C E N T R O DE C I E N C I A S E T E C N O L O G I A
D E P A R T A M E N T O D E ENGENHARIA M E C A N I C A
CURSO DE POSGRADUACAO E M ENGENHARIA M E C A N I C A
ESTUDO DO COMPORTAMENTO A FRATURA DE
FERROS FUNDIDOS NODULARES AUSTEMPERADOS
A L B E R I A C A V A L C A N T I D E A L B U Q U E R Q U E
Campina Grande - PB
ESTUDO DO COMPORTAMENTO A FRATURA DE
FERROS FUNDIDOS NODULARES AUSTEMPERADOS
Dissertacao apresentada ao Curso de Pos-Graduacao
em Engenharia Mecanica, da Universidade Federal da
Paraiba, em cumprimento as exigencias para obtencao
do grau de Mestre.
Area de Concentracao: Materials e Processos de Fabricacao
Linha de Pesquisa: Propriedades Mecanicas e Metalurgia Fisica
Enfase em: Mecanica da Fratura
Orientador: Marco Antonio dos Santos, D. Sc.
Campina Grande - PB
E S T U D O D O C O M P O R T A M E N T O A F R A T U R A DE F E R R O S F U N D I D O S N O D U L A R E S A U S T E M P E R A D O S
Dissertacao A p r o v a d a c o m distincao e m l3) / t o
B a n c a E x a m i n a d o r a
Prof. D. Sc. Marco Antonio dos Santos (Orientador)
Prof. Ph. D. Fernando LuizT3astian ( M e m b r o )
^ C
Prof. D. Sc. T h e o p h i l o Moura Maciel ( M e m b r o )
Prof. Ph. D. A a r a o A n d r a d e de Lima ( M e m b r o )
C a m p i n a G r a n d e - PB Outubro - 1999
A o professor Marco Antonio d o s S a n t o s , pela orientacao e constante e s t i m u l o nao so na atividade professional m a s m o s t r a n d o - s e t a m b e m
um a m i g o .
A o Departamento de E n g e n h a r i a M e c a n i c a d a U F P B , particularmente nas p e s s o a s do professor Joao Batista da Costa A g r a de Mello, Lucia Marcia Donato Quirino e Nilson Jose Araujo Barbosa.
A o s a m i g o s , Maria Clea Soares de A l b u q u e r q u e , J o s e do Nascimento Barboza, Galvani A l v e s de Lacerda e Erivaldo de S o u z a M a s c a r e n h a s , pelo c o m p a n h e i r i s m o durante o decorrer d o curso.
A S o c i e d a d e E d u c a c i o n a l de S a n t a C a t a r i n a - E s c o l a T e c n i c a T u p y , pela parceria no d e s e n v o l v i m e n t o deste trabalho.
A o D e p a r t a m e n t o de E n g e n h a r i a M e c a n i c a d a U n i v e r s i d a d e F e d e r a l d o C e a r a , e s p e c i a l m e n t e ao prof. Hamilton Ferreira G o m e s de A b r e u ,
pela disponibilizacao do Microscopio Eletronico de Varredura.
A C A P E S e a F U N A P E pelo apoio financeiro, essencial para o d e s e n v o l v i m e n t o da pesquisa cientifica e dos experimentos laboratoriais.
Pagina L I S T A D E F I G U R A S yiii L I S T A D E T A B E L A S xii L I S T A D E S I M B O L O S xiii R E S U M O xiv A B S T R A C T xv 1 - I N T R O D U C A O 1 2 - R E V I S A O B I B L I O G R A F I C A 5 2.1 - M e c a n i c a d a Fratura L i n e a r E l a s t i c a 5 2.1.1 - C o n c e n t r a g a o de t e n s a o 5
2.1.2 - T e o r i a de Griffith p a r a a fratura fragil 8
2.1.3 - A n a l i s e de t e n s a o e m t r i n c a s 10 2.1.4 - T e n a c i d a d e a fratura 13 2.2 - D e s e n v o l v i m e n t o d o s F e r r o s F u n d i d o s N o d u l a r e s 14 2.3 - Tratamento de N o d u l i z a c a o 21 2.3.1 - E l e m e n t o s n o d u l i z a n t e s 21 2.3.2 - P r o c e s s o s de tratamento de n o d u l i z a c a o 2 6 2.4 - Tratamento de I n o c u l a c a o 31 2.4.1 - T i p o s de i n o c u l a n t e 31
2.6 - Efeito de E l e m e n t o s D e l e t e r i o s 4 5
2.6.1 - E l e m e n t o s deleterios 4 5
2.6.2 - Defeitos e n c o n t r a d o s e m f e r r o s f u n d i d o s n o d u l a r e s 4 6
2.7 - T r a t a m e n t o T e r m i c o de A u s t e m p e r a 52
2.7.1 - Efeito d o s e l e m e n t o s de liga 56
2.7.2 - Efeito d a temperatura e do tempo de a u s t e n i t i z a c a o 6 5
2.7.3 - Efeito d a temperatura e do tempo de a u s t e m p e r a 6 8
2.8 - P r o p r i e d a d e s M e c a n i c a s C o n v e n c i o n a i s do ADI 74 2.9 - T e n a c i d a d e a Fratura do ADI 76 3 - M A T E R I A I S E M E T O D O S 81 3.1 - Materiais 81 3 . 2 - Metodos 82 3.2.1 - F u n d i g a o 82 3.2.2 - U s i n a g e m d o s c o r p o s de p r o v a 86 3.2.3 - Tratamento termico 88 3.2.4 - E n s a i o s de t r a c a o 89 3.2.5 - E n s a i o s de t e n a c i d a d e a fratura 90 3.2.6 - E n s a i o s de d u r e z a 93 3.2.7 - A n a l i s e metalografica 94 3.2.8 - A n a l i s e fractografica 97 4 - R E S U L T A D O S E D I S C U S S A O 98 4.1 - Nodularidade e G r a u de Nodularidade 98 4.1.1 - Efeito do tratamento de i n o c u l a c a o 102
4.3 - A n a l i s e F r a c t o g r a f i c a 119 5 - C O N C L U S O E S 127 6 - S U G E S T O E S P A R A T R A B A L H O S F U T U R O S 130 7 - R E F E R E N C E S B I B L I O G R A F I C A S 131 A N E X O S A n e x o l - E x e m p l o s de aplicagao do ferro f u n d i d o n o d u l a r A n e x o 2 - E s p e c i f i c a g o e s para ferros f u n d i d o s n o d u l a r e s A n e x o 3 - P r o c e s s o s de tratamento de nodulizagao A n e x o 4 - P r o p r i e d a d e s m e c a n i c a s do ADI e de o u t r o s m a t e r i a i s A n e x o 5 - C u r v a s c a r g a x d e s l o c a m e n t o ( E n s a i o s de tragao) A n e x o 6 - C u r v a s c a r g a x d e s l o c a m e n t o ( E n s a i o s de t e n a c i d a d e ) A n e x o 7 - C u r v a s de c a l i b r a g a o A n e x o 8 - C u r v a s t e n s a o x deformagao ( e n s a i o s de tragao) A n e x o 9 - C u r v a s c a r g a x d e s l o c a m e n t o do ponto de a p l i c a g a o d a c a r g a ( e n s a i o s de t e n a c i d a d e a fratura) A n e x o 10 - C l a s s i f i c a g a o do formato d o s n o d u l o s de grafita A n e x o 11 - P l a n i l h a s de c o n t a g e m d o s n o d u l o s de grafita
L I S T A D E F 1 G U R A S
P a g i n a
Figura 1 - Perfil de tensoes na ponta da trinca 6 Figura 2 - (a) M o d o I, modo de abertura ou de tracao. ( b ) M o d o II, m o d o d e
c i s a l h a m e n t o puro ( c )Modo III, modo de c i s a l h a m e n t o fora do piano...11 Figura 3 - T e n s o e s atuantes em uma frente de trinca que esta c a r r e g a d a
s e g u n d o a configuracao do modo 1 11
Figura 4 - Efeito da espessura da chapa sobre a t e n a c i d a d e a fratura 13 Figura 5 - E v o l u c a o da producao mundial do ferro f u n d i d o nodular 17 Figura 6 - C o r r e l a c a o entre o teor inicial de enxofre e o teor final de
m a g n e s i o 22 Figura 7 - C o r r e l a c a o entre a temperatura de tratamento e o teor final de
m a g n e s i o 22 Figura 8 - S e q u e n c i a de solidificacao do eutetico e m ferros f u n d i d o s
c i n z e n t o s (a), nodulares (b) e brancos (c) 4 0 Figura 9 - M o d e l o tridimensional de celula eutetica em ferros f u n d i d o s
c i n z e n t o s 41 Figura 10 - R e p r e s e n t a c a o esquematica de cristais de grafita irradiando a
partir de u m centro c o m u m e m ferro fundido nodular 41
Figura 11 - Grafita na z o n a de flotacao (35X) 47 Figura 12 - E x e m p l o de grafita explodida (50X) 4 8
n o d u l a r d e secao pesada (100X) 50 Figura 15 - Inclusoes de escoria (50X) 51 Figura 16 - Faixas de c a r b o n o e silicio para ferros fundidos nodulares 52
Figura 17 - Diagrama e s q u e m a t i c o do ciclo de tratamento termico para a
p r o d u c a o de ferro fundido nodular a u s t e m p e r a d o 53 Figura 18 - Distribuicao tipica do soluto no ferro fundido nodular 58 Figura 19 - Percentual de austenita meta-estavel nao reagida e m f u n c a o d o
t e m p o d e a u s t e m p e r a , para ligas contendo m a n g a n e s e molibdenio..60 Figura 2 0 - Influencia do cobre e do molibdenio sobre o "tempo de perlita" 6 2 Figura 21 - R e s u l t a d o s de analise microquimica realizada entre o nodulo
e o c o n t o r n o da celula eutetica 6 4 Figura 22 - J a n e l a s d e p r o c e s s a m e n t o para realizacao do tratamento termico
d e a u s t e m p e r a 6 6 Figura 23 - Microestrutura tipica de u m ferro fundido nodular a u s t e m p e r a d o a
6 7 3 K (400°C) d u r a n t e 1 hora 7 0 Figura 24 - Microestrutura tipica de u m ferro fundido nodular a u s t e m p e r a d o a
5 7 3 K (300°C) d u r a n t e 1 hora 71 Figura 2 5 - Influencia da t e m p e r a t u r a de austempera, d u r a n t e 2 horas de
