Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Miguel Aparecido Rodrigues

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Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo

Miguel Aparecido Rodrigues

Avaliação da tendência ao coquilhamento em ferro fundido nodular

utilizando teste de cunha e analise térmica.

São Paulo

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Miguel Aparecido Rodrigues

Avaliação da tendência ao coquilhamento em ferro fundido nodular

utilizando teste de cunha e analise térmica.

Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT, para obtenção do título de Especialista em Tecnologia de Fundição.

Orientador: Prof. Dr. Eduardo Albertin

São Paulo

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RESUMO

Neste trabalho foi possível avaliar a tendência de nucleação do ferro fundido nodular com a variação dos testes de analise térmica correlacionados com a analise de cunha. Segundo a teoria citado na figura 1 por STEFANESCU, D. M. – INOCULATION OF TUINWAL CASTINGS, podemos notar uma tendência do aumento da profundidade de coquilhamento mesmo após a nodulização, porem o trabalho demonstra uma tendência para uma classe de liga especificamente hipoeutética as demais ligas não apresentam um efeito claro após nodulização e inoculação.

Palavras Chaves: Variação do teste da analise térmica e cunha em ferro fundido nodular.

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ABSTRACT

In this work it was possible to assess the trend of the ductile iron nucleation with the variation of thermal analysis tests correlated with the analysis of the wedge. According to the theory cited in the figure 1 by STEFANESCU, D. M. – INOCULATION OF TUINWAL CASTINGS, we can see a trend of increasing cementite depth even after nodulized, however the work demonstrates a tendency in to class to of binds specifically hypoeutecti other leagues do not have a clear effect nodularised and after inoculation.

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Lista de ilustrações

Figura 1 - Gráfico de tendência de coquilhamento após tratamento de

nodulização 10

Figura 2 - Gráfica curva de resfriamento dos ferros fundidos cinzento 13 Figura 3 - Diagrama FeC fase de solidificação dos ferros fundidos 13 Figura 4 - Fase de solidificação e transformação do ferro fundido nodular 14 Figura 5 - Gráfico formação da curva de resfriamento dos ferros fundidos 15 Figura 6 - Curva de resfriamento para um ferro fundido com 3,2%C. Linha

tracejada: Equilíbrio; Linha cheia: Experimental 15 Figura 7 - Gráfico formação da curva de resfriamento dos ferros fundidos 16

Figura 8 - Desenho da cunha 17

Figura 9 - Curva de analise térmica e analise de TSE, TRE e ∆T 21 Figura 10 - Analise da eficiência do inoculante comparando com h de

coquilhamento antes e depois da nodulização, ∆T e porcentagem

de inoculação 21

Figura 11 - Profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e

depois da nodulização 22

de inoculação 23

Figura 14 - Profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e

depois da nodulização ₂₄

de inoculação 25

Figura 17

- Profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e

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Figura 18 - Analise de eficiência dos inoculantes utilizados no experimento. 26

Fotografia 1 - Processo de Inoculação 18

Fotografia 2 - Vazamento do metal liquido na coquilha 19 Fotografia 3 - Vazamento do metal liquido em copo para analise térmica 19

Fotografia 4 - Analisador de carbono carbomax II 19

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Lista de tabelas

Tabela 1 - Composição química da liga hipoeutética 21

Tabela 2 - Composição química da liga eutética 22

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Lista de abreviaturas e siglas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo USP Universidade de São Paulo

LTDA Limitada

Tliq Temperatura do Liquido Tsol Temperatura do Solido

F -C - Si Diagrama ferro carbono silício TEE Temperatura do eutético estável TEM Temperatura do eutético meta-estavel ∆T Relação entre temperatura e tempo KVA Quilovoltampere

FeSi75% Liga de ferro composta de 75% de silício

IM22 Liga de ferro composta de silício, bário e zircônio TSE Temperatura de superresfriamento do eutético TRE Temperatura de recalescência do eutético ∆T CET Valores referentes à subtração de = TRE-TEM CE Carbono equivalente

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Sumário

1 INTRODUÇÃO...09

1.1 Objetivo...09

1.2 Justificativa...10

2 TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO...11

2.1 PROCESSO DE FABRICAÇÃO...11

2.1.1 Fatores que influenciam o processo...11

2.2 SOLIDIFICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO...12

2.2.1 Técnicas de controle...14 2.3 METODOS DE CONTROLE...16 3 PROCESSO EXPERIMENTAL...17 3.1 METODOS E MATERIAIS...

...

