Ferro Fundido

Transcript

FACULDADE DE TECNOLOGIA DE MOGI - MIRIM GRADUAÇÃO DE TECNOLOGIA EM PROJETOS MECÂNICOS TRATAMENTO TÉRMICO FERRO FUNDIDO DE GRAFITA COMPACTADA E NODULAR Adriano de Aquino Paiva da Silva Prof. Me. André G. S. Galdino Mogi Mirim, 20 de junho de 2010. 2 FERRO FUNDIDO DE GRAFITA COMPACTADA E NODULAR Trabalho de conclusão da disciplina, Seminário apresentado como parte das atividades desenvolvidas ao longo do aprendizado, no curso de Tratamento Térmico, da graduação de Tecnologia em Projetos Mecânicos da Faculdade de Tecnologia de Mogi – Mirim. Prof. André G. S. Galdino Mogi - Mirim, 2010 3 RESUMO SILVA, Adriano de Aquino Paiva, Tratamento Térmico, Mogi-Mirim, Tecnologia em Projetos Mecânicos, Faculdade de Tecnologia de Mogi-Mirim, 2010. Dissertação (Conclusão de curso). Por volta de 4000 a.c, o ferro começou a ser utilizado pela humanidade e desde então esse minério vem sendo estudado para a obtenção de diversos materiais, onde os mais utilizados o aço e o ferro fundido. Com a chegada da industrialização, o aço e o ferro fundido cada vez mais precisam ter suas propriedades melhoradas ao máximo para diversas aplicações de precisão, tais como para as indústrias aeroespaciais e automobilísticas. Neste trabalho serão apresentados fundamentos sobre o Ferro fundido de grafita compactada e nodular, suas composições, origem e utilização, visando esclarecer quanto a suas principais características, partindo do minério, fabricação e principais tratamentos. Palavras - chave: Ferro fundido, Ferro fundido de grafita, Ferro fundido nodular. 4 ABSTRACT SILVA, Adriano de Aquino Paiva Gomes, Treatment, Mogi Mirim, Technology in Mechanical Design, Faculty of Technology, Mogi Mirim, 2010. Dissertation (Completion of course). Around 4000 BC, iron was being used by mankind, since this material is being studied, to obtain various materials, among the most commonly used steel and cast iron. With the arrival of industrialization, steel and cast iron increasingly need to have their properties improved to a maximum of accuracy for various applications such as indus-try in the aerospace and auto industries. The paper presents the fundamentals of the compacted graphite cast iron and nodular, and also their composition, origin and use, aiming to clarify how its main features, starting from the ore, manufacturing and main treatments. Key-words: Iron, cast iron, Graphite cast iron, Nodular cast iron. 5 Sumário INTRODUÇÃO .........................................................................................................06 1. O Ferro ............................................................................................................................ 07 2. Ferro Gusa .........................................................................................................................................09 2.1 Produzindo o Gusa no Alto Forno.....................................................................................................09 3. Ferro Fundido .....................................................................................................................................13 3.1 Efeitos do Silício ...............................................................................................................................14 4. Ferro Fundido Cinzento ......................................................................................................................16 5. Ferro Fundido Nodular .......................................................................................................................18 6. Ferro Fundido de Grafita Compactada...............................................................................................23 8. Referencias Bibliográficas ..................................................................................................................26 7. Considerações finais ..........................................................................................25 Lista de figuras Figura 01- Organograma do trabalho .....................................................................................................08 Figura 02- Esquema de operação do alto forno.....................................................................................10 Figura 03- Imagem da base de um alto forno ........................................................................................10 Figura 04- Divisões de um alto forno......................................................................................................10 Figura 05- Diagrama de equilibrio Fe-C ................................................................................................. 11 Figura 06- Influência do silício................................................................................................................13 Figura 07- Classificação quanto ao tipo da grafita .................................................................................14 Figura 08 - Classificação quanto ao tamanho da grafita ........................................................................15 Figura 09 – Panela de Nodularização ....................................................................................................15 Figura 10 –Graus de nodularidade.........................................................................................................17 Figura 11 – Diferentes graus de nodularidade .......................................................................................18 Figura 12 – Microestrutura “olho de boi” ...............................................................................................18 Figura 13 – Virabrequim, feito com Ferro Fundido Nodular ...................................................................19 Figura 14 – Ganchos de Talha ...............................................................................................................19 Figura 15 – Peças de Ferro Fundido Nodular ........................................................................................19 Figura 16 – Morfologia da Grafita lamelar, Compactada, e Nodular ......................................................20 Figura 17 – Bloco de motor diesel..........................................................................................................22 Figura 18 – Bloco de motor V6...............................................................................................................22 Lista de Tabelas Tabela 01 – Classificação dos ferros fundidos Nodulares. ....................................................................17 Tabela 02 – Propriedades físicas e mecânicas do ferro fundido Vermicular..........................................21 Tabela 03 – Influência da Nodularização nas propriedades do ferro fundido vermicular.......................21 6 INTRODUÇÃO A produção de ferros fundidos tem crescido muito nos últimos anos e representa boa parte do mercado dos materiais utilizados na indústria metal-mecânica e, por isso, a busca contínua pelas melhorias de propriedades tem levado várias indústrias e centros universitários ao desenvolvimento de várias pesquisas a fim de se manterem competitivas no mercado. A adição de elementos tais como o silício, magnésio, cromo, molibdênio e o cobre, e também a aplicação de tratamentos térmicos adequados tem contribuído muito para a melhoria das propriedades mecânicas destes materiais, como, por exemplo, a rigidez e a ductilidade, tornando o emprego destes materiais viável em certas aplicações que eram até então exclusivas dos aços médio teor de carbono. Entretanto, a presença destes elementos influencia na usinabilidade dos ferros fundidos. Dentro deste contexto a usinabilidade é um fator que merece atenção especial e deve ser analisada juntamente com a melhoria das propriedades mecânicas desejadas. Os ferros fundidos são ligas ferro-carbono, se enquadrando em ligas com carbono entre 2% e 6,7%, que apresentam menor custo e permitem que posteriores operações de usinagem sejam a mínima possível, quando comparado aos aços (Van Vlack, 1984). Os ferros fundidos são classificados em seis classes (Chiaverini, 1988): 1- ferro fundido cinzento; 2- ferro fundido branco; 3- ferro fundido mesclado; 4- ferro fundido maleável; 5ferro fundido de grafita compactada e 6 - ferro fundido nodular. O ferro fundido de grafita compactada, nodular e dúctil, será objeto de estudo neste trabalho, onde serão abordados temas tais como suas principais propriedades e produção. 