t r a t a m e n t o , sobre a t e n a c i d a d e a fratura 77 Figura 2 6 - V a z a m e n t o d o metal liquido para o cadinho 82 Figura 27 - R e a c a o d o m a g n e s i o a p o s a adicao do metal liquido 83
Figura 2 8 - V a z a m e n t o d o metal liquido e do inoculante na panela
q u i m i c a das amostras 85 Figura 31 - Calculo da extensao da pre-trinca de fadiga 87
Figura 32 - Fornos contendo b a n h o s de sais para realizacao do
tratamento termico de austempera 88 Figura 33 - M a q u i n a de ensaios universal servo-hidraulica M T S 8 1 0 89
Figura 34 - D e t e r m i n a c a o de PQ nas curvas carga x d e s l o c a m e n t o 91
Figura 3 5 - Durometro G n e h m H o r g e n 9 3 Figura 36 - Banco metalografico M M 6 da Leitz Wetzalar. 94
Figura 37 - Microscopio otico O l y m p i k u s 9 4 Figura 38 - G r a d e utilizada para c o n t a g e m de nodulos ( t a m a n h o reduzido) 95
Figura 39 - Microscopio Eletronico de Varredura - X L 3 0 Phillips 97 Figura 4 0 - Nodularidade e grau de nodularidade das a m o s t r a s e s t u d a d a s 98
Figura 41 - Fotomicrografias das amostras (a) L 1 , (b) L2 e (c) L3 99 Figura 42 - Fotomicrografias das amostras (a) S 1 , (b) S2 e (c) S3 100 Figura 4 3 - Fotomicrografias das amostras (a) CuO, (b) C u 4 e (c) C u 8 101
Figura 4 4 - Microestrutura das a m o s t r a s (a) L 1 , (b) L2 e (c) L3 110 Figura 4 5 - Microestrutura das a m o s t r a s (a) S 1 , (b) S2 e (c) S 3 111 Figura 4 6 - Microestrutura d a s a m o s t r a s (a) CuO, (b) C u 4 e (c) C u 8 112 Figura 4 7 - Analise de raios-X realizada sobre a regiao de s e g r e g a c a o 113 Figura 4 8 - Relacao entre os valores medios de K|C e Ku para as a m o s t r a s
(a) S 1 , S2,S3, (b) L 1 , L2, L3 e (c) CuO, Cu4 e Cu8. 117 Figura 4 9 - P r o p a g a c a o da trinca interligando nodulos imperfeitos 119
Figura 51 - C a s o da Figura 50 visto c o m maior detalhe 120 Figura 52 - P r o p a g a c a o da trinca atraves da matriz 121 Figura 53 - Superficie de fratura da amostra L1 123 Figura 54 - Detalhe da fratura da amostra L 1 , exibindo m e c a n i s m o de fratura
misto, clivagem e finos dimples 123 Figura 55 - Superficie de fratura da amostra S1 124 Figura 56 - Detalhe da fratura da amostra S 1 , exibindo m e c a n i s m o d e fratura
misto, clivagem e finos dimples 124 Figura 57 - Superficie de fratura d a amostra S2, exibindo m e c a n i s m o de fratura
misto, c l i v a g e m e finos dimples 125 Figura 58 - Detalhe da fratura da amostra S2. P e q u e n o s dimples f o r m a d o s entre
os n o d u l o s de grafita 125 Figura 59 - Detalhe da fratura da amostra CuO. P r e d o m i n a o m e c a n i s m o d e
fratura por clivagem 126 Figura 6 0 - Detalhe da fratura da amostra CuO. M i c r o m e c a n i s m o d e fratura por
T a b e l a 1 - C o m p o s i c a o quimica tipica relacionada as propriedades
m e c a n i c a s de ferros fundidos ducteis de baixa liga e nao ligados 18
T a b e l a 2 - T i p o s d e A D I s e g u n d o especificacao A S T M - A 8 9 7 / 9 0 19 T a b e l a 3 - Propriedades de materials nodulizantes e r e c o m e n d a c o e s d o
p r o c e s s o de apiicacao 2 5 T a b e l a 4 - C o m p o s i c a o quimica r e c o m e n d a d a para o A D I 59
T a b e l a 5 - C o m p o s i c a o q u i m i c a dos ferros fundidos nodulares e s t u d a d o s 81 T a b e l a 6 - Calculos para verificagao da validade dos valores de K|C 106
T a b e l a 7 - Propriedades m e c a n i c a s e tenacidade a fratura das
ligas e s t u d a d a s 107 T a b e l a 8 - Planilha para calculo dos valores de Ku 116
T a b e l a 9 - R e l a c a o entre os valores de Kic, Ku e tolerancia a trinca das
L I S T A DE S l M B O L O S O T S = Resistencia a tracao ays = T e n s a o de e s c o a m e n t o s = a l o n g a m e n t o C E = c a r b o n o equivalente y = austenita a = ferrita
ao - tensao de tracao nominal aplicada ao especime Pi = raio de curvatura da extremidade da trinca
a = c o m p r i m e n t o de u m a trinca superficial, ou metade do c o m p r i m e n t o de u m a trinca interna
am = t e n s a o m a x i m a na e x t r e m i d a d e da trinca ys = energia superficial especifica
E = m o d u l o de elasticidade
AK = Kmax - Km i n = v a r i a c a o d o fator de intensidade de t e n s a o durante a abertura
da pre-trinca de fadiga.
AKth = variagao m i n i m a do fator de intensidade de tensao para nuclear a pre-trinca de fadiga
R E S U M O
Os ferros f u n d i d o s nodulares a u s t e m p e r a d o s ( A u s t e m p e r e d Ductile Irons - A D I ) v e m d e s p e r t a n d o u m g r a n d e interesse, principalmente no q u e se refere a substituicao de pegas de ago fundido ou forjado, c o m p o n e n t e s soldados e de aluminio. A possibilidade de uma excelente combinagao de propriedades c o m o resistencia m e c a n i c a e ao d e s g a s t e , tenacidade e resistencia a fadiga, torna este material muito atrativo. Neste trabalho determinou-se as propriedades m e c a n i c a s convencionais e a t e n a c i d a d e a fratura de tres tipos de ferros fundidos nodulares a u s t e m p e r a d o s c o m m e s m a c o m p o s i g a o base, para os quais f o r a m v a r i a d o s o teor e o tipo de inoculante e de elemento de liga adicionados. Ferros f u n d i d o s nodulares nao ligadcs e ligados ao molibdenio foram inoculados com t e o r e s de 0.5, 0.7 e 0 . 9 % de FeSi75A, e n q u a n t o 0,5% de inoculante F e S i 7 5 B foi utilizado na inoculagao dos ferros fundidos nodulares com 0.0, 0.4 e 0 . 8 % de cobre. T o d o s os ensaios foram realizados a t e m p e r a t u r a ambiente e m u m a m a q u i n a de ensaios servo-hidraulica M T S 8 1 0 . O A D I nao ligado apresentou propriedades m e c a n i c a s semelhantes aquelas do ADI ligado, nao se o b s e r v a n d o u m efeito significativo das variaveis e s t u d a d a s sobre e s s a s propriedades, entretanto notou-se uma certa diferenga na tolerancia a trinca d a s ligas estudadas. A s ligas inoculadas c o m FeSi75B a p r e s e n t a r a m n o d u l a r i d a d e significativamente maior d o que a q u e l a s inoculadas c o m F e S i 7 5 A , o q u e foi atribuido ao maior potencial grafitizante do FeSi75B. A fratura de t o d a s as amostras ocorreu de modo fragil, entretanto a p r e s e n t a n d o m i c r o m e c a n i s m o misto de fratura, f o r m a d o por m i c r o c a v i d a d e s ducteis (dimples) e f a c e t a s de clivagem e/ou quase-clivagem.
A B S T R A C T
T h e a u s t e m p e r e d ductile cast iron (ADI) is a material that offers i m p r o v e d product performance while reducing costs a n d , in m a n y applications, s u r p a s s e s steel forgings, w e l d m e n t s , carburized steel, malleable, gray iron a n d a l u m i n i u m c o m p o n e n t s . Besides, the ADI displays r e m a r k a b l e m e c h a n i c a l properties as high tensile strength and wear resistance, b e y o n d of excellent fracture t o u g h n e s s and fatigue strength. In the present w o r k the m e c h a n i c a l properties a n d fracture t o u g h n e s s w e r e investigated on u n a l l o y e d a n d alloyed with c o p p e r a n d m o l i b d e n i u m A D I . T h e unnalloyed a n d alloyed w i t h 0 , 2 % m o l i b d e n i u m A D I w a s i n o c u l a t e d with 0.5, 0.7 a n d 0 . 9 % of FeSi75A, w h i l e 0 . 5 % of inoculant F e S i 7 5 B w a s u s e d to inoculate the alloyed w i t h 0.0, 0.4 e 0 . 8 % c o p p e r A D I . T h e tests w e r e realized at room temperature in a M T S 8 1 0 hidraulic m a c h i n e . T h e m e c h a n i c a l properties and fracture toughness of the u n a l l o y e d A D I w a s c o m p a r a b l e to that of the alloyed A D I , however it w a s n o t i c e d a little difference in the t o l e r a n c e to the crack. T h e alloys inoculated w i t h F e S i 7 5 B p r e s e n t e d nodularity bigger t h a n those inoculated with FeSi75A, w h a t w a s attributed to the largest inoculant potential of the FeSi75B. T h e fracture of all s a m p l e s h a p p e n e d in a fragile m o d e , h o w e v e r presenting mixed fracture m i c r o m o r p h o l o g y , constituded of m i c r o d i m p l e s a n d cleavage or quasi-cleavage facets.
