UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA RAFAEL MARCIO OLIVEIRA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE COBRE E MANGANÊS NAS PROPRIEDADES DE FERROS FUNDIDOS NODULARES

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1 1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA RAFAEL MARCIO OLIVEIRA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE COBRE E MANGANÊS NAS PROPRIEDADES DE FERROS FUNDIDOS NODULARES FLORIANÓPOLIS 2005

2 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS RAFAEL MARCIO OLIVEIRA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE COBRE E MANGANÊS NAS PROPRIEDADES DE FERROS FUNDIDOS NODULARES FLORIANÓPOLIS 2005

3 3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS RAFAEL MARCIO OLIVEIRA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE COBRE E MANGANÊS NAS PROPRIEDADES DE FERROS FUNDIDOS NODULARES Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Materiais. Orientador: Prof. Carlos E. Niño, Dr. Eng. FLORIANÓPOLIS 2005

4 4 RAFAEL MARCIO OLIVEIRA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE COBRE E MANGANÊS NAS PROPRIEDADES DE FERROS FUNDIDOS NODULARES Este trabalho de Graduação foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina. Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Sc. Coordenador Banca Examinadora: Carlos E. Niño, Dr. Eng. Orientador Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Sc.

5 5 FICHA CATALOGRÁFICA OLIVEIRA, Rafael Marcio, Influência da Adição de Cobre e Manganês nas Propriedades dos Ferros Fundidos Nodulares / Rafael Marcio Oliveira n. de f. 50p.; altura 1,9. Orientador: Prof. Carlos E. Niño, Dr. Eng. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) Universidade Federal de Santa Catarina - Engenharia de Materiais, 2005 Fundição de ferro. 2. Diferença entre ferros fundidos e aços. 3. Ferros fundidos. 4. Diagrama Ferro Carbono. 5. Elementos de Liga. 6. Propriedades dos ferros fundidos. I. Nino. Carlos E.. II. Universidade Federal de Santa Catarina - Engenharia de Materiais. III. Influência da Adição de Cobre e Manganês nas Propriedades dos Ferros Fundidos Nodulares.

6 6 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por fazer parte de minha vida e me guiar em todos os momentos. A meus pais, Luiz Lori Oliveira e Josefina Marcio Oliveira, por me encorajar, ajudar, motivar e orientar a persistir, não importando as dificuldades. Meu irmão Juliano Marcio Oliveira, por me ajudar e, principalmente por estar ao meu lado em todas as conquistas. Ao professor Carlos E. Niño por sua total disponibilidade e empenho na orientação deste trabalho. Aos meus mestres que durante todo o curso de graduação em Engenharia de Materiais, ajudaram a construir profissionais com excelente formação prática e teórica. A empresa Menegotti Indústrias Metalúrgicas Ltda., na pessoa do senhor Jéferson, pelo apoio à realização deste trabalho, em especial as pessoas que estiveram diretamente envolvidas, Luís, Renata, Nelson, Anderson, Geraldo, Ademir, Jair, Nass e Rudemir, pois sem estes o trabalho não seria concretizado. Aos verdadeiros irmãos que fiz durante o curso, tanto na vida acadêmica quanto nas empresas em que estagiei durante este período. Principalmente aos meus amigos que estiveram sempre comigo, tanto na hora de estudo, quanto na hora da festa Miguel, Adriano, Passarinho, Gustavo, Pedro, Joinvile, Piper e Eduardo.

7 7 Não há nada impossível, porque os sonhos de ontem são as esperanças de hoje e podem converter-se em realidade amanhã. Autor desconhecido

8 8 RESUMO Este trabalho foi apresentado para a conclusão do curso de Engenharia de Materiais, da Universidade Federal de Santa Catarina e consiste na demonstração do efeito de elementos de liga, no caso cobre e manganês, nas propriedades dos ferros fundidos nodulares. Na revisão bibliográfica serão demonstrados alguns conceitos básicos de fundição, entre eles ligas de ferro, diferença entre ferro e carbono, diagrama ferro carbono, microconstituintes e elementos de liga. A parte experimental foi realizada na empresa Menegotti Indústrias Metalúrgicas LTDA localizada em Schroeder - SC, esta empresa produz peças de ferro fundido e nodular de diversas classe, e este trabalho servirá de base para obtenção destas ligas. Foram analisadas corpos de prova produzidos com diferentes concentrações de cobre e manganês, avaliando a influência destes elementos na estrutura e propriedade dos materiais.

9 9 ABSTRACT This work consists of a demonstration of the effect of solid solution elements, in this case, copper and manganese, in the properties of nodular cast iron. Some basic casting concepts will be presented, like iron and its solid solutions, difference between iron and carbon, iron carbon diagram, and its microstructures. The experimental was carried through in the company Menegotti Indústrias Metalúrgicas LTDA located in Schroeder - SC, which produces components in cast iron to nodular of diverse classrooms and applications. For this work, samples were produced with different concentrations of copper and manganese, to evaluate the influence of these elements in the final structure and properties of the solid solution.

