferros fundidos.
A B
(A) Cinzento; (B) Nodular. Fonte: [5].
É possível notar a morfologia das grafitas, em forma de lamelas na figura (1-A) para o ferro FC, e em (1-B) na forma de nódulos com formato arredondado para o FN. Durante a fase de formação, pode ainda ocorrer um agravante, que segundo [3], existe uma complicação adicional na solidificação nos ferros fundidos, onde ao invés de se formar grafita, existe a possibilidade de se formar cementita (Fe3 C), que é uma fase de elevada dureza. Existem vários tipos de microestrutura, e para isto utilizam-se alguns tipos de processamento para se obter os resultados desejados [5, 3]. Como exemplo de um FN de matriz perlítica, em que além da composição química, outros
fatores afetam a presença de perlita em nodulares brutos de fundição e devem ser controlados, como por exemplo o número de nódulos e o tempo de desmoldagem.
Quanto ao momento de formação do ferro fundido, onde a grafita apresenta estrutura hexagonal e durante a solidificação, dependendo da velocidade de crescimento na direção dos planos basal e prismático, assume as formas nodular ou lamelar respectivamente, ou seja, dependendo principalmente das taxas de resfriamento. Ainda com relação à estrutura da grafita, para se modificar a forma da grafita, um importante elemento no ferro fundido é introduzido, o magnésio, considerado um forte desoxidante e um forte dessulfurante, removendo assim oxigênio e enxofre da solução. Isto altera as energias interfaciais, favorecendo novamente o crescimento da grafita segundo o plano basal[3].
Ainda na fase de adição de ligas para a transformação do material, a adição de elementos tais como o silício, magnésio, cromo, molibdênio e o cobre, e também a aplicação de tratamentos térmicos adequados tem contribuído muito para a melhoria das propriedades mecânicas destes materiais [91].
Como exemplo, durante a transformação, para o caso específico do FN, o número de nódulos depende da geometria da peça, inoculação e temperatura de vazamento, além do teor de silício. Logo, os elementos e os parâmetros estipulados devem seguidos a fim de se obter os resultados desejados[92].
A fim de se saber como será a estrutura dos materiais ferrosos em função da temperatura e do percentual de carbono, o diagrama de fases é uma das ferramentas utilizadas para antecipar o comportamento destes materiais, e quais estruturas terão em cada sequência do processo.
A solidificação de ferros fundidos pode ser feito de duas maneiras, segundo o diagrama de fases para os estes:
Solidificação considerando o diagrama metaestável (figura 2) e solidificação considerando o diagrama estável, (figura 3) [7].
Para uma liga de ferro fundido contendo 4,3% de C (eutética), mantida isotermicamente, segundo as condições de metaestabilidade, sofre duas reações, que resultam nas seguintes transformações de fase que se seguem abaixo [3]:
Reações metaestáveis:
- Reação Eutética: na fase líquida transforma-se em cementita e austenita formando a Ledeburita;
Figura 2: Diagrama metaestável Fe-Fe3C.
Fonte: [8]
Já para condições estáveis as reações se dão da seguinte maneira: - Reação Eutética: na fase líquida transforma-se em austenita e grafita; - Reação Eutetótide: transforma-se em ferrita e grafita.
Figura 3: Diagrama estável Fe-C-Si para uma liga contendo 2%Si.
O sistema ferro-carbono representado no diagrama, mostra que há uma diferença de em torno de 7ºC entre as temperaturas de equilíbrio eutético estável e metaestável. Com os elementos de liga presentes, como silício, níquel e cobre, com a função de grafitizantes, tem propriedade de ampliar esta faixa de temperaturas dos pontos eutéticos. Porém, elementos como o cromo, vanádio, molibdênio, magnésio e tungstênio, conseguem formar carbonetos, tornando esta faixa mais estreita [9].
Para o tempo de desmoldagem, depende essencialmente das características da linha de moldagem, porém é usual a situação de que a transformação eutetóide ocorra apenas após a desmoldagem, o que conduz a grandes variações na microestrutura [3].
Para auxiliar na questão do tempo de desmoldagem, existem equações que permitem prever o tempo de desmoldagem necessário, baseadas no módulo de resfriamento da peça, que é a relação entre volume e área superficial, do tipo: t = k M exp (c)[92]. O módulo de resfriamento é um parâmetro que descreve bem as condições de solidificação, porém não as de resfriamento posterior, pois regiões de areia confinadas entre diferentes partes da peça ou entre peça e alimentadores já não extraem mais calor quando a reação é eutetóide; além disso, partes finas da peça atuam como resfriadores no estado sólido, [92].
