DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR. Eliana Franco

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS PGCEM Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Eliana Franco ESTUDO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE AUSTENITIZAÇÃO SOBRE A MICROESTRUTURA DO FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA Apresentada em 22 / 02 / 2008 Perante a Banca Examinadora: Dr. César Edil da Costa Presidente (UDESC) Dr. Wilson Luiz Guesser Co-orientador (UDESC) Dr. André Paulo Tschiptschin (Escola Politécnica USP) Dr. Carlos de Souza Cabezas (Tupy S.A.) Dr. Guilherme Ourique Verran (UDESC)

2 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS PGCEM DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Mestranda: ELIANA FRANCO Engenheira Mecânica ORIENTADOR: Prof. Dr. CÉSAR EDIL DA COSTA CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. WILSON LUIZ GUESSER CCT/UDESC JOINVILLE ESTUDO DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE AUSTENITIZAÇÃO SOBRE A MICROESTRUTURA DO FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. CÉSAR EDIL DA COSTA. Joinville 2008

3 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS CCT COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO - CPG "Estudo da Influência dos Parâmetros de Austenitização sobre a Microestrutura do Ferro Fundido Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica por Eliana Franco Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS na área de concentração "Metais", e aprovada em sua forma final pelo CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA Dr. César Edil da Costa (presidente) Dr. Wilson Luiz Guesser (co-orientador) Banca Examinadora: Dr. André Paulo Tschiptschin (Escola Politécnica - USP) Dr. Carlos de Souza Cabezas Tupy S.A. Dr. Guilherme Ourique Verran UDESC

4 NOME: FRANCO, Eliana DATA DEFESA: 22/02/2008 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC NÍVEL: Mestrado FICHA CATALOGRÁFICA FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia de Materiais ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais Número de ordem: 92 CCT/UDESC TÍTULO: Estudo da Influência dos Parâmetros de Austenitização sobre a Microestrutura do Ferro Fundido Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica PALAVRAS - CHAVE: Ferro nodular, Austêmpera, Zona crítica, Ferrita pró-eutetóide, Ausferrita. NÚMERO DE PÁGINAS: 118 p. CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais PGCEM CADASTRO CAPES: P-9 ORIENTADOR: Dr. César Edil da Costa PRESIDENTE DA BANCA: Dr. César Edil da Costa MEMBROS DA BANCA: Dr. Wilson Luiz Guesser, Dr. André Paulo Tschiptschin, Dr. Carlos de Souza Cabezas, Dr. Guilherme Ourique Verran.

5 À minha família e amigos, pelo carinho e apoio irrestrito na minha trajetória, propiciando as condições necessárias para a realização deste trabalho.

6 AGRADECIMENTOS Ao Professor Dr. César Edil da Costa pela orientação, estímulo e amizade, que foram muito importantes para o desenvolvimento desta dissertação. Ao Professor Dr. Wilson Luiz Guesser, de quem foi a idéia de estudar esse tema, pela orientação e incentivo. Ao bolsista de iniciação científica Joânesson Stahlschmidt pela ajuda, dedicação e amizade. À UDESC, em especial ao CCT Joinville, por ter dado a oportunidade de realização deste mestrado. À CAPES pela bolsa de estudo concedida. À Indústria de Fundição Tupy pelo fornecimento de amostras e laboratório para realização deste trabalho. Aos meus familiares e amigos, em especial aos meus pais, José e Catarina, que sempre acreditaram e apoiaram meus planos. Às minhas irmãs, Adriana e Ana Maria, e a minha sobrinha Bruna pelo companheirismo e apoio concedido. A uma pessoa especial, Cleber, pelo carinho e ajuda durante todo o percurso deste trabalho. A Deus por fazer da vida uma realidade.

7 São fúteis e cheias de erros as ciências que não nasceram da experimentação, mãe de todo o conhecimento. (Leonardo da Vinci)

8 RESUMO Este trabalho avalia a influência dos parâmetros de austenitização sobre a microestrutura do ferro fundido nodular austemperado a partir da zona crítica, denominado neste trabalho como NAZC - Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica. Inicialmente foi realizada uma análise térmica diferencial para determinação da faixa de temperaturas crítica, conforme essa análise a zona crítica se situa entre 750 e 850 o C. Amostras de ferro nodular com adição de elementos de liga foram austenitizadas dentro da zona crítica e temperadas em água para avaliação da quantidade de fases presentes na microestrutura final, ferrita pró-eutetóide e martensita. Esse estudo preliminar foi realizado a fim de quantificar a quantidade de austenita (martensita na temperatura ambiente), a qual se transformaria em ausferrita no estudo posterior de austêmpera. O tratamento de austêmpera resulta em uma microestrutura bifásica composta por ausferrita e ferrita pró-eutetóide. As análises microestruturais e quantitativa permitiram avaliar a quantidade de fases formadas, bem como a evolução da transformação microestrutural. Esse estudo foi a base para a determinação dos parâmetros de austenitização para austêmpera. Foram realizados tratamentos de austêmpera em diversas condições de austenitização, até que fosse obtida uma microestrutura relacionada à elevada resistência mecânica e ductilidade. É possível controlar a microestrutura e consequentemente as propriedades a partir do controle da temperatura e tempo de austenitização e das condições de austêmpera. As análises microestruturais de amostras austemperadas mostraram que a temperatura de austenitização dentro da zona crítica de 790 o C e tempos de 3 e 4 horas levaram a uma microestrutura final formada por aproximadamente 49 e 64% de ausferrita. Um material austemperado nessas condições de austenitização deve apresentar um interessante conjunto de propriedades mecânicas, ou seja, uma resistência mecânica próxima a de classes perlíticas associada a um considerável alongamento, próximo ao de classes ferríticas. Os materiais austemperados a partir da zona crítica deste estudo também apresentam uma boa distribuição entre as fases ferrita pró-eutetóide e ausferrita, mesmo próxima aos contornos de célula e nódulos de grafita, o que deve conferir boas propriedades de fadiga. Palavras-chave: Ferro nodular. Austêmpera. Zona crítica. Ferrita pró-eutetóide. Ausferrita.