10 10 INDICE FICHA CATALOGRÁFICA...5 AGRADECIMENTOS...6 RESUMO...8 ABSTRACT...9 INDICE INTRODUÇÃO Problema e Justificativa OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos FUNDAMENTOS TEÓRICOS Ligas de Ferro Ferros Fundidos FERROS FUNDIDOS NODULARES Efeito dos Elementos de Liga Composição Química Base Elementos de Liga Microestrutura dos Ferros Fundidos Especificações das Ligas de Ferro Fundido MATERIAIS E MÉTODOS Introdução Metodologia Teores dos Elementos Retirada dos Corpos de Prova Ensaios Mecânicos... 28

11 Ensaio de Dureza Ensaio Metalográfico RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES Teores dos Elementos Analise dos Corpos de Prova Ensaio de Tração Caracterização dos Corpos de Prova Propriedades Mecânica Dureza Metalografia Discussão dos Resultados CONCLUSÔES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...50

12 12 1 INTRODUÇÃO 1.1 PROBLEMA E JUSTIFICATIVA Os ferros fundidos são as ligas metálicas mais amplamente utilizadas na indústria metal/mecânica, em termos de peso de peças fundidas no mundo. No Brasil, a produção de ferros fundidos tem aumentado de maneira significativa, cerca de 300% nos últimos dez anos, segunda a Associação Brasileira de Metais (dados de 2003). Estes dados de produção mostram a importância crescente que os ferros fundidos vêm assumindo em decorrência do próprio desenvolvimento do país, o que justifica um conhecimento maior destas ligas, tanto no que se refere à sua tecnologia de fabricação, quanto à suas aplicações, com o objetivo de se produzir cada vez mais e com maior nível de qualidade. Como referido anteriormente, o crescimento da utilização de ferro fundido no Brasil propicia também o aumento da competitividade das empresas, levando assim a um aumento dos níveis de produção e qualidade, afetando diretamente o custo. Um dos problemas encontrados pela Menegotti Indústrias Metalúrgicas Ltda para a fabricação de peças em ferro fundido é a diversidade de ligas necessárias para atender a demanda do mercado, assim, para facilitar este processo, era imprescindível encontrar e avaliar elementos que pudessem ser adicionados a uma liga base com o objetivo de elevar as propriedades desta liga. A escolha destes elementos será feita tomando com base a literatura especializada existente e o conhecimento prático adquirido, sem esquecer dos custos de produção, escolhendo assim elementos com boa solubilidade nos ferros

13 13 fundidos, que proporcionem um aumento nas propriedades, e tenham, relativamente, um baixo custo.

14 14 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Avaliar a influência dos elementos cobre e manganês nas propriedades mecânicas e na microestrutura dos ferros fundidos nodulares. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar faixas de concentração dos elementos. Elaborar um procedimento para avaliar a influencia de tais elementos. Correlacionar às propriedades encontradas nestas ligas com as propriedades encontradas em normas já conhecidas.

15 15 3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1 LIGAS DE FERRO O ferro é o metal mais utilizado pelo homem. A sua abundância nos minerais, o seu custo relativamente baixo de produção e as múltiplas propriedades físicoquímicas que podem ser obtidas com adição de elementos de liga são fatores que dão a este metal uma extensa variedade de aplicações. Alguns metais, como o cobre, por exemplo, são às vezes usados no estado quase puro. Entretanto, isso não ocorre com o ferro. No uso prático, está sempre ligado ao carbono e a outros elementos e, assim, no âmbito da ciência dos materiais e também na linguagem do dia-a-dia, a palavra "ferro" deve ser entendida como uma combinação dos elementos químicos ferro, carbono e outros. Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono de 0,008 a 2,11%, contendo outros elementos residuais do processo de produção e podendo conter outros elementos de liga propositalmente adicionados. Se o aço não contém estes últimos, é chamado especificamente de aço-carbono. Do contrário, é chamado de aço-liga. Ferro fundido é a designação genérica para ligas de ferro-carbono com teores de carbono acima de 2,11%. Estas ligas têm várias aplicações em engenharia. 3.2 FERROS FUNDIDOS Segundo CHIAVERINI (1984, p.425), dentre as ligas ferro carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a indústria, não só devido a características inerentes ao próprio material, como também pelo

16 16 fato de mediante a adição de elementos de liga, aplicação de tratamentos térmicos adequados e pelo desenvolvimento do ferro fundido nodular, ter sido viável seu emprego em aplicações que, antes, eram exclusivas dos aços. Assim sendo, seu estudo é fundamental para o engenheiro de materiais, ao qual oferece mais uma opção no sentido da seleção de materiais metálicos para as diversas aplicações industriais. Figura 1 Diagrama de equilíbrio Fe-C, demonstrando as transformações de fase e a solubilidade dos elementos em função da temperatura. Pelo conhecimento do diagrama de fases Fe-C, costuma-se definir ferro fundido como o conjunto de ligas Fe-C cujo teor de carbono se situa geralmente