...17 3.1.1 Meios de controle...18 4 RESULTADO E DISCUSSÃO...20 4.1 Liga hipoeutético...20 4.1.1 Liga eutético...22 4.1.2 Liga hipereutético...24

4.2 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS...27

5 CONCLUSÃO...29

REFERÊNCIAS...30

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1 INTRODUÇÃO

Ferros fundidos são ligas de ferro-carbono com teor de carbono acima de 2% que contem elementos de liga como: silício, manganês, enxofre e fosforo. Os elementos de liga influenciam diretamente na microestrutura e nas propriedades dessas ligas caracterizada por apresentar reação eutética.

Para a fabricação de ferros fundido nodular material referente ao estudo é necessária a adição de elementos nodulizantes responsável pela formação do tipo de grafita esferoidal (Nodular) durante a solidificação.

O ferro fundido nodular apresenta uma melhoria significativa na resistência mecânica e no grau de ductilidade do ferro fundido comparado com o ferro fundido cinzento, sendo que a formação de carbonetos no ferro fundido nodular passa a ser indesejável e podem interferir negativamente nas propriedades do material.

Os elementos de ligas podem atuar como estabilizadores de carbonetos, elementos como Mn e Cr e os elementos como Si, Ni e Cu são formadores de grafita.

De modo geral a formação e quantidade de nódulos de grafita tanto quanto a formação de carbonetos durante a solidificação são influenciadas pelas seguintes condições;

• Diferenças entre as temperaturas do eutético estável e metaestável;

• Frequência de solidificação das células eutéticas (Tempo do banho em elevadas temperaturas);

• Composição da carga (Sucata, Gusa, Retorno); • Grau de oxidação do banho;

• Relação entre porcentagem de S e Mn;

• Controle dos elementos que influenciam a formação de coquilhamento (C, S, Ce, Cr, V, Ti, Al, Zr e a relação entre (C/O).

1.1 Objetivo

O objetivo geral deste trabalho é avaliar a tendência de nucleação do ferro fundido nodular com a variação da inoculação e composição química utilizando - se dos testes de analise térmica e analise de cunha coquilhada.

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Sendo que o objetivo especifico foi verificar a validade da correlação entre a tendência de coquilhamento antes e depois da nodulização expresso no gráfico da figura 1 (STEFANESCU - D.M. FROSTAND STEFANESCU, AFS TRANS. 100, 1992, p. 182).

Figura 1 – Gráfico de tendência de coquilhamento após tratamento de nodulização (STEFANESCU, 1998).

1.2 Justificativa

A maioria das fundições de ferros fundidos utiliza a composição química como único controle de banho dos ferros fundidos, sendo que o ferro fundido solidifica passando por diversas fases do sistema de Fe-C-Si.

A analise térmica combinada com o teste de cunha permite controlar a metal base antes do vazamento minimizando possíveis defeitos que decorrem necessariamente no controle do grau de nucleação do banho de ferro fundido, que podem ser facilmente controladas pelas curvas de resfriamentos das analises térmicas e consequentemente confirmadas com os testes de cunha como segue neste trabalho.

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2 TECNOLOGIA DE FABRICAÇÃO DO FERRO FUNDIDO

2.1 Processo de fabricação

Nos processos de fabricação dos ferros fundidos em geral sua carga é composta por ferro gusa, sucata de aço, retornos de fundidos, cavacos de usinagem e ferro-liga. Entre as variáveis esta o tipo de equipamento utilizado para a fusão do metal, que podem variar conforme a qualidade e o volume de produção, como exemplo os equipamentos citados abaixo;

• Fornos de Cubilo • Fundição de Ferro;

• Fornos Elétricos a Arco • Fundição de Ferro e Aço;

• Fornos Elétricos por Resistência • Fundição de toda classe de metais;

• Fornos Elétricos por Indução • Fundição de Ferro, Aço e das Ligas Leves, sendo o recurso utilizado neste trabalho com cadinho de uma tonelada.

