Aula 13 ferros fundidos nodulares

Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico

Tipos de Ferros Fundidos

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Introdução

O ferro fundido nodularapresenta carbono naforma de grafita nodularcomo característicadominante demicroestrutura.

A grafita nodular é obtidapela adição de elementosquímicos e condiçõesespeciais de fabricação,que condicionam seucrescimento.

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Introdução

Ao adicionar uma pequena quantidade demagnésio e ou cério na composição do ferrofundido cinzento (líquido) antes de moldá-lo,produz-se uma microestrutura distinta e umconjunto de propriedades mecânicasdiferenciadas.

A grafita ainda é formada, mas como nódulos oupartículas de formato esférico em vez de veios.

A matriz em volta destas partículas pode serperlita ou ferrita, a depender do tratamentotérmico.

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Características

Grafita na forma de nódulos

Adição de magnésio ao ferro no estado líquido

Teores mais baixos de S e P (cinzento)

Ampla faixa de limite de escoamento comrazoável ductilidade

• Limite de Escoamento: tensão mínima necessáriapara um metal sofrer deformação plástica.

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Características

O ferro fundido dúctil tem característicasmecânicas que se aproximam do aço.

Devido à matriz em volta das esferas de grafitaser contínua, esse material apresenta-se dúctil eresistente em relação ao ferro fundido cinzento.

Com auxílios de tratamentos térmicosadequados, esse material pode apresentarpropriedades mecânicas como ductilidade,usinabilidade, além de resistência mecânica e acorrosão melhores do que as de alguns açoscarbono.

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Características

Vantagens em relação ao cinzento:

Baixo ponto de fusão;

Boa fluidez e fundibilidade

Excelente usinabilidade

Boa resistência ao desgaste

Alta resistência, dutilidade e tenacidade;

Alta trabalhabilidade a quente

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Solidificação

A adição de pequenos teores de elementos comoMg, Ca, Ce a um ferro fundido comum produzgrafita em forma de nódulos quase esféricos.

O magnésio retarda a formação inicial de grafita.

O ferro fundido branco solidifica com a formaçãode cementita.

Depois da ação do magnésio, a cementita sedecompõe e a grafita se desenvolve por igual emtodas as direções.

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Solidificação

0,1% Mg é adicionadoao ferro líquido• 3 a 4%C e 1,8 a 2,8% Si

Mg – desoxidante edessulfurante

Na ausência de O e S→ crescimento degrafita nas direçõesradiais→ grafitaesferoidizada

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Nodularização

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A maior quantidade de magnésio residual implica emmaior quantidade de grafita transformada,influenciando nas propriedades do material.


Nodularização

A transformação na grafita para a forma nodularaumenta a resistência mecânica e o alongamento doferro fundido.

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Nodularização

Influência damorfologia dagrafita na curvatensão xdeformação dediferentes tiposde ferrosfundidos.

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Composição Química

Efeito da Composição Química na Estrutura ePropriedades:

Carbono• C – 3 a 4% (3,6 a 3,9%)• Teor de C mais alto (cinzento) → alta densidade de nódulos

de grafita• C > 4,6% → flotação de C

Silício• Si – 1,8 a 2,8% (2,2 a 2,7%)• ↑ Si →↑ número de nódulos• ↓Si → tendência ao coquilhamento• ↓ ↓ Si → formação de C em excesso nas seções finas

aumenta a resistência da ferrita.

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Enxofre (S < 0,03%)• ↑S→↑Mg → grafita esferoidal

Fósforo - máx 0,10% ( abaixo de 0,05%)• Forma a steadita →↓ tenacidade e dutilidade

Outros elementos• Pb, Ti, Al, Sb, Zr → formação de grafita em veios

• Sn, V, B, Cr, As → devem ser evitados → favorecem aformação da perlita ou carboneto de ferro

• Mn, Ni e Mo → utilizados nos ferros fundidosnodulares ligados (melhorar as propriedades)

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Influência dos elementos químicos na forma da grafita:

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Forma da grafita Elemento

Esferoidizada Magnésio, Cálcio, Terras raras (Cério, Lantânio, etc.), Itrio

Neutra Ferro, Carbono, Elementos de liga em geral

Forma degenerada(antiesferoidizada)

Alumínio, Arsênio, Bismuto, Telúrio, Titânio, Chumbo, Enxofre, Antimônio.



Taxa típica de carbono e silício para ferrosfundidos nodulares de boa qualidade.

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Tratamento Térmico

A estrutura normal do ferro fundido nodular noestado fundido é constituída de matriz perlítica comgrafita esferoidal: pode, contudo, apresentar ferritaou cementita livre.