17 17 entre 2,02% e 6,7%, sendo utilizado mais corriqueiramente na indústria com teores de 2,5 a 4,5% aproximadamente. Nos aspectos de elementos de liga e tratamentos térmicos, os ferros fundidos podem ser classificados em: Cinzento: a superfície recém cortada tem aspecto escuro. O silício está presente em proporção considerável e a estrutura contém carbono livre (grafita) em forma de veios ou lamelas. Branco: a superfície recém cortada tem aspecto claro. Devido ao menor teor de silício, a proporção de carbono livre é bastante pequena. Misto: uma mistura, em proporção que depende da aplicação desejada, do ferro fundido cinzento e do branco. Maleável: é o ferro fundido branco que sofre um tratamento térmico específico, formando grafita na forma de nódulos. Nodular: No estado líquido, passa por um tratamento especial para produzir grafita em forma esférica, o que confere uma boa ductilidade FERROS FUNDIDOS NODULARES Os ferros fundidos nodulares são utilizados em muitas aplicações diferentes, em quase todos os segmentos, destacando-se as indústrias automobilística, mecânica, naval, química, petroquímica, têxtil, e ainda em construção civil e transmissão e distribuição de energia elétrica. As especificações dos ferros fundidos nodulares são estabelecidas com base em suas propriedades mecânicas, principalmente nas que são determinadas em ensaio de tração. Essas propriedades dependem essencialmente da microestrutura

18 18 obtida, isto é das características da grafita (morfologia, tamanho, distribuição e quantidade) e da matriz metálica. O que caracteriza e proporciona melhores propriedades mecânicas ao ferro fundido nodular é justamente a forma da grafita, razão pela qual ela é de fundamental importância para esta classe. SANTOS & BRANCO (1989, p.71) mencionaram que a reação de nodularização, quando feita de forma incompleta, pode ocasionar a formação de ferro fundido vermicular, o qual possui propriedades intermediárias entre o ferro fundido nodular e o cinzento. Apesar de apresentarem em geral propriedades mecânicas inferiores às dos aços, elas podem ser consideravelmente modificadas pela adição de elementos de liga e tratamentos térmicos adequados. E os ferros fundidos podem substituir os aços em muitas aplicações. Em algumas delas, ferros fundidos são mais adequados que aços. Por exemplo, estruturas e elementos deslizantes de máquinas são construídos quase sempre em ferro fundido, devido à maior capacidade de amortecer vibrações, melhor estabilidade dimensional e menor resistência ao deslizamento, em razão do poder lubrificante da grafita. A produção do ferro fundido nodular é dependente da adição de elementos nodulizantes, tais como o magnésio e o cério, que reduzem a concentração de enxofre e aumentam a tensão superficial da grafita, originando a grafita nodular. Para isso, adiciona-se o nodulizante ao metal fundido, ocasionando uma reação luminosa, devido à evaporação do magnésio. Essa saída do magnésio reduz a concentração de enxofre (formação de MgS) e, como dito, forma a grafita esferoidal, além do enxofre (S), o Magnésio (Mg) também reage com o oxigênio (O), formando MgO.

19 EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA Elementos de liga são os elementos que estão presentes na composição química da liga metálica. Estes elementos podem ser obrigatórios na liga, fazendo parte da composição química base, ou podem ser adicionados para alcançar alguma propriedade específica COMPOSIÇÃO QUÍMICA BASE A composição química base é composta de elementos que estão presentes, em maior ou menor quantidade, em todas as ligas de ferro, tais como o ferro, carbono e o silício. Conforme SANTOS & BRANCO (1989, p.119), a composição química base, isto é, os teores de elementos que sempre estão presentes nos ferros fundidos comerciais, também afetam a microestrutura destas ligas e, conseqüentemente, suas propriedades. Os elementos normalmente presentes nos ferros fundidos cinzentos são: carbono, silício, enxofre, fósforo e manganês. No caso dos ferros fundidos com grafita esferoidal tem-se, além dos elementos já citados, o nodulizante, que geralmente é o magnésio. O carbono e o silício influem na resistência mecânica, basicamente por seus efeitos nas quantidades de grafita presente na microestrutura e de austenita próeutética eventualmente formada, que alteram a matriz metálica obtida. A tendência à

20 20 formação de carbonetos eutéticos diminui com o aumento dos teores destes elementos. Quando o carbono equivalente sofre acréscimo, o limite de resistência à tração diminui o mesmo acontecendo com a dureza, tanto em ferros fundidos cinzentos quanto nos nodulares (SANTOS & BRANCO, 1989, p.120). No caso dos ferros fundidos tomados como ligas ternárias, utiliza-se um conceito ou fórmula que possibilita levar em consideração o efeito do silício nas transformações estruturais e, portanto, nas propriedades dos ferros fundidos, em que o silício está presente em teores relativamente elevados. Esse conceito é o de carbono equivalente (C.E.) e é representado pela fórmula: 1 C. E. = % C + + % 3 (% Si P) (Eq. 1 Cálculo do Carbono Equivalente) O enxofre, nos ferros fundidos cinzentos, quando em baixos teores, 0,04 a 0,12%, favorece a obtenção da grafita do tipo A, podendo promover a formação de matriz perlítica. No entanto, em altos teores, acima de 0,2%, aumenta a tendência à formação de ferro fundido branco. Desta forma, o acréscimo da porcentagem de enxofre, nos ferros fundidos cinzentos, normalmente causa diminuição do limite de resistência à tração, que é ainda mais pronunciada quando ocorre formação de sulfeto de ferro. Evidentemente, quando se tem presença de carbonetos eutéticos, em virtude de elevados teores de enxofre, a dureza aumenta ELEMENTOS DE LIGA Os elementos de liga são elementos que estão presentes nos ferros fundidos em teores suficientes para causar alguma mudança nas propriedades. Esta

