INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO FERRO FUNDIDO CINZENTO FC300

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1 INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NA CONDUTIVIDADE TÉRMICA DO FERRO FUNDIDO CINZENTO FC300 Autores: Arthur Guimarães, Cristiano Pessotti Del Carro, João Paulo Calixto, Luciano Wotikoski Sartori, Carolina da Silva Valinhos Martinelli Resumo. Avalia-se neste trabalho os efeitos da aplicação do tratamento térmico de recozimento, normalização e têmpera com revenido na condutividade térmica do ferro fundido cinzento FC300. Três amostras foram austenitizadas a temperatura de 900 C por 2 horas e uma temperatura de revenido de 600ºC por 1 hora. Para avaliar os efeitos, foi utilizado o método fluxímetrico para quantificar a condutividade térmica. No total, foram realizados 16 ensaios a fim de garantir a repetibilidade e reprodutibilidade dos resultados. Os tipos de grafita das amostras termicamente tratadas e da testemunha foram determinadas em conformidade com a ISO 945, bem como os parâmetros grafíticos, sendo eles a distribuição, fração volumétrica, área total e área média unitária, que são avalizados utilizando o método de estereologia quantitativa por meio do Software Goitacá. Dentre as modificações miscroestruturais, os parâmetros grafíticos sofreram alterações significativas póstratamento, para as amostradas recozidas e temperadas/revenidas, houve um aumento médio de 32% e 16%, respectivamente, enquanto a amostra normalizada apresentou uma redução de 8%. Tais resultados corresponderam um aumento de 6,05% na condutividade térmica do recozimento e uma redução de 1,86% e 17,26% na normalização e têmpera/revenido, respectivamente. Palavras-chave: Ferro fundido cinzento. Tratamento térmico. Condutividade térmica. 1. INTRODUÇÃO A capacidade de transferência de calor é de suma importância em equipamentos de engenharia concebidos em ferro fundido cinzento, como, por exemplo, disco de freio, cabeçote de motor e carcaça de motor elétrico, em que o calor tem que dissipar-se a uma elevada taxa para que mantenha a temperatura baixa, a fim de resguardar a vida útil do mesmo e minimizar a influência nas propriedades mecânicas (HOLMGREN et. al., 2008). No entanto, devido à carga térmica de trabalho, estes equipamentos estão sujeitos à fadiga térmica que, consequentemente, causa uma instabilidade dimensional e aumenta as tensões internas (YANG et. al. 2015). Induzida durante o aquecimento e o resfriamento alternado do material, a fadiga térmica é um mecanismo de falha progressivo correspondente à fonte de deformação cíclica imposta como resultado da expansão térmica do material causado pela diferença de temperatura, o que ocasiona a nucleação de trincas (MALUF, 2007). De acordo Tschiptschin com et. al. 2003, a falha por fadiga térmica é minimizada pelo coeficiente de condutividade térmica do material que, no caso do ferro fundido cinzento, é influenciado pelo teor de grafita presente na microestrutura. 6079

2 Segundo PIESKE (1980, apud SILVA, 2015) o coeficiente também é influenciado por outras condições da microestrutura como a ferrita, perlita e cementita. Há evidências de que os tratamentos térmicos (Recozimento, Normalização e Têmpera) produzam efeitos visíveis nas características microestruturais do ferro cinzento, associado à diferente distribuição e morfologia da grafita (SEIDU e KUTELU, 2013). Apesar de conhecidos os efeitos dos tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas, pouco estudo é encontrado na literatura com relação aos efeitos nas propriedades térmicas do ferro cinzento. Diante deste contexto, o presente trabalho propõe analisar a influência do tratamento térmico na condutividade térmica do ferro fundido da classe FC300, comumente utilizado em cabeçote de motor a diesel. 2. MATÉRIAIS E MÉTODOS Para cumprir os objetivos do trabalho, a metodologia foi dividida em três etapas. A primeira sendo caracterizada na aquisição dos materiais e preparação das amostras. A segunda na aplicação dos tratramentos térmicos e ensaio metalográfico e, por ultima e terceira etapa, a aplicação dos ensaios de condutividade pelo método fluxímetrico. O material utilizado foi o ferro fundido cinzento, o FC 300, classificação esta conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). A respectiva composição química está representada na tabela 1. Tabela 1- Composição química dos ferros fundidos estudados. Material %C %Si %P %Mn %S %Cr %Cu FC 300 Mín 3,08 2,61 0,07 0,42 0,117 0,05 0,16 Máx 3,48 2,7 0,083 0,48 0,13 0,05 0,17 Desse material, foram preparadas 4 amostras com 25,4 mm de diâmetro e 12 mm de comprimento e 4 amostras com o mesmo diâmetro mas com 50 mm de comprimento. As amostras da classe 300 sofreram aquecimento na temperatura de 900ºC permanecendo no interior do forno por 2 horas. Após esse período, estas foram resfriadas, sendo recozidas, normalizadas e temperadas (Figura 1a). Para aliviar as tensões internas, o corpo de prova temperado foi aquecido novamente a 600 ºC por 1h e resfriado ao forno a fim de aliviar as tensões internas provenientes do resfriamento brusco (Figura 1b). 6080