7 COMO TUDO COMEÇA Muitos dos trabalhos hoje realizados, só foram possíveis porque tivemos mentes brilhantes que nos antecederam. É preciso ter a humildade e respeito para alcançar o reconhecimento ”Se eu enxerguei um pouco mais além do que outro homem, foi porque subi em ombros de gigantes” (Isaac Newton). "Ser humilde com os superiores é uma obrigação, com os colegas uma cortesia, com os inferiores é uma nobreza" (Benjamin Franklin) 1. O Ferro O ferro, do latim ferrum, é um elemento químico símbolo Fe, de número atômico 26 (26 prótons e 26 elétrons) e massa atômica 56 u. À temperatura ambiente, o ferro encontra-se no estado sólido. É extraído da natureza sob a forma de minério de ferro que, depois de passado para o estágio de ferro-gusa através de processos de transformação, é usado na forma de lingotes. Adicionando-se carbono dá-se origem a várias formas de aço e ferros fundidos. Este metal de transição é encontrado no grupo 8B da Classificação Periódica dos Elementos. É o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre (aproximadamente 5%) e, entre os metais, somente o alumínio é mais abundante. O núcleo da Terra é formado principalmente por ferro e níquel (Ni-Fe). Este ferro está em uma temperatura muito acima da Temperatura de Curie¹ do ferro. O ferro tem sido historicamente importante, tanto que um período da história recebeu o nome de Idade do ferro. O ferro é um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente, assim como o Níquel e o Cobalto. ¹ Temperatura onde se perde as propriedades magnéticas. 8 O ferro é encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais, destacando-se a hematita (Fe2O3), a magnetita (Fe3O4), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO3), a pirita (FeS2) e a ilmenita (FeTiO3). O ferro puro apresenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura: Ferro α: É o que se encontra na temperatura ambiente, até 788 °C. O sistema cristalino é uma rede cúbica centrada no corpo e é ferromagnético. • • Ferro γ: 910 - 1400 °C; apresenta uma rede cúbica centrada nas faces. • Ferro δ: 1400 - 1539 °C; volta a apresentar uma rede cúbica centrada no corpo. Existe também a condição do Ferro β com temperatura entre 788 - 910 °C. Tem o mesmo sistema cristalino que o Ferro α, porém a temperatura de Curie é de 770 °C, a essa temperatura o ferro passa a ser paramagnético. Partindo do minério de ferro, através de beneficiamento e alguns processos industriais, obtemos vários materiais derivados do aço. Para esse trabalho, será utilizado o organograma indicado na Figura 01. Figura 01- Organograma do trabalho 9 A FERRO E FOGO 2. Ferro Gusa O ferro gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto. Geralmente nos processos industriais, o ferro gusa é considerado como uma liga de ferro e carbono, contendo de 4 a 4,5% de carbono e outros elementos ditos residuais como por exemplo: silício, manganês, fósforo e enxofre, dentre outros. O gusa é vertido diretamente a partir do cadinho do alto forno para contentores para formar lingotes, ou usado diretamente no estado líquido em aciarias. Os lingotes são então usados para produzir ferro fundido e aço, ao extrair-se o carbono em excesso. 