TM343 Materiais de Engenharia

Transcrição

1 Universidade Federal do Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica TM343 Materiais de Engenharia Ferros fundidos Prof. Rodrigo Perito Cardoso

2 Onde estamos? Introdução Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e diagramas de fase Alumínio e suas ligas Classificação das ligas de Al Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio Metalurgia das ligas de Alumínio Ligas ferrosas Aços e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos térmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoquímicos Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)

3 Roteiro da aula Introdução Classificação Sistema Fe-C-Si Ferro fundido cinzento Ferro fundido Dúctil (modular) Ferro Fundido Maleável Ferros Fundidos resistentes à abrasão Ferros fundidos resistentes à corrosão e ao calor

4 Introdução Menor temperaturas de fusão (1130ºC vs 1500ºC do aço) Boa fluidez -> Geometrias complexas Em geral alta usinabilidade Menor custo de produção Resistência ao desgaste Isolamento de vibrações Componentes de dimensões variadas Versatilidade de propriedades Apesar da grande quantidade de materiais disponíveis, em muitas aplicações os ferros fundidos continuam sendo mais econômicos

5 Introdução Peças de geometria complexa. Normalmente a forma principal da pesa não é atingida por usinagem -> usinagem em pontos específicos Peças onde a deformação plástica é inadmissível

6 FERROS FUNDIDOS Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%) POSITIVAS NEGATIVAS Baixo ponto de fusão (relat. aos aços) Elevada dureza e resist. ao desgaste Razoável resistência à corrosão Versatilidade de propriedades e aplicações Grande fragilidade, logo, baixa ductilidade Deformação plástica impossível à temperatura ambiente Soldagem muito limitada Regime elástico não-linear

7 Básicos FERROS FUNDIDOS - Classificação Classificação baseada na distribuição do carbono na estrutura FF CINZENTO (Gray iron) FF DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron) FF BRANCO (White iron) FF MALEÁVEL (Malleable iron) FF VERMICULAR (intermediário entre Cinzento e Nodular) (Vermicular iron) FF alta Liga Existe sobreposição de composição química, pelo que só se distinguem através do processamento!

8 Tipos de ferros fundidos Cinzento Nodular (dúctil) Branco maleável Vermicular

9 Ferro Fundido Branco Obtidos com menos de 1%p de Si com elevadas taxas de resfriamento Maioria do carbono forma cementita Superfície de uma fratura tem apa- rência esbranquiçada -> nome Extremamente duro e frágil -> aplicado quando a resistência ao desgaste é importante (cilindro de laminação) Elevada resistência à compressão

10 Ferro Fundido Cinzento Teor de carbono entre 2,5 e 4,0%p Teor de silício entre 1 e 3%p Grafita em forma de flocos em uma matriz ferrítica ou perlítica -> boa usinabilidade Se fraturada a superfície tem aparência acinzentada -> daí o nome Pouco resistente e frágil sob tração (microestrutura com pontas de flocos pontiagudas -> concentrador de tensão)

11 Ferro Fundido Cinzento Muito mais resistente e dúctil sob compressão Muito eficientes no amortecimento de energia vibracional (aplicação em bases de máquinas e blocos de motores) Elevada resistência ao desgaste Aço Ferro fundido cinzento

12 Ferro Fundido Cinzento Apresentam alta fluidez na temperatura de fundição -> permite fundição de formas complexas e delgadas É um dos materiais mais baratos que existe Outras microestruturas podem ser obtidas por ajuste de composição e tratamento adequado Ex: Si taxa de resfriamento previne a dissociação completa da cementita -> microestrutura com flocos de grafita em uma matriz perlítica

13 Ferro Fundido Maleável O ferro fundido branco é produto intermediário para produção do ferro fundido maleável Obtido do ferro fundido branco mantido muitas horas aquecimento entre 800 e 900 C (atmosfera controlada) -> taxa de resfriamento para obtenção do ferro fundido branco limita a seção da peça Cementita em forma de rosetas em matriz ferrítica ou perlítica (taxa de resfriamento) Semelhante ao nodular (resistente, dúctil) -> engrenagens, barras de ligação, conexões, etc.