O f e r r o fundido nodular e um material relativamente n o v o , q u e c o m e g o u a ser produzido por volta de 1960 e, d e s d e entao, v e m s e n d o c o n t i n u a m e n t e a p r i m o r a d o .
O s ferros fundidos nodulares, t a m b e m c o n h e c i d o s c o m o ferros f u n d i d o s ducteis, p o s s u e m c o m p o s i c a o quimica s e m e l h a n t e a dos ferros f u n d i d o s
cinzentos, c o n t u d o , no ferro fundido nodular a grafita se a p r e s e n t a na f o r m a de nodulos. A f o r m a nodular da grafita e obtida atraves d a adicao de e l e m e n t o s nodulizantes d u r a n t e o processo de fundicao. As terras raras sao nodulizantes muito eficientes, m a s o mais utilizado e o magnesio devido ao m e n o r custo. A q u a n t i d a d e de n o d u l o s de grafita e determinada pela inoculagao d o metal liquido, q u e c o n s i s t e na adigao d e silicio, geralmente na forma d e uma liga F e - S i , cujo poder de grafitizacao e f u n c a o d a quantidade e tipo de inoculante e da c o m p o s i c a o q u i m i c a do metal liquido.
estrutura da matriz adjacente. A o contrario da grafita e m veios, presente nos ferros fundidos cinzentos, a grafita nodular nao possui e x t r e m i d a d e s a g u c a d a s que, devido ao g r a n d e fator de concentracao de tensao, fragilizam o ferro. A s s i m , c o m p a r a n d o ferros fundidos cinzentos e nodulares com m e s m a matriz, ferritica ou per!itica, os nodulares apresentam propriedades superiores, principalmente no q u e diz respeito a tenacidade e ductilidade. Tais caracteristicas, aliadas a u m custo efetivo de fabricacao e maior leveza das pecas, fizeram c o m que os ferros fundidos nodulares se t o r n a s s e m fortes concorrentes n u m m e r c a d o antes d o m i n a d o pelos ferros f u n d i d o s cinzentos, ferros f u n d i d o s maleaveis, acos fundidos e a c o s forjados.
0 c o n t i n u o estudo sobre os ferros fundidos nodulares levou a o b t e n c a o do ferro fundido nodular a u s t e m p e r a d o ( A u s t e m p e r e d Ductile Iron -ADI), o qual c o m p o r t a uma excelente c o m b i n a c a o de resistencia m e c a n i c a , t e n a c i d a d e e resistencia a o desgate, caracteristica a n t e s so e n c o n t r a d a e m alguns acos. 0 A D I e obtido a partir de um ferro f u n d i d o nodular, perlitico ou ferritico, s u b m e t i d o a um t r a t a m e n t o termico de a u s t e m p e r a q u e resulta n u m ferro f u n d i d o nodular c o m matriz "ausferritica". A matriz ausferritica, diferente da bainita, e constituida de ferrita acicular e austenita estabilizada, de e l e v a d o c a r b o n o , cujas p r o p o r c o e s variam c o m o t e m p o e a t e m p e r a t u r a do tratamento termico e interferem diretamente nas propriedades finais do ferro. O s u c e s s o da t r a n s f o r m a c a o d e f a s e s (austenita - » ausferrita) durante o tratamento termico d e p e n d e da e s p e s s u r a d o f u n d i d o e d a c o m p o s i c a o q u i m i c a d a liga.
A l g u n s elementos de liga, tais como cobre, niquel e molibdenio, sao adicionados ao ferro para aumentar a austemperabilidade e permitir o tratamento d e pegas mais e s p e s s a s , evitando a formacao de constituintes tipicos de t e m p e r a t u r a s elevadas, tais como perlita e ferrita.
A a m p l a c o m b i n a c a o de variaveis ( c o m p o s i c a o q u i m i c a , e l e m e n t o s nodulizantes, g r a u de inoculacao, t e m p o e temperatura de tratamento) faz do A D I u m material bastante versatil, p o d e n d o ser adaptado a o s requisitos de diversas aplicagoes. P o d e m ser citados c o m o e x e m p l o s praticos de aplicagoes d o A D I : suportes de molas para veiculos de carga, sapatas de freio e rodas de locomotivas, polias, porta-laminas, implementos agricolas, e q u i p a m e n t o s d e t e r r a p l a n a g e m e e s c a v a c a o , bragos de direcao, virabrequins, e n g r e n a g e n s , parafusos de A r q u i m e d e s , a l a v a n c a s de acionamento de m a q u i n a s , c a m e s , caixas de c a m b i o , mancais, etc (ver e x e m p l o s de aplicagao para o ferro f u n d i d o nodular no A n e x o 1). A aplicagao do ADI em c o m p o n e n t e s estruturais de diversos e q u i p a m e n t o s , tern exigido u m intenso estudo do c o m p o r t a m e n t o a fratura d e s s e material, a fim de q u e se possa determinar suas v a n t a g e n s e limitagoes.
A pesquisa objeto d e s t a dissertagao e resultado d e um intercambio c o m a S o c i e d a d e Educacional de Santa Catarina / Escola T e c n i c a T u p y / D e p a r t a m e n t o de Materials e a Universidade Federal da P a r a i b a / Centro de Ciencias e T e c n o l o g i a / D e p a r t a m e n t o de Engenharia M e c a n i c a . B a s e a d a nos resultados obtidos por Dorazil & H o l z m a n n (1991) e c o n s i d e r a n d o a redugao nos custos d e fabricagao, a Escola T e c n i c a T u p y esta avaliando a possibilidade de produzir u m material n a o ligado q u e oferega propriedades s e m e l h a n t e s aos
Dentro desse intercambio a Escola Tecnica T u p y se responsabilizou pela realizacao da fundicao, confeccao, tratamento termico e analise q u i m i c a das amostras, e n q u a n t o a U F P B se c o m p r o m e t e u em realizar os testes m e c a n i c o s e analises metalograficas necessarios para a avaliacao das p r o p r i e d a d e s m e c a n i c a s c o n v e n c i o n a i s e de tenacidade a fratura dos materials e m estudo.
Neste trabalho foi estudada a influencia do teor de inoculante FeSi75 e dos e l e m e n t o s d e liga cobre e molibdenio e m ferros f u n d i d o s n o d u l a r e s a u s t e m p e r a d o s . A nodularidade, o grau de nodularidade, b e m c o m o as p r o p r i e d a d e s m e c a n i c a s convencionais e a tenacidade a fratura f o r a m avaliadas.
2.1 - M e c a n i c a d a F r a t u r a L i n e a r E l a s t i c a
2.1.1 - C o n c e n t r a c a o de t e n s a o
A resistencia a fratura d e u m material solido e u m a f u n c a o das forcas c o e s i v a s q u e existem entre os atomos. C o m b a s e nisso, a resistencia coesiva teorica d e um solido elastico fragil tern sido e s t i m a d a e m , a p r o x i m a d a m e n t e , E/10, o n d e E e o modulo de elasticidade. A resistencia a fratura e x p e r i m e n t a l da maioria dos materials de e n g e n h a r i a n o r m a l m e n t e varia entre 10 a 1000 v e z e s abaixo d e s s e valor teorico. Na d e c a d a de 20, A. A. Griffith propos que e s s a discrepancia, entre a resistencia coesiva teorica e a resistencia a fratura o b s e r v a d a , poderia ser explicada pela p r e s e n c a d e defeitos ou trincas m i c r o s c o p i c o s q u e s e m p r e existem sob condicoes normais na superficie e no interior do material. Esses defeitos sao prejudiciais para a resistencia a fratura porque u m a t e n s a o aplicada p o d e ser a u m e n t a d a ou c o n c e n t r a d a na e x t r e m i d a d e
do defeito, o n d e a magnitude desse aumento d e p e n d e da g e o m e t r i a e o r i e n t a c a o da trinca. Esse f e n o m e n o esta d e m o n s t r a d o na Figura 1, que apresenta u m perfil de t e n s a o atraves d e uma seccao transversal contendo uma trinca interna. C o m o indicado por e s s e perfil, a magnitude dessa tensao localizada diminui a m e d i d a que se afasta d a extremidade da trinca. Em p o s i c o e s distantes, a t e n s a o e e x a t a m e n t e a t e n s a o nominal ao, o u a carga dividida pela area da s e c c a o transversal d o especime. Devido a sua capacidade d e ampliar uma t e n s a o aplicada, e m sua localizacao, e s s e s defeitos sao geralmente c h a m a d o s c o n c e n t r a d o r e s de tensao (Callister Jr., 1997).
Figura 1 - Perfil d e t e n s o e s na ponta da trinca: (a) geometria de trincas na borda e no centro da placa (b) perfil de tensao ao longo da linha X-X' (Callister Jr., 1997).
A s s u m i n d o q u e a trinca tern uma forma eliptica e esta orientada c o m seu eixo maior perpendicular a t e n s a o aplicada, a tensao m a x i m a na e x t r e m i d a d e da trinca, am , p o d e ser a p r o x i m a d a p o r :
o„ = 2a, (2.1)
onde ao e a t e n s a o de tracao nominal aplicada, pt e o raio de curvatura d a e x t r e m i d a d e da trinca (Figura 1.a), eao comprimento de uma trinca na borda, ou metade do c o m p r i m e n t o d e uma trinca passante. A s s i m , para uma microtrinca relativamente longa q u e tern u m raio de curvatura e x t r e m a m e n t e p e q u e n o , o fator ( a / p t )1 / 2 p o d e ser muito g r a n d e e isso produzira u m valor d e am q u e e muito maior
que ao. A razao am /ao e d e n o m i n a d a fator de c o n c e n t r a c a o de tensao, Kt , que e
uma m e d i d a d o g r a u c o m q u e u m a tensao externa e a m p l i a d a na e x t r e m i d a d e de uma p e q u e n a trinca:
materials frageis d o q u e n o s ducteis. Para u m material ductil, a d e f o r m a c a o plastica a c o n t e c e q u a n d o a t e n s a o maxima excede a t e n s a o de e s c o a m e n t o . Isso leva a uma distribuicao mais uniforme de tensao nas vizinhancas do concentrador de t e n s a o e a o d e s e n v o l v i m e n t o de u m fator de c o n c e n t r a c a o de t e n s a o m a x i m o menor q u e o valor teorico. Tal e s c o a m e n t o e redistribuicao de tensao nao ocorre, numa e x t e n s a o apreciavel, a o redor de defeitos e d e s c o n t i n u i d a d e s e m materials frageis, t e n d o - s e portanto a c o n c e n t r a c a o de tensao teorica (Callister Jr., 1997).