3 900 ºC por 2 horas 600 ºC por 1 hora a b Figura 1: a - Diagrama esquemático dos tratamentos de recozimento e normalização. b Diagrama esquemático dos tratamentos de têmpera e revenido. No total, foram tratadas 3 amostras com 12 mm de comprimento para o ensaio metalográfico, sendo a outra utilizada para comparação das microestruturas. Também foram tratadas 3 amostras com 50 mm para o ensaio de condutividade. Uma não sofreu tratamento para comparar os resultados. 2.1 ANALISE MICROESTRUTURAL Após realizada as etapas do ensaio metalográfico, foi analisada a distribuição da grafita bem como, sua fração volumétrica, a área superficial total e a área média unitária do veio de grafita. Os parâmetros foram quantificados através do Software Goitacá que, por meio da Estereologia Quantitativa, avalia as características microestruturais das amostras. Para avaliar os parâmetros geométricos da grafita, foram capturadas cinco imagens de pontos distintos da microestrutura, de cada amostra termicamente tratada e, de cada testemunha. Todas as imagens foram submetidas as mesmas dimensões de corte (502x602 pixels) e seguiram os mesmos procedimentos de análise dentro do software, a fim de evitar incoerências nos resultados. Os tipos de grafita encontradas nas microestruturas foram comparadas com a ISO 945 (2015), enquanto os micrconsituintes provenitentes da matriz foram analisados de forma qualitativa. 2.2 CONDUTIVIDADE TÉRMICA Para medir a condutividade térmica foi utilizado o método fluximétrico pois este procedimento permite atingir o regime permanente mais rápido se comparado ao método da placa quente protegida e permite medir alta condutividade térmica (SIMIONI, 2005). Além disso, este método é regulamentado pela Norma 02: /05 da ABNT. O circuito termal (Figura 2), utilizado para medir a condutividade térmica, consta com a presença de um elemento de aquecimento (Fonte quente) por meio de resistência elétrica alimentado por uma fonte de energia, o fluxímetro que recebe o fluxo de calor, o corpo de prova e a fonte fria, dispositivo responsável para dissipar o calor. No fluxímetro e no corpo de prova foram fixados 3 termopares, espaçados 6081