Adições do estanho em um ferro fundido nodular ferrítico resultaram no aumento da resistência mecânica e diminuição da tenacidade, demonstrando a complexidade e variedade de configurações possíveis de elaboração de ligas ferrosas[87].
Com relação as propriedades mecânicas, estas variam de acordo com os seus elementos de liga e conforme a quantidade e forma da grafita, que atua reduzindo o atrito entre a ferramenta e a peça. A grafita, portanto, concede aos ferros fundidos melhor usinabilidade, quando comparados a outros materiais que não possuem a grafita em sua estrutura como, por exemplo, o aço[35].
Com relação ao comportamento da condutividade térmica de cada microconstituinte presente nos ferros fundidos, assim como a condutividade em seus planos cristalográficos, a tabela 1 mostra as diferenças entre as microestruturas em diferentes temperaturas.
Tabela 1: condutividade térmica dos constituintes metalográficos dos ferros fundidos.
Fonte [21]
Na tabela 1 é possível verificar a condutividade térmica de cada constituinte de um ferro fundido, assim como os planos cristalinos paralelos e perpendiculares para cada uma das três faixas de temperaturas estabelecidas [21].
Fica evidente a redução da condutividade térmica com o aumento de temperatura em qualquer micro constituinte, assim como no plano cristalino paralelo, e a grande condutividade térmica no plano cristalográfico paralelo quando comparado com o outro plano cristalino ou até com qualquer um dos micro constituintes.
2.2 FERRO FUNDIDO CINZENTO (FC)
Assim como nos FoFos em geral, FC é uma liga ternária composta por ferro, carbono e silício como elementos de ligas fundamentais, porém apresentando na sua microestrutura carbono livre na forma de veios como denotado na figura abaixo, denominado grafita, podendo ainda apresentar carbono combinado com ferro definido como carboneto de ferro [77].
Figura 4: Distribuição dos veios de grafita no ferro fundido cinzento.Matriz perlítica com pequenas áreas de ferrita e veios de grafita.
O FC pela sua fácil fusão, vazamento e usinabilidade superior a maioria dos outros ferros fundidos de dureza equivalente, resistência mecânica satisfatória, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento, sendo entre os FoFos, o mais utilizado, e que as propriedades dos FC são influenciadas pelo tamanho, forma e distribuição da grafita, e pela relativa dureza da matriz metálica que envolve a grafita, e que são na maioria das vezes rodeados por uma matriz de ferrita a ou de perlita.
FC tem aspecto da fratura escura, onde origina sua denominação. Na sua estrutura uma parcela relativamente grande do carbono está no estado livre (grafita lamelar) e outra parcela no estado combinado (Fe3C) [8,94].
No ferro fundido, a maior parte do carbono está retido em solução sólida em austenita a temperatura eutética, e que o carbono em excesso precipita em forma de grafita lamelar, onde geralmente contem de 1,7 a 4,5% de carbono e de 1 a 3% de silício (ASM, 1961), além de manganês, enxofre, fósforo, etc. Esses elementos exercem notável influência sobre as propriedades dos ferros fundidos, dependendo das proporções nas quais se apresentem, haverá ou não formação de grafita e, portanto, formação de ferro fundido cinzento ou branco[79,11].
Dependendo do teor de enxofre presente no material, a matriz poder ser ferrítica e/ou perlítica. Aferrita presente no ferro fundido cinzento em forma de lamelas apresenta dureza moderada em razão do silício dissolvido. A perlita é formada por camadas alternadas de cementita e ferrita (Fe3C), que é um constituinte duro e quebradiço [95,96,97,98]. As propriedades da matriz metálica podem variar. A matriz pode ser completamente de ferrita, perlíta ou ferrita e perlita [100].
FC no seu estado fundido, possui elevada fluidez, o que permite a fundição de peças que possuem geometrias mais complexas, e a contração do metal fundido é relativamente baixa. Talvez mais importante característica dos FC seja o baixo custo apresentado com relação a outros materiais metálicos, devido a energia consumida [8].
Segundo a ABNT, são designados pelas letras FC, indicativas de ferro fundido cinzento, seguidos de dois algarismos representativos do limite mínimo de resistência a tração[2].