(2.2)
Griffith entao propos que todos os materiais frageis contem uma p o p u l a c a o de p e q u e n o s defeitos e fissuras os quais tern uma variedade de t a m a n h o s , formas e orientacoes. A fratura acontecera q u a n d o , a p o s a aplicagao de uma tensao de tracao, a resistencia coesiva teorica do material for excedida na e x t r e m i d a d e de uma d e s s a s falhas. Se nao h o u v e s s e m f a l h a s presentes, a resistencia a fratura seria igual a resistencia coesiva d o material. W h i s k e r s metalicos e ceramicos, muito p e q u e n o s e virtualmente livres de defeitos, tern sido produzidos com resistencias a fratura que se a p r o x i m a m dos valores teoricos (Callister Jr., 1997).
2.1.2 - T e o r i a de Griffith p a r a a fratura fragil
Durante a p r o p a g a c a o de uma trinca, ha u m a liberacao de energia de d e f o r m a c a o elastica, q u e foi a r m a z e n a d a pelo material a medida q u e se d e f o r m a v a elasticamente. A l e m disso, durante o processo d e extensao da trinca, novas superficies livres sao criadas nas faces da trinca, o q u e c a u s a um a u m e n t o na energia superficial do sistema. O criterio de Griffith para a instabilidade de uma trinca (Figura 1.a) diz:
" U m a trinca so ira p r o p a g a r - s e , de m o d o instavel, q u a n d o o decrescimo de e n e r g i a elastica c o m a p r o p a g a c a o for ao m e n o s igual a energia necessaria para criar as n o v a s superficies de trinca."
Griffith d e m o n s t r o u que a tensao critica ac , necessaria para a
p r o p a g a c a o de trinca e m u m material fragil, e descrita p o r :
(2.3)
o n d e E e o m o d u l o de elasticidade, ys a energia superficial especifica e a a
m e t a d e d o c o m p r i m e n t o de u m a trinca passante. E m b o r a e s s a e q u a c a o nao e n v o l v a o raio da extremidade da trinca pt, a s s u m e - s e q u e este e suficientemente a g u d o (da o r d e m do e s p a c a m e n t o interatomico) para ampliar a t e n s a o local na e x t r e m i d a d e , acima da resistencia coesiva do material (Callister Jr., 1997).
A teoria de Griffth, entretanto, nao c o n s i d e r a a plasticidade g e r a d a na p o n t a d a trinca no caso de materials que nao sao c o m p l e t a m e n t e frageis. Para contornar e s s a limitacao, O r o w a n sugeriu o acrescimo d o t e r m o yP as e q u a g o e s
de Griffth, q u e corresponderia a e n e r g i a absorvida no p r o c e s s o d e deformagao plastica. D e s s a forma a e x p r e s s a o 2.3 seria modificada p a r a :
Ob = (2E(ys +yP)/na)1/2 (2.4)
Por outro lado, Irwin utilizou o t e r m o G p a r a representar a energia elastica total liberada na p r o p a g a c a o d a trinca, isto e, a f o n t e de energia para o p r o c e s s o de fratura, i n d e p e n d e n t e de que e s s a energia esteja s e n d o c o n s u m i d a so p a r a a criacao das superficies de fratura o u para a criacao d a s superficies mais u m a p e q u e n a d e f o r m a c a o plastica a s s o c i a d a a e x t e n s a o da trinca.
S e n d o assim, no m o m e n t o da p r o p a g a c a o instavel d a trinca t e m - s e :
Ofc = (E.Gc/nac)1/2 (2.5)
O n d e ac e a e x t e n s a o critica da trinca e Gc e u m a caracteristica do
material q u e e f u n c a o da t e m p e r a t u r a , da velocidade de c a r r e g a m e n t o , d o estado d e t e n s o e s e do m o d o de c a r r e g a m e n t o . Para trincas sub-criticas a e x p r e s s a o 2.5 p o d e ser escrita como:
a - (E.G/m)1/2 , p a r a o estado piano de t e n s o e s
e <J= (E.G/m(1-v))1/2, p a r a o estado piano d e d e f o r m a c o e s , o n d e v
e a razao de P o i s s o n .
2.1.3 - A n a l i s e de t e n s a o e m t r i n c a s
Ha tres modos f u n d a m e n t a l s pelos quais u m a c a r g a p o d e agir sobre u m a trinca e c a d a um afetara diferentemente o d e s l o c a m e n t o da superficie d a trinca. E s s e s estao ilustrados na Figura 2 . 0 m o d o I e u m a c a r g a d e abertura (ou d e tracao), e n q u a n t o os m o d o s II e III sao de c i s a l h a m e n t o puro (ou no piano) e c i s a l h a m e n t o fora do piano, respectivamente. 0 m o d o I e o m a i s f r e q u e n t e m e n t e e n c o n t r a d o e a p e n a s este sera tratado na d i s c u s s a o s e g u i n t e s o b r e m e c a n i c a da fratura.
(a) (b) (c)
Figura 2 - (a) M o d o I, modo de abertura ou de tracao. ( b ) M o d o II, c i s a l h a m e n t o
puro. ( c ) M o d o III, cisalhamento fora do piano (Callister Jr., 1997).
Para a configuracao d o modo I, as t e n s o e s atuantes sobre u m elemento d e material estao m o s t r a d a s na Figura 3.
Figura 3 - T e n s o e s atuantes e m u m a frente de trinca q u e esta c a r r e g a d a s e g u n d o a configuracao do modo I (Callister Jr., 1997).
W e s t e r g a a r d e s t u d o u as tensoes atuantes nas v i z i n h a n c a s de u m a trinca p a s s a n t e , e m u m material elastico linear, submetida as c o n d i c o e s ilustradas na Figura 3 e c h e g o u as seguintes expressoes:
axx = a(a/2ry" cos(6/2) (1-sen(0/2)sen(36/2)).
(TYY = a(a/2r)1/2 cos(6/2) (1+sen(0/2)sen(30/2)).
CXXY = a{a/2r)m cos{&2) sen(0/2) cos(30/2)).
oyz ~ ovz = 0.
O n d e re 9 sao as c o o r d e n a d a s polares cilfndricas de u m p o n t o e m relacao a p o n t a da trinca, ere a t e n s a o trativa aplicada a placa, a e a m e t a d e d o c o m p r i m e n t o da trinca e v e a razao de Poisson. S e a c h a p a e relativamente d e l g a d a para a s d i m e n s o e s da trinca, entao azz = 0, o u se diz q u e existe u m a condigao d e e s t a d o piano de tensoes. Em outro e x t r e m o ( u m a c h a p a relativamente e s p e s s a ) , azz = v(ax + ay ) e a c o n d i c a o e d e um e s t a d o piano de d e f o r m a c o e s , u m a v e z que sz = 0 , (Callister Jr., 1997).
O p a r a m e t r o K, d e n o m i n a d o fator d e i n t e n s i d a d e de t e n s a o , d e s c r e v e o c a m p o de t e n s o e s local desenvolvido na e x t r e m i d a d e da trinca e sera discutido mais d e t a l h a d a m e n t e a seguir. Deve-se observar, entretanto, q u e e s s e fator d e intensidade de t e n s a o e o fator de c o n c e n t r a c a o de t e n s a o Kt na e x p r e s s a o 2.2 nao s a o equivalentes. 0 valor do fator d e intensidade de t e n s a o e u m a f u n c a o d a t e n s a o aplicada, do t a m a n h o e posicao d a trinca, b e m c o m o da g e o m e t r i a d o c o r p o solido no qual a trinca esta localizada .
2.1.4 - T e n a c i d a d e a fratura
Existe um valor critico para o fator de intensidade de t e n s a o K , q u e p o d e ser u s a d o para especificar as condicoes para a fratura fragil. Esse valor critico, d e t e r m i n a d o sob c o n d i c o e s de deformacao plana, e c h a m a d o t e n a c i d a d e a fratura K|C, q u e e a medida da resistencia do material a fraturar d e maneira fragil
q u a n d o u m a trinca esta presente e e expresso e m M P a V m .
Para e s p e c i m e s relativamente delgados, o valor d e Kc (K critico) diminui c o m o a u m e n t o da e s p e s s u r a do especime, c o m o indicado na Figura 4.
Figura 4 - Efeito da e s p e s s u r a da chapa sobre a t e n a c i d a d e a fratura
No m o m e n t o e m q u e Kc torna-se i n d e p e n d e n t e da e s p e s s u r a , t e m - s e estabelecido o estado piano de deformacao e o valor d e Kc se m a n t e m n u m p a t a m a r conhecido como tenacidade a fratura no e s t a d o piano de d e f o r m a c a o , K c . Essa e a tenacidade a fratura normal m e n t e citada u m a v e z que s e u valor e s e m p r e menor que Kc (Moura Branco, 1985).
A tenacidade a fratura no estado piano d e d e f o r m a c o e s Kic e u m a p r o p r i e d a d e intrinseca do material que d e p e n d e de muitos fatores, dos quais os mais influentes sao temperatura, taxa de deformacao e microestrutura. 0 valor de K c diminui c o m o a u m e n t o da taxa de d e f o r m a c a o e c o m o d e c r e s c i m o da t e m p e r a t u r a . A l e m disso, um a u m e n t o no limite d e e s c o a m e n t o c a u s a d o por s o l u c o e s solidas ou pelo e n d u r e c i m e n t o por d e f o r m a c a o g e r a l m e n t e p r o d u z e m u m c o r r e s p o n d e n t e decrescimo e m K c , e n q u a n t o u m efeito contrario se observa c o m a r e d u c a o do t a m a n h o de grao (Moura Branco, 1985).