4 igualmente para controle de temperatura. O circuito termal foi posicionado no interior de uma estrutura de madeira contendo isolamento. A madeira e o isolamento térmico servem para minimizar as fugas de calor radiais (DEL CARRO; SARTORI; BATISTA, 2017).. Fluxo de calor Fonte de calor Fluxímetro Corpo de prova Fonte fria Figura 2: Esquema do circuito para medir a condutividade térmica Ao atingir o regime permanente e com perdas mínimas de calor, a condutividade térmica pode ser calculada pela lei de Fourier. QQ cccccccc = kk. AA. dddd dddd kk = QQ cccccccc AA. dddd dddd (A) (B) A condutividade foi verificada para todos os corpos de prova, os que sofreram tratamentos térmicos e os que não sofreram. Foram realizados 4 testes para cada amostra a fim de garantir a reprodutibilidade e a repetibilidade, assim como, permitir o cálculo de desvio padrão. No total, 16 testes foram feitos (Tabela 2). Tabela 2: Quantidade de ensaios realizados. Material Amostra Recozimento Normalização Têmpera e revenido FC TOTAL DE ENSAIOS: RESULTADOS E DISCUSSÃO A testemunha apresentou uma condutividade térmica de 29,23 ± 1,59 W/m.K a 23ºC, enquanto que as amostras recozidas, normalizadas e temperadas apresentaram uma condutividade de 31 ± 0,47 W/m.K a 19,5ºC, 28,69 ± 1,09 W/m.K a 25ºC e 24,18 ± 1,14 W/m.K a 22 ºC, respectivamente (Tabela 3). Observa-se que os ensaios apresentaram uma repetibilidade satisfatória, conforme verificado pelo baixo desvio padrão encontrado. As temperaturas médias, embora diferentes, não apresentaram uma mudança significativa no valor da condutividade térmica, permitindo desconsiderar uma alteração significativa nos valores encontrados. 6082

5 Tabela 3: Condutividade térmica, em W/ m.k, das amostras estudadas do FC 300. Testemunha Recozimento Normalização Têmpera e revenido Ensaio 1 27,72 (a 24ºC) 30,73 (a 18ºC) 28,09 (a 22ºC) 25,73 (a 22ºC) Ensaio 2 30,73 31,74 (a 24ºC) 30,46 (a 22ºC) 24,71 Ensaio 3 27,56 (a 24ºC) 31,04 (a 18ºC) 28,64 22,72 Ensaio 4 30,92 (a 22ºC) 30,49 (a 18ºC) 27,56 23,58 (a 21ºC) Média 29,23 ±1,60 31 ± 0,47 (a 19,5) 28,69 ± 1,09 (a 25ºC) 24,18 ± 1,14 (a 22ºC) Conforme a Tabela 3, a amostra recozida apresentou um aumento de 6,05%, já as amostras normalizadas e temperadas reduziram sua condutividade em 1,86% e 17,26%, respectivamente. Percebe-se uma significativa alteração nos tipos de grafita após aplicado os tratamentos térmicos. Nota-se na testemunha grafitas tipo A e E (Figura 3a) e, para as amostras com tratamento de recozimento, predominou a grafita do tipo A (figura 3b). A amostra normalizada apresentou grafitas tipo D e E (figura 3c), enquanto que na amostra temperada/revenida, destacaram-se as do tipo C, D e E (figura 3d). A E A (a) (b) E E D A D (c) (d) 6083

6 Figura 3 : Microestrutura sem ataque realçando a grafita. (a) Testemunha. (b) Recozimeno. (c) Normalização.(d) Têmpera e revenido. Ampliação de 250x. Assim como os tipos, os parâmetros grafíticos também sofreram alterações significativas após os tratamentos térmicos (Gráfico 1). Percebe-se que o recozimento apresentou maiores parâmetros, fato este ligado a menor taxa de resfriamento decompor a cementita em ferrita mais carbono, sendo este último na forma de grafita (SEIDU e KUTELU, 2013), bem como a alta porcentagem de silício presente no material atuar como elemento grafitizante favorecendo o processo de coalescimento do carbono (PIMENTEL, 2011). Gráfico 1: Parâmetros da grafita estudados em cada amostra do FC , ,2415,65 39, , , , ,5125,524 2,96 4,57 Distribuição Fração Volumétrica Área Total (mm²) Área Média (mm²) Testemunha Recozimento Normalização TÊMPERA E REVENIDO Observa-se que seguido pelo recozimento a têmpera/revenido resultou em maiores parâmetros grafíticos do que a testemunha e a normalização, fato este que sugere a ocorrência do fenômeno de grafitização secundária durante o processo de revenimento (FRANÇA, 2015). Derivada da alta taxa de resfriamento e da ausência de difusão, a matriz resultante do processo de têmpera é essencialmente martensita e austenita retida (MIKELONIS, 1982, apud PIMENTEL, 2011). O posterior processo de revenido segrega os carbonetos da martensita e decompõe a austenita retida em ferrita e cementida (HENRRING, 2007, apud PIMENTEL, 2011). Os carbonetos provenientes da martensita e da cementita depositam-se sobre as lamelas pré-existente de grafita, causando o seu engrossamento, e na precipitação de novos nódulos de grafita adjacente a uma matriz ferrítica, dando origem ao mecanismo de grafitização secundária (PIMENTEL, 2011). Com base nos parâmetros grafíticos, esperava-se uma maior condutividade térmica associada ao recozimento seguido pela têmpera/revenido, testemunha e normalização, pois, dentre os microconstituintes do ferro cinzento, a grafita apresenta a maior condutividade (GUESSER et. al., 2005), além da grafita lamelar possuir uma natureza anisotrópica superior que afeta de maneira significativa na propriedade térmica do material (CHEN e CHEN, 2011). Entretanto, observa-se que 6084

