Transcript
Ferros Fundidos 1. Motivação Os ferros fundidos e as ligas fundidas alumínio silício são duas famílias de ligas com grande aplicação em engenharia mecânica sendo ambas, por exemplo, empregadas na fabricação de blocos de motores de combustão interna. Os blocos dos motores diesel são de ferro fundido, assim como os de motores de locomotivas ou grandes motores estacionários. Os blocos de motores que empregam gasolina são, nos automóveis, maioritariamente ainda em ferros fundidos mas passam aceleradamente a ser fabricados em ligas Al-Si. Os motores para aviação são fundidos em ligas de alumínio há bastante tempo. Outros componentes como rodas automotivas, feitas de Al-Si, discos de freio feitos de ferro fundido cinzento ou nodular são outros exemplos de aplicação desta classe de materiais. Ambas as ligas tem em comum serem empregadas no estado “como fundido”, estado bruto de fundição, ou após tratamento térmico, sem passar por processos de conformação plástica. Esta característica e outras peculiaridades que veremos adiante tornam o projeto com ferros fundidos e alumínio silício distante da prática do engenheiro mecânico. Um dos objetivos deste capítulo é diminuir esta estranheza. Algumas características físico-químicas também aproximam o estudo destes dois sistemas eutéticos. De um lado do diagrama, o alumínio e o ferro são metais, do outro o silício e o carbono são não-metais. Entre os componentes da cada sistema binários a diferença de temperatura de fusão é grande e ambos os eutéticos são fortemente deslocados para a esquerda nos diagramas de fase. Em decorrência ambos apresentam a microestrutura de eutético irregular, a grafita em veios nos ferros fundidos e o eutético "acicular' no alumínio silício. No texto que se segue buscaremos explicar a origem das propriedades dos ferros fundidos da mesma forma que foi feito para o sistema alumínio silício. Por que efetuar um estudo pormenorizado dos ferros fundidos dada a sua semelhança com o sistema alumínio-silício? O estudo pormenorizado deste sistema se deve ao fato de o sistema ferro carbono apresentar o fenômenos de metaestabilidade transitanto a solidificação entre a formação de grafita e a formação de carbonetos como se verá mais adiante.
2. Tipos de ferros fundidos Sob a denominação de ferros fundidos estão diversas famílias de ligas. A família mais importante, pelo volume de produção são as ligas ternárias Fe-C-Si contendo ainda S, Mn e P como principais impurezas. Podem estar presentes o cromo, molibdênio ou níquel sob a forma de elementos de liga ou outros elementos oriundos do tratamento do metal líquido como o magnésio ou cério. Os ferros fundidos podem ser considerados materiais compósitos formados por uma matriz na qual estão dispersas fases grafita ou carboneto, formadas na solidificação. Tradicionalmente os ferros fundidos são classificados de acordo com a cor da fratura em cinzentos, brancos ou mesclados. A análise microestrutural mostra que os ferros
1
fundidos cinzentos apresentam grafita em sua constituição, os ferros fundidos brancos apresentam carbonetos e os mesclados, uma mistura das duas fases. A grafita pode se apresentar sob a forma de veios, nódulos e compacta, entre outras, dependendo da presença de pequenas quantidades de elementos, dentre os quais os mais importantes são o magnésio e o cério adicionados num processo conhecido como nodulização. Os carbonetos formados na solidificação podem ser o Fe3C, o M3C ou M7C3, carbonetos nos quais parte do ferro foi substituído por manganês cromo ou outros elementos. Carbonetos como o TiC, VC, NbC podem ainda estar presentes visando se obter propriedades especiais, em geral, resistência ao desgaste. Diversos tipos de matrizes podem ser obtidas mediante o controle composição química e tratamentos térmicos de modo semelhante aos aços. Além da composição química e dos tratamentos térmicos os ferros fundidos são fortemente influenciados por algumas variáveis do processo de fabricação sendo as mais importantes a inoculação, nodulização e velocidade de resfriamento. Esta forte dependência das variáveis de processo é uma característica marcante que diferencia dos ferros fundidos dos demais metais empregados em engenharia mecânica. 