2.2 - D e s e n v o l v i m e n t o d o s F e r r o s F u n d i d o s N o d u l a r e s
A grafita, e m ferros fundidos cinzentos c o m u n s , encontra-se distribuida atraves da matriz metalica na forma de veios. E s s e s veios d e grafita i n t e r r o m p e m a continuidade d a matriz metalica de m a n e i r a q u e t o r n a m o material relativamente fragil e c o m baixa ductilidade. Por outro lado, n o s ferros fundidos m a l e a v e i s a grafita possui uma f o r m a nodular, a p r o x i m a d a m e n t e esferoidal, que n a o interrompe a continuidade da matriz metalica e, a s s i m , o b t e m - s e u m material c o m resistencia ao choque e ductilidade relativamente b o a s ( M o r r o g h , 1948).
C o m base nessas observacoes, e facil concluir q u e as p r o p r i e d a d e s m e c a n i c a s dos ferros fundidos cinzentos poderiam ser m e l h o r a d a s se a grafita f o s s e obtida e m forma de nodulos e nao de veios. E s t u d o s realizados por Millis e G a g n e b i n revelaram ser possivel a obtencao do ferro f u n d i d o nodular atraves da a d i c a o de magnesio ao banho metalico, antes da s u a i n o c u l a c a o (Millis, 1998). Por outro lado, Morrogh e Williams (1947) previram a possibilidade de obter estruturas nodulares de grafita e m ferros fundidos atraves d a a d i c a o d e e l e m e n t o s estabilizadores de carbonetos, os quais agiham t a m b e m c o m o d e s s u l f u r i z a n t e s a j u d a n d o a alcancar a estrutura desejada. M o r r o g h ( 1 9 4 8 ) m o s t r o u , entao, ser p o s s i v e l a producao de grafita nodular a partir da a d i c a o d e cerio a um ferro f u n d i d o c o m c o m p o s i c a o apropriada, sem a n e c e s s i d a d e de u m t r a t a m e n t o termico posterior. Os ferros fundidos nodulares obtidos a t r a v e s d e s s e p r o c e s s o p o s s u e m b o a resistencia ao choque e boa ductilidade e sao p r o n t a m e n t e d i f e r e n c i a d o s dos ferros fundidos cinzentos e m a l e a v e i s , atraves de e x a m e s metalograflcos, por apresentarem a grafita na f o r m a e s f e r o i d a l .
Estudos realizados por Loper e Heine ( 1 9 6 5 ) indicam a l g u m a s r e c o m e n d a c o e s praticas para a producao de ferros f u n d i d o s n o d u l a r e s d e boa q u a l i d a d e , o q u e requer o desenvolvimento inicial d e u m a e l e v a d a c o n t a g e m de n o d u l o s e u m ciclo de processamento que m a n t e n h a e s s a c o n t a g e m ate q u e o f u n d i d o se solidifique:
- o teor de carbono equivalente d e v e ser m a n t i d o na faixa d e 4 , 4 5 a 4 , 5 5 % , a fim d e minimizar a ocorrencia de grafita e x p l o d i d a , f o r m a c a o d e c a r b o n e t o s , flotacao de carbono e grafita d e g e n e r a d a ;
- o tratamento c o m m a g n e s i o deve ser c o n d u z i d o n u m a t e m p e r a t u r a d o metal liquido entre 1755 e 1783K (1482 e 1510 °C) n u m t e m p o m a x i m o d e 6 minutos;
- a inoculacao com ferro-silicio deve ser realizada, p r e f e r e n c i a l m e n t e a p o s o t r a t a m e n t o c o m magnesio, durante a transferencia para a p a n e l a de v a z a m e n t o ou d u r a n t e o v a z a m e n t o no molde;
- o ciclo de processamento t e m p o - t e m p e r a t u r a , b e m c o m o a taxa de resfriamento, d e p e n d e m muito da c o m p o s i c a o q u i m i c a da liga.
E m u m outro trabalho Loper (1969) c o m p l e m e n t a e s s a s o b s e r v a c o e s , indicando outros parametros q u e interferem n a o b t e n c a o d e u m m o l d a d o d e b o a qualidade:
- a quantidade de magnesio a ser a d i c i o n a d a e u m a f u n c a o d o s t e o r e s de o x i g e n i o e enxofre contidos no metal fundido, b e m c o m o d o m e t o d o de adicao. E n e c e s s a r i a uma quantidade residual de m a g n e s i o entre 0,03 a 0 , 0 8 % para a s s e g u r a r u m tratamento efetivo;
- a quantidade total de inoculante d e v e ser a d i c i o n a d a a o s p o u c o s d u r a n t e o s varios estagios de transferencia do metal liquido, s e n d o a d i c i o n a d a na bica d e v a z a m e n t o o u diretamente na panela (ou molde);
- preferencialmente, o metal tratado d e v e ser v a z a d o no m o l d e e m m e n o s d e 10 minutos apos a adicao do magnesio, a u m a t e m p e r a t u r a d e a p r o x i m a d a m e n t e 1 6 1 7 K (1344°C). T e m p e r a t u r a s m e n o r e s resultam e m a u m e n t o da q u a n t i d a d e de carbonetos e/ou grafita nao-esferoidal;
- q u a n d o o v a z a m e n t o e realizado a t e m p e r a t u r a s p r o x i m a s a d e solidificacao, o uso de coquilha favorece uma m e l h o r microestrutura da grafita
d e v i d o a e l i m i n a c a o ou reducao do gradiente termico dentro d o m o l d a d o e por a s s e g u r a r u m a q u e d a de temperatura continua durante a solidificacao.
A p o s a descoberta do ferro fundido nodular, m u i t o s f u n d i d o r e s , a t r a v e s d a s d e c a d a s de 50 e 60, produziram ferros f u n d i d o s n o d u l a r e s d e m a q u a l i d a d e por desconsiderar os controles de producao n e c e s s a r i o s a o b t e n c a o d e u m ferro f u n d i d o nodular de boa qualidade. Nao f o s s e m o s e s f o r c o s d e Keith Millis (o inventor d o ferro fundido nodular) e de outros p e s q u i s a d o r e s n o sentido d e a p h m o r a r a s praticas d e fundicao por todo o m u n d o , e s s e material hoje estaria extinto. C o n t u d o , as falhas levaram a u m aprendizado q u e d e i x o u n o v a s t e c n i c a s e c o n t r o l e s para a producao de ferros fundidos nodulares d e alta q u a l i d a d e . Hoje a p r o d u c a o mundial d e ferros fundidos nodulares a l c a n c a niveis r e c o r d e s e c o n t i n u a c r e s c e n d o (Keough, 1991). 0 histograma da Figura 5 ilustra a e v o l u c a o da p r o d u c a o mundial do ferro fundido nodular d e s d e 1 9 4 8 ate o a n o 2 0 0 0 , q u a n d o e s t i m a - s e a l c a n c a r u m a taxa d e 2 5 milhoes d e toneladas p o r a n o ( F a t a h a l a et alii, 1996).
c o o i m o c o m t ^ o m o o i o o c n c n c n c n a i c n c n c n c n c n c n c n o
ano
F i g u r a 5 - Evolucao da producao mundial d e ferro f u n d i d o nodular (Fatahala etalli, 1996).
O s ferros fundidos nodulares sao t a m b e m c o n h e c i d o s c o m o ferros f u n d i d o s ducteis e p o s s u e m c o m p o s i c a o quimica s e m e l h a n t e a d o s ferros f u n d i d o s cinzentos. A c o m p o s i c a o quimica basica de alguns tipos d e ferros f u n d i d o s nodulares encontra-se na Tabela 1 (Mullins, 1992).
T a b e l a 1 - C o m p o s i c a o quimica tipica relacionada as propriedades m e c a n i c a s de f e r r o s fundidos ducteis de baixa liga e nao ligados (Mullins, 1992).
C o m p o s i c a o q u i m i c a
E s p e c i f i c a c a o A S T M A536/84 ( aTs (MPa) - CTy (MPa) - e (%))
C o m p o s i c a o
q u i m i c a 420-280-18 455-315-12 560-385-06 700-490-03 840-630-02 C a r b o n o 3,50-3,90 3,50-3,90 3,50-3,90 3,50-3,80 3,50-3,80
S i l i c i o 2,20-3,00 2,50-2,80 2,20-2,70 2,20-2,70 2 , 2 0 - 2 , 7 0 M a n g a n e s 0,300 max 0,400 max 0,20-0,50 0,600 max 0,600 max
F o s f o r o 0,050 max 0,050 max 0,050 max 0,050 max 0,050 m a x
E n x o f r e 0,015 max 0,015 max 0,015 max 0,015 max 0,015 m a x C r o m o 0,060 max 0,100 max 0,100 max 0,100 max 0,100 max
Niquel
-
-
-
1,000 max 1,000 maxC o b r e
-
-
0,20-0,40 0,20-0,50 0,20-0,50A maioria d o s ferros fundidos nodulares e produzida a partir d e alguns tipos b a s i c o s , os quais p o d e m ser obtidos na condicao bruta de f u s a o , s e m a n e c e s s i d a d e d e tratamento termico posterior. Esses tipos basicos sao: 4 2 0 2 8 0 -18 a 4 5 5 - 3 1 5 - 1 2 , q u e sao os tipos mais ducteis, contendo ate 3 0 % de perlita na matriz; 5 6 0 - 3 8 5 - 0 6 , q u e p o d e ter de 30 a 8 0 % de perlita e p o d e ser obtido bruto de f u s a o o u a t r a v e s d e t r a t a m e n t o termico de normal izacao; e 7 0 0 - 4 9 0 - 0 3 , q u e e dito t o t a l m e n t e perlitico e c o n t e m u m maximo de 2 0 % de ferrita na matriz, e m b o r a p o s s a ser obtido bruto de fusao, geralmente e produzido atraves de n o r m a l i z a c a o .