2.1 Produzindo o Gusa no Alto Forno O alto forno é um tipo de forno de cuba empregado na produção de ferro gusa, pela fusão redutora de minérios de ferro em presença de carvão vegetal ou coque e fundente, os quais são carregados no topo e, na descida, são transformados pela ação dos gases ascendentes, provenientes da combustão do carvão com o oxigênio soprado pelas ventaneiras, obtendo-se escória e ferro gusa líquidos pelo cadinho e poeiras e gases no topo. A principal matéria-prima do alto-forno são os óxidos férricos, pois é dele que se extrai o ferro. Os minerais que contêm ferro em quantidade apreciável são os óxidos, carbonatos, sulfetos e silicatos. Os mais importantes para a indústria siderúrgica são os óxidos, sendo eles: • Magnetita (óxido ferroso-férrico) → Fe3O4 (72,4% Fe). • Hematita (óxido férrico) → Fe2O3 (69,9% Fe). • Limonita (óxido hidratado de ferro) → 2FeO3.3H2O (48,3% Fe). A Figura 02 demonstra o esquema de operação de um alto forno, na Figura 03 temos a foto do alto forno da CSN em Volta Redonda – RJ, e a Figura 04 mostra as divisões do alto forno. 10 Figura 02- Esquema de operação do alto forno Figura 03- Alto forno Figura 04- Divisões de um alto forno 1. Fornalha 2. Zona de derretimento 3. Zona de redução de óxido ferroso 4. Zona de redução de óxido férrico 5. Zona de pré-aquecimento (garganta) 6. Alimentação de minério, pedra calcária e coque 7. Escapamento de gases 8. Coluna de minério, coque e pedra calcária 9. Remoção de escória 10. Ferro-gusa 11. Chaminé para escoamento dos gases 11 4. Ferro Fundido Segundo CHIAVERINI, “ferro fundido é a liga ferro-carbono-silício, de teores de carbono geralmente acima de 2,0%, em quantidade superior à que pode ser retida em solução sólida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita”. Para maior entendimento sobre Ferros Fundidos é necessário o estudo de seu diagrama de equilíbrio. Verdadeiramente o diagrama Fe-C (Figura 5) não é um diagrama de equilíbrio, uma vez que o composto formado – carboneto de ferro (Fe3C) – não é uma fase de equilíbrio. A cementita (Fe3C) pode se decompor em fases mais estáveis de ferro e carbono (grafita). Na maioria das situações práticas a cementita é bastante estável. Figura 05- Diagrama de equilibrio Fe-C Ligas com teor de carbono de 4,3% a 1148°C (ponto C) são chamadas de ligas eutéticas. São as ligas de menor pondo de fusão ou solidificação. Ferros fundidos com teor de carbono variando entre 2,0 a 4,3 % são denominadas de hipoeutéticas, teores de carbono superiores a 4,3% são características dos ferros fundidos hipereutetóides. 12 Ao se resfriar lentamente uma liga eutética, a solidificação (1148°C) se procede havendo equilíbrio de duas fases, austenita e cementita (Fe3C). Este cristalizado é chamado ledeburita, e constituído de um fundo de cementita (6,7% C) e cristais dentríticos de austenita (2,0% C). Continuando o resfriamento, verifica-se uma diminuição do teor de carbono da austenita até a 727° C e com 0,76%C (ponto S). Ao ultrapassar a linha PSK, a austenita se transforma em perlita. A ledeburita será constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. Analisando um ferro fundido hipoeutético de 3,0% de teor de carbono (linha X), resfriando a liga, à medida que esta se aproxima da linha solidus, cristais de austenita se formam em quantidades cada vez maiores, diminuindo a quantidade da fase líquida. Ao atingir a linha solidus, estará em equilíbrio a fase austenita com 2,0% de carbono e ledeburita com 4,3% de carbono, esta constituída de austenita e cementita. Mantendo o resfriamento, a concentração de carbono da austenita isolada e da austenita da ledeburita diminuirá, percorrendo a linha SE, até a temperatura de 727°C. Abaixo desta temperatura, a liga será constituída de cristais de perlita envolvidos por ledeburita, que é formada por glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. Uma amostra de ferro fundido hipereutético com 5,0% de carbono (linha Y), solidificará ao atingir 1148°C, apresentando as seguintes fases em equilíbrio: cementita e o eutético ledeburita. Continuando o resfriamento, cementita permanecerá a mesma e a austenita da ledeburita sofrerá diminuição do seu teor de carbono (linha SE) transformando-se em perlita a 727°C. A partir desta temperatura a liga estudada terá duas fases constituíntes: cristais alongados de cementita e um fundo de ledeburita. 