2.1.1 Fatores que influenciam o processo

A carga é preparada com a finalidade de se obter um ferro fundido com determinada composição química contendo teores variáveis de elementos químicos necessários à obtenção da liga desejada. Conforme a especificação do material a carga irá consistir da mistura e balanceamento dos materiais apresentados no primeiro parágrafo do processo de fabricação. Pode - se denominar carga base os materiais adicionados ao forno no início de uma corrida ou recarga de forno com pé de banho líquido, e ou adições processadas com a finalidade de corrigir teores de elementos na ocorrência de perda durante a fusão ou para incorporar elementos de liga ao banho.

O tempo de elaboração do ferro fundido também é de suma importância para a qualidade do ferro fundido.

Em geral uma carga em forno de Indução partindo do inicio da fusão até o momento do vazamento pode demorar entre 1 hora e 40 minutos á 2 horas e 20 minutos conforme a capacidade e a potência do equipamento, sendo um fator

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importante de controle, porque o metal em elevados tempos sobre agitação ou em elevadas temperaturas irá decompor os elementos químicos em forma de óxidos que evaporam desnucleando o banho.

Para a fabricação do ferro fundido nodular além da carga base composto é também necessária após o processo de fusão a adição de elementos denominados nodulizantes, como Mg e Ce que modificam a forma de crescimento da grafita.

Por outro lado alguns cuidados são necessários, por problemas de perda de Mg, este elemento tem alta ação desoxidante e dessulfurante em ferros fundidos, recomendando-se a utilização de materiais que contenham porcentagens mínimas de oxigênio e enxofre.

Empregando a tecnologia adequada para cada caso especifico. A reação do Mg com metal liquido, de modo geral ocorre em panelas com dimensões especificas para de duas a três vezes o diâmetro da panela, para um bom aproveitamento desta reação é ideal que a panela tenha tampa, já que a perda de Mg se da por vaporização, quanto mais profunda a panela maior será a pressão do Mg na bolha de gás nucleada, maior quantidade de Mg irá se dissolver em um determinado tempo.

Após o processo de nodulização o banho irá conter um numero grande de partículas de sulfetos recobertas por óxidos e partículas de Mg, esta partícula nucleante não é eficiente seu reticulado cristalino apresenta grande desajuste com o da grafita, sendo essencial uma forte inoculação. Os inoculantes contem elementos como Si, Ca, Ba, Zr e Sr que formam camadas de silicatos sobre as partículas anteriores, sendo os reticulados cristalinos destes silicatos próximos ao da grafita. O processo de inoculação promove a formação de microestruturas mais homogêneas e uniformes.

Sabendo – se que o processo de nodulização tem um período definido de eficiência, entende – se que a permanência do metal em elevadas temperaturas após a nodulização afeta de modo adverso à morfologia da grafita.

2.2 Solidificação do ferro fundido

A solidificação do ferro fundido cinzento ocorre pelas reações: Eutético estável (TEE) solidifica a partir do L→γ + Grafita, possui grande resfriamento e a

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grafita tem dificuldade para nuclear. Eutético metaestável (TEM) solidifica a partir L→γ + Fe3C tem facilidade para a nucleação da cementita com pequeno superresfriamento e elevada cinética de crescimento figuras 2 e 3.

Figura 2 – Gráfico curva de resfriamento dos ferros fundidos cinzento (Muller, 2002).

Figura 3 – Diagrama FeC fase de solidificação dos ferros fundidos (Fuoco, 2002).

No ferro fundido nodular na fase hipoeutético iniciará a formação de dendritas de austenita, na medida em que a temperatura diminuir o liquido residual torna-se mais rico em carbono e silício, formando nódulos de grafita abaixo da temperatura do eutético estável que serão posteriormente envolvidos em um invólucro de austenita.