21 21 alteração das propriedades pode ser benéfica ou não, por isso a presença destes elementos deve ser muito bem controlada. Segundo SANTOS & BRANCO (1989, p.124), a adição de elementos de liga a ferros fundidos, via de regra, possibilita a obtenção de propriedades mecânicas mais elevadas, tanto no estado bruto de fusão como após tratamento térmico. Os elementos de liga, usualmente utilizados em ferros fundidos, podem atuar como grafitizantes, como é o caso do silício, do alumínio, do níquel e do cobre, ou podem promover a formação de carbonetos eutéticos, como o tungstênio, o molibdênio, o vanádio e o cromo. A ação da maioria desses elementos baseia-se no aumento da quantidade de perlita na estrutura e diminuição do espaçamento interlamelar deste microconstituinte (obtenção de perlita mais fina), podendo ainda proporcionar um endurecimento da ferrita por solução sólida. PINTO SOARES (1980, p.25) relata em seus estudos que, convém notar que os elementos de liga quando usados em conjunto com outros podem originar propriedades ligeiramente diferentes das que lhe dariam se usados isoladamente. Além disso, parece que os elementos de liga se tornam mais eficazes quando utilizados juntamente com outros, embora também surjam combinações em que os elementos atuam em sentidos opostos. Influência do cobre no ferro fundido nodular o cobre tem uma ação grafitizante, da ordem de 28% comparado com o silício, aumentando a quantidade de perlita na estrutura e diminuição do espaçamento interlamelar deste microconstituinte, podendo ainda proporcionar um endurecimento da ferrita por solução sólida, além de diminuir a tendência à formação de regiões coquilhadas. É quase sempre adicionado sob a forma de cobre puro, já que o emprego de sucata

22 22 de cobre pode levar á introdução de outros elementos que podem prejudicar as propriedades mecânicas. Influência do manganês no ferro fundido nodular o manganês também possui uma ação perlitizante, aumentando as propriedades de resistência. O manganês neutraliza o enxofre, ocorrendo à formação de sulfeto de manganês ao invés de sulfeto de ferro MICROESTRUTURA DOS FERROS FUNDIDOS Os ferros fundidos conforme a sua composição podem apresentar diferentes morfologias, ou seja, conforme a quantidade de cada elemento na liga a microestrutura tem uma característica modificando as propriedades do material final. O componente estrutural mais importante nos ferros fundidos é a grafita, por ser o elemento que determina fundamentalmente as características mecânicas dos ferros fundidos, os outros constituintes importantes dos ferros fundidos são a cementita, a ferrita e a perlita, como descrito por CHIAVERINI (1984, p.32). Para SANTOS & BRANCO (1989, p.115), as propriedades mecânicas dos ferros fundidos estão condicionadas à estrutura final obtida, isto é, dependem da matriz metálica, da morfologia e quantidade de grafita e ainda do tamanho e distribuição das células eutéticas. Grafita: Ocupa um volume de 10 17%, dependendo da composição química e da velocidade de resfriamento. A grafita em um ferro fundido pode variar não só em quantidade, mas também em morfologia (forma, tamanho e disposição).

23 23 Figura 2 Forma e disposição da grafita. Cementita Livre (não na forma de perlita): é o carboneto de ferro Fe 3 C, pode ocorrer durante a solidificação, devido a altas velocidades de resfriamento, ou por presença de elementos estabilizadores de carbonetos. É muito dura e quebradiça. Ferrita: (do latim ferrum ) é ferro no estado alotrópico alfa, contendo em solução traços de carbono; apresenta também uma estrutura de grãos poligonais irregulares; possui baixa dureza e baixa resistência à tração, mas excelente resistência ao choque e elevado alongamento. Perlita: (nome devido à nuance de cores de madrepérola que esse constituinte freqüentemente apresenta ao microscópio) é a mistura mecânica de 88,5% de ferrita e 11,5% de cementita, na forma de lâminas finas dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita, dependendo, entretanto, do tamanho das partículas de cementita.

