AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA PARA OBTENÇÃO DE ADI UTILIZANDO BANHOS METÁLICOS A BASE DE ZINCO E ESTANHO

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1 AVALIAÇÃO DO TRATAMENTO DE AUSTÊMPERA PARA OBTENÇÃO DE ADI UTILIZANDO BANHOS METÁLICOS A BASE DE ZINCO E ESTANHO L. Pereira¹, L. F. Jr. Seibel¹ e V. K. de Barcellos². ¹ PPGE3M, Laboratório de Fundição Escola de Engenharia Universidade Federal do Rio Grande do Sul. ² Departamento de Metalurgia, Laboratório de Fundição Escola de Engenharia Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Laboratório de Fundição (LAFUN) - Av. Bento Gonçalves, CEP Porto Alegre/RS - Caixa Postal leonardo.pereira@ufrgs.br RESUMO Neste trabalho avaliou-se a utilização de três ligas metálicas, Zamac, Sn30Zn e Sn35Pb, como banho de austêmpera para tratamento de ferro fundido nodular. As propriedades mecânicas do ferro nodular são melhoradas de maneira única com a realização da austêmpera. O tratamento é realizado na faixa de 250 a 450 C utilizando tradicionalmente banho de sais fundidos, que apresenta potencial poluidor e riscos operacionais. Por meio de análise térmica determinou-se a faixa de aplicação de cada liga estudada. Aplicou-se, em corpos de prova instrumentados, tratamentos de austêmpera a 400 C utilizando banho de Zamac, a 340 C utilizando banho de Sn30Zn e de 280ºC utilizando banho Sn35Pb, os demais parâmetros do tratamento foram fixados, sendo o tempo de austêmpera e austenitização de 60 minutos e a temperatura de austenitização de 900 C. Avaliou-se a severidade de resfriamento do meio, a dureza e microestrutura do ferro nodular austemperado obtido nos diferentes ciclos de tratamento. Palavras-chave: Ferro Nodular Austêmperado, Austêmpera, Banho Metálico, ADI. 5998

2 INTRODUÇÃO O ferro fundido nodular quando submetido a um ciclo de tratamento térmico de austêmpera tem sua microestrutura alterada e propriedades mecânicas melhoradas. O ferro fundido nodular austemperado, conhecido pela sigla ADI (Austempered Ductile Iron), apresenta como microestrutura característica a ausferrita, que é uma combinação de austenita estabilizada com alto teor de carbono (γhc) e ferrita acicular (αac) (1). O ciclo de austêmpera envolve a austenitização do material a uma temperatura (T γ ) que varia de 820 a 950 C, de acordo com a composição química do ferro nodular, por tempo (t γ ) suficiente para a completa saturação de carbono na austenita (γ). Segue-se resfriando o material rapidamente até a temperatura de austêmpera (Tα), que varia de 250 a 450 C e é determinante quanto às propriedades mecânicas do ADI. Menores temperaturas de austêmpera (250 a 350 C) resultam em ADIs de alta resistência e dureza, por outro lado quando a austêmpera é realizada entre 350 e 450 C resulta em ADI de maior tenacidade e ductilidade (2-3). O tempo de austêmpera (tα) precisa ser suficiente para possibilitar a transformação apresentada na expressão (1) sem que ocorra a formação de bainita, onde a austenita de alto carbono se decompõem em ferrita (α) e carbonetos (ε), descrito na expressão (2). 1º EEEEEEÁGGGGGG: γγ αα aaaa + γγ HHHH (1) 2º EEEEEEÁGGGGGG: γγ HHHH εε + αα (2) O tempo entre o final do primeiro estágio e o início do segundo estágio de austêmpera é denominado janela do processo (4). Tradicionalmente se utiliza uma mistura de sais fundidos (NaNO3, NaNO2 e KNO3) como banho de austêmpera. Os banhos de sais podem ser utilizados entre 150 a 590 C, entretanto possuem potencial poluidor associado a seu uso: promove corrosão, emissões de NOx e necessidade de disposição ao fim da vida útil. Os banhos de sais também possuem riscos operacionais, pois ao serem submetidos a altas temperaturas apresentam risco de explosão (5-7). 5999