2.1 Ferros fundidos com grafita (ou comuns) Os ferros fundidos com grafita em veios são conhecidos como ferros fundidos cinzentos e designados por FC na norma brasileira NBR 6589/1986 (Tabela I), Por exemplo, FC 100 designa um ferro fundido com grafita em veios com no mínimo 100 MPa de limite de resistência a tração medido num corpo de prova de padronizado, figura 1A. A dureza deste ferro fundido está entre 145 e 170 Brinell. Algumas das aplicações dos ferros fundidos cinzentos conforme a NBR 8391/1984 (Tabela II) são carcaças, mancais, rotores, tambores de freio, blocos de motores, camisas centrifugadas, anéis de pistão. De acordo com a NBR8391/84, os teores de carbono estão usualmente entre 3,70 e 4,20: os de silício entre 1,80 e 2,80, manganês entre 0,30 e 1,00 e cromo entre 0,20 e 0,80%. Os teores máximos de fósforo e enxofre são geralmente menores que 0,20 e 0,15, respectivamente. Pode-se ainda adicionar cobre e níquel para elevar as propriedades de resistência. Quando a grafita está na forma de nódulos os ferros fundidos são chamados de nodulares ou esferoidais e designados por FE na norma NBR 6916/1981 (Tabela III). FE 38017 indica que o ferro fundido tem grafita esferoidal, figura 1B) e 380MPa mínimo de resistência tração com 17% de alongamento medidos em corpo de prova especificado. A dureza neste caso esta entre 140 e 180 Brinell. Estes ferros fundidos são aplicados, segundo a NBR 8650/ 1984 (Tabela IV) em flanges, girabrequins, engrenagens, pinhões, etc. De acordo com a NBR8650/84, os teores de carbono estão usualmente entre 3,40 e 3,80: os de silício entre 2,10 e 2,80, manganês entre 0,30 e 1,00 Os teores máximos de fósforo e enxofre são geralmente menores que 0,09 e 0,02, respectivamente, com magnésio residual entre 0,04 e 0,06%. O cobre, níquel, cromo e estanho são os elementos de liga mais comuns para elevar as propriedades de resistência mecânica. Nos exemplos acima foram escolhidos as classes de menor resistência das respectivas normas. Nota-se que o ferro esferoidal apresentam maior limite de resistência que o cinzento e que para o primeiro especifica-se alongamento enquanto que para os cinzentos o valor desta propriedade é sempre muito próximo de zero. Estes diferenças se devem á diferença da morfologia da grafita uma vez que o efeito de entalhe devido á presença de nódulo é muito menor que o devido aos veios.
2
Nos ferros fundidos com grafita compacta esta fase tem morfologia intermediária entre veios e nódulo e consequentemente suas propriedades também se situam entre a destes dois materiais.
Figura 1 A) Ferro fundido cinzento sem ataque químico da superfície. B) Ferro fundido nodular com matriz ferrítica perlítica revelada por ataque químico. 2.2 Ferros fundidos grafíticos altamente ligados Normalmente são os ferros fundidos cinzentos que são altamente ligados visando aplicações particulares. Entretanto, as diversas formas de grafita acima estudadas podem estar presentes em ferros fundidos ligados. Os ferros fundidos cinzentos podem ser ligados com níquel em teores de 13 a 36% NBR6917/1981 (Tabela V) objetivando-se a obtenção de matrizes austeníticas a temperatura ambiente. Com isto obtém-se um material diamagnético com boas propriedades de fundição e resistente à corrosão O níquel pode ser substituído parcialmente por manganês ou misturas de cobre e manganês visando redução de custo de matéria prima. Ferros fundidos com alto silício, ao redor de 15% são empregados quando se requer .elevada resistência à corrosão em meios sulfúricos e a resistência ao impacto não é importante como no caso de bombeamento de ácidos. Os elevados teores de silício levam a obtenção de matrizes totalmente ferríticas e extremamente frágeis. Para o estudo mais detalhado destes tipos de ferros fundidos, suas propriedades e aplicações, o leitor é convidado a consultar algumas das referências, como o Metals Handbook volume três. 2.3 Ferros fundidos brancos comuns Os ferros fundidos