O tipo 8 4 0 - 6 3 0 - 0 2 e um ferro f u n d i d o nodular t e m p e r a d o e revenido, c o n t e n d o bainita o u martensita revenida e distingue-se do nodular perlitico de alta resistencia por apresentar maior razao CTY/C>TS e p r o p r i e d a d e s de impacto
superiores. O s ferros fundidos nodulares tratados t e r m i c a m e n t e por p r o c e s s o de a u s t e m p e r a ( A u s t e m p e r e d Ductile Irons - ADI) a p r e s e n t a m u m a e x c e l e n t e c o m b i n a c a o d e e l e v a d a resistencia, boa tenacidade e excelente resistencia ao d e s g a s t e e a fadiga. A s especificacoes para o ADI e n c o n t r a m - s e na T a b e l a 2 (Mullins, 1992). Outras especificacoes para o ferro f u n d i d o nodular p o d e m ser e n c o n t r a d a s no A n e x o 2.
T a b e l a 2 - T i p o s d e ADI s e g u n d o especificacao A S T M - A 8 9 7 - 9 0 (Mullins, 1992). T i p o G T S (MPa) o> ( M P a ) A l o n g a m e n t o ( % ) Ecv ( J ) * HB Brinell 1) 8 5 0 / 5 5 0 / 1 0 8 5 0 5 5 0 10 100 2 6 9 - 3 2 1 2) 1 0 5 0 / 7 0 0 / 7 1050 7 0 0 7 8 0 3 0 2 - 3 6 3 3) 1 2 0 0 / 8 5 0 / 4 1200 8 5 0 4 6 0 3 4 1 - 4 4 4 4) 1400/1100/1 1400 1100 1 3 5 3 8 8 - 4 7 7 5) 1 6 0 0 / 1 3 0 0 / - 1600 1300
-
-
4 4 4 - 5 5 5* Resistencia a o impacto a t e m p e r a t u r a ambiente (charpy s e m entalhe)
Na d e c a d a de 60, os primeiros experimentos p u b l i c a d o s c o m A D I f o r a m c o n d u z i d o s pela International Harvester e, na d e c a d a de 80, h o u v e u m g r a n d e c r e s c i m e n t o d a p r o d u c a o mundial. Esse crescimento, c o n t u d o , n a o o c o r r e u s e m f a l h a s : e m a l g u n s casos, fundidores t e n t a r a m s e m s u c e s s o ,
transformar ferros fundidos ducteis ruins e m bons atraves da a u s t e m p e r a ; e m outros c a s o s , p e s s o a s c o m p o u c o entendimento da metalurgia dos ferros f u n d i d o s t e n t a r a m e f a l h a r a m e m realizar o tratamento termico de a u s t e m p e r a ; e, a i n d a , e n g e n h e i r o s entusiastas tentaram implementar o ADI e m aplicagoes q u e seriam melhor a d e q u a d a s a outros materials ou processos. Isso nos deixa u m alerta para importancia de considerar os parametros tecnicos de processo para obtengao d o A D I q u e , se for b e m c o n c e b i d o e implementado resultara e m novos m e r c a d o s
( K e o u g h , 1991).
O primeiro passo para produzir um ADI de b o a qualidade e produzir u m f u n d i d o bruto d e f u s a o c o m qualidade consistente o qual, por sua vez, d e p e n d e d e tecnicas a d e q u a d a s d e tratamento de nodulizagao e inoculagao. O s e g u n d o p a s s o e a realizagao d o tratamento termico de a u s t e m p e r a , q u a n d o d e v e - s e considerar a c o m p o s i c a o q u i m i c a do material e as propriedades finais d e s e j a d a s , a partir d a s quais serao estabelecidos os t e m p o s e t e m p e r a t u r a s de t r a t a m e n t o ( K e o u g h , 1991). T o d o s e s s e s parametros serao discutidos m a i s d e t a l h a d a m e n t e a seguir.
2.3 - T r a t a m e n t o de N o d u l i z a c a o
2.3.1 - E l e m e n t o s n o d u l i z a n t e s
0 t r a t a m e n t o de nodulizacao tern a finalidade de modificar a c o m p o s i c a o e as c o n d i c o e s do ferro liquido de maneira q u e , a p o s a inoculacao, a grafita precipite na f o r m a nodular. O s elementos utilizados c o m o nodulizantes sao o m a g n e s i o e os metais de terras raras, que p o d e m ser utilizados na forma pura ou e m ligas (Finardi, 1984).
a) M a g n e s i o : o m a g n e s i o tern sido utilizado c o m o principal nodulizante, tanto por razoes e c o n o m i c a s c o m o pela consistencia dos resultados obtidos. Entretanto, o m a g n e s i o tern alta t e n s a o de v a p o r (temperatura d e v a p o r i z a c a o d e 1 3 8 0 K o u 1107°C) e baixa solubilidade no ferro, p o d e n d o produzir violenta r e a c a o e baixo r e n d i m e n t o q u a n d o da sua adicao. A q u a n t i d a d e de m a g n e s i o a ser a d i c i o n a d a e b a s e a d a no rendimento q u e , por sua vez, e f u n c a o d e d i v e r s o s fatores: tipo de liga adicionada, t e m p e r a t u r a e t e m p o de t r a t a m e n t o , p r o f u n d i d a d e de metal na panela d e v a z a m e n t o , m e t o d o d e t r a t a m e n t o e t e o r e s de enxofre e de o x i g e n i o no ferro a ser tratado. A q u a n t i d a d e d e m a g n e s i o a d i c i o n a d a d e v e ser tal q u e ocorra reducao do enxofre para m e n o s q u e 0 , 0 2 % ; r e d u c a o d o oxigenio dissolvido para, a p r o x i m a d a m e n t e , 3 p p m ; e o teor residual de m a g n e s i o fique entre 0,03 e 0,05%. T e o r e s mais reduzidos de m a g n e s i o p o d e m n a o f o r n e c e r nodulizacao a d e q u a d a e teores mais e l e v a d o s p r o d u z e m t e n d e n c i a a f o r m a c a o de c a r b o n e t o s livres (Finardi, 1984).
A s Figuras 6 e 7 mostram o teor residual d e m a g n e s i o , r e s p e c t i v a m e n t e , e m f u n c a o d o teor d e enxofre e d a t e m p e r a t u r a d e tratamento (Dias e A l v e s , 1982). %Mg 0.08 0,07 0.06 — 0,05 0.04 0,03 % S 0.015 0,020 0.025 0.030 0.035
Figura 6 - Correlacao entre o teor inicial de enxofre e o teor final d e m a g n e s i o (Dias e Alves, 1982). %Mg 0,07 0.06 0,05 _ 0,04 1300 1320 1340 1360 1380 1400 (°C)
Figura 7 - Correlacao entre a t e m p e r a t u r a d e t r a t a m e n t o e o teor final de m a g n e s i o (Dias e Alves, 1982).
Essas c o r r e l a t e s foram obtidas c o m a d i c o e s de 0 , 1 % d e m a g n e s i o a t e m p e r a t u r a s entre 1573 e 1 6 5 3 K (1300 e 1380°C). P o d e - s e o b s e r v a r que, q u a n t o maior o teor de enxofre e a temperatura de tratamento, m e n o r e o r e n d i m e n t o d o m a g n e s i o . 0 m a g n e s i o tern g r a n d e t e n d e n c i a a volatizar e oxidar-se a e l e v a d a s temperaturas, levando a uma q u e d a na eficiencia da nodulizacao, r e c o m e n d a n d o - s e u m t e m p o m a x i m o de 10 minutos a p o s o tratamento a t e o v a z a m e n t o no m o l d e (Dias e Alves, 1982).
No tratamento do ferro por magnesio e s s e e l e m e n t o p o d e ser a d i c i o n a d o na f o r m a elementar o u como ligas, as quais p o d e m ser b a s e a d a s e m n i q u e l , cobre, ou ferro-silicio. 0 tratamento c o m m a g n e s i o e l e m e n t a r g o z a d e tres g r a n d e s v a n t a g e n s : e mais barato, nao introduz um e l e m e n t o portador e permite tratar ferro c o m teor de enxofre ate 0,2%, contudo, necessita d e e q u i p a m e n t o especial q u e limita a quantidade m i n i m a a ser tratada e representa alto d i s p e n d i o (Finardi, 1984).
b) Liga NiMg: entre as ligas utilizadas, a q u e l a s a b a s e de niquel ( N i M g ) sao as mais d e n s a s , mais faceis de serem utilizadas e as q u e a p r e s e n t a m maior r e n d i m e n t o . O tratamento c o m as ligas NiMg e realizado pelo p r o c e s s o d e s i m p l e s transferencia e e satisfatorio para qualquer p e s o d e metal, n a o h a v e n d o n e c e s s i d a d e d e investimentos elevados, entretanto, e s s a s ligas a p r e s e n t a m a d e s v a n t a g e m de s e r e m e x t r e m a m e n t e caras, nao p r o m o v e m efeito inoculante e e l e v a m o t e o r de niquel na liga, u m a seria d e s v a n t a g e m q u a n d o for d e s e j a d a estrutura ferritica (Finardi, 1984).
c) Liga C u M g : as ligas a base de cobre ( C u M g ) f o r a m d e s e n v o l v i d a s c o m o substitutas as ligas de niquel, por serem mais baratas e p o s s u i r e m ponto de f u s a o e x t r e m a m e n t e baixo. Essas ligas a p r e s e n t a m b a s i c a m e n t e as m e s m a s v a n t a g e n s e d e s v a n t a g e n s das ligas NiMg, mas n a o tern u m r e n d i m e n t o de m a g n e s i o tao elevado (Finardi, 1984).
