Análise Microscopica de amostras de Ferros Fundidos / Microscopic Analysis of Cast Iron Samples

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 9, p. 68903-68914, sep. 2020. ISSN 2525-8761

Análise Microscopica de amostras de Ferros Fundidos

Microscopic Analysis of Cast Iron Samples

DOI:10.34117/bjdv6n9-365

Recebimento dos originais: 08/08/2020 Aceitação para publicação: 16/09/2020

Eduardo César Santos

Graduação em Engenharia Civil

Instituição: Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) Endereço: Rua São José, 170, Francisco Santo/ PI

E-mail: eduardo.gama1996@hotmail.com

Rokátia Lorrany Nogueira Marinho

Instituição: Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) Endereço: Rua Anastácio Pereira, 168, Apodi/RN

E-mail: rokatia.lorrany@hotmail.com

Renata de Oliveira Marinho

Instituição: Instituto Federal da Paraíba (IFPB) Endereço: Av. barão do Rio Branco, 53, centro - Patos/ PB

E-mail: renata.oliveira@ifpb.edu.br

Lígia Raquel Rodrigues Santos

Instituição: Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) Endereço: Rua Nova, 32, Francisco Santo/ PI

E-mail: ligiaraquelan@hotmail.com

Geovanna Maria Andrade de Oliveira

Instituição: Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) Endereço: Rua Bernardino Martins Veras, 100, Mossoró/RN

E-mail: geovannamaria10@hotmail.com

Manoel Quirino da Silva Junior

Doutorado em Engenharia Mecânica

Instituição: Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) Endereço: Av. Francisco Mota, 572, Mossoró/RN

E-mail: manoel.quirino@ufersa.edu.br

RESUMO

O presente trabalho busca classificar quatro amostras de ferros fundidos sem nenhuma especificação técnica através de uma analise da microestrutura de cada um deles, seguindo o método da metalografia, para obter se imagens dessas, e de um comparativo das imagens da microestrutura de cada uma em relação as imagens da bibliografia utilizada, assim pôde-se classificar que haviam três

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ferros fundidos cinzentos, classe mais usada na indústria com aplicações que vão da fabricação de utensílios domésticos a cilindros hidráulicos, já a amostra que era de uma classe diferente foi classificada como sendo um ferro fundido nodular que possui propriedades como elevada tenacidade, resistência à tração, ductilidade, resistência a fadiga o que leva a ser usado principalmente na fabricação de diversas peças relacionadas ao ramo automobilístico.

Palavras-chave: Metalografia, microestrutura, ferro fundido. ABSTRACT

The present work seeks to classify four samples of cast irons without any technical specification through an analysis of the microstructure of each one of them, following the metallography method, in order to obtain images of these, and a comparison of the images of the microstructure of each one in relation to the images of the bibliography used, thus it was possible to classify that there were three grey cast irons, This class is most used in industry with applications ranging from the manufacture of domestic appliances to hydraulic cylinders, while the sample that was of a different class was classified as a nodular cast iron that has properties such as high tenacity, tensile strength, ductility, fatigue strength, which leads to be used mainly in the manufacture of various parts related to the automotive industry.

Keywords: Metallography, microstructure, cast iron.

1 INTRODUÇÃO

Os Produtos a base de Ferro fazem parte da vida do ser humano desde pelo menos 1200 a.C. na idade dos metais, e contribuiu para o desenvolvimento deste e da sociedade, sendo matéria prima de muitos instrumentos que possibilitaram tornar a vida do homem mais fácil ajudando em tarefas do lar e em suas atividades economicas.

O desenvolvimento científico possibilitou a criação de novas ligas e o aperfeiçoamento das já existentes, em pontos relacionados tanto ao método produtivo e na sua qualidade, Um fator essencial para tal avanço foi a descoberta de como se determinar as características dos materiais através de técnicas de caracterização. Concluindo-se então que as propriedades dos materiais estão ligadas à natureza de sua microestrutura, ao se observar a microestrutura de um material, pode-se observar os defeitos existentes além de uma visão qualitativa dos diferentes microconstituintes, a partir disso descrever as possíveis propriedades do material.