7 os microconstituintes da matriz apresentaram maior influência e, pós tratamento, as estruturas obtiveram mudanças significativas. A testemunha apresentou uma matriz essencialmente perlítica (figura 4). A amostra submetida ao recozimento resultou em uma matriz ferrítica-perlítica (figura 5), porém, comparado a testemunha, percebe-se maior concentração da fase ferrítica, resultante da menor taxa de resfriamento permitir a decomposição da perlita em ferrita (CHIAVERINI, 1986). No entanto, tal processo de decomposição pode ter sido afetado pela alta porcentagem de Manganês (Mn) e Cromo (Cr) presente no material, na qual atuam como elementos perlitizantes limitando a formação da fase ferrítica (COLPAERT, 2008). (a) (b) Figura 4: Micrografia da testemunha para o FC 300 com ataque Nital 2%. (a) 250x. (b) 450x. (a) (b) Figura 5- Micrografia do recozimento para o FC 300 com ataque Nital 2%. (a) 250x. (b) 450x. Na amostra normalizada, resultou-se em uma matriz ferrítica-perlítica (figura 6), sendo esta última em maior concentração. Pelo fato da velocidade de resfriamento ser superior ao recozimento, houve a limitação da fase ferrítica. 6085

8 (a) (b) Figura 6- Micrografia da normalização para o FC 300 com ataque Nital 2%. (a) 250x. (b) 450x. Observa-se que a matriz resultante da amostra submetida a têmpera/revenido predomina maior concentração de perlita com algumas regiões de ferrita adjacente as lamelas de grafita (figura 7), indicando a ocorrência do fenômeno de grafitização secundária sobre a grafita primária e na precipitação de novos nódulos, no entanto, o alto teor de Cr estabilizou a dissolução da cementita (PIMENTEL, 2011). (a) Figura 7 - Micrografia da têmpera e revenido para o FC 300 com ataque Nital 2%. (a) 250x. (b) 450x. Nota-se que mesmo ocorrendo um aumento nos parâmetros grafíticos da amostra submetida a têmpera/revenido, a mesma apresentou a maior redução na condutividade térmica (17,26%). Resultado derivado do aumento da fase perlítica observada nas microestruturas, na qual apresenta uma condutividade inferior a grafita e a ferrita (GUESSER et. al., 2005), bem como sua estrutura lamelar atuar como uma resistência quando a direção do fluxo de calor é perpendicular as lamelas, representando 60% da condutividade na orientação paralela (CHEN e CHEN, 2011). O aumento na condutividade térmica atribuído ao recozimento, refere-se a presença da fase ferrítica e na elevação dos parâmetro grafíticos, pois ambos possuem maiores propriedades térmicas (GUESSER et. al., 2005). A propriedade anisotrópica da grafita aumenta a condutividade térmica do ferro cinzento, de (b) 6086