Devido a suas dimensões, a ASTM classifica a grafita em oito tamanhos, de 1 a 8 correspondendo o N°1 às dimensões maiores (veios mais longos) e o N°8 às dimensões menores, e que os fatores de formação da grafita são controlados principalmente pelos conteúdos de carbono e silício do metal e pela velocidade de
resfriamento do fundido. O resfriamento lento e um elevado conteúdo de carbono e silício incentivam o crescimento e quantidade dos veios de grafita, a formação de uma estrutura de matriz ferrítica de baixa resistência[94].
A velocidade do resfriamento do material não influencia apenas na grafitização, mas também na forma, distribuição e tamanho dos veios de grafita [94].
Como aumento na taxa de resfriamento ou a redução no teor de silício, estes parâmetros influenciam a dissociação da cementita para formar grafita. Logo, as propriedades desejadas ao FC podem ser obtidas a partir do controle da taxa de resfriamento ou do teor de silício como elemento de liga [8].Sobre a grafita, quanto maior sua quantidade, será maleável e menos resistencia terá o material[2].
As fases que resultam da reação eutética nos FC são a austenita e a grafita, que constituem um caso eutético facetado, com grafita facetada e austenita não facetada, onde a austenita apresenta menores dificuldades de nucleação e crescimento do que a fase facetada[12]. Ou seja, o que se deixa claro é que a grafita é determinante no resfriamento intenso para a nucleação e crescimento do eutético que acaba por ocupar um volume total entre 10% a 17% da peça solidificada.
Com relação as propriedades mecânicas, a alta capacidade de amortecimento de vibrações é obtida com grande quantidade de partículas grandes de grafita lamelar, o que é conseguido com alto teor de carbono equivalente[102].
2.3 FERRO FUNDIDO NODULAR (FN)
Os estudos da estrutura do FN têm sido difundidos ao longo dos anos, principalmente devido às características apresentadas por esse material, que se assemelham às características dos aços de baixo e médio carbono. Tal semelhança, combinada com um baixo custode produção, faz com que o material seja amplamente utilizado no setor industrial [93, 86].
Comparativamente, o FN apresenta concorrência ao alumínio devido às suas propriedades mecânicas, proporcionando peças mais leves que um ferro fundido convencional[88].
A estrutura da matriz é a maior responsável pelas propriedades mecânicas do ferro fundido nodular[27,104,105].
A presença de nódulos em formato esferoidal na matriz, os quais são carbonos livres na forma de grafita esferoidal, não obtidas a partir de um tratamento térmico e agentes nodulizantes realizado quando a liga se encontra no estado líquido [27, 88, e 104].
O FN é conhecido por sua ductilidade, mas a vantagem mais importante tem sido seu alto módulo de elasticidade e resistência mecânica, em combinação com resistência a corrosão,fácil fundição e usinabilidade [2,26,104, 105,26]. Os nódulos ou esferas de grafita, tem uma matriz metálica que envolve estas partículas, que podem ser ferríticas ou perlíticas, ou ainda uma mistura destas [27,8].
A presença de nódulos faz com que não se interrompa a continuidade da matriz ferrítica e ou perlítica como no caso da grafita em veios, o que resulta em sua melhor ductilidade, aliada a boa tenacidade e resistência mecânica por possuir menores concentrações de tensões [2 e 3].
Ferro fundido nodular também é definido como sendo uma liga ferro, carbono e silício em que o carbono encontra-se na forma de grafita esferoidal [10].
Da tabela 2, é possível ver a composição típica do ferro fundido nodular.
Tabela 2: Composição Química típica do Ferro Fundido Nodular.
Elemento %C %Si %Mn %S %P Composição Química típica 3,2 a 4,1 1,8 a 3,0 0,1 a 1,0 0,005 a 0,020 0,01 a 0,1 Fonte: [10]
Figura 5: Ferro Fundido nodular observado em MEV com ataque profundo.
Da figura 5, é possível ver a estrutura típica de um FN observado a partir de microscopia eletrônica de varredura.
FN perlíticos, são aqueles que apresentam perlita na matriz como um microconstituinte. A matriz pode ainda conter quantidades variáveis de ferrita, sendo usualmente através da proporção relativa de ferrita e perlita que se obtém as diversas classes de FN [92]. Ainda na estrutura perlítica, esta classe é caracterizada por alto percentual de alongamento, porém com baixa resistência mecânica, o que restringe sua aplicação [107]. Os elementos perlitizantes mais conhecidos da indústria de fundição são o cobre e o estanho, porém há o elemento antimônio, com poder de perlitização de 2 a 4 vezes maior que o do estanho.