14 Ferro Fundido Nodular (ou Dúctil) Composição próxima ao cinzento Obtido pela adição de Mg ou Ce Grafita se forma em forma de Nódulos esféricos e não flocos Matriz ferrítica ou perlítica, depen- dendo do tratamento térmico, envolvendo os nódulos de grafita Matriz ferrítica obtida por tratamento a 700 C por várias horas Mais resistentes e mais dúcteis que os cinzentos - > características próxima aos aços (válvulas, virabrequins, corpos de bombas, engrenagens, etc)

15 Ferro Fundido Vermicular O mais recente deles Si entre 1,7 e 3%p C entre 3,1 e 4%p Grafita em forma de vermes (intermediária entre cinzento e nodular) Até 20% da grafita pode estar em nódulos (evitar aresta vivas) Adição de Mg e/ou Ce em menor quantidade Matriz pode ser ferrítica ou perlítica

16 Ferro Fundido Vermicular Aumento na nodularidade das partículas leva a maior resistência e ductilidade Propriedades compatíveis com os Ferros fundidos nodulares e maleáveis Em comparação co outros ferros fundidos: Maior condutividade térmica Maior resistência ao choque térmico Menor oxidação em temperaturas elevadas Blocos de motores, carcaças de caixa de engrenagem, discos de freio, polias, etc

17

18 Variação de composição e tratamento Prof. Rodrigo Perito Cardoso na microestrutura dos Ferros Fundidos

19 Efeito da velocidade de resfriamento Espessura da peça 32 g de Fofo Cinzento! 4300 kg de Fofo Cinzento!

20 O sistema Fe-C-Si Si é grafitizante -> ferro fundido pode solidificar no sistema Fe-Fe 3 C (resfriamento rápido) ou Fe-Grafita (resfriamento lento) Si reduz a composição do eutético e a solubilidade máxima do carbono na austenita

21 Ferros fundidos cinzentos É o mais usado (custo, possibilidade de grande variedade de formas) -> representa aproximadamente 75% da produção de FF Flocos de grafita conferem: Excelente usibinabilidade Boa resistência ao desgaste Pode operar sob baixa lubrificação (lubrificante sólido) Excelente amortecimento de vibrações Propriedades comparáveis aos aços de alta resistência se empregados sob compressão (resistência mecânica, estabilidade dimensional e exigência de alinhamento)

22 Ferros fundidos cinzentos Casses de ferros fundidos cinzentos: Classificados pela tensão limite de resistência (depende principalmente da micro estrutura) Norma ASTM Pode ser hipoeutético e hipereutético (%C e %Si)

23 Ferros fundidos cinzentos Solidificação lenta de um ferro fundido hipoeutético Em resfriamento lento C início da solidificação de dendritas de austenita 2 e 3 precipitação de grafita 3-4 rejeição de carbono da austenita que se precipita na grafita existente 4 e 5 austenita se transforma em ferrita e o restante do carbono se precipita na grafita já existente

24 Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos Elementos de maior importância são C e Si Elementos grafitizantes (ex:si) promovem Fe 3 C -> 3Fe + C (grafite) Elementos estabilizadores de carbonetos impedem a decomposição (ex: Cr, Mn e S) Maior teor de Si e C favorece a formação do ferro fundido cinzentos, baixos teores destes elementos favorecem a formação do ferro fundido branco.