24 24 As matrizes perlíticas proporcionam maior resistência mecânica que as ferríticas, observando-se, no entanto, menor ductilidade. Podem-se obter matrizes ferrítico-perlíticas para as quais têm valores intermediários. A obtenção dessas matrizes durante a reação eutetóide é função da velocidade de esfriamento da peça, da quantidade e distribuição da grafita e da composição química do material ESPECIFICAÇÕES DAS LIGAS DE FERRO FUNDIDO Os ferros fundidos normalmente são especificados pelas suas propriedades mecânicas à tração, medidas em corpos de prova padronizados. Segundo SANTOS & BRANCO (1989, p.172), Tanto para ferros fundidos cinzentos quanto para os nodulares, as especificações são indicadas levando em conta os valores mínimos, sendo dados valores mínimos do limite de resistência para os cinzentos, e valores mínimos dos limites de resistência e escoamento e do alongamento para os ferros fundidos nodulares. O trabalho experimental foi realizado na empresa Menegotti Indústrias Metalúrgicas Ltda e constitui na obtenção de ligas de ferro fundido nodular, em peças utilizadas principalmente em componentes estruturais, na linha automotiva e maquinários agrícolas.

25 25 4 MATERIAIS E MÉTODOS 4.1 INTRODUÇÃO Foram escolhidas sete tipos de composição química: uma composição base, com cobre e manganês como elementos residuais e as demais com diversos teores desses dois elementos de liga. Foram utilizados os elementos cobre e manganês em conjunto por ser mais eficaz que utilizá-los separadamente, pois um potencializa os efeitos proporcionados pelo outro. Com base nos resultados deste experimento, as ligas serão utilizadas pela Menegotti Indústrias Metalúrgicas para a produção de peças das mais diversas aplicações. 4.2 METODOLOGIA A seguir são descritas todas as etapas realizadas neste trabalho, deste o começo da elaboração das faixas de composição até os últimos ensaios realizados: Elaboração, com base na teoria e conhecimento prático, de uma tabela de composição química, na qual foram descritos os teores dos elementos químicos. Assim que feita à tabela de composição química, foram vazados cinco corpos de prova com cada composição. Analise dos corpos de prova, para verificar as propriedades, mecânicas e metalográficas dos mesmos.

26 26 Caracterização dos corpos de prova, indicando faixas aceitáveis de propriedades, bem como estabelecendo padrões para ensaio metalográfico. Discussão dos resultados e correlação dos valores encontrados com normas nacionais e internacionais como modo de comparação. A próxima etapa consiste em desdobrar os passos mencionados acima e apresentar os resultados e análises, onde constarão todos os dados e detalhes da parte experimental do trabalho. 4.3 TEORES DOS ELEMENTOS Os elementos escolhidos para realização dos testes foram o Cobre (Cu) e o Manganês (Mn) por apresentarem uma excelente solubilidade pelos ferros fundidos, baixo custo em relação aos demais elementos, como estanho, níquel e cromo, e por propiciarem aos ferros fundidos uma melhora nas propriedades mecânicas. Foram escolhidas seis composições diferentes para realização dos ensaios, além destas a composição básica, sem a adição de elementos de liga. Estas composições foram escolhidas tomando por base a literatura existente, e, além disso, o conhecimento prático de outras empresas do ramo. Os teores escolhidos foram aqueles mostrados na tabela 1. Tabela 1 Faixas de composição de cobre e manganês selecionada. LIGA Teor do Elemento (%) Cobre (Cu) Manganês (Mn) 1 Máximo 0,20 Máximo 0,20 2 0,20 0,25 0,20 0,30 3 0,30 0,40 0,20 0,30

27 27 4 0,35 0,45 0,25 0,35 5 0,45 0,55 0,35 0,45 6 0,70 0,80 0,35 0,45 7 0,90 1,00 0,45 0,50 Os demais elementos como carbono, silício e enxofre, tem a mesma faixa para todas as ligas. Tabela 2 Especificação da composição dos demais elementos. Elemento Faixa (%) Carbono (C) 3,50 3,70 Silício (Si) 2,40 2,70 Enxofre (S) Máx. 0,03 Fósforo (P) Máx. 0,08 Cromo (Cr) Máx. 0,10 Níquel (Ni) Máx. 0,10 Estanho (Sn) Máx. 0,02 Magnésio (Mg) 0,25 0,55 Alumínio Máx. 0, RETIRADA DOS CORPOS DE PROVA Para a retirada dos corpos de prova foi realizada a adição dos elementos de liga na panela de vazamento, chamado de metalurgia de panela. Este processo foi repetido para todas as ligas que havia necessidade da adição de elementos de liga, no caso da liga base não havia a necessidade da adição de elementos de liga.

28 28 Para cada composição foram vazados cinco corpos de prova com as dimensões abaixo, cada corpo de prova foi analisado conforme descrito abaixo. Figura 3 Esquema do Corpo de Prova Bloco Y, locais dos ensaios. O corpo de prova para realização de ensaios mecânicos e análise metalográficas, nos ferros fundidos nodulares é produzido de acordo com a norma ABNT NBR 6916 (veja figura 3) ENSAIOS MECÂNICOS Os ensaios mecânicos, tração alongamento e escoamento foram realizados conforme norma ABNT NBR 6152.