Com relação a nodulização da grafita, o magnésio tem atuação como um inibidor de curta duração, atrasando o início de formação de grafita. Posteriormente o ferro fundido se solidifica com a formação de cementita seguida pela pelo término da ação do magnésio com a decomposição ainda da cementita produzindo a forma esférica da grafita[2].
A reação com o elemento químico, onde o magnésio é um forte desoxidante e forte dessulfurante e é largamente utilizado em função de seu baixo custo quando comparado com outros nodulizantes[14]. A ação dos elementos nodularizantes é de provocar um aumento da tensão superficial e da energia de interface grafita/metal, favorecendo assim a formação de grafita nodular, com o controle da quantidade de nodularizante adicionada, de forma que os teores residuais de magnésio não ultrapassem 0,08%. Caso exceder este limite pode ocorrer a formação de carbonetos durante a solidificação, além da formação de grafitas degeneradas, do. Por outro lado, não se deve ter quantidade insuficiente de nodularizante, pois pode não se obter grafita nodular [4].
Figura 6: Microestrutura de um ferro fundido nodular bruto de fundição.
Fonte: [86]
Da figura 6, observa-se a estrutura típica de um FN, contendo em sua matriz os nódulos de grafita circundadas por ferrita em uma matriz perlítica ou ferrítica.
Os ADI tem propriedades muito sensíveis à presença de defeitos, e estes são dependentes da qualidade do FN, logo a importância da morfologia da grafita fica ressaltada. Em particular a tenacidade (alongamento, resistência ao impacto) decresce acentuadamente com a diminuição da nodularidade [3].
Além destas definições, são compósitos naturais com as fases estáveis e metaestáveis que são formadas durante a solidificação ou tratamento térmico subsequente. Os nódulos de grafita na forma estável do carbono puro nos ferros fundidos nodulares, apresentam propriedades físicas importantes, tais como: baixa densidade, baixa dureza e elevada condutividade térmica e lubricidade. A estrutura ferrítica nos ferros fundidos nodulares convencionais produz baixa resistência mecânica e baixa dureza, em contrapartida produz uma alta ductilidade. A estrutura perlítica, formada pela reação eutetóide, possui colônias de perlita em sua estrutura. Sendo um constituinte comum nos ferros fundidos, fornece uma combinação de alta resistência com a correspondente redução da ductilidade[104].
Figura 7: Micrografia e microanálise química via EDS da amostra com 0,12% de antimônio. Ataque Nital 3% - Aumento de 2000x
Fonte: [87]
Na figura 7 é possível ver a morfologia da estrutura de um FN, contendo o nódulo de grafita, ferrita e as interfaces das colônias de perlita. Já a figura 8 mostra a faixa de temperaturas de coexistência de ferrita, austenita e grafita, em função do teor de silício, em ferro fundido nodular.
Figura 8: Faixa de temperaturas de coexistência de ferrita + austenita + grafita, em função do teor de silício, em ferro fundido nodular.
Figura 9: Morfologia típica de um nódulo de grafita circundado por ferrita em uma matrizPerlítica.
Fonte: [92]
A figura 9 mostra uma matriz típica de um ferro fundido nodular, com os nódulos de grafita circundados por ferrita em uma matriz ferrítica.
O número de nódulos depende da geometria da peça, inoculação e temperatura de vazamento, além do teor de silício; normalmente não se alteram estes fatores para obter a percentagem de perlita desejada, porém eles devem ser estreitamente controlados [92].
Os ferros fundidos apresentam a possibilidade de que a reação eutetóide possa se processar segundo duas diferentes alternativas[109]:
- Reação eutetóide metaestável: Austenita e ferrita + cementita (perlita); - Reação eutetóide estável: Austenita e ferrita + grafita.
A reação eutetóide estável ocorre em temperaturas mais elevadas que a metaestável. Como envolve a formação de grafita, fase de difícil nucleação, normalmente tende a ocorrer em torno de partículas pré-existentes de grafita, resultando em ferro fundido nodular na microestrutura denominada de "olho de boi", isto é, com a ferrita envolvendo o nódulo de grafita. Em regiões distantes dos nódulos de grafita, em condições que não favoreçam o tempo para a difusão do carbono até a partícula de grafita, ocorrerá reação eutetóide metaestável, resultando a perlita do resultado da competição entre estas duas reações estabelecem-se as proporções de ferrita e perlita, e, portanto, as diferentes classes de ferros fundidos nodulares.