9 maneira que as direções aleatórias das lamelas aumentam o nível de atividade do fluxo térmico (CHEN E CHEN, 2011), portanto, sugere-se que a elevação da distribuição grafítica maximizou tal atividade. Outro aspecto deriva do aumento da fração volumétrica e da área média, na qual quanto maior a razão entre a área superficial da grafita e seu respectivo volume, maior será a capacidade do material em transferir calor (MALUF, 2007). 4. CONCLUSÃO Diante dos resultados obtidos e das análises e discussões apresentadas, percebeu-se uma mudança significativa nas microestruturas que sofreram tratamento térmico em relação as testemunhas, tanto nos parâmetros relacioanados a grafita quanto na matriz do material. O recozimento proporcionou um aumento de 6,05%, normalização e têmpera, uma redução de 1,86% e 17,26%, respectivamente. A grafita apresenta a maior condutividade térmica dentre os microconstituintes e, com isso, esperava-se uma maior influencia na propriedade do material, no entanto, a presença de ferrita e perlita foram os microconstituintes que tiveram maior influência nessas mudanças. 5. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS.ABNT. Projeto de Norma 02: : Desempenho Térmico de Edificações: Parte 5: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método Fluximétrico. Rio de Janeiro, CHEN, J. K; CHEN, S. F. On thermal conductivity of an in-situ metal matrix composite - cast iron. Metal, Ceramic and Polymeric Composites for Various Uses. Disponivel em: Acesso em 18 de outubro de CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. 7 ed. São Paulo: ABM, COLPAERT, H. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Editora: Blucher, 4 ed., DEL CARRO, C. P; SARTORI, L. W; BATISTA, V. P. Rojeto e construção de um aparato para determinação da condutividade térmica de materiais metálicos sólidos através do método fluximétrico. Jornada de Iniciação Científica da FAACZ, Disponível em:< cientifica/2017/anais/projeto_e_construcao_de_um_aparato_para_determinacao_da _condutividade_termica_de_materiais_metalicos_solidos_atraves_do_metodo_fluxi metrico.pdf>. Acesso em 18 de junho de

10 FRANÇA, A. B. C. Avaliação dos efeitos do revenimento nas propriedades mecânicas e microestruturais do ferro fundido nodular austemperado Belo Horizonte, 142p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. GUESSER, W. L; MASIERO, I; MELLERAS, E; CABEZAS, C. S. Thermal Conductivity of Gray Iron and Compacted Graphite Iron Used for Cylinder Heads. Revista Matéria. n. 2, v. 10, p , Disponível em: < Acesso em 17 de fevereiro de HERRING, D. What do We Really Know about Tempering? Industrial Heating, p , julho/2007. HOLMGREN, D; DIÓSZEGI, A. SVENSSON, I. L. Effects of Carbon Content and Solidification Rate on the Thermal Conductivity of Grey Cast Iron. Tsinghua Science and Technology. v. 13, n. 2, p , ISO 945-1: Microstructure of cast irons - Part 1: Graphite classification by visual analysis, MALUF, O. Fadiga termomecânica em ligas de ferro fundido cinzento para discos de freio automotivos. 2007, 230 f. Tese doutorado Programa de Pós- Graduação, Universidade de São Paulo, São Carlos, MIKELONIS, P.; CORP, G. C. Heat Treating Gray and Ductile Iron. Modern Casting, setembro/1982. PIESKE, A; CHAVES, L. M; REIMER, J. F. Ferros fundidos cinzentos de alta qualidade. 3th edição. Joinville, SOCIESC, PIMENTEL, A. S. O. Grafitização secundária em ferro fundido cinzento f. Dissertação (Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais). Programa de Pós- Graduação, Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville, SEIDU, S. O; KUTELU, B. J. Influence of Heat Treatment on the Microstructure and Hardness Property of Inoculated Grey Cast Iron. International Journal of Engineering and Technology, v. 3, n. 9, p , SILVA, M. J. Análise híbrida numérico-experimental da troca de calor por convecção forçada em aletas planas Joinville, 141p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade do Estado de Santa Catarina. SIMIONI, W. I. Análise de erros na medição de condutividade térmica de materiais através do método fluximétrico f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, TSCHIPTSCHIN, A. P.; CUEVA, G.; GUESSER, W. L.; BAUMER, I.; SINATORA, A. Ferros fundidos empregados para discos e tambores de freio. São Paulo. Escola Politécnica Universidade de São Paulo, p. Disponível em:< 6088

11 Acesso em 12 de fevereiro de YANG, X.; ZHANG, Z.; WANG, J.; REN, L. Investigation of nanomechanical properties andthermal fatigue resistance of gray cast iron processed by laser alloying. Jornal of Alloys and Compounds, China, v. 626, p