29 ENSAIO DE DUREZA A região a ser analisada nos corpos de prova está indicada na figura 3. Antes de ser submetida ao ensaio, a região onde será feita a medição deve ser lixada e estar livre de oxidação, materiais estranhos e lubrificantes. A dureza Brinell foi medida utilizando esfera de 10mm, aplicando uma carga de 3000Kg, durante um tempo de 15 ±5s. 4.7 ENSAIO METALOGRÁFICO A região analisada está indicada na figura 3. O local de análise deve estar polido e livre de oxidação. Para caracterizar as amostras foram analisadas as seguintes características: Grau de nodularização: se dá pela fração do número de nódulos perfeitos pelo total de nódulos encontrados em uma região qualquer da amostra. Nº de nódulos/mm²: Nadas mais é que a contagem dos nódulos presentes em uma região qualquer da amostra dentro de uma área conhecida. Matriz: Determinação do percentual de ferrita e perita contido na amostra.

30 30 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E ANÁLISES 5.1 TEORES DOS ELEMENTOS Liga 1: Tabela 3 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 1. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,53 3,55 3,60 3,62 3,63 Si 2,50 2,52 2,55 2,66 2,60 S 0,015 0,012 0,013 0,013 0,016 P 0,05 0,06 0,05 0,04 0,04 Cu 0,09 0,12 0,09 0,09 0,07 Mn 0,15 0,17 0,13 0,15 0,16 Liga 2: Tabela 4 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 2. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,55 3,61 3,62 3,62 3,52 Si 2,64 2,59 2,65 2,66 2,62 S 0,013 0,012 0,016 0,013 0,022 P 0,05 0,04 0,03 0,04 0,05 Cu 0,22 0,20 0,23 0,25 0,24 Mn 0,23 0,28 0,25 0,22 0,21

31 31 Liga 3: Tabela 5 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 3. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,50 3,62 3,55 3,68 3,60 Si 2,55 2,60 2,62 2,63 2,66 S 0,020 0,016 0,018 0,013 0,019 P 0,04 0,04 0,04 0,03 0,06 Cu 0,38 0,33 0,37 0,35 0,34 Mn 0,24 0,23 0,27 0,22 0,26 Liga 4: Tabela 6 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 4. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,55 3,70 3,65 3,58 3,66 Si 2,59 2,62 2,54 2,55 2,56 S 0,012 0,013 0,014 0,013 0,011 P 0,03 0,04 0,04 0,05 0,05 Cu 0,42 0,45 0,38 0,39 0,41 Mn 0,34 0,28 0,33 0,32 0,26 Liga 5: Tabela 7 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 5. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%)

32 32 C 3,62 3,66 3,55 3,68 3,70 Si 2,59 2,66 2,59 2,55 2,68 S 0,013 0,013 0,014 0,012 0,013 P 0,04 0,05 0,04 0,06 0,04 Cu 0,48 0,49 0,52 0,50 0,53 Mn 0,42 0,39 0,41 0,37 0,42 Liga 6: Tabela 8 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 6. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,61 3,59 3,65 3,56 3,66 Si 2,55 2,55 2,63 2,52 2,64 S 0,014 0,014 0,014 0,012 0,015 P 0,03 0,04 0,04 0,05 0,04 Cu 0,78 0,72 0,75 0,73 0,73 Mn 0,41 0,36 0,40 0,43 0,41 Liga 6: Tabela 8 Composição química encontrada nos corpos de prova da liga 6. Elemento CP1 (%) CP2 (%) CP3 (%) CP4 (%) CP5 (%) C 3,58 3,62 3,68 3,62 3,55 Si 2,45 2,57 2,53 2,63 2,66

33 33 S 0,022 0,019 0,012 0,011 0,016 P 0,06 0,05 0,05 0,03 0,06 Cu 0,96 0,92 0,98 0,93 0,97 Mn 0,47 0,45 0,48 0,49 0, ANALISE DOS CORPOS DE PROVA ENSAIO DE TRAÇÃO Liga 1 Tabela 9 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 1. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média 501,6 334,6 15,6 Desvio Padrão 21,80 17,82 1,48

34 34 Liga 2 Tabela 10 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 2. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média ,8 Desvio Padrão 16,96 6,37 1,64 Liga 3 Tabela 11 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 3. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média ,8 Desvio Padrão 14,96 14,67 1,57

35 35 Liga 4 Tabela 12 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 4. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média 671,8 480,6 6,6 Desvio Padrão 25,83 32,79 1,78 Liga 5 Tabela 13 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 5. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média 693,8 523,8 5,8 Desvio Padrão 16,64 47,12 1,21

36 36 Liga 6 Tabela 14 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 6. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média 737,6 532,6 4 Desvio Padrão 15,01 532,6 1,41 Liga 7 Tabela 15 Resultados dos ensaios mecânicos da liga 7. Corpo de Prova Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) CP CP CP CP CP Média 742,2 555,4 3,6 Desvio Padrão 13,24 55,03 0,44