4.1 Efeito do Silício A principal influência do silício na composição do ferro fundido é o deslocamento da composição do eutético. O ponto eutético é formado com porcentagem menores de carbono à medida que o teor de silício aumenta. Devido à presença do silício a reação eutética ocorre num intervalo de temperatura. Surge o conceito de carbono equivalente, dependendo do teor de silício, a liga se comporta como se tivesse um teor de carbono diferente do real (Figura 06). C.E. = %C + 1/3 %Si Por exemplo, uma liga com 3,6%C e 2,3% Si, terá como resultado de carbono equivalente, C.E. = 4,3%. Assim esta liga se comporta mecanicamente como uma liga eutética. Do ponto de vista da estrutura e de propriedades mecânicas, o silício também influencia na grafitização, ou seja, promover a decomposição do Fe3C em ferro e carbono. Usando um ferro fundido hipoeutético de 3,0% C e 2,3 % Si, como exemplo, a 1150°C o líquido remanescente solidifica com teor de carbono de aproximadamente 3,6 %, neste momento ocorre grande parte da grafitização. No curto período que ocorre a solidificação final, fica estabelecida a quantidade, forma e a distribuição da grafita. 13 Figura 06- Influência do silício. A velocidade de resfriamento e a presença de elementos de liga são relevantes nesta decomposição. Analisando a composição química, percebe-se que o teor de carbono determina a quantidade de grafita a ser formada em quanto que, o silício favorece a decomposição do carboneto de ferro, sendo o elemento grafitizante. Por outro lado, o manganês tem efeito oposto ao silício, ou seja, este estabiliza a cementita (Fe3C). O fósforo é um estabilizador de carboneto de ferro, atua na estrutura do material formando com o ferro e com o carbono um composto de natureza eutética. Examinando a velocidade de resfriamento, verifica-se que seções espessas relacionam-se com resfriamento lento, ocorrendo grafitização formando uma estrutura que confere ao material baixa dureza, excelente usinabilidade e boa resistência mecânica. Os vários tipos ferro fundido são: • Ferro fundido Branco. • Ferro fundido Maleável • Ferro fundido Cinzento • Ferro fundido Nodular No qual iremos destacar o Ferro fundido Cinzento, e o Ferro fundido Nodular 14 5. Ferro Fundido Cinzento Nestes materiais parte do carbono está sob a forma de grafita, o aspecto da fratura é escuro, o que da origem ao nome. Os ferros fundidos cinzentos são caracterizados, pela presença de grafita na forma lamelar interligada, que pode estar envolta de uma matriz ferrítica, perlítica ou ferrítico-perlítica. São pouco usuais e não é comum a presença de martensita ou bainita nestes materiais. No entanto, para casos específicos, tais matrizes podem estar presentes. A classificação da grafita é feita quanto à forma, ao tamanho e ao tipo. No caso dos ferros fundidos cinzentos, a forma da grafita é lamelar sendo que o tamanho pode ser classificado conforme padrão mostrado na Figura 07, onde o tamanho da grafita vai de 01 a 08. Desta forma, compara-se a metalografia sem ataque em 100x de ampliação com este quadro. O tipo das grafitas também é classificado através de um padrão em 100x de ampliação onde se classifica de A até E, conforme descrito abaixo: • Tipo A - Lamelas finas e uniformes distribuídas ao acaso; • Tipo B - Conhecida como tipo roseta, sendo o centro do esqueleto formado por grafita fina e as bordas de grafita grosseira; • Tipo C - Conhecida como grafita primária, veios grandes, típica de ferros fundidos hipereutéticos; • Tipo D - Grafita fina e interdendrítica com distribuição ao acaso, típica de solidificação com elevado superesfriamento; • Tipo E - Veios finos e interdendríticos com orientação definida, típica de ferros fundidos de baixo carbono equivalente e cuja solidificação ocorreu com elevado superesfriamento, ou com a formação de grande quantidade de dendrítas de austenita próeutética. As Figuras 07 apresentam os tipos de grafita, e as Figuras 08 apresentam o tamanho das grafitas. Tipo A Tipo B Figura 07- Tipos de grafita. Tipo C Tipo D Tipo E 15 Figura 08 - Tamanhos de grafita. 