Na fase Hipereutetica a grafita encontra-se na fase primaria precipitando na forma de nódulo, à medida que a temperatura diminui o liquido residual tem a sua composição mais próxima do eutético abaixando a temperatura do eutético estável formam mais nódulos de grafita que será envolvido pela austenita figura 4.

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Figura 4 – Fase de solidificação e transformação do ferro fundido nodular (Canale, 2006).

Crescimento da grafita nodular eutético divorciado, mesmo ligas hipereutéticas apresentam dendritas, pois o crescimento da grafita e da austenita do eutético ocorrem separadamente.

2.2.1 Técnicas de controle

Entre as técnicas de controle do ferro fundido esta a analise térmica. Tendo como referência a principio ∆T, o aspecto de eventos que aparecem nas curvas depende somente do equilíbrio ou desequilíbrio entre a retirada de calor e a geração de calor dentro da amostra na mudança de inclinação da curva de resfriamento na temperatura liquidus durante o resfriamento de uma amostra de ferro fundido a partir do estado líquido. O método baseia-se em medidas de temperatura ao longo da solidificação através de termopares inseridos no metal, e com resfriamento suficientemente lento, de modo a caracterizar uma sucessão de estados de equilíbrio, ou seja, evitando-se transformações estruturais decorrentes de ativação térmica. O múltiplo registro da evolução da temperatura com o tempo, isto é, das curvas de resfriamento de múltiplas composições químicas, permite o levantamento de um mapa termodinâmico de estabilidade de fases.

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O aspecto dos eventos que aparecem nas curvas de AT depende somente do equilíbrio ou desequilíbrio entre a retirada de calor e a geração de calor dentro da amostra, esses aspectos podem ser alterados com a mudança da velocidade de extração, por exemplo: copos de menor massa, copo “meio-cheio”, com ou sem telúrio e metal frio como segue modelo da figura 5.

Figura 5 – Gráfico formação da curva de resfriamento dos ferros fundidos (Albertin, 2010).

Figura 6 - Curva de resfriamento para um ferro fundido com 3,2%C. Linha tracejada: Equilíbrio; Linha cheia: Experimental (Adaptado de Fredriksson, 1988).

Os ferros fundidos nodulares apresentam superresfriamentos muito maiores do que os cinzentos. Por isso sua tendência à formação de carbonetos (cementita) é muito maior, figura 7 modelo de curva para a formação de ferro fundido nodular.

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Figura 7 – Gráfico formação da curva de resfriamento dos ferros fundidos (Albertin, 2010).

2.3 Métodos de controle com cunha

A analise de cunha do metal base tem como aspecto importante nos ferros fundidos cinzentos o controle da chamada altura de coquilhamento, que é medida através do vazamento de uma cunha com o metal retirado do banho base. Como a solidificação metaestável esta relacionada com a taxa de solidificação, em espessuras finas espera-se que ocorra a formação de ferro branco. Através do teste da cunha, determina-se de forma fácil e rápida a espessura limite para a formação de ferro fundido cinzento sem coquilhamento.

Na seção transversal da cunha, observa-se a formação de três regiões distintas que correspondem aos três tipos de materiais obtidos, ou seja, ferro branco – coquilhado, ferro mesclado e ferro cinzento. A espessura de coquilhamento é determinada medindo-se a cunha conforme determinação macro gráfica Figura 8.

Podendo – se minimizar a profundidade do coquilhamento através de algumas ações:

a) A inoculação diminui a altura de coquilhamento,

b) O controle da temperatura também age sobre a altura de coquilhamento, c) Quanto maior o CE maior o grau de nucleação;

d) Temperaturas de vazamento muito baixas aumentam a altura de coquilhamento, e) Elementos como Cr, V e Mo aumentam a altura de coquilhamento.

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O efeito do superraquecimento sobre a nucleação versor inoculação, o coquilhamento aumenta com o aumento da temperatura em que o banho foi mantido antes do vazamento podendo recuperar o potencial de nucleação com a redução da temperatura , mantendo-se algum tempo em temperatura mais baixa.