9 ABSTRACT This work examines the influence of austenitizing parameters on the microstructure of ductile cast iron austempered from the critical zone, called in this work as NAZC - Nodular Austemperado a partir da Zona Crítica (ductile iron austempered from the critical zone). Initially a differential thermal analysis was performed to determinate the critical temperatures range, according to this analysis the critical zone is placed between 750 e 850 o C. Alloyed ductile iron specimens were austenitized within the critical zone and water quenched to evaluate the amount of phases present in the final microstructure, proeutectoid ferrite and martensite. This preliminary study was conducted in order to quantify the amount of austenite (martensite at room temperature) which would become ausferrite later in the study of austempering. The treatment of austempering results in a dual microstructure of ausferrite and proeutectoid ferrite. The microstructural and quantitative analysis allowed the evaluation of the amount of phases formed, as well the evolution of microstructural transformation. This study was the basis to determine the parameters of austenitizing to austempering. Austempering treatments were performed under several conditions of austenitizing, until a microetruture related to a high mechanical strength and ductility were obtained. It s possible control the microetruture and consequently the properties from the control of the austenitizing temperature and time and austempering conditions. The microstructural analyses of austempered specimens showed that the austenitizing temperature within the critical zone of 790 C and times of 3 and 4 hours led to a final microstructure formed by approximately 49 and 64% of ausferrite. An austempered material in these conditions of austenitizing should present an interesting set of mechanical properties, a mechanical strength next to the pearlitic grades associated with a considerable elongation, near the ferritic grades. The austempered materials from the critical zone of this study also present a good distribution between the phases proeutectoid ferrite and ausferrite, even near eutectic cell boundary and around graphite nodules, what must produce good properties of fatigue. Keywords: Ductile iron. Austempering. Critical Zone. Proeutectoid ferrite. Ausferrite.

10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO FERRO NODULAR AUSTEMPERADO (FNA) APLICAÇÕES DE FNA O PROCESSO DE AUSTÊMPERA Transformações na Microestrutura durante Austêmpera Temperatura e Tempo de Austenitização Resfriamento para a Temperatura de Austêmpera Temperatura e Tempo de Austêmpera Resfriamento para a Temperatura Ambiente TÉCNICAS DE ANÁLISE DE MATERIAIS AUSFERRÍTICOS PROPRIEDADES DE FNA COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE FNA QUALIDADE DO MATERIAL BRUTO DE FUNDIÇÃO Quantidade de Nódulos e Nodularidade ELEMENTOS DE LIGA Influência do Si sobre a Temperabilidade de Outros Elementos Influência de Elementos de Liga na Quantidade de Austenita Retida FERRO NODULAR AUSTEMPERADO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA APLICAÇÕES TRATAMENTO TÉRMICO PARA OBTENÇÃO DE NAZC Faixa de Temperaturas para Austenitização dentro da Zona Crítica Austenitização dentro da Zona Crítica de uma Matriz Inicialmente Perlítica Temperatura de austenitização versus propriedades mecânicas Tempo de Austenitização versus Teor de Carbono da Austenita Influência da Microestrutura e teor de Si sobre a Etapa de Austenitização Temperatura e Tempo de Austêmpera a partir da Zona Crítica Temperatura de Austêmpera versus Propriedades Mecânicas Transformações na Microestrutura durante Austenitização Dentro da Zona Crítica... 64

11 4.2.9 Transformações na Microestrutura durante Austêmpera a partir da Zona Crítica Estabilização da Austenita e Formação de Nova Ferrita durante Austêmpera COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO FERRO NODULAR A SER AUSTEMPERADO O Efeito do Silício sobre a Microestrutura de NAZC PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAS TRATADOS A PARTIR DA ZONA CRÍTICA FERROS NODULARES NORMALIZADOS A PARTIR DA ZONA CRÍTICA HARD- EYE E SOFT-EYE NODULARES AUSTÊMPERADOS A PARTIR DA ZONA CRÍTICA - NAZC A Usinabilidade de NAZC A Resistência à Fissuração devido ao Ambiente de NAZC A Resistência à Fadiga de NAZC PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL OBTENÇÃO DOS FUNDIDOS CORTE DOS BLOCOS Y CARACTERIZAÇÃO DAS MICROESTRUTURAS INICIAIS CARACTERIZAÇÃO DAS MICROESTRUTURAS TRATADAS TERMICAMENTE ANÁLISE TÉRMICA E DETERMINAÇÃO DA FAIXA DE TEMPERATURAS CRÍTICA AUSTENITIZAÇÃO DENTRO DA ZONA CRÍTICA SEGUIDA DE TÊMPERA TRATAMENTOS TÉRMICOS DE AUSTÊMPERA RESULTADOS E DISCUSSÕES AUTENITIZAÇÃO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA SEGUIDA DE TÊMPERA AUSTENITIZAÇÃO A PARTIR DA ZONA CRÍTICA SEGUIDA DE AUSTÊMPERA CONCLUSÕES SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS REFERÊNCIAS...116