25 Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos S e Mn P Relação entre %Mn e %S deve ser respeitada para evitar a formação de FeS Se não ligados formando MnS, promovem a formação de perlita (estabilizadores de carbonetos) Pode formar eutético de baixo ponto de fusão (~950 C) -> steadita Se presente em grande quantidade aumenta a dureza a fragilidade e reduz a usinabilidade. Também aumenta a resistência ao desgaste, assim pode ser interessante am algumas aplicações

26 Grafitização na solidificação Flocos de diversas formas e tamanhos se formam Flocos grandes e aleatoriamente orientados são formados sob baixa taxa de nucleação e solidificação Flocos pequenos são formados sob elevada taxa de nucleação (super-resfriamento intermediário) e quando há tempo para a grafitização Elevado super-resfriamento impede a grafitização Inoculação Influencia fortemente a microestrutura Inoculação reduz o super-resfriamento

27 Microestrutura Propriedades definidas pela matriz (pouca influencia dos flocos de grafita) -> fortemente influenciada pela taxa de solidificação Classe 20 Matriz essencialmente ferrítica Pouca perlita Resfriamento lento Classe 30 Mistura de ferríta e perlita Resfriamento moderado

28 Propriedades Propriedades mecânicas Depende diretamente da microestrutura e logo da taxa de solidificação Quanto mais C e Si menor a resistência Propriedades superiores obtidas com adição de Cr, Ni e Mo A rede de flocos de grafite é comunicante o que gera os baixos valores de resistência

29 Propriedades Resistência ao desgaste Resistentes ao desgaste por deslizamento -> efeito lubrificante da grafita + retenção de óleo no local dos flocos Usinabilidade Apresenta a melhor usinabilidade entre os ferros fundidos

30 Propriedades Amortecimento de vibrações Absorção de energia devido à microestrutura

31 Ferros fundidos Nodulares Grafita dispersa em nódulos esféricos -> como fundido apresenta a estrutura da olho de boi

32 Ferros fundidos Nodulares Apresente baixo ponto de fusão, boa fludez e fundibilidade, excelente usinabilidade e resistência ao desgaste Isso aliado a elevada resistência mecânica tenacidade, ductilidade e trabalhabilidade a quente Classes segunda as propriedades mecânicas

33 Ferros fundidos Nodulares Solidificação de ferros fundidos nodulares Adição de Mg (~0,1%) -> desoxida e desulfuriza o metal líquido O e S são responsáveis pela formação de flocos Estrutura da matriz depende da taxa de resfriamento e do tratamento térmico

34 Ferros fundidos Nodulares Efeito da composição na estrutura e propriedades C e Si controlam a densidade de nódulos S deve ser mantido abaixo de 0,03%, se essa concentração for superior deve-se adicionar mais Mg P manter inferior a 0,1% para evitar a steadita Impurezas de Pb, Ti, Al, Sb, Zr podem promover a formação de flocos Cr, B, Sn, V estabilizam perlita e carbonetos

35 Ferros fundidos Nodulares Tratamento térmico e microestrutura Propriedades podem ser variadas entre 420 e 840MPa por tratamento térmico -> variação da microestrutura Alivio de tenções De tensões residuais da fundição Entre 530 e 675 C por 1h + 1h por plogada de seção

36 Ferros fundidos Nodulares Tratamento térmico e microestrutura Recozimento pleno Para obter a melhor usinabilidade 780 C 6h resfriado ao forno -> decompõe a maioria da perlita Normalização e revenimento Usado para obter elevada resistência 1h a 900 C e resfriado ao ar -> seguido de revenimento 1h a 560 C Têmpera e revenimento Têmpera em óleo,martempera ou austempera

37 Ferros fundidos Nodulares Propriedades Vantagens de processamento dos ferros fundidos Propriedades similares aos aços Resistência ao desgaste Nódulos ajudam a retenção de óleo Equivalente ao ferro fundido cinzento Usinabilidade Próximo ao ferro fundido cinzento