Uma das técnicas utilizadas para caracterizar é a Microscopia e para isso o material deve passar um procedimento de preparação de amostra. Neste contexto, a Metalografia se classifica como uma ferramenta que, hoje, em quase todas as indústrias metalúrgicas usam em alguma etapa de seu desenvolvimento para, por exemplo, controle de qualidade e Analise das possíveis falhas.

A classe dos Ferros Fundidos uma das ligas principais a base de ferro e constituída de Fe-C-Si em sua maioria.

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De acordo com Guesser (2009) a matriz metálica dos ferros fundidos pode ser constituída de ferrita; este microconstituinte resulta em baixos valores de resistência associados a altos valores de resistência ligados a altos valores de dutibilidade e tenacidade. Outra alternativa é que a matriz seja de perlita, o que implica em bons valores de resistência mecânica, associados a valores relativamente baixos de dutibilidade. Produzindo-se as misturas de ferrita e perlita obtém se as diferentes classes dos ferros fundidos, com diferentes combinações de propriedades, cada uma com aplicação especifica.

Essas ligas são divididas nos seguintes grupos: Ferro Fundido Nodular, Ferro Fundido Cinzento, Ferro Fundido Maleável, Ferro Fundido Branco e Ferro Fundido Vermicular, que possuem cada um suas peculiaridades e características diferentes o que possibilita o seu uso de diversas formas, como: na indústria automobilística, Ferrovias, tubulações, equipamentos para moagem de minérios dentre outros. Pode-se ainda mencionar a existência do Ferro fundido mesclado que nada mais é do que a junção entre os ferros fundidos cinzento e branco.

2 MATERIAL E MÉTODOS

2.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A classe dos ferros fundidos pode ser definida como: ligas de Fe-C-Si que contem basicamente 2-4% C e 0,5-3% Si, que passam pela reação eutética durante a solidificação. As suas propriedades e seus microconstituintes para cada tipo de ferro fundido são determinados pela forma como a austenita se transforma durante a reação eutetóide (Askeland e Phulé, 2008).

Os ferros fundidos são classificados de acordo com a cor da sua fratura, em brancos, cinzentos ou mesclados. Na análise microestrutural é possível notar que os ferros fundidos cinzentos apresentam a grafita (C) em sua constituição, os ferros fundidos brancos apresentam carbonetos (Fe3 C, o M3 C ou M7 C3) e os mesclados, uma mistura das duas fases. A grafita pode se apresentar sob a forma compacta, de veios ou nódulos, dependendo da presença de pequenas quantidades de elementos, dentre os quais os mais importantes são o magnésio e o cério adicionados no processo de nodulização (Francklin, 2009).

O ferro fundido com grafita compacta ou Ferro fundido Vermicular contem grafita arredondada e também interconectada, produzida durante a solidificação. O formato da grafita no ferro fundido vermicular é intermediário entre veios e nódulos, pois os nódulos arredondados de grafita estão interconectados com veios (Askeland e Phulé, 2008)

Na década de 90, foram desenvolvidos alguns processos de controle de metal líquido (Sintercast, Oxicast, Novacast) o que possibilitou romper principal fator que pudesse disseminar o

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uso do ferro fundido vermicular na indústria: a necessidade de um método confiável de controle aplicável a uma produção em larga escala. Superada essa etapa de fabricação em escala industrial e com qualidade, o ferro fundido vermicular passou a receber um crescente espaço na indústria automobilística (Junior e Guesser, 2011).

Já o ferro fundido cinzento apresenta grafita em forma de veios. Na Metalografia ótica a grafita aparece como partículas isoladas, constituindo, porém, um esqueleto continuo em cada célula eutética. A matriz pode ser ferrítica ou mais comumente perlítica. Os ferros fundidos cinzentos cobrem uma faixa de limite de Resistencia de 100 a 400 MPA (mais comumente de 150 a 300 Mpa (Guesser,2009)).