d) Liga F e S i M g : as ligas ferro silicio-magnesio ( F e S i M g ) sao as mais c o m u m e n t e e m p r e g a d a s e a p r e s e n t a m variacoes nos t e o r e s d e cerio, terras raras, calcio e aluminio, entretanto, a medida q u e o teor d e m a g n e s i o a u m e n t a na liga, seu rendimento diminui, sendo preferivel a utilizacao de ligas c o m m e n o r teor d e m a g n e s i o . A s ligas mais difundidas contem ate 1 0 % d e m a g n e s i o e p o s s u e m as seguintes vantagens: o tratamento de nodulizacao e simples, nao r e q u e r e n d o investimentos elevados, a p e n a s panelas c o m m a i o r p r o f u n d i d a d e ; b o m r e n d i m e n t o pela utilizacao do processo s a n d u i c h e ; possui efeito inoculante, nao ha limitacoes q u a n t o ao peso do ferro a ser tratado. Entre as d e s v a n t a g e n s d a s ligas FeSi M g estao: maior variacao do rendimento d o m a g n e s i o c o m relacao as ligas N i - M g e producao de grande evolucao de f u m a c a (Finardi, 1984).
e) Metais alcalinos e terras raras: outros e l e m e n t o s , a l e m d o m a g n e s i o , a g e m c o m o nodulizantes. Os metais alcalinos, c o m o o litio e o sodio, sao eficientes provavelmente devido a sua atividade c o m o o x i g e n i o e enxofre. A p a r e n t e m e n t e , t o d o s os metais alcalinos terrosos tern e s s a t e n d e n c i a d e f o r m a r nodulos, tanto os elementos d e s s e grupo (Be, M g , C a , Sr e Ba) c o m o do g r u p o d a s terras raras (Ce, La, Y, etc.). A acao do calcio e d a s terras raras e s e m e l h a n t e a d o m a g n e s i o mas, alem de dessulfurantes e d e s o x i d a n t e s , a g e m neutralizando os e l e m e n t o s deleterios e a u m e n t a n d o o t e m p o de e v a n e s c i m e n t o (fading), que e a d i m i n u i c a o d o poder nodulizante c o m o t e m p o ( M a c h a d o , 1980).
O m a g n e s i o elementar esta disponivel na f o r m a de a r a m e s , lingotes e g r a n u l o s . O s briquetes i m p r e g n a d o s por m a g n e s i o tern t a m a n h o tipico g e r a l m e n t e menor q u e 5 0 m m . E as ligas d o tipo N i M g , C u M g e F e S i M g sao f r a g e i s e p e r m i t e m a obtengao de qualquer granulometria. (Finardi, 1984).
A T a b e l a 3 mostra a r e c o m e n d a c a o de liga a ser aplicada e m f u n c a o d o teor d e enxofre do ferro base e do equipamento d i s p o n i v e l , b e m c o m o as p r o p r i e d a d e s indicativas dos materials nodulizantes.
T a b e l a 3 - Propriedades de materials nodulizantes e r e c o m e n d a c o e s d o processo de aplicagao (Finardi, 1984).
M a t e r i a l M g (%) D e n s i d a d e T e m p e r a t u r a S m a x . P r o c e s s o d e N o d u l i z a n t e ( g / c m3) d e f u s a o (°C) (%) n o d u l i z a g a o
M g metal 100 1,72 6 5 0 0,20 Fisher, P a m
F e M g 3 5 3 5 3,4
-
0,12 Sino, pan. base.M a g - c o k e 4 2 - 4 5 0,7
-
0,12 S i n o , pan. base. N i M g 1 5 15 6,2 1050-1130 0,05 P a n e l a a b e r t a N i F e M g 1 5 15 6,0 1050-1070 0,05 P a n e l a aberta N i M g 4 4 7,7 1210-1260 0,03 P a n e l a a b e r t a F e N i M g 4 4 7,3 1205-1260 0,03 P a n e l a a b e r t a F e S i M g 3 3 5,2-5,6-
0,02 P a n e l a a b e r t a F e S i M g 5 5 4-5 9 5 0 - 1 2 5 0 0,03 P a n e l a a b e r t a F e S i M g l O 10 3,8-4,8 9 5 0 - 1 2 2 0 0,04 P a n e l a a b e r t a F e S i M g 3 0 3 0 2,3-2,6 9 1 0 - 1 0 0 0 0,12 Sino, pan. base.2.3.2 - P r o c e s s o s de tratamento de nodulizagao
S a o utilizados industrialmente varios p r o c e s s o s para fabricagao de ferros f u n d i d o s n o d u l a r e s . Os metodos em que se e m p r e g a m a g n e s i o puro c o m o a g e n t e n o d u l i z a n t e sao: panela (ou camara) de pressao; injegao; conversor; e p r o c e s s o P o n t - a - M o u s s o n . O s processos e m q u e se utilizam p r o d u t o s c o n t e n d o m a g n e s i o , c o m o n o c a s o d o c o q u e impregnado, s a o os d e p a n e l a rotativa e panela d o t a d a de grelha. Para ligas nodulizantes F e S i M g os p r o c e s s o s de n o d u l i z a c a o e m p r e g a d o s sao: plug-poroso; simples transferencia; s a n d u i c h e , p a n e l a c o m t a m p a d o t a d a de orificio (tampa intermediaria); Imersao por sino; e nodulizagao no m o l d e ( S o u z a Santos et alii, 1983). A s ilustragoes d e alguns d e s s e s p r o c e s s o s p o d e m ser encontradas no A n e x o 3.
a) P a n e l a o u c a m a r a de pressao: consiste na realizagao d o t r a t a m e n t o c o m m a g n e s i o puro e m recipiente selado e sob p r e s s a o , ou entao e m uma c a m a r a e s p e c i a l , t a m b e m selada, submetida a p r e s s o e s da o r d e m d e 30 atm. D e s s a f o r m a c o n s e g u e - s e minimizar as p e r d a s por volatilizagao d o m a g n e s i o , o b t e n d o - s e rendimentos de adigao entre 70 e 8 0 % . A s d u a s alternativas sao o p e r a c i o n a l m e n t e complexas, r e q u e r e n d o e l e v a d o investimento e n e c e s s i t a n d o m u i t o s c u i d a d o s com a seguranga, t e n d o - s e a c e n t u a d a s perdas d e t e m p e r a t u r a . N e s s e p r o c e s s o costuma-se adicionar g r a n d e s q u a n t i d a d e s d e m a g n e s i o , e f e t u a n d o - s e posteriormente a diluigao c o m q u a n t i d a d e s 3 a 4 v e z e s m a i o r e s d e metal n a o tratado ( S o u z a Santos, 1982).
b) Injecao: e s s e processo foi desenvolvido para se efetuar a d e s s u l f u r a c a o e processo de nodulizacao simultaneamente, p o d e n d o t a m b e m ser e m p r e g a d o a p e n a s para dessulfuracao do metal liquido. 0 m a g n e s i o , na f o r m a de particulas esfericas, e carregado por uma corrente de gas inerte ( g e r a l m e n t e nitrogenio), atraves de uma especie de lanca de grafita d o t a d a de orificio, m e r g u l h a d a e m u m a p a n e l a c o n t e n d o o ferro fundido a ser tratado. 0 t r a t a m e n t o g e r a l m e n t e e realizado para cerca de 1 tonelada de metal, t e n d o - s e u m a r e a c a o controlada e r e n d i m e n t o s d e 3 5 a 4 0 % . U m a outra a l t e m a t i v a e adicionar o m a g n e s i o na f o r m a d e fios, tiras ou arames. E u m processo q u e envolve custos e l e v a d o s e m investimento e m a n u t e n c a o (Souza Santos, 1982).
c) Conversor: e um reator de forma cilindrica q u e p o d e realizar rotacoes d e q u a s e 180° e m torno do eixo horizontal. A p o s a introducao d o m a g n e s i o p u r o no interior da c a m a r a do conversor, e feita a transferencia d o metal q u e o c o r r e s e m o contato c o m o magnesio. Em s e g u i d a o reator e f e c h a d o , e f e t u a n d o - s e e n t a o u m a rotacao de 90° para iniciar a reacao d e nodulizacao, q u e dura d e 1 a 3 minutos, e m f u n c a o d o teor de enxofre e d a q u a n t i d a d e de metal a ser tratada. E s s e p r o c e s s o possibilita rendimentos de 50 a 6 0 % d o m a g n e s i o , mas tern c o m o limitacoes a q u a n t i d a d e de metal a ser tratada e a violencia da reacao, q u e requer a t e n c a o redobrada quanto a s e g u r a n c a e u m s i s t e m a d e e x a u s t a o eficaz e m virtude do g r a n d e volume de f u m o s g e r a d o ( S o u z a S a n t o s , 1982).
d) P o n t - a - M o u s s o n : utiliza um e q u i p a m e n t o c o n v e n c i o n a l d e imersao por sino e m a g n e s i o puro, na forma de lingotes revestidos c o m u m a lama refrataria. A r e a c a o e p r o c e s s a d a e controlada em u m a e s t a c a o especial d e imersao, dentro d e 30 a 4 5 s e g u n d o s e a perda d e t e m p e r a t u r a d e p e n d e
essencialmente da quantidade de metal a tratar, sendo de 3 0 3 K para 1t e 2 8 3 K para 5 t . E m b o r a o processo seja relativamente simples, sua utilizacao e m o u t r a s f u n d i c o e s alem das P o n t - a - M o u s s o n seria restrita (Souza Santos, 1982).
e) Panela rotativa: e u m reator de forma cilindrica, c o m c a p a c i d a d e de 5 0 0 a 3 0 0 0 k g , q u e se movimenta e m torno do s e u eixo. E dotada d e u m a c a m a r a d e r e a c a o separada d o corpo cilindrico, constitulda por refratarios v a z a d o s , o n d e e colocado o c o q u e impregnado de m a g n e s i o . A p o s o p r e e n c h i m e n t o d a panela c o m o metal liquido, gira-se o reator cerca de 120°, c o l o c a n d o o metal e m contato c o m o nodulizante, ate q u e a c a m a r a posicione-se verticalmente. Para o tratamento d e cerca de 500kg o b t e m - s e um r e n d i m e n t o d e 4 5 a 5 0 % ( S o u z a Santos, 1982).