Figura 8 – Desenho da cunha (ABNT NBR6846, 1985).

3 PROCESSO EXPERIMENTAL

3.1 Métodos e materiais

Em função do objetivo do trabalho foram efetuados duas series de experimentos de quinze corridas que acabam se subdividindo em três experimentos em função dos resultados.

Os experimentos foram realizados no processo de Fundição da Empresa Max Gear Indústria e Comercia de Autopeças LTDA.

Sendo os materiais e equipamentos utilizados, o material foi fundido em forno a indução de 500 kVA de potência com cadinho de uma tonelada de capacidade. A carga foi composta de ferro gusa, sucata de aço baixo carbono, retornos de fofo e ligas a base de FeSi75% e grafitizantes, ambas as duas series do experimento foram vazadas divididas em duas etapas de quinze corridas, sendo cada corrida

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composta de uma tonelada de metal dividida em cada vazamento por seis vazamentos em panelas nodulizantes de 160 Kg. de capacidade.

A nodulização foi efetuada em temperaturas entre 1505 ºC a 1515 ºC em panelas do tipo sanduíche, foram utilizados 2,5% de liga de Fe-Si-Mg (8 – 10% Mg). A inoculação foi realizada variando de forma controlada de 0,24% a 0,34% de inoculante por panela, quinze corridas foram inoculadas com FeSi75% e quinze corridas foram inoculadas com (IM22) FeSiBaZr em partículas de 3 mm, inoculando na boca da panela fotografia 1.

Fotografia 1 – Processo de Inoculação (Empresa Max Gear, 2011).

3.1.1 Meios de controle

Em cada corrida foi efetuado os seguintes controles para coleta dos dados experimentais.

• Amostras (Medalha) para analise química em espectrômetro de emissão óptica;

• Amostras de cunha com concha refrataria fotografia 2;

• Amostras do metal liquido para a analise térmica em aparelho carbomax II fotografia 3, 4.

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Fotografia 2 – Vazamento do metal liquido na coquilha (Empresa Max Gear, 2011).

Fotografia 3 – Vazamento do metal liquido em copo para analise térmica (Empresa Max Gear, 2011).

Fotografia 4 – Analisador de carbono carbomax II (Empresa Max Gear, 2011).

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Fotografia 5 – Corpos de Provas Utilizados no Trabalho (Empresa Max Gear, 2011).

As profundidades de coquilhamento das cunhas foram medidas com paquímetro considerando a região de menor numero de cementita visível figura 9.

4 RESULTADO E DISCUSSÃO

4.1 Liga hipoeutética

Das seis amostras do experimento com a liga hipoeutética foram feitos, entre eles:

• Composição química tabela 1;

• Analise térmica e analise de TSE, TRE e ∆T figura 9;

• Analise da eficiência do inoculante comparando com h de coquilhamento antes e depois da nodulização, ∆T e porcentagem de inoculação figura 10; • Analise de cunha, profundidade de coquilhamento em mm figura 11.

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Tabela 1 – Composição química da liga hipoeutética.

Figura 9 – Curva de analise térmica e analise de TSE, TRE e ∆T.

Figura 10 - Analise da eficiência do inoculante comparando com h de coquilhamento antes e depois da nodulização, ∆T e porcentagem de inoculação.

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Figura 11 – Profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e depois da nodulização.

4.1.1 Liga eutética

Das doze amostras do experimento com a liga eutética foram feitos, entre eles:

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4.1.2 Liga hipereutética

Das doze amostras do experimento com a liga hipereutética foram feitos, entre eles:

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4.2 Discussão dos resultados

Com base nos resultados experimentais da serie de liga hipoeutética não verifica – se grande influência da composição química nos resultados tabela 1, mas na analise térmica, comparando TSE com TRE tem se um ∆T relativamente alto demonstrando eficiência da nucleação no banho figura 9.

Na figura 10, gráfico de comparação entre ∆T, altura de coquilhamento antes e depois da nodulização, fica clara a eficiência da inoculação.