6. Ferro Fundido Nodular A obtenção de ferro fundido com grafita esferoidal, conhecida como Ferro Fundido Nodular, ou Dúctil, segue em princípio os mesmos caminhos da produção de ferros fundidos cinzentos. Para se chegar à morfologia esférica ou quase esférica dos nodulares, antes da etapa de inoculação com ligas de Fe-Si75, realiza-se um tratamento intermediário com uma liga de FeSi-Mg, contendo teores de Mg que podem variar de 4 a 8% nominalmente. O elemento responsável pela mudança da morfologia da grafita é o Mg, que atua na energia livre de crescimento dos cristais de grafita, alterando o plano preferencial de crescimento. Várias teorias discutem o mecanismo fenomenológico para a mudança no crescimento da grafita, no entanto não cabe aqui entrar nestes detalhes. Em termos de processo, o tratamento de nodularização é realizado em uma panela intermediária entre o forno e a panela de vazamento. A Figura 09 mostra esquematicamente a panela de tratamento de nodularização. 16 Na figura acima se observa alguns detalhes importantes para o bom rendimento do processo de nodularização. O primeiro está relacionado com a existência da tampa. O processo denominado simples transferência, não possui a tampa com a bacia e o canal de descida acima. Consequentemente, o rendimento de Mg é inferior, queimando muito durante o tratamento. Com a tampa, o rendimento de Mg sobe para valores da ordem de 70 a 80%, gerando economia de processo. A forma da tampa premia uma bacia para vazamento do metal do forno e o canal de descida, que deve estar do lado oposto a câmara onde é colocada a liga nodularizante. A câmara para a liga nodularizante, oposta ao canal de descida, acomoda a liga momentos antes do vazamento. Com a posição oposta ao canal de descida e com uma cobertura de chapas finas de aço ou limalha de ferro fundido colocada sobre a liga nodularizante, busca-se retardar o início da reação de nodularização, formando uma coluna de metal líquido no interior da panela, o que melhora o rendimento de Mg. No caso dos ferros fundidos cinzentos, a grafita é interconectada, o que promove uma solidificação celular concorrente e simultânea. No caso dos nodulares, os nódulos de grafita são independentes e formam isoladamente uma célula eutética. Desta forma os problemas de microsegregações intercelulares são mais críticos nos nodulares que nos cinzentos, fazendo com que a etapa de inoculação após o tratamento de nodularização seja mais importante do que nos cinzentos. Um exemplo disso são os teores de inoculantes utilizados em ambos os casos. Para a produção de Ferros fundidos cinzentos, adiciona-se de 0,3 a 0,4% de inoculante enquanto que para os nodulares estes teores são de 0,6%. Assim como os cinzentos, os nodulares são caracterizados pelo tamanho e forma dos nódulos de grafita. Os parâmetros de qualidade definem três exigências em termos de nódulos que são: • Número de nódulos por unidade de área: Este número está ligado ao número de células eutéticas geradas na solidificação. Os fatores de processo que afetam a quantidade de nódulos são a temperatura de vazamento, taxa de solidificação (espessura do fundido) e inoculação. Elevadas temperaturas de vazamento diminuem o número de nódulos enquanto que maiores taxas de solidificação e eficientes inoculações tendem a aumentar este número; • Grau de nodularidade: Representa o quanto os nódulos estão esféricos. Os critérios de qualidade determinam que este valor deve ser o maior possível, sendo aceitável até valores de 85% de nodularidade. No entanto, o valor limite em muitos casos é definido pelos usuários segundo as exigências de projeto e solicitações. A taxa de solidificação (espessura do fundido) e o teor de Mg atuam neste parâmetro. Solidificações mais lentas tendem a prejudicar a forma do nódulo, assim como teores abaixo de 0,30% de Mg e teores acima de 0,6% de Mg; • Tamanho de nódulos: O tamanho de nódulos está ligado ao número de nódulos. Um elevado número de nódulos normalmente leva a tamanhos menores, apesar de não ser uma regra geral. Taxa de solidificação (espessura do fundido), inoculação e composição química atuam no tamanho dos nódulos. Elevados teores de C e Si tendem a formar nódulos maiores, assim como taxas de solidificação