A composição do ferro fundido cinzento é muito similar à do vermicular. A grande diferença está na presença de magnésio. No tradicional, o cinzento, não há magnésio, ou há quantidade muito pequena. No vermicular, o elemento químico tem de ser mantido em uma faixa bastante estreita, entre 0,010% e 0,012%. Se houver mais do que isso, o ferro deixa de ser vermicular e perde suas características (Francklin, 2009).

Este é, dentre os ferros fundidos, a liga mais usada, devido aos seus característicos de fácil fusão e moldagem, boa resistência mecânica, excelente usinabilidade, boa resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento.

O ferro fundido nodular é uma liga composta no geral por carbono e silício, com o carbono livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal e passou a ser empregado industrialmente a partir da década de 70, ampliando o campo de aplicação dos ferros fundidos, devido à combinação de propriedades como elevada tenacidade, resistência à tração, ductilidade, resistência ao desgaste e à fadiga, tornando-se um material de engenharia competitivo, combinando propriedades antes encontradas somente nos aços (Francklin, 2009).

A morfologia em forma nodular desse tipo de ferro de confere a este tipo de ferro características mecânicas superiores àquelas do ferro fundido maleável. É obtido por modificações químicas na composição do material no estado líquido. Na parte superficial da sua fratura apresenta uma coloração prateada (Melo, 2003).

Essa classe de ferro fundido pode passar por tratamentos para torna-lo ferrítico, perlítico ou para conter martensita revenida, e possui características mecânicas que se aproximam daquelas do aço.

O grupo dos Ferros fundidos Brancos apresentam-se microestruturalmente com predominância do carbono na forma combinada devido à baixa porcentagem de silício e a adição de outros elementos como cromo, que é estabilizador da cementita, o que confere ao material a

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característica de maior resistência ao desgaste. Sua superfície de fratura apresenta coloração clara e brilhante (Melo, 2003).

As aplicações dos ferros fundidos brancos de alta liga tem seu uso relacionado a algumas das suas características como a sua dureza e resistência ao desgaste abrasivo. Elementos de liga, como cromo, níquel e molibdênio, são adicionados de forma que, além dos carbonetos de ligas formados durante a solidificação, a martensita também possa ser formada durante o tratamento térmico subsequente (Askeland e Phulé, 2008).

Ferro fundido Maleável são a primeira das famílias dos Ferros fundidos que possuem uma boa dutilidade, e por esse motivo a sua importância histórica. Possuem um limite de resistência de 300 a 700 Mpa, com valores de alongamento de 12 a 2 %. Os ferros maleáveis brancos ainda têm a características de soldabilidade por causa do seu baixo teor de carbono. Essa classe dos ferros fundidos foi em sua maioria substituída pelos ferros fundidos nodulares, com vantagens técnicas e econômicas (Guesser, 2009).

É formado através de tratamento térmico de maleabilizarão do ferro fundido branco, onde a cementita se decompõe em grafita e austenita, dando origem aos chamados ferros maleável de núcleo preto (ou americano), ou é removida parcialmente por oxidação, com a formação de alguma grafita, sendo então chamado ferro maleável de núcleo branco ou europeu (Melo, 2003).

O Ferro fundido Mesclado não chega a ser uma classe distinta das dos outros ferros fundido, este surge da mistura dos ferros fundidos cinzento e branco, ou seja, com a grafita em morfologia lamelar e uma quantidade de cementita, suas quantidades variam em função do emprego no qual se deseja utilizar o material. Sua superfície de fratura apresenta coloração brilhante acinzentada (Melo, 2003).

Assim o presente trabalho buscará através de uma análise microscópica classificar amostras de ferros fundidos e determinar aplicações para cada uma delas de acordo com suas características.