brancos tem carboneto ao invés de grafita e como principal característica exibem alta dureza, entre 450 e 600 Brinell dependendo do teor de carbono e do modo de fabricação. Algumas aplicações típicas são bolas e revestimentos de moinho, cilindros para laminação, ferramentas para injeção e corte de plástico, entre outras, como pode se ver na Tabela VI adaptada da norma ASTM A532, (Figura 2A) A magnitude da variação dos valores de dureza entre os ferros fundidos com grafita e com carboneto mostra as conseqüências dramáticas da alteração do tipo de constituinte formado na solidificação. Nos ferros fundidos brancos comuns, com teores relativamente pequenos de elementos de liga, os teores de carbono estão usualmente entre 2,2 e 3,60: os de silício entre 0,30 e 1,60,
3
manganês entre 0,20 e 2,00. O cobre ou níquel entre 1,5 e 2,5%, o cromo entre 1,00 e 3,00% e o molibdênio até 1,00% 2.4 Ferros fundidos brancos altamente ligados Os elementos de liga mais comuns nos ferros fundidos brancos são o cromo, o níquel e o molibdênio, as composições destes materiais esta na norma ASTM A532. Estes ferros fundidos são aplicados na fabricação de peças de desgaste em condições de impacto moderado ou como revestimento depositado por solda para proteção contra desgaste. Os ferros fundidos ligados ao níquel, com teores de carbono entre 2,9 e 3,6% silício entre 0,8 e 2,2%, níquel entre 3,3 e 7,0% e cromo entre 1,4 e 11% contendo ainda molibdênio e manganês, foram desenvolvidos visando se obter resistência ao desgaste associada a alguma ductilidade propiciadas por cementita do tipo M3C (onde M pode representar o Cr, Mn, que substituem o Fe) numa matriz austenitico-martensítica. A austenita é estabilizada pelo níquel e o efeito grafitizante deste elemento é contrabalançado pelo cromo. Os ferros fundidos da classe IA e IB solidificam-se com a formação de cementita e grafita simultaneamente. A microestrutura resultante tem ao mesmo tempo características de resistência ao desgaste propiciada pelo carboneto e de auto lubrificação (ou condutibilidade térmica) propiciada pela grafita. Estes materiais são empregados nas cadeiras acabadoras de laminadores de tiras à quente. Os ferros fundidos das classes IC (figura 2B) solidificam-se com a formação de M3C que permanece praticamente sem modificações durante o resfriamento até a temperatura ambiente ou nos tratamentos térmicos posteriores. A estrutura dos ferros fundidos da classe ID é contem carbonetos M7C3 e semelhante às descritas a seguir. Os ferros fundidos com alto cromo (12 a 30%) ou contendo cromo e molibdênio contém carbonetos M7C3 mais duros (1300-1800HV) que o M3C (800-1100HV) em geral numa matriz martensítica. Por isto eles tem resistência ao desgaste em geral superior aos ligados ao níquel. A mudança da natureza dos carbonetos M3C para M7C3 se deve aos teores de cromo entre 12 e 30%. Eles tem teores de carbono entre 2,0 e 3,2% silício menor que 1,0% e cromo entre 11,0 e 28,0% contendo ainda molibdênio e manganês Os elevados teores de cromo, bem como as adições de molibdênio e manganês visam elevar a temperabilidade destes ferros fundidos de modo que eles possam, devido a sua fragilidade, ser temperados ao ar em sessões de até 25cm. (Figura 2C)
4
Figura 2 A) Ferro fundido mesclado (grafita e carbonetos M3C) B)Ferro fundido branco comum. C) Ferro fundido com alto cromo Ferros fundidos mais complexos contendo vanádio 1 nióbio 2 ou misturas de diversos formadores de carboneto 3 , foram desenvolvidos para aplicações onde os requisitos de resistência são excepcionais ou onde se requer maior tenacidade que a proporcionada pelos carbonetos M7C3. Nas referências acima ou nas obras de consulta no fim do texto o leitor encontrará maiores informações sobre estes materiais. Os diversos tipos de ferros fundidos anteriormente descritos podem ser classificados de acordo com a natureza da reação eutética, de modo a que se possa ter uma visão panorâmica deles. Caso ocorra a formação de grafita ou de carboneto na reação eutética pode-se classificar os ferros fundidos como no diagrama abaixo, Figura 3.