f) Panela dotada d e grelha: a panela de tratamento, d o t a d a d e u m a grelha de material refratario, possui o fundo r e m o v i v e l , o n d e e c o l o c a d o o
nodulizante. O f e c h a m e n t o da panela, apos a colocacao do nodulizante e g e r a l m e n t e e f e t u a d o atraves d e uma especie de v e d a c a o c o m a r e i a d e m o l d a g e m , o b t e n d o - s e rendimentos de magnesio s e m e l h a n t e s aos referentes a imersao por sino. Para se evitar o uso de panelas constituidas por d u a s partes, f o r a m feitas a d a p t a c o e s do equipamento colocando-se u m oriffcio no f u n d o d a panela atraves do qual pode-se efetuar a colocacao d o agente nodulizante e q u e e f e c h a d o c o m refratario antes d o v a z a m e n t o (Souza Santos, 1982).
g) Plug poroso: e u m processo utilizado para d e s s u l f u r a c a o e nodulizacao de ferros fundidos. A panela utilizada para o tratamento e d o t a d a , n a parte inferior, d e u m plug poroso de refratario, ajustado a uma peca d e grafita na forma de c o n e oco, q u e e encaixada e m outra peca de grafita solidaria a o revestimento da panela. A t r a v e s do plug poroso efetua-se a injecao de nitrogenio
para a agitagao do banho e procede-se, na superficie do b a n h o , a adicao da liga nodulizante. P o d e - s e obter rendimento de adicao d e m a g n e s i o d e 40 a 5 0 % , e m b o r a haja n e c e s s i d a d e de controle rigido para n a o se prosseguir a insuflacao de nitrogenio a p o s o termino da reacao, o que a u m e n t a b a s t a n t e as perdas d e m a g n e s i o pelo b a n h o (Souza Santos, 1982).
h) Simples transferencia: foi o primeiro p r o c e s s o a ser e m p r e g a d o e e a i n d a o mais c o m u m e n t e utilizado. Utiliza-se uma p a n e l a c o m u m (cadinho), c o m relacao altura diametro 2:1 o u 3 : 1 . A liga nodulizante ( F e S i M g , N i M g ou C u M g ) e c o l o c a d a no f u n d o da panela, e m u m dos lados, e o metal e v a z a d o no lado oposto. O s rendimentos de adicao de magnesio nao sao e l e v a d o s , 2 0 a 2 5 % , mas a simplicidade e a s e g u r a n c a da operacao, aliados a boa reprodutibilidade de resultados q u a n t o ao teor residual de m a g n e s i o , tern c o n t r i b u i d o para a confiabilidade e aceitacao desse processo (Souza Santos, 1982).
i) S a n d u i c h e : resultante do processo d e simples transferencia, e t a m b e m de o p e r a c a o bastante simples, tendo-se c o m o principal diferenga a existencia de u m d e g r a u no fundo da panela onde e c o l o c a d a a liga nodulizante, s e n d o esta c o b e r t a por c a v a c o s de ferro fundido o u p e q u e n a s c h a p a s de ago, c o r r e s p o n d e n d o d e 1 a 2 % do peso total do metal a ser tratado. A cobertura tern a finalidade d e retardar a reagao de nodulizacao, m i n i m i z a n d o as p e r d a s de
m a g n e s i o por oxidagao ou volatilizagao, uma vez q u e a reagao so inicia a p o s ter-se transferido u m certo volume de metal para a panela, o b t e n d o - s e a s s i m maior r e n d i m e n t o (40 a 5 0 % ) . U m outro fator que conthbuiha para o r e n d i m e n t o mais e l e v a d o seria o fato de, junto a cobertura, a t e m p e r a t u r a d o ferro fundido ser mais
j) Panela com t a m p a dotada de orificio (tampa intermediaria): o princfpio de desenvolvimento desse processo baseia-se e m limitar o v o l u m e de ar c o l o c a d o e m contato com o b a n h o metalico no interior da panela (ha m e n c o e s d e utilizacao de panelas deste tipo e m 14 paises, c o m c a p a c i d a d e de 80 a 8 5 0 0 k g ) . Esse p r o c e d i m e n t o resulta e m menor evolucao de f u m o s d e oxido d e m a g n e s i o e uma r e d u c a o no efeito piroforico da reacao, d i m i n u i n d o a s s i m a poluicao ambiental e possibilitando a obtencao de rendimentos de m a g n e s i o mais e l e v a d o s d o q u e nos processos d e simples transferencia e s a n d u i c h e ( S o u z a S a n t o s ,
1982), ( O l a h Neto et alii, 1986).
k) Imersao por sino: o sino, geralmente d e ago revestido c o m refratario e d o t a d o de varios orificios, e submerso no b a n h o metalico, s e n d o mantido e m u m a posicao pre-fixada e m relacao a superficie livre d o metal, o c o r r e n d o e n t a o a reacao de nodulizacao. 0 processo permite r e n d i m e n t o d e adicao de m a g n e s i o superiores a 5 0 % e deve ser c o n d u z i d o e m e s t a c a o d o t a d a c o m u m s i s t e m a de extracao de fumos. A s d e s v a n t a g e n s sao g r a n d e s investimentos e maior custo e m mao-de-obra, possuindo ainda p o u c a flexibilidade para t r a t a m e n t o d e diferentes quantidades de ferro fundido ( S o u z a S a n t o s , 1982).
I) N o d u l i z a c a o no molde: a nodulizacao no m o l d e v i s a a m i n i m i z a c a o d a s perdas d e m a g n e s i o procedendo-se a a d i c a o do nodulizante e m uma c a m a r a j u n t o ao sistema de canais do molde. A s principals v a n t a g e n s do p r o c e s s o sao o e l e v a d o rendimento do magnesio, q u e p o d e ser superior a 8 0 % , nao ser n e c e s s a r i o a adicao de c o m p o s t o s grafitizantes, maior s e g u r a n c a da o p e r a c a o e a eliminacao q u a s e completa de f u m o s . Entre os p r o b l e m a s decorrentes da utilizacao d e s s e processo esta a n e c e s s i d a d e de utilizacao de ligas e m c o n d i c o e s muito controladas quanto a c o m p o s i c a o , g r a n u l o m e t r i a e
estado da superficie, a necessidade de se utilizar ferros f u n d i d o s c o m baixos teores de enxofre, o controle individual das pecas f a b r i c a d a s e u m m e n o r r e n d i m e n t o metalurgico do que nos demais processos ( S o u z a Santos, 1982), (Figueroa, 1982).
2.4 - T r a t a m e n t o de I n o c u l a c a o
2.4.1 - T i p o s de i n o c u l a n t e
E m b o r a o processo de obtencao de ferros f u n d i d o s cinzentos e n o d u l a r e s a p r e s e n t e m diferencas importantes, ha diversos p o n t o s e m c o m u m e alguns a s p e c t o s q u e p o d e m ser analisados em conjunto. U m d e s s e s a s p e c t o s seria relativo a grafitizacao, isto e, a tendencia a f o r m a c a o d a grafita d u r a n t e a solidificacao. U m a d a s m a n e i r a s mais eficientes de p r o m o v e r a grafitizacao e pela adicao d e p e q u e n a s q u a n t i d a d e s d e compostos, ditos inoculantes, instantes a n t e s de se iniciar o p r o c e s s o de solidificacao com a finalidade basica de a t u a r e m c o m o grafitizantes ( C h a v e s Filho et alii, 1975). Esses c o m p o s t o s p o d e m ser classificados c o m o :
- inoculantes c o m u n s , aqueles a base de ferro-silicio comerciais c o m d i v e r s o s t e o r e s residuais de calcio e aluminio, o silicieto d e calcio, o silicio metalico e a grafita;
- inoculantes especiais, que sao a base de ferro silicio o u calcio-silicio, c o n t e n d o elementos grafitizantes como bario, estroncio, cerio, titanio, o u zirconio, e p o s s u e m efeito grafitizante muito mais intenso q u e o s inoculantes c o m u n s ;
- e os inoculantes estabilizadores, a b a s e d e cromo, e s t a n h o , cobre, molibdenio, vanadio, etc., usados c o m a intencao d e obter e l e v a d a resistencia m e c a n i c a , e q u e d e v e m ser e m p r e g a d o s a s s o c i a d o s c o m u m a p e q u e n a q u a n t i d a d e de inoculante grafitizante, pois s e u p o d e r grafitizante e baixo.
A seguir sao apresentados alguns c o m e n t a r i o s relativos a o s principals inoculantes conhecidos.
a) Grafita: o potencial inoculante d e s s e s materials parece ser g o v e r n a d o pela s u a pureza e principalmente pelo s e u g r a u d e cristalinidade. A s s i m , o c a r b o n o grafitico altamente cristalino seria u m inoculante muito mais potente e eficaz do q u e u m c a r b o n o grafitico f r a c a m e n t e cristalino. 0 potencial inoculante e t a m b e m afetado pelo teor de enxofre, u m a v e z q u e a rapida dissolucao d o c a r b o n o e m ferros fundidos de baixo e n x o f r e a c e l e r a m o fading d o inoculante grafitico ( C h a v e s Filho et alii, 1975). A f a s e d o p r o c e s s o o n d e ocorre a inoculacao e u m outro fator importante q u a n d o se usa inoculantes grafiticos para a p r o d u c a o d e ferro fundido nodular. Q u a n d o inoculantes grafiticos s a o a d i c i o n a d o s c o m o pos-inoculantes (adicao apos o t r a t a m e n t o d e nodulizacao), o resultado e a deterioracao da grafita e o surgimento d e c a r b o n e t o s . R e c o m e n d a -se portanto q u e , n a producao d e ferros fundidos nodulares, o inoculante grafitico seja a d i c i o n a d o antes, o u durante, o tratamento c o m m a g n e s i o , para q u e s e o b t e n h a u m a i n o c u l a c a o mais eficaz (Liu ef alii, 1992).