2.2 MATERIAIS MÉTODOS

2.2.1 Amostras Utilizadas

Para a realização do presente trabalho foram utilizadas quatro amostras de ferros fundidos que foram doados pelo curso de Engenharia Mecânica da UFERSA, sem nenhuma informação técnica de especificação de material.

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2.2.2 Processos de Caracterização das Amostras

O processo de caracterização e análise das amostras foi realizado em duas etapas: A metalografia e em seguida a microscopia óptica.

Etapa 1: Embutimento das amostras realizados a frio com uma resina Poliéster

Etapa 2: Lixamento com granulometrias de 120,220,320,400,500,600,800,1000 e 1200 Etapa 3: Polimento com alumina 1 µm

Etapa 4: Ataque químico com uma solução de Nital 2%

Etapa 5: Usando-se um microscópio óptico invertido GX51 da Olympus e câmera digital Olympus SC30 (acoplada ao microscópio óptico) e com o auxílio do software Analysis GETIT

2.2.3 Metalografia

A preparação metalográfica se iniciou com o embutimento a frio das amostras com resina poliéster. Posteriormente realizou-se o processo de lixamento seguido de um polimento utilizando-se uma lixadeira/polimetriz metalógrafa Arapol 2V-PU da Arotec. No lixamento foram usadas a sequência de lixas de granulometria 120, 220, 320, 400, 500, 600, 800, 1000 e 1200 e um polimento com alumina de 1µm. O ataque químico foi feito por imersão das amostras em uma solução de Nital 2%.

2.2.4 Microscopia Óptica

A análise microestrutural das amostras foi efetuada através da microscopia óptica usando-se um microscópio óptico invertido GX51 da Olympus. As fotos das microestruturas foram realizadas com câmera digital Olympus SC30 (acoplada ao microscópio óptico) e com o auxílio do software Analysis GETIT.

Foram tiradas fotografias com diferentes aumentos e posição para cada amostra

2.2.5 Análises Comparativas

Com as fotografias em mão a classificação foi feita através de um método comparativo com imagens retiradas de um livro com a classificação de todos os tipos de Ferros fundidos. Onde se fez uma comparação com as obtidas e classificou-se cada uma das amostras estudadas. Observando-se também características dos microconstituintes da amostra e da sua classificação.

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3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Após a realização de todo o processo da microscopia e a obtenção de imagens de cada uma das quatro amostras em diferentes tipos de escala pode-se observar através de um método comparativo entre as imagens obtidas e a da literatura base utilizada para a formulação do presente trabalho.

A partir disso obteve-se os seguintes resultados:

Através da analise comparativa das imagens obtidas na microscopia com as da microscopia do material que já está classificada notou-se que a amostra possui as características da microestrutura de um ferro fundido cinzento. As pequenas diferenças que existem entre as imagens do experimento realizado e as obtidas da manual base se devem a algum ralão que surgiu no processo de lixamento da peça. Mas o que não impediu sua classificação.

Distribuição dos veios de grafita ocorrendo de forma aleatória, encurvados e as vezes bifurcados, a imagem utilizada a amostra não passou por nenhum tipo de ataque Químico.

Para COLPAERT (2008) A distribuição de forma aleatória das lamelas possibiliatam ao material melhores propriedades mecânicas o que o faz ter preferencia em aplicações relacionadas a engenharia.

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Figura 2. Microscopia Amostra “A” Atacada aumento de 1000X

A amostra “B” apresentou uma microestrutura semelhante a da amostra “A”, com a presença do Carbono forma de veios. Sendo que nessa segunda amostra podemos notar mais facilmente o formata de veios da grafita. O aumento utilizado na imagem da amostra “B” também foi diferente do da amostra “A”.

Figura 3. Microscopia Amostra “B” sem ataque aumento200X

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Para a mostra “B” observa-se que não há uma uniformidade da distribuição da grafita a mesma aparecendo de formas e orientações diferentes entre si. Nas amostras atacadas é onde nota-se a coloração cinzenta que nomeia a clasnota-se e o diferencia dos brancos.