Figura 3.Classificação dos ferros fundidos As alterações microestruturais da matriz produzidas no resfriamento após a solidificação ou durante os tratamentos térmicos somadas à formação de grafita ou carboneto na solidificação é que irão determinar a microestrutura final e, consequentemente
5
as propriedades dos ferros fundidos. Em outras palavras a microestrutura dos ferros fundidos pode ser entendida como sendo composta de um aço no qual estão embebidas uma ou mais fases como os carbonetos ou a grafita. De forma semelhante aos aços os ferros fundidos podem ter estrutura ferrítica, austenítica, perlítica, bainítica ou mistura destas associadas à carbonetos ou grafita Na Tabela 7 apresentam-se as estruturas cristalinas , descrição e microdurezas de alguma das fases e microconstituintes mais comuns que compõem os ferros fundidos.
Tabela 7- Microcostituintes dos ferros fundidos e suas durezas
Fase Austenita Grafita Cementita Fe3C Ferrita Perlita Bainita Ledeburita Steadita Carboneto de Cromo Carboneto de Nióbio
Estrutura Cristalina CFC Hexagonal Ortorrombica CCC
Microdureza 150-200(1) 800-1100 (1) 70-150(1) 175-330(1) 250-400 800-1100 400-600 (1) 1300-1800
Apresentam-se na Tabela 8 as propriedades de alguns ferros fundidos com suas microestruturas correspondentes de modo a ilustrar a diversidades de propriedades e aplicações que decorre das múltiplas combinações de microestrutura aventadas acima.
Tabela 8 Tipos e propriedades dos ferros fundidos Ferro Fundido Cinzento
Tipo Perlítico
St (Mpa) 275
Sy (MPa) 240
A (5cm) <1
Aplicação Blocos de
6
Nodular
Maleável
Mesclados Branco
Martensítico
550
550
nulo
Bainitico Ferrítico* Ferrítico Perlítico
550 172 413 550
550 138 275 380
nulo <1 18 6
Martensítico revenido Austemperado Ferrítico Perlítico
825
620
2
950-1300 365 450
240 310
12-1 18 10
Martensítico revenido Perlitico
700
550
2
Fundido (perlitico)
275
275
nulo
motor Superfícies sujeitas a desgaste Eixo de cames Tubulações Árvore de manivelas Partes de máquina Engrenagens Ferragens Eq. Ferroviário Eq. Ferroviário Cilindros de laminadores Produtos resistentes ao desgaste
Ni Hard Alto Cromo
Adaptado de Flinn e Trojan, Engineering Materials and Their Applications. ASM. * Si = 2,5 % CE ~3,5% Os próximos tópicos analisarão primeiramente as reações de solidificação cujos produtos, grafita ou carbonetos não são praticamente alterados nas transformações do estado sólido, exceção feita aos ferros maleáveis. A seguir serão estudadas as transformações no estado sólido destacando-se os aspectos que diferenciam os ferros fundidos dos aços decorrentes dos elevados teores de silício. Para isto serão empregados os diagramas de fase Fe-C e alguns diagramas ternários que serão usados como guias para o acompanhamento da evolução micorestrutural e previsão da microestrutura.