37 37 O gráfico abaixo demonstra a influência da composição química nas propriedades dos ferros fundidos nodulares. Propiedade Mecânica Liga Tração(MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) Gráfico 1 Influencia da composição química nas propriedades do ferro fundido ENSAIO DE DUREZA Tabela 16 Resultados da dureza dos corpos de prova. Liga Dureza (HB) CP1 CP2 CP3 CP4 CP5 Média Desv. Pad ,6 8, ,2 4, ,2 9, , ,4 10, ,4 8, ,8 3,42

38 38 O gráfico abaixo demonstra a influência da composição química na dureza dos ferros fundidos nodulares Dureza (HB) Liga Gráfico 2 Influencia da composição química nas dureza ENSAIO METALOGRÁFICO Liga 1 Tabela 17 Resultados do ensaio metalográfico da liga 1. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Ferrítico/Perlítico CP2 Ferrítico/Perlítico CP3 Ferrítico/Perlítico CP4 Ferrítico/Perlítico CP5 Ferrítico/Perlítico Média Ferrítico/Perlítico

39 39 Liga 2 Tabela 18 Resultados do ensaio metalográfico da liga 2. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Ferrítico/Perlítico CP2 Ferrítico/Perlítico CP3 Ferrítico/Perlítico CP4 Ferrítico/Perlítico CP5 Ferrítico/Perlítico Média Ferrítico/Perlítico Liga 3 Tabela 19 Resultados do ensaio metalográfico da liga 3. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Ferrítico/Perlítico CP2 Ferrítico/Perlítico CP3 Ferrítico/Perlítico CP4 Ferrítico/Perlítico CP5 Ferrítico/Perlítico Média Ferrítico/Perlítico

40 40 Liga 4 Tabela 20 Resultados do ensaio metalográfico da liga 4. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Perlítico/Ferrítico CP2 Perlítico/Ferrítico CP3 Perlítico/Ferrítico CP4 Perlítico/Ferrítico CP5 Perlítico/Ferrítico Média Perlítico/Ferrítico Liga 5 Tabela 21 Resultados do ensaio metalográfico da liga 5. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Perlítico/Ferrítico CP2 Perlítico/Ferrítico CP3 Perlítico/Ferrítico CP4 Perlítico/Ferrítico CP5 Perlítico/Ferrítico Média Perlítico/Ferrítico

41 41 Liga 6 Tabela 22 Resultados do ensaio metalográfico da liga 6. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Perlítico CP2 Perlítico CP3 Perlítico CP4 Perlítico CP5 Perlítico Média Perlítico Liga 7 Tabela 23 Resultados do ensaio metalográfico da liga 7. Corpo de Prova Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) CP1 Perlítico CP2 Perlítico CP3 Perlítico CP4 Perlítico CP5 Perlítico Média Perlítico Como demonstrado acima, quanto maior os teores de cobre e manganês mais perlítica será a matriz metalográfica, o grau de nodularização, o número e o tamanho dos nódulos não tem uma correlação direta com estes elementos.

42 CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA Para a caracterização serão considerados os valores acima descritos e normas já existentes. As normas utilizadas como base são ABNT/NBR 6916, SAE J434, ASTM A- 536, DIN 1693 e DIN EM Foi criado um critério de aceitação para utilização das ligas pela Menegotti Indústrias Metalúrgicas Ltda., este critério foi estipulado com base nas demais normas existentes e nos valores encontrados nos ensaios PROPRIEDADES MECÂNICA Tabela 24 Média dos resultados das propriedades mecânicas dos corpo de prova. Liga Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) 1 501,6 334,6 15, , , ,8 480,6 6, ,8 5, ,6 532, ,2 555,4 3,6 Com base nestes resultados, a tabela abaixo demonstra as referências adotadas como critério de aprovação para as ligas.

43 43 Tabela 25 Referência para aprovação das ligas. Liga Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) 1 Min. 420 Min. 280 Min Min. 500 Min. 300 Min Min. 500 Min. 350 Min. 7 4 Min. 600 Min. 380 Min. 5 5 Min. 600 Min. 400 Min. 4 6 Min. 700 Min. 420 Min. 3 7 Min. 700 Min. 450 Min DUREZA Tabela 26 Média dos resultados das durezas dos corpos de prova. Liga Média dos Resultados (HB) 1 174, , , , , ,8

44 44 Com base nos resultados acima descritos utilizaremos as seguintes faixas como critério de aceitação: Tabela 27 Referência para aprovação das ligas. Liga Faixa de Aceitação (HB) METALOGRAFIA Tabela 28 Média dos resultados das metalográficas dos corpo de prova. Liga Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) 1 Ferrítico/Perlítico Ferrítico/Perlítico Ferrítico/Perlítico Perlítico/Ferrítico Perlítico/Ferrítico Perlítico Perlítico

45 Micrografias Tabela 29 Tabela demonstrando as microestruturas encontrada em cada uma das ligas. Fotos com aumento de 100 vezes, ataque com Nital 4% (96% álcool etílico, 4% ácido nítrico). Liga Micrografia 1 Matriz Ferrítico perlítica, grafita esferoidal, 100 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. 2 Matriz Ferrítico/perlítica, grafita esferoidal, 110 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. 3 Matriz ferrítica/perlítica, grafita esferoidal, 120 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6.