Após comparar-se a imagem com as dos diferentes tipos de ferros fundidos da bibliografia do COLPAERT, chegou-se a conclusão que o mesmo também trata-se de um ferro fundido cinzento. A matriz dessa classe de materiais é predominantemente perlítica, com baixos percentuais de ferrita.

A amostra “C” apresenta um formato de grafita esferoidal, e uma matriz perlitica, essa possuindo uma classificação diferente das já verificadas anteriormente. Após realizar a análise comparativa para este pode se concluir que o mesmo trata-se de um ferro fundido nodular.

Figura 5. Microscopia Amostra “C” atacada aumento 200X

Figura 6. Microscopia Amostra “C” sem ataque aumento 200X (Autoria Própria)

A amostra imagem da amostra “C” passou por um ataque químico de ácido etílico. Vale ressaltar que a classe desse ferro fundido apresenta algumas vantagens em relação ao da classe das amostras anteriores como tenacidade e limite de escoamento mais altos.

Amostra “D” trata se de um Ferro fundido cinzento assim como os dois primeiros que foram analisados, a imagem utilizada foi após o ataque químico.

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Figura 7. Microscopia Amostra “D” atacada aumento 1000X

Figura 8. Microscopia Amostra “D” sem atacaque aumento 100X

Podemos observas os veios de grafita, que não apresentam uma distribuição bem uniforme, além disso, pode se notar a sua matriz perlitica na imagem atacada.

4 CONCLUSÃO

Foi possível observar que os ferros fundidos apesarem de á nível macroscópico serem semelhantes e quase impossível de classifica los a olho nu, a nível microestrutural apresentam grandes diferenças em seus arranjos fato que determinam as suas características físicas e norteiam o seu uso mais adequado.

Após a realização do experimento conseguiu-se classificar as quatro amostras fornecidas em algum dos cinco principais grupos dos ferros fundidos, através de um comparativo entre as microestruturas do experimento, e as presentes no manual utilizado. Sendo assim chegou-se a conclusão que três das amostras pertenciam ao grupo dos Ferros fundidos cinzentos (A,B e D) e uma das amostras ao grupo dos Ferros fundidos Nodulares(C), após essa classificação aconselhou se aplicações para cada uma das amostras, de acordo com o que são mais usadas na indústria.As diferenças que houveram entre as imagens obtidas com as imagens catalogadas se devem a algum

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erro no momento em que estavam sendo lixadas, cumprindo assim com o objetivo da pesquisa de classificar e aconselhar aplicações para cada uma, de acordo com a classificação.

Para futuros trabalhos podem-se buscar maneiras de melhorar as características de cada um dos tipos de ferro fundido, de acordo com a sua microestrutura e evitar a os ralões para que possa se obter imagens ainda melhores.

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REFERÊNCIAS

ASKELAND, Donald R.; PHULÉ, Pradeep Prabhakar. Ciência e engenharia dos materiais. São Paulo: Cengage Learning, 2008.

COLPAERT, Hubertus., 2008, “Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns”. 4. edição. Editora Edgar Blücher. São Paulo – SP, Brasil

DE MELLO, Carlos Alberto Torres. Vida em Fadiga de um Ferro Fundido Nodular Ferrítico com Variações Microestruturais. 2003. Tese de Doutorado. PUC-Rio.

FRANCKLIN, Alexandre Reis. Um breve estudo sobre ferro fundido nodular. Centro universitário Estadual da Zona Oeste. RJ, 2009.

GUESSER, W L. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos, 1ª edição, São Paulo: Editora Blucher, 2009.

JUNIOR, Ercio Massirer; GUESSER, Wilson Luiz. Avaliação da usinabilidade do ferro fundido vermicular através de ensaios de furação. In: VI CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO. 2011.

XAVIER, Fábio Antônio et al. Aspectos tecnológicos do torneamento do ferro fundido vermicular com ferramentas de metal-duro, cerâmica e CBN. 2003.