38 Ferros fundidos Nodulares Propriedades mecânicas Grafita não forma uma rede -> nódulos isolados

39 Ferro fundido maleável Estrutura obtida por tratamento térmico do ferro fundido branco (recozimento) Normalmente com matriz ferrítica (pode ser perlítica e martensítica) Especificados pela mínima tensão limite de resistência Inserir tabela 8.6

40 Ferro fundido maleável Tratamento térmico e microestrutura Ferro fundido maleável ferrítico Recozimento-> transforma FF branco em maleável Tratamento chamando maleabilização, etapas: Nucleação da graftita-> ocorre no aquecimento Patamar entre 870 e 950 C -> eliminação de carbonetos massivos -> transformação em grafita Resfriamento lento para evitar a formação de perlita

41 Ferro fundido maleável Tratamento térmico e microestrutura Ferro fundido maleável perlítico (maior resistência e menor ductilidade) Tratamento chamando maleabilização-> 13h a 970 C e resfriamento ao ar Estrutura martensítica pode ser obtida sob resfriamento em óleo -> revenido entre 260 e 730 C

42 Ferro fundido maleável Propriedades Resistência e ductilidade podem ser variadas variando a estrutura da matriz Larga faixa de propriedades possíveis como os nodulares Elevado grau de homogeneidade já que todo FF maleável é tratado termicamente

43 Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão Ferro fundido coquilhado Produz uma superfície de ferro fundido branco, resistente à corrosão e um núcleo tenaz (FF cinzento) Obtido usando moldes metálicos ou de grafite Ferro fundido branco Se não ligados apresentem matriz de perlita fina Adicionando elementos de liga pode ter matriz martensítica ou bainítica

44 Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão Ferro fundido branco ao cromo Adicionando entre 1 e 4% para aumentar a resistência à abrasão Forte formador de carbonetoes e tende a suprimir a grafitização Se adicionado entre 12 e 35% melhora resistência à oxidação e à abrasão

45 Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão Ferro fundido branco níquel-cromo Ni e Cr aumentam a resistência mecânica, à oxidação e a corrosão Níquel -> grafitizante Cr -> formador de carbonetos Dosados para contrabalançar os efeitos 2%Ni + 1%Cr refina a perlita 3,25%Ni + 1,25%Cr produz matriz martensítica 4,2%Ni + 2%Cr produz matriz austenítica -> se transforma em martensita em operação

46 Ferros fundidos ligados resistentes à corrosão Ferro fundido alto silício (14-17%) Extremamente resistente a ataque ácido Resistente a ácido sulfúrico em ebulição Pobre propriedades mecânicas Ferro fundido alto cromo (20-35%) Resistente a ácido nítrico e soluções salinas, oxidação e abrasão Melhores propriedades mecânicas que os alto Si Ferro fundido alto níquel (14-30%) Matriz austenítica -> resistentes a meios pouco ácidos e a meios básicos Elevada tenacidade (CFC)

47 Ferros fundidos ligados resistentes Adição de Cr, Ni, Mo, Al ao calor Acima de 425 C perde resistência mecânica e sofre crescimento (expansão pela formação adicional de grafita e oxidação após transformação da grafita em CO) Ferro fundido ao cromo (resiste até 980 C) Ferro fundido alto silício (eleva a transformação de ferrita em austenita a 900 C evita expansão devido à transformação de fase) Ferro fundido alto níquel (resiste até 815 C em atmosferas oxidantes, em resença de enxofre resiste até 500 C) -> maior tenacidade que os outros

48 Ferros fundidos nodular austemperado Combina resistência mecânica e ao desgaste de aços e com baixo custo e flexibilidade de projeto Tratamento térmico Austenitizado entre 870 e 930 C Resfriado em banho de sal entre 320 e 370 C Após o tempo de tratamento é resfriado a T amb Obtêm então estrutura bainitica

49 É importante lembrar Diferença entre os diferentes tipos de ferros fundidos (Microestrutura - propriedade) Cinzento Branco Nodular Maleável Influencia do resfriamento e do tratamento térmico