46 46 4 Matriz perlítica/ferrítica, grafita esferoidal, 100 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. 5 Matriz perlítica/ferrítica, grafita esferoidal, 100 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. 6 Matriz perlítica, grafita esferoidal, 100 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. 7 Matriz perlítica, grafita esferoidal, 100 nódulos/mm², 95% nodularização, sem presença de carbonetos tamanho dos nódulos 5 e 6. Com base nestes resultados e na literatura existente concluímos que o critério de aceitação para determinar se matalograficamente à liga está aceita ou não está descrito na tabela abaixo.

47 47 Tabela 30 Referência para Aprovação das Ligas. Liga Matriz Nodularização (%) Nº de Nódulos (/mm²) 1 Ferrítico/Perlítico Min. 85 Min Ferrítico/Perlítico Min. 85 Min Ferrítico/Perlítico Min. 85 Min Perlítico/Ferrítico Min. 85 Min Perlítico/Ferrítico Min. 85 Min Perlítico Min. 85 Min Perlítico Min. 85 Min DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Como visto nos resultados práticos através das tabelas e gráficos a adição de cobre e manganês proporcionam um aumento das propriedades mecânicas dos ferros fundidos, bem como um acréscimo na dureza devido à modificação de sua microestrutura. Como dito na revisão teórica, ambos os elementos, cobre e manganês são perlitizantes, e isso pode ser comprovado nas micrografias mostradas. Aumentando-se o teor dos elementos, maior foi a concentração de perlita e menor a de ferrita. Como dito, não existe uma correlação direta entre estes elementos e as demais características metalográficas. Abaixo está demonstrado um quadro esquemático, correlacionando as propriedades das ligas estudadas com as normas existentes.

48 48 Liga Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) Dureza Norma Tração (MPa) 400 Escoamento (MPa) 250 Alongamento (%) 15 Dureza Norma GGG-40 Tração (MPa) 400 Escoamento (MPa) 250 Alongamento (%) 15 Dureza - Norma Tração (MPa) 448 Escoamento (MPa) 310 Alongamento (%) 12 Dureza - Norma D-4512 Tração (MPa) 448 Escoamento (MPa) 310 Alongamento (%) 12 Dureza DIN EM DIN EM 1693 GGG-50 GGG-60 GGG ASTM A SAE J 434 D D ABNT NBR 6916 Norma FE42012 FE50007 FE60003 FE70002 Tração (MPa) Escoamento (MPa) Alongamento (%) Dureza Quadro 1 Esquema correlacionando as propriedades das ligas criadas com as demais normas existentes.

49 49 6 CONCLUSÕES Este trabalho comprovou que a adição em conjunto dos elementos cobre e manganês é viável e demonstrou que realmente ambos proporcionam uma melhoria nas propriedades do ferro fundido e possibilitam que sejam feitas diferentes ligas somente com a adição destes elementos a uma liga base. A adição dos elementos de liga na panela de transferência se mostrou viável, uma vez que a composição final sempre ficou dentro da faixa estabelecida. Este meio de adição de elementos de liga, chamado de metalurgia de panela facilita o processo de fabricação, pois, de um mesmo forno, com a liga base (1), pode-se retirar peças com sete composições distintas, fazendo a transformação de liga na panela de transferência. Através de tabelas e gráficos comprovou-se que com o aumento dos teores dos elementos de liga há um aumento nas propriedades mecânicas, o mesmo ocorrendo com a dureza, quanto maior o teor de cobre e manganês maior a dureza encontrada nos corpos de prova. A matriz metalográfica da peça, como esperado, também sofreu forte influência dos elementos de liga, quanto maior o teor de cobre e manganês, maior a teor de perlita na microestrutura. Os demais microconstituintes não apresentaram nenhuma influência direta com a adição destes elementos. As ligas estudadas tiveram resultados dentro do esperado no começo do estudo, a liga 1, considerada liga base possui propriedades menores e uma microestrutura ferrítica, com a adição dos elementos de liga, há um aumento das propriedades e uma perlitização da microestrutura.

50 50 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CHIAVERINI, V.. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 5. ed. / ampl. e rev. São Paulo: Associação Brasileira de Metais PIESKE, A.. Ferros fundidos cinzentos de alta qualidade. Joinville. Sociedade Educacional PINTO SOARES. Aços: características, tratamentos. 3ª ed. Porto SANTOS, A. B. S.; BRANCO, C. H. C.. Metalurgia dos Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares. São Paulo. IPT SOUZA, A.. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5ª ed. Ed. São Paulo: Edgard Blücher LTDA ASM HANDBOOK, Vol. 15: Casting, ASM International, The Materials Information Society for Metals, 9. th Edition, SMITH, W. F. Structure and Properties of Engineering Alloys. New York. McGraw- Hill. 2. nd Edition, BUSCHINELLI, A. J. A., NIÑO, C. E. Tecnologia da Fundição. Apostila da disciplina EMC 5261 UFSC, 2002.