3 A utilização de banhos metálicos para austêmpera de ferro fundido nodular tem sido objeto de avaliação com a utilização de ligas a base de Zn, entretanto tais ligas ficam limitadas a faixa de temperatura superior de realização da austêmpera (8-9). Neste estudo avalia-se a utilização de três ligas, Zamac, Sn30Zn e Sn35Pb, de maneira a possibilitar a realização de austêmpera em toda faixa recomendada para obtenção de ADI. O ferro nodular submetido à austêmpera nos banhos metálicos tem sua dureza e microestrutura avaliada. MATERIAIS E MÉTODOS A partir de lingotes de Zamac 5, zinco, estanho e chumbo elaborou-se, em um cadinho de 330ml de carbeto de silício aquecido em forno resistivo tipo poço, as três ligas utilizadas como banho de austêmpera, com as seguintes composições químicas nominais (% em massa): Zamac: 4,24% Al, 1,9% Cu, 0,12% Mg e Bal. Zn; Sn30Zn: 30% Zn e 70% Sn; Sn35Pb: 35% Pb e 65% Sn. Confeccionou-se três corpos de prova (CP) cilíndricos, medindo 27mm de comprimento e 18mm de diâmetro, em ferro fundido nodular a partir de um bloco Y bruto de fusão. Foi realizado um furo de 1,5mm de diâmetro até o centro do CP. O objetivo do furo é colocar o termopar tipo K na região central, onde ocorre o resfriamento a menores taxas comparado as regiões superficiais. A massa de cada CP após a furação é de aproximadamente 40 gramas. O ferro nodular, na condição bruto de fusão, apresenta matriz predominantemente perlítica, com 148(±17) nódulos/mm² e grau de nodularização superior a 90%, cuja composição química consta na tabela 1. A composição do ferro nodular é adequada, por conta dos teores de Mn, Cu, Ni e Mo, para a obtenção de ADI de alta resistência mecânica. Tabela 1 Composição química do ferro fundido nodular (% em massa). C Si Mn Mg Cu Ni 3,6 2,3 0,3 0,03 0,7 0,5 Mo Sn S P Cr Fe 0,2 0,02 0,007 0,02 0,03 Bal. 6000

4 Preliminarmente, utilizando copos de análise térmica instrumentados com termopar tipo K, equipamento de aquisição de dados Novus e software mypclab, obteve-se a curva de resfriamento das ligas Zamac, Sn30Zn e Sn35Pb, de maneira a determinar o intervalo de temperatura que cada liga pode ser utilizada como banho de austêmpera. Para austenitização do ferro nodular utilizou-se um forno resistivo do tipo mufla, aquecido previamente, equipado com controlador eletrônico de temperatura. Os corpos de prova foram austenitizados a 900 C por aproximadamente 60 minutos. A austêmpera foi realizada através das ligas metálicas em um cadinho de carbeto de silício com contendo 1,7kg de banho metálico. Manteve-se a temperatura por meio de um forno resistivo do tipo poço, com controlador eletrônico de temperatura. A austêmpera foi realizada por aproximadamente 60 minutos, sendo a 400 C na liga de Zamac, 340 C na liga Sn30Zn e a 280ºC na liga Sn35Pb. Posicionou-se os fornos próximos para que, após a etapa de austenitização, os CPs fossem conduzidos imediatamente para o banho de austêmpera, onde eram mantidos nos minutos iniciais com movimentação moderada. Monitorou-se a temperatura da região central dos CPs, durante todo o ciclo de austêmpera, através do equipamento de aquisição de dados com taxa de aquisição de dados de 2 Hz. Calculou-se então a taxa de resfriamento proporcionada pelo banho de austêmpera no intervalo de 900 a 450 C. Após o ciclo de austêmpera os CPs foram resfriados ao ar, limpos e posteriormente cortados ao meio utilizando um disco de corte abrasivo refrigerado. Destinou-se uma metade do CP para medições de dureza Brinell com carga de 187,5 kg aplicada por 10s por meio de esfera com 2,5 mm de diâmetro. As metades destinadas a análise da microestrutura foram lixadas, polidas e atacadas com uma solução de Nital 3%, captou-se imagens da microestrutura utilizando um microscópio óptico Olympus BX60M equipado com câmera IDS UI-1480LE-C e software de análise de imagens OmniMet 9.8. A dureza da ausferrita foi medida utilizando microdurômetro Shimadzu com carga de 200g aplicada durante 15s, para medições de microdureza Vickers. 6001

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO Curvas de resfriamento das ligas Zamac, Sn30Zn e Sn35Pb A escolha das ligas metálicas avaliadas neste estudo foi feita para que as mesmas pudessem apresentar potencial de reciclagem ou reutilização após o fim da vida como banho de austêmpera. Na figura 1 consta a curva de resfriamento da liga Zamac, com indicação da temperatura liquidus (TL) a 375 C e temperatura solidus (TS) de 325 C. Figura 1 Curva de resfriamento do Zamac, com a curva da temperatura em função do tempo em preto e da derivada em cinza. O Zamac fica limitado ao uso como banho de austêmpera a temperaturas superiores a 375 C, ou temperaturas levemente abaixo da liquidus em que a liga mantenha boa fluidez, sendo adequada sua utilização somente quando deseja-se a obtenção de ADI com maior ganho de tenacidade e ductilidade. Na figura 2 apresenta-se a curva de resfriamento da liga Sn30Zn, com temperatura liquidus de 345 C, temperatura eutética (TE) a 197 C e temperatura solidus igual a 194 C. Apesar de a solidificação iniciar a 345 C na liga Sn30Zn, ela mesma apresenta excelente fluidez a 340 C, temperatura na qual foi utilizada como banho de austêmpera. A utilização da liga Sn30Zn como meio de austêmpera já se 6002