mais lentas (peças grossas). Inoculações eficientes geram menores nódulos A Figura 10 mostra esquematicamente a morfologia da grafita, representando o grau de nodularidade, 17 Figura 10 –Graus de nodularidade A matéria prima para a produção de nodular é diferente em sua composição química daquela para cinzentos. Normalmente, os teores de S e P são inferiores. O enxofre tem forte afinidade pelo Mg para formar sulfeto de magnésio (MgS), consumindo o Mg necessário para a nodularização. Em função disso, procura-se manter o teor de S baixo na matéria prima. O P atua como fragilizante das ligas de nodular, prejudicando a tenacidade do material, e também procura se mantê-lo em teores baixos. Tabela 01 – Classificação dos ferros fundidos Nodulares. Quanto à microestrutura da matriz, as classes mostradas na Tabela 01, os nodulares de classe mais baixa, ou seja de menor limite de resistência e maior ductilidade, possuem matriz ferrítica. À medida que a classe aumenta, o teor de perlita vai aumentando, passando para ma- 18 triz ferrítico perlítica, depois para perlítico-ferritica e chegando a matriz perlítica nas classes superiores. (A) 99% (B) 80% (C) 50% Figura 11 – Diferentes graus de nodularidade A Figura 11 exemplifica diferentes graus de nodularidade. Conforme descrito acima, a matriz varia de acordo com a classe do nodular. Com o aumento da classe, o teor de perlita também aumenta. A perlita começa a surgir nas regiões intercelulares devido ao fato de que nestas regiões ocorrem segregações de elementos perlitizantes, como o Mn por exemplo e também devido à distância destas regiões do nódulo, desfavorecendo a difusão do carbono para o mesmo. À medida que o teor de perlita aumenta, em classes de maior resistência, surge à típica estrutura denominada de “olho de boi”, caracterizada como uma matriz predominantemente perlítica e um anel ferrítico em torno do nódulo. A figura 12 mostra uma destas microestruturas. . Figura 12 – Microestrutura “olho de boi” Como já citado os cinzentos possuem a grafita na forma lamelar e totalmente interconectada. A forma lamelar, formando acuidades nas pontas das grafitas interconectadas, faz com que este material possua baixa resistência, pois as grafitas atuam como trincas no material. Em função disso os cinzentos não são utilizados em solicitações em que resistência, ductilidade e tenacidade são exigidas. 19 Já os nodulares, a grafita é esferoidal, eliminando os problemas decorrentes das “trincas” do ferro cinzento, dando aos noculares, elevada resistência, ductilidade e tenacidade, podendo estes ser empregados em componentes de responsabilidade como, por exemplo: Figura 13 – Virabrequim, feito com Ferro Fundido Nodular Figura 14 – Ganchos de Talha Figura 15 – Peças de Ferro Fundido Nodular No entanto, este material possui baixa condutividade térmica e baixo amortecimento de vibrações. 20 7. Ferro Fundido de Grafita Compactada Na busca de um material que apresentasse propriedades intermediárias entre os cinzentos e os nodulares, aliando as vantagens dos dois, desenvolveu-se os ferros de grafitas compacta. A indústria automotiva vem se deparando, com restrições que visam à redução da emissão de gases combustíveis, por outro lado, existe também a demanda por maior desempenho dos motores, e que sejam cada vez menores e silenciosos. Criou-se então o sistema de injeção de combustível individualizado, que permitiu elevadas pressões de injeção e pressões máximas de combustão, garantindo um melhor desempenho do motor e redução de emissões, bem como operação mais silenciosa. Porém tal tecnologia exige uma maior solicitação mecânica do motor, o ferro fundido de Gráfica Compactada ou Vermicular, veio a suprir esta demanda por ser material de elevada resistência mecânica, o que permite a construção de blocos de motor com paredes mais finas, o que significa blocos menores. Do ponto de vista químico o ferro fundido vermicular não apresenta uma diferença significativa em relação ao ferro fundido cinzento e nodular. A diferença entre essas ligas se deve principalmente ao tipo da