Na figura 11, profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e depois da nodulização, verifica – se que ocorre uma tendência quando comparado com o gráfico da figura 1, citado por (STEFANESCU - D.M. FROSTAND STEFANESCU, AFS TRANS. 100, 1992, p. 182), neste gráfico o autor apresenta uma tendência de coquilhamento mesmo após o processo de nodulização e inoculação.

Nos resultados experimentais da serie de liga eutética não verifica – se grande influência da composição química nos resultados tabela 2, mas na analise térmica figura 12, comparando TSE com TRE tem se um ∆T alto porem não apresenta maior eficiência de nucleação do banho quando comparado com a liga hipoeutética.

Na figura 13, gráfico de comparação entre ∆T, altura de coquilhamento antes e depois da nodulização, nota – se que ocorre uma tendência da profundidade de coquilhamento da cunha após o processo de inoculação, esta profundidade tende a ser maior do que a profundidade de coquilhamento da cunha antes do processo de inoculação, não obtendo o resultado desejado da inoculação para liga eutética.

Na figura 14, profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e depois da nodulização, verifica – se que não existe nenhuma tendência quando comparado com o gráfico da figura 1, citado por (STEFANESCU - D.M. FROSTAND STEFANESCU, AFS TRANS. 100, 1992, p. 182), neste gráfico o autor apresenta uma tendência de coquilhamento mesmo após o processo de nodulização e inoculação.

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Nos resultados experimentais da serie de liga hipereutética não verifica – se grande influência da composição química nos resultados tabela 3, mas na analise térmica comparando TSE com TRE tem se um ∆T maior que o apresentado na liga hipoutética e menor que o apresentado na liga eutética, porem não apresenta maior eficiência de nucleação do banho quando comparado com a liga hipoeutética e eutética, figura 15.

Na figura 16, gráfico de comparação entre ∆T, altura de coquilhamento antes e depois da nodulização, nota – se que ocorre uma tendência da profundidade de coquilhamento da cunha após o processo de nodulização e inoculação serem maior do que a profundidade de coquilhamento da cunha antes do processo de nodulização e inoculação, evidenciando que o inoculante não teve o efeito desejado para liga hipereutética.

Na figura 17, profundidade de coquilhamento em mm tendência antes e depois da nodulização, nota – se certa tendência quando comparado com o gráfico da figura 1, citado por (STEFANESCU - D.M. FROSTAND STEFANESCU, AFS TRANS. 100, 1992, p. 182), porem os pontos são dispersos e não conclusivos.

Na figura 18, analise de eficiência dos inoculantes utilizados no experimento, pode verificar que o inoculante FeSi75% para o tipo de experimento realizado demonstrou maior eficiência do que o inoculante IM22 (FeSiBaZr), sendo que para basicamente o mesmo resultado o consumo de FeSi75% foi 35% menor do que o IM22 (FeSiBaZr).

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5 CONCLUSÃO

Conclui - se com os resultados que a liga da serie hipoeutética apresentou uma tendência no gráfico de profundidade de coquilhamente antes e apos nodulização figura 11, comparado com o gráfico da literatura figura 1, citado por (STEFANESCU - D.M. FROSTAND STEFANESCU, AFS TRANS. 100, 1992, p. 182), porem pelo volume de amostras analisadas sugere – se que para confirmar os dados apresentados, trabalhos futuros devam ser feitos focados em ligas hipoeutéticas, visando uma necessidade crescente do mercado de fundição, principalmente para a produção de peças grossas voltadas para o mercado de produção eólicas.

Com as demais ligas conclui – se que: A liga hipereutética sugeriu certa tendência comparada com a da literatura, porem os pontos estão dispersos e confuso. A liga eutética não demostra nenhuma tendência comparada com a da literatura.

Com relação à inoculação conforme podemos verificar na figura 18, porcentagem de inoculação x h de coquilhamento após nodulização e inoculação, conclui - se que o inoculante FeSi75% foi mais eficiente na redução da altura do coquilhamento da cunha do que o inoculante IM22 (FeSiBaZr), consumindo 35% a menos de inoculante.

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REFERENCIAS

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