Os fatores que afetam as reações eutetóides estáveis são[110]:
- Velocidade de resfriamento: Baixas velocidades de resfriamento favorecem a formação de ferrita na matriz;
- Número de nódulos de grafita: Aumentando número de nódulos resulta em maior tendência à formação de ferrita.
- Teor de silício: o silício aumenta o intervalo de temperatura onde coexistem austenita e ferrita, e aumenta sensivelmente a atividade do carbono bem como o número de nódulos de grafita, de modo que a formação de ferrita fica favorecida.
Ainda com relação as taxas de resfriamento, as altas taxas favorecem a formação de partículas de grafita nodular. Aumentando a nodularidade, aumentam-se também a resistência e módulo de elasticidade do material, diminuindo a usinabilidade e a condutividade térmica [21].
As reações estáveis que elementos perlitizantes - estanho, cobre, antimônio, manganês agem seja reduzindo o intervalo de temperatura de coexistência de austenita e ferrita, ou então formando barreiras sobre as partículas de grafita (cobre, estanho, antimônio), os elementos denominados de perlitizantes dificultam a reação eutetóide estável, promovendo assim a presença de perlita [111].
Figura 10: Reações eutetóides estável e metaestável, conduzindo à formação de microestrutura tipo "olho-de-boi"
Fonte: [1]
A figura 10 ilustra as reações eutetóide estáveis e metaestáveis, com os respectivos nódulos de grafita.
Estes são, em essência, os principais fatores que afetam a ocorrência das reações eutetóides estável e metaestável, [92].
As propriedades e classes do FN são estritamente sensíveis à condição do material bruto de boa qualidade que possui como pré-requisito uma boa dispersão de nódulos de grafita na microestrutura, bem como o grau de modularização que deve estar acima de 85%, cujo percentual indica o nível de perfeição e circularidade dos nódulos presentes. Deve também estar com o mínimo de defeitos que provoquem heterogeneidade das propriedades, como a presença de microrrechupes ou de carbonetos de ferro (Fe3C) [66 e 113].
O número de nódulos de grafita diminui quando se caminha da periferia em direção ao centro da peça devido a diferenças na velocidade de solidificação que resulta nos materiais predominantemente ferríticos[114].
Para estas condições podem ser minimamente atingidas com um controle rígido do processo defabricação, focando principalmente na seleção dos materiais base, processos de nodularização, como a inoculação e o vazamento [115].
Para a inoculação se efetua um pouco antes do vazamento do metal através da adição decompostos de função grafitizante. O objetivo da inoculação é de promover a formação de grafita nodular na solidificação dos ferros fundidos, isto é, diminuir o superresfriamento para a solidificação e, dessa forma, minimizar a tendência ao coquilhamento [4].
Da tabela 3, a composição química habitual de quatro classes do FN.
Tabela 3: Composição química dos ferros fundidos básicos para a produção de ferro fundidonodular.
Fonte: [2].
Existem uma série de normas que classificam os ferros fundidos nodulares de acordo com suas propriedades. Uma norma padrão muito utilizada são as normas ASTM [16], onde os ferros nodulares brutos são classificados em 5 tipos principais como mostra abaixo a tabela 4:
Tabela 4: Classificação para ferro fundido nodular.
Fonte: adaptado [15].
É possível encontrar várias faixas de valores típicos para as propriedades mecânicas dos FN [84]:
- Limite de resistência à tração (LR) de 420 MPa com alongamento de 12%; - Limite de Resistência a tração (LR) de 800 MPa, com alongamento de 1 a 2%. Valores para os ferros dúcteis ferríticos[8]:
- Limites de Resistência à tração (LR) que variam entre 380 a 480 Mpa; - Ductilidades que variam entre 10 e 20%.
2.4 FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMEPERADO (ADI)
O ferro fundido nodular austemperado (ADI), passou a ser empregado industrialmente a partir da década de 70[116]. O ADI surgiu como uma excelente opção como material de engenharia devido à combinação de elevada resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, resistência à fadiga e resistência ao desgaste, associadas a um baixo custo, quando comparado com ferros fundidos convencionais e aços forjados[52, 117 e 118].