6 torna adequada quando se busca um equilíbrio de ganho de tenacidade e ductilidade com resistência e dureza. Figura 2 - Curva de resfriamento da liga Sn30Zn, com a curva da temperatura em função do tempo em preto e da derivada em cinza. A reação eutética ocorre a 197 C. A curva de resfriamento da liga Sn35Pb é apresentada na figura 3, como esperado é a que possui menor temperatura liquidus dentre as três ligas avaliadas, com temperatura de inicio de solidificação igual a 195 C, a liga pode ser utilizada para obtenção de qualquer classe de ADI. Constitui uma desvantagem a presença de chumbo na sua constituição, devido a possibilidade de exposição de trabalhadores sem proteção adequada ao elemento e os problemas de saúde decorrentes desta situação. Apesar de ligas de estanho e chumbo ainda serem muito utilizadas na soldagem de circuitos elétricos e eletrônicos o seu uso tem se tornado mais restrito, devido a problemas de saúde causados pela exposição ao chumbo, apesar de representar menor impacto ao meio ambiente conforme avaliação de Almeida et al (2013) (10). A utilização de ligas de estanho e zinco como substituta de ligas de estanho e chumbo na soldagem branda foi objeto de estudo de Garcia (2008) (11) e apresentou resultados promissores para teores de zinco de até 12%, uma das maiores vantagens dentre as avaliações da liga é a sua melhor molhabilidade do cobre, elemento muito presente em circuitos eletrônicos. 6003

7 Figura 3 Curva de resfriamento da liga Sn35Pb, com a curva da temperatura em função do tempo em preto e da derivada em cinza. A reação eutética ocorre a 184 C. Taxa de resfriamento: severidade do meio Para que se obtenha o ADI, é necessário que o banho de austêmpera tenha capacidade de promover taxas de resfriamento no ferro nodular austenitizado que garanta a ausência de formação de perlita. Esse fator inclusive é um limitante para a utilização de ADI em grandes componentes. Os ciclos completos de austêmpera em cada liga são apresentados nas figuras 4, 5 e 6. Figura 4 Ciclo de austêmpera com banho de Zamac, T α = 400 C. 6004

8 Figura 5 Ciclo de austêmpera com banho de Sn30Zn, T α = 340 C. Figura 6 Ciclo de austêmpera com banho de Sn35Pb, T α = 280 C. É razoável estimar que o principal fator envolvido na taxa de resfriamento foi a temperatura do banho, pois resulta em maior gradiente de temperatura entre o banho metálico e o CP de ferro nodular. Dentre as ligas avaliadas, a que proporcionou maior severidade de resfriamento, no intervalo compreendido entre 900 e 450 C, foi à liga Sn35Pb conforme se observa na tabela 2. Tabela 2 Severidade de resfriamento das diferentes ligas avaliadas. Liga do banho Zamac Sn30Zn Sn35Pb Temperatura do banho ( C) Taxa ( C/s), de 900 a 450 C 25,1 28,3 32,1 6005

9 A liga Sn35Pb foi a que apresentou maior elevação da temperatura ao resfriar o CP, como é possível observar nas figuras de 4 a 6. Também é a liga Sn35Pb que mais calor absorveu do CP de ferro nodular até atingir o equilíbrio térmico. Caracterização do ADI Na tabela 3 consta a dureza do material bruto e dos ADIs obtidos nos diferentes ciclos, apresenta-se também a microdureza da ausferrita. De acordo com a ASTM A897/897M a dureza de 292HB é adequada a um ADI Classe 1 ( HB), 378HB a de um ADI Classe 3 ( HB) e 475HB a de um ADI Classe 5 ( HB). Tabela 3 Dureza e microdureza. Estado dos CPs Bruto Fusão T α = 400 C T α = 340 C T α = 280 C Dureza (HB) 280 (±5,7) 292 (±6,7) 378 (±4,9) 475 (±8) Microdureza (HV) (±18) 438 (±13) 601 (±19) Em todas as condições de austêmpera ocorreu à formação de ausferrita, como pode-se verificar nas micrografias apresentadas na figura 7. No ciclo de austêmpera realizada a 400 C a estrutura é mais grosseira, porque a força motriz para nucleação da ferrita é menor, enquanto que a difusão do carbono é favorecida pela temperatura mais elevada. Na temperatura de austêmpera de 280ºC observase uma estrutura de ausferrita bastante refinada, neste caso a condição é inversa, a força motriz é maior para nucleação da ferrita e a difusão do carbono é menor, por conta da temperatura mais baixa. Na austêmpera realizada a 340ºC, como é esperado, se obtém uma ausferrita em uma condição intermediária as duas anteriores. A morfologia da ausferrita, a porcentagem de austenita e ferrita bem como a quantidade de carbono em solução sólida na ferrita e na austenita atuarão de forma mais significativa nas propriedades mecânicas finais do ADI. 6006