Tabela I Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos
7
D(A) (mm)
D(B) (mm)
30
20,0
Limite de resistência à tração (valor mínimo)–LR (Mpa) 100
13 20 30 45
8,0 12,5 20,0 32,0
230 180 150 110
13 20 30 45
8,0 12,5 20,0 32,0
280 230 200 160
13 20 30 45
8,0 12,5 20,0 32,0
330 280 250 210
FC-300
20 30 45
12,5 20,0 32,0
330 300 260
FC-350
20 30 45
12,5 20,0 32,0
380 350 310
30 45
20,0 32,0
400 360
Tipo FC - 100
FC - 150
FC – 200
FC-250
FC-400
(A) Diâmetro da barra de ensaio no estado bruto de fundição. As barras de ensaio de 30mm de diâmetro são consideradas normais, e as de 13, 20 e 45mm de diâmetro, auxiliares. (B) Diâmetro do corpo de prova usinado. Nota: Os valores do limite de resistência à tração podem exceder os valores indicados na Tabela no máximo de 100 MPa, com exceção do valor da classe FC-100, que pode exceder por no máximo 50MPa. Fonte: NBR 6589/1986
Tabela II Requisitos de composição química e aplicações para ferros fundidos cinzentos
8
CE (A)
Classe
Aplicação
FC-100
Carcaças, mancais, tubos, escapamentos, rotores e outros. Peças de baixa solicitação. Tambores, discos de freio e volantes Blocos de motor, carcaças de transmissão. Cabeçotes com sedes de válvulas postiças Blocos de motores para solicitações mais severas, cabeçote com sedes de válvulas integradas Comandos com cames temperados Camisas centrifugadas Peças de alta solicitação mecânica, como assentos de válvula e outros Anéis de pistão
FC-150 FC-200
FC-250
FC-300 FC-300 FC-350 FC-400
FC 200
C
Si
4,10 4,70
>= 3,20
1m80 2,80
3,70 4,20 3,80 4,20
2,80 3,40 3,00 3,60
3,70 4,20
Mn
Cu
Ni
Em % Mo
P
S
Cr
0,20 máx
0,20 máx
0,15 máx
0,20 máx
-
-
-
1,80 2,80 1,90 2,40
0,30 1,00 0,60 0,90
0,20 máx 0,15 máx
0,10 máx 0,15 máx
0,30 máx 0,25 0,40
0,80 máx
-
-
Opcional -
-
2,80 3,40
1,80 2,80
0,30 1,00
0,15 máx
0,10 máx
0,20 0,50
0,30 0,70
0,30 0,70
Opcional
3,70 4,00 3,80 4,20 -
3,10 3,60 3,10 3,80 3,20 3,50
1,95 2,40 1,90 2,60 1,70 2,20
0,60 0,90 0,50 0,80 0,60 0,80
0,15 máx 0,40 0,65 0,60 máx
0,15 máx 0,12 máx 0,10 máx
0,70 1,10 0,15 0,40 0,50 0,8
0,40 0,60 0,20 0,60 (B) 0,60 1,20
0,40 0,60 0,20 0,60 (B) 0,60 1,20
0,40 0,60 0,30 máx 0,80 1,30
-
3,50 3,90
2,20 3,20
0,70 0,90
0,60 máx
0,12 máx
-
-
3,90 4,30
-
0,30 0,60
0,15 0,40C
A) CE = carbono equivalente B) Recomenda-se utilizar Ni ou Cu ou ambos com soma total de 1,20 máx. Nota: A adição dos elementos de liga está sujeita à solicitações de desgaste
FONTE: NBR 8391/1984
Tabela III Propriedades Mecânicas do Ferro Fundido Nodular
9
Classe
E 38017
Faixa Limite de Alongamento em Limite de escoamento 5d mínimo – A aproximada da resistência à dureza Brinell (%) tração mínimo – (0,2%) mínimo – LE LR (MPa) (MPa) 140 – 180 17,0 240 380
Estrutura metalográfica predominante
Ferrítica
E 42012
420
280
12,0
150 – 200
Ferrítica
E 50007
500
350
7,0
170 – 240
Ferrítica e Perlítica
E 60003
600
400
3,0
210 – 280
Perlítica
E 70002
700
450
2,0
230 – 300
Perlítica
E 80002
800
550
2,0
240 – 312
Perlítica
380
240
17,0
140 - 180
Ferrítica
(A)
E 38017-RI
(A) Classe com requisitos de impacto, conforme 7.4.3
Fonte: NBR 6916/1981
TABELA IV NBR 8650/1984
10
Classes e requisitos de composição química
em % Classe
Aplicação
C
Si
FE 38017
Fundidos submetidos à pressão, corpos de válvulas e de bombas, mecanismos de direção, flanges Fundidos para máquinas submetidas a cargas de choque e fadiga, discos de freio Girabrequins, engrenagens
3,4 3,8
2,1 2,8
3,4 3,8
2,1 2,5
0,30
3,4 3,8 3,4 3,8
2,3 2,8 2,5 2,8
0,50
0,09
0,02
0,50
0,09
3,4 3,8
2,3 2,8
1,0
3,4 3,8
2,1 2,8
1,0
FE 42012
FE50007 FE 60003
FE 70002
FE 80002
Engrenagens de alta resistência, componentes de máquinas, peças automotivas Engrenagens de alta resistência, componentes de máquinas, peças automotivas Pinhões, engrenagens, trilhos
Mn máx 0,30
P máx 0,09
Cu
Mg
-
0,04 0,06
-
0,04 0,06
0,02
0,20 0,70 0,50 1,00
0,04 0,06 0,04 0,06
0,09
0,02
0,50 1,00
0,04 0,06
0,09
0,02
0,50 1,00
0,04 0,06
0,09
S máx 0,02
0,02
Nota: Podem ser utilizados outros elementos de liga para a obtenção de propriedades específicas.