Muitas peças de ferro nodular são empregadas noestado fundido. Outras, entretanto, são tratadastermicamente.

O tratamento térmico usual é o que decompõe acementita produzindo ferrita e mais grafitaesferoidal, mediante um recozimento ounormalização. Pode-se também temperar e revenirà dureza desejada.

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Tratamento Térmico

De qualquer modo, as operações de tratamento térmico a queusualmente podem ser submetidos são as seguintes:• Alívio de tensões – Para reduzir ou eliminar as tensões residuais das

peças fundidas de grandes dimensões ou de seção transversal nãouniforme. Normalmente, a temperatura não pode ultrapassar 600ºC e otempo é de cerca de 20 minutos por centímetro de secção. Não há efeitosobre as propriedades mecânicas.

• Recozimento – Para obtenção de matriz ferrítica, mediante aquecimentoa 900ºC, resfriamento até 700ºC, em uma hora, seguido de resfriamentoaté 650ºC, à razão de 3ºC/h. Esse tratamento é tratamento é tambémchamado de “recozimento para ferritização”, porque produz uma matrizessencialmente ferrítica.

• Normalização – Depois de austenitizado o material (à temperatura de900ºC, durante o tempo necessário), ele é resfriado no forno até 785ºC eem seguida resfriado ao ar. Se o resultado final apresentar dureza muitoelevada, pode-se proceder a um revenido posterior, até a durezadesejada, revenido esse que também reduz as tensões internas.

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Tratamento Térmico

• Têmpera e Revenido – O material é austenitizado peloaquecimento entre 870 e 900ºC. Segue-se resfriamentoem óleo, geralmente e revine-se até a dureza desejada.As estruturas resultantes correspondem à da martensitarevenida e o objetivo do tratamento é conferir aomaterial resistência mecânica, dureza e resistência aodesgaste maiores.

• Têmpera superficial – Pode-se aplicar tanto o processopor chama como por indução, para obter-se uma durezasuperficial da ordem de 60 HRC e uma superfície deelevada resistência ao desgaste. A temperatura dasuperfície deve atingir 900ºC durante alguns segundos,seguindo-se resfriamento imediato por jato de água.

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Tratamento Térmico

• Austêmpera – Mediante esse tratamento, têm-se obtido substancialmelhora das propriedades do ferro nodular. No processo, o aquecimentopara austenitização, é feito entre 850 e 925ºC, de modo a que hajatransferência suficiente de carbono à matriz austenítica. Como as zonasferríticas do ferro nodular são isentas de carbono, para que o material setorne endurecível, é necessário, na austenitização, que haja suprimentode carbono à ferrita ou austenita (acima da temperatura crítica), o queocorre por solução e difusão, a partir dos nódulos de grafita. Esseprocesso depende da temperatura e do tempo. Por isso, às vezes seaustenitiza a temperaturas mais elevadas. Os tempos variam de duas aquatro horas, dependendo da secção, justamente para conseguir-se amáxima solubilização do carbono e resultante endurecibilidade. Atemperatura de formação de bainita varia entre 235 e 400ºC, paranodular sem elementos de liga. Na faixa de 235 e 270ºC obtém-se bainitainferior ou acicular, de alta dureza, alta resistência mecânica ao desgaste,com moderadas tenacidades e resistência ao choque. As temperaturasmais altas de austêmpera – 300 a 400ºC – produzem bainita mais dúctil etenaz.

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Microestrutura Típica

Microestrutura da matriz depende de diversos fatores como no ferro fundido cinzento, sendo as principais:

• Formato da peça

• Velocidade de resfriamento

• Composição química

• Tratamento térmico

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (microscópio eletrônico)

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (microscópio eletrônico)

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita

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Ferro fundido nodular: ferrita e nódulos de grafita

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Ferro fundido nodular: ferrita e nódulos de grafita

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (aumento de 100x).

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Micrografias de ferro fundido nodular com (a) matriz ferrítica numa amostra recozida, (b) matriz de perlita fina numa amostra normalizada, e (c)

matriz martensítica numa amostra temperada. Ataque Nital.

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Ferro fundido nodular: nódulos de grafita (sem ataque)

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (com ataque)

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (sem ataque)

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Ferro fundido nodular: perlita, ferrita e nódulos de grafita (com ataque)

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Ferro fundido nodular em estado bruto de fusão: perlita, ferrita e nódulos de grafita

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Ferro fundido nodular normalizado a 850°C e resfriado a ar: perlita, ferrita e nódulos de grafita .

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Ferro fundido nodular normalizado a 850°C e resfriado ao ar forçado: perlita, ferrita e nódulos de grafita .

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OBRIGADO!

Abril de 2011

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