morfologia de suas grafitas como pode ser visto na Figura 16. A formação da grafita vermicular deve-se a ação do magnésio que é um elemento nodularizante, em um teor ativo entre 0,01 e 0,02%. Esta quantidade é insuficiente para gerar o ferro fundido nodular, mas suficiente para assegurar uma faixa estável do ferro fundido vermicular sem a formação de grafita lamelar. Figura 16 – Morfologia da Grafita lamelar, Compactada, e Nodular A fase da grafita no ferro fundido vermicular aparece na forma de vermes ou de partículas vermiculares, daí o nome Vermicular. Essas partículas são alongadas e orientadas aleatoriamente como no ferro cinzento, porém são mais curtas, mais grossas, e de bordas arredondadas, o que confere propriedades superiores como: boa resistência mecânica, tenacidade, resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica. A sua microestrutura resulta em uma adesão mais forte entre a 21 grafita e a matriz de ferro inibindo assim a iniciação e o crescimento de trincas e garantindo com isso propriedades mecânicas superiores. Na tabela 02 são apresentadas propriedades mecânicas e físicas do ferro fundido vermicular, comparadas ao ferro fundido cinzento e nodular. Tabela 02 –Propriedades físicas e mecânicas do ferro fundido Vermicular O ferro fundido vermicular inclui invariavelmente algumas partículas (esferoidais) de grafita nodular. Enquanto a nodularidade aumenta, aumentam também a força e a rigidez diminuindo a usinabilidade e a condutividade térmica. Além disso, com o aumento da nodularidade a resistência mecânica do material também é elevada influenciando diretamente na sua usinabilidade. A Tabela 03 mostra a influência da nodularização da grafita nas propriedades mecânicas e físicas do ferro fundido vermicular. Para blocos e cabeçotes de motores que combinam grande carregamento térmico e mecânico e que também exigem usinagem extensiva, requerem um controle maior da microestrutura, permanecendo a nodularidade dentro de uma escala de 020%. Tabela 03 – Influência da Nodularização nas propriedades físicas e mecânicas do ferro fundido vermicular 22 Exemplo de peças onde o Ferro Fundido Vermicular é mais utilizado: Figura 17 – Bloco de motor diesel Figura 18 – Bloco de motor V6 8. Considerações finais Podemos concluir que tanto o Ferro Fundido de Grafita Compactada ou Vermicular, e o Ferro Fundido Nodular ou Dúctil, tem características muito semelhantes, os dois materiais possuem grafita, que é a decomposição da Cementita (Fe3C) em fases estáveis de ferro e carbono. A maior diferença é a morfologia da gráfica no Ferro fundido, O ferro fundido Nodular, que contem grafita no formato de nódulos, que proporciona um material dúctil, tenaz e mais resistente, quando comparado a o Ferro Fundido de Grafita Compactada, porém a sua condutividade térmica é menor, o que faz com que ele seja usada em peças que necessitem de mais resistência e que tenha menos necessidade de condução de calor. Já o Ferro Fundido de Grafita Compactada, possui uma condutividade térmica elevada e uma boa absorção de vibração, devido o formato da grafita no material, que devido á ação do magnésio proporciona uma grafita de forma vermicular, mais curtas, mais grossas e de bordas arredondadas, comparando com grafita do Ferro Fundido Cinzento, que o torna ideal na fabricação de blocos de motor e coletores de escape. 9. Referências Bibliográficas 1- Chiaverini, V., 1988. “Aços e ferros fundidos - Características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos”, 6 a. edição ampliada e revisada, ABM, 576 pags. 2- COLPAERT, Humbertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns – ed. Edgard Blucher 23 3- Da Silva, R. B., 2001 “Alargamento cônico do Ferro Fundido Nodular GGG 40”, Dissertação de Mestrado, Escola de Engenharia da UFMG, Belo Horizonte, 107 pags. 4- MACHADO, Marcelo. L. P. Processo de Redução Direta e Indireta de Minérios de Ferro. CEFET-ES, Vitória-ES: 2002. 5- Van Vlack, L.H. 1984, “Princípios de ciência e tecnologia dos materiais”, Editora Campus, 5° Edição, Rio de Janeiro - RJ, pp. 495-499.