10 Figura 7 A1 e A2 ferro nodular Bruto de Fusão. B1 e B2 ciclo de austêmpera de 400 C. C1 e C2 ciclo de austêmpera de 340 C. D1 e D2 ciclo de austêmpera de 280 C. As imagens da esquerda foram geradas originalmente com 200x de ampliação, as imagens da direita foram geradas originalmente com ampliação de 1000x. 6007

11 CONCLUSÃO A avaliação dos resultados permite concluir que todas as ligas apresentaram severidade de resfriamento como meio de austêmpera para obtenção de ADI, pois não foi observado a formação de perlita. As ligas podem ser utilizadas como banho de austêmpera nos seguintes intervalos de temperatura: Liga Zamac: de 375 a 450 C; Liga Sn30Zn: de 345 a 450 C; Liga Sn35Pb: de 250 a 450 C. Para o ciclo de austêmpera de 400 C, a dureza medida corresponde a faixa do ADI classe 1. Para o ciclo de austêmpera de 340 C a dureza medida corresponde a faixa de ADI classe 3. Para o ciclo de austêmpera de 280 C a dureza corresponde a faixa de ADI classe 5. AGRADECIMENTOS Ao CNPq e CAPES pelo apoio financeiro e a Alumiza Indústria e Comércio de Metais Ltda pela doação de zinco. REFERÊNCIAS 1. OLAWALE, J. O.; OLUWASEGUN, K. M. Austempered ductile iron (ADI): a review. Materials Performance and Characterization, v. 5, n. 1, p , PUTATUNDA, Susil K. Development of austempered ductile cast iron (ADI) with simultaneous high yield strength and fracture toughness by a novel two-step austempering process. Materials Science and Engineering: A, v. 315, n. 1-2, p , ZHANG, Jiwang et al. Microstructure and mechanical properties of austempered ductile iron with different strength grades. Materials Letters, v. 119, p , VOIGT, R. C. Austempered ductile iron processing and properties. Cast Metals, v. 2, n. 2, p , HANDBOOK, A. S. M. Heat treating. vol, v. 4, p. 389, YANG, Chuntao et al. NOx emissions and the component changes of ternary molten nitrate salts in thermal energy storage process. Applied energy, v. 184, p , RUIZ-CABAÑAS, F. Javier et al. Corrosion testing device for in-situ corrosion characterization in operational molten salts storage tanks: 6008

12 A516 Gr70 carbon steel performance under molten salts exposure. Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 157, p , DE SOUZA, Bruno Vaz et al. Austempering heat treatments of ductile iron using molten metal baths. Materials and Manufacturing Processes, p. 1-7, PEREIRA, Leonardo. Austêmpera em banho de Zamac: obtenção de ADI e influência do tempo da austêmpera nas propriedades do ferro nodular Disponível em DE ALMEIDA, C. et al. Substituição das soldas estanho-chumbo na manufatura: Efeitos na saúde do trabalhador e no desempenho ambiental. SciELO Bras, v. 20, n. 1, p , GARCIA, Leonardo Richeli et al. Microestrutura de solidificação e propriedades mecânicas de ligas Sn-Zn para soldagem e recobrimento de superfícies EVALUATION OF TREATMENT OF AUSTEMPERING FOR OBTAINING ADI USING METAL BATHS BASED ON ZINC AND TIN ABSTRACT In this work, it was evaluated the use of three metallic alloys, Zamac, Sn30Zn and Sn35Pb, as austempering bath for the heat treatment of ductile iron. The mechanical properties of ductile iron are improved only once with the performing of austempering. The treatment is performed at C, with the traditional use of salts bath, which features pollution potential and operational risks. By the mean of thermal analysis, the application rate of each studied alloy was determined. It was applied, on instrumented specimens, austempering treatments at 400 C using Zamac bath, at 340 C using Sn30Zn bath and at 280 C using Sn35Pb bath. Other parameters of the treatment were fixed, being the austempering and austenitizing time 60 minutes and austenitizing temperature 900 C. The severity of the mean cooling severity was evaluated, as well as the hardness and microstructure of the austempered ductile iron obtained from the different treatments cycles. Keywords: Austempered Ductile Iron, Austempering, Metallic Bath, ADI 6009