Tabela V NBR 6917/1981
11
Composição química do ferro fundido nodular austenítico
Classe -> Componente
FEA NiCr 20-2 R1 3,0
Carbono total Máximo (%) Silício (%) 1,7-3,0 Manganês 0,7-1,0 (%) Níquel (%) 18,022,0 Cromo (%) 1,7-2,8 Fósforo (%) 0,1máx
FEA NiCr 20-3
FEA NiCr 22 R1
FEA NiCr 30-3
FEA NiCr 30-1 2,6
FEA NiCr 30-5-5
2,9
2,6
1,7-3,0 0,7-1,0
2,0-3,0 1,8-2,4
1,5-2,8 1,5-2,0 5,0-6,0 1,5-2,8 0,5máx 0,5máx 0,5máx 0,5máx
1,5-2,7 0,5máx
18,022,0 2,7-4,0 0,1máx
21,024,0 0,5máx 0,1máx
28,032,0 2,3-3,5 0,1máx
34,036,0 2,0-3,0 0,1máx
29,032,0 4,5-5,5 0,1máx
2,4
FEA NiCr 35-1
3,0
28,032,0 1,0-1,5 0,1máx
2,6
FEA NiCr 35
34,036,0 0,10máx 0,1máx
2,4
Propriedades mecânicas do ferro fundido nodular austenítico Classes Propriedades
Resistência à tração (MPa) Limite de escoamento 0,2% MPa Alongamento em 70mm (%) Dureza Brinell (HB) Resistência ao Impacto (Nm/cm2)
FEA NiCr 20-2 R1 380 490 220 250
FEA NiCr 20-3
FEA NiCr 22 R1
FEA NiCr 30-3
FEA NiCr 30-1
FEA NiCr 30-5-5
FEA NiCr 35
FEA NiCr 35-1
400 490 230 260
380 450 210 240
380 470 230 260
380 450 220 270
420 500 260 310
380 420 210 240
380 450 240 290
8,0 20,0
7,0 15,0
20,0 40,0
7,0 18,0
13,0 18.0
1,5 4,0
20,0 40,0
5,0 10,0
140 200 21
140 210 17
130 170 48
140 200 12
130 190 24
170 240 xx
130 180 29
140 190 10
TABELA VI ASTM A532
12
1
De MELLO, J.B.D. "Structures metalurgiques et caracterization de l`abrasion des fonts blanches au chrome". Tese de Doutorado. Institute National Polytechnique de Grenoble, 1983. 2 GREGOLIN, J.A.R. & ALCANTARA, N.G. "Solidification and phase equilibria in the Fe-C-Cr-NbC System" Metalurgical Transactions A. vol 22A, March 1991, pp. 2181-2186. 3 SAWAMOTO, A., OGI, K. & MATSUDA, K. " Solidification Structures of Fe-C-Cr-(V-Nb-W) alloys" Transactions AFS, 1986, v. 72 pp. 403-416
13