Para a composição química do ADI, é similar à de um ferro fundido nodular convencional, sendo que peças com espessuras maiores que 12 mm são fabricadas com a introdução de cobre, níquel, e molibdênio individualmente ou combinados. Esses elementos são adicionados somente para aumentar a temperabilidade da liga e não para aumentar a resistência ou a dureza[84].
A vantagem da presença da grafita esferoidal faz com que o ADI apresente capacidade de amortecimento. Além disto, outros benefícios adicionais como vida em fadiga e alta resistência ao desgaste aliado a boas condições de usinabilidade[65].
Entre as vantagens econômicas do ADI, a economia de energia na sua fabricação quando comparado com um aço forjado, recozido, temperado e revenido,
sendo que o processo de fundição permite a obtenção de produtos muito próximos das dimensões finais, e os custos dos modelos de fundição são reduzidos quando comparados com as matrizes de forjaria[31 e 52].As principais limitações ao uso do ADI são: a baixa usinabilidade no estado austemperado; o módulo de elasticidade que é aproximadamente 20% inferior aos aços forjados, fazendo com que componentes em ADI tenham maior deformação elástica que os aços nas mesmas condições. A baixa temperabilidade do ferro fundido também limita o tamanho das peças que podem ser obtidas em ADI[41].
O ADI é denominado de ferro FN ausferrítico, pois sua microestrutura recebe a denominação de ausferrita (austenita + ferrita). Muitas publicações ainda utilizam o termo bainita, porém esta microestrutura não é desejada com o tratamento de austêmpera, mas sim a microestrutura ausferrítica nos ferros fundidos, sendo comum nos aços austemperados que produzem a estrutura bainítica com concentrações de carbonetos de ferro [52,59].
Esta família de materiais com microestrutura ausferrítica, é formada por agulhas de ferrita e placas de austenita estável de alto teor de carbono, cuja microestrutura típica está mostrada na figura 11 [66].
Figura 11: Estrutura formada por agulhas de ferrita, placas de austenita e nódulos de grafita.
Fonte: [66]
A reação bainítica é indesejável para os ferros fundidos em função da presença de carbonetos de ferro na microestrutura, que tem por característica reduzir aductilidade e à resistência ao impacto. Desta forma, é primordial a combinação das fases que compõe o microconstituinte ferrita que fornece as condições para este aumento da resistência à tração sem perda significativa de ductilidade[86].
Com relação as ligas metálicas o ADI pode ter a composição básica de um FN com a adição de elementos de liga, como o cobre, molibdênio, niquele outros. A composição do ferro fundido é função da espessura da peça e da profundidade de camada austemperada desejada, ou seja, estas ligas auxiliam na homogeneidade da estrutura do material em todas as suas dimensões[86].
O silício pode ser considerado o mais importante dos elementos encontrados nos ADI, não só por seu efeito grafitizante na solidificação, como também por seu efeito no estado sólido durante o tratamento térmico de austêmpera. Neste caso, inicialmente o silício aumenta a atividade do carbono na austenita, acelerando a sua difusão e favorecendo a nucleação da ferrita acicular [121].
Figura 12: Influência do número de nódulos de grafita no alongamento do nodular austemperado.
Fonte: [32]
Na figura 12, o autor [32] demonstra de uma forma geral a influência a concentração de nódulos de grafita em nódulos por milímetros quadrados, em um ferro fundido nodular austemperado.
A menor a quantidade de nódulos e o maior tamanho médio de grafita levam a baixos valores de energia absorvida, pois existe menores distâncias relativas entre os nódulos, favorecendo o coalescimento dos alvéolos (unidades vazias) e diminuindo a resistência a propagação da trinca [120].
A baixa contagem de nódulos proporciona também heterogeneidade nas propriedades do ADI. A partir de vários experimentos, para se obter um ADI de qualidade, o número de nódulos/mm2 deve ser maior ou igual a 150[44].
Com relação as principais propriedades dos materiais austemperados, a partir da zona crítica, quando apresentam uma boa distribuição entre as fases ferrita pró-eutetóide e ausferrita, proporcionam propriedades de resistência a fadiga devido ao microconstituinte ausferrita, de reforçar o material em regiões que atuam como sítios para iniciação de microfissuras, poros e nódulos de grafita[48].
Além do teor de carbono presente no ADI, a estabilidade mecânica da austenita presente neste depende basicamente do teor de carbono e do nível de tensão ou deformação, pois é possível que a mesma possa transformar-se em martensita, quando sujeita a deformação elevada provocada por tratamentos superficiais ou usinagem [122 e 123].
Apresença de austenita retida ou metaestável no ADI o torna susceptível ao encruamento e a transformação de fase induzida por deformação. A transformação parcial da austenita em martensita produz, ainda, aumento local de volume, criando tensões compressivas no material transformado [84]. Estas tensões inibem a formação de trincas, o que leva a uma melhoria significativa na resistência à fadiga. Esta deformação pode ocorrer quando o material é usinado ou submetido a tratamentos de superfície.
A seguir, a figura 13 mostra a dimensão (d)da subunidade célula ferrítica, com a espessura das subunidades que compõem o feixe ou molho de ferrita, como ilustra a figura:
Figura 13: dimensão (d) da célula ferritica
A figura 13 demostra o formato e disposição das subunidades das células ferríticas (d), que apresentam aproximadamente o comprimento de 10 micrômetros por 0,2 micrômetros de espessura
Com a velocidade de propagação de trinca por fadiga, a trinca diminui para valores crescentes de tamanho (d) de célula ferrítica, o resultado é de que a velocidade da trinca dentro das discordâncias dentro da célula ausferrítica são um fator mais preponderante que o contorno de grão no controle da velocidade de propagação de trinca por fadiga e no limiar da tensão máxima [124].
As especificações do ADI baseiam-se nos ensaios de impacto, dureza e tração (limites de resistência, limite de escoamento e alongamento). O alongamento e a resistência a tração são as propriedades mais influenciadas pelo processo de fabricação da peça[30].
Tabela5: Especificação para o ADI segundo a norma ASTM 897M (1990)
Fonte: [85]
A tabela 5 mostra os valores para as especificações de cinco classes do ADI segundo a norma ASTM 897M (1990). As nomenclaturas e seus respectivos significados seguem abaixo:
LR – Limite de Resistência a tração;
LE – Limite de Escoamento convencional (0,2% de deformação); A - Alongamento percentual, base de medida igual a 50 mm;
I – Energia absorvida no ensaio de impacto Charpy, corpo de prova 10x10x50 mm sem entalhe;
As tabelas 6 e 7 foram retiradas de trabalhos onde se teve como finalidade demonstrar as propriedades mecânicas para a mesma composição de material, em tempos de tratamentos térmicos diferentes.
Tabela 6: Propriedades mecânicas dos materiais após tratamento térmico de austêmpera.
Fonte: [85]
Tabela 7: Tenacidade à fratura e fator cíclico limiar de intensidade de tensão dos materiais austemperados.
Fonte: [126]
Quando se utiliza elevadas temperaturas de austêmpera, obtêm-se materiais com tenacidade à fratura mais elevada devido [124 e 127]:
(i) a maior quantidade de austenita na matriz; (ii) ao maior teor de carbono da austenita; (iii) a maior ductilidade do material.
(iv) microestrutura mais grosseira.
Para diferentes tempos de austêmpera em uma temperatura de T= 405°C,
conforme o autor nas tabelas 8, 9 e 10 se obtém diferentes resultados de dureza
Vickers e Brinnell sobre regiões de maiores concentrações de austenita[86].
Tabela8: Resultados para análise de micro dureza Vickers na Austenita
Tabela9: Resultados para análise de Dureza Brinnell na Austenita.
Fonte: [86]
Tabela 10: Energia absorvida ao impacto para os diferentes tratamentos.
Fonte: [86]
A tabela 10 demonstra a energia em Joules para as três amostras de ADI, onde por pouca margem de diferença a amostra tratada pelo tempo T=60 minutos resiste mais a energia empregada sobre ele que os demais, porém pode se notar a resistência ao impacto não é consideravelmente alterada neste tipo de tratamento.
Tabela 11: Resistência a tração para os diferentes tratamentos.
Fonte: [86]
Resultados da tabela 11 mostram a inversa proporcionalidade a tração e escoamento ao alongamento, onde o mais Dúctil é o tratado a t=30minutos, a maior resistência a tração é o tratado a t=60 minutos assim como a de maior limite de escoamento. Os resultados variam muito com os parâmetros utilizados para o tratamento, assim como o tipo de material utilizado como matéria prima.
2.5 TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA
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
