XXXIII CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem De 27 à 30 de Agosto de 2007 Caxias do Sul RS

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1 XXXIII CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem De 27 à 30 de Agosto de 7 Caxias do Sul RS Soldagem de rro Fundido Vermicular com Eletrodos Revestidos (Welding Compacted Iron with SMAW) Ricardo André Lovato 1, Wilson Guesser 2, Aleir Fontana De Paris 1 1 Universidade deral de Santa Maria, DEM, Santa Maria,RS, Brasil aparis@ct.ufsm.br 2 Fundição Tupy, Joinville, SC, Brasil wguesser@tupy.com.br Resumo O ferro fundido vermicular está sendo cada vez mais empregado para a fabricação de componentes automotivos. Suas propriedades mecânicas se situam entre aquelas do ferro fundido cinzento e nodular. Isto permite reduções nas espessuras do fundido resultando em peças de menor peso. Como se trata de um material relativamente novo, não existe bibliografia sobre sua soldabilidade. Para estudar as características técnicas de soldabilidade do ferro fundido vermicular classe ASTM 450, foram empregados eletrodos revestidos de classificação AWS ESt-CI, E-CI e E-CI. Os resultados mostraram um comportamento semelhante aos ferros fundidos cinzentos. Para o eletrodo AWS ESt-CI, as soldas apresentaram tendência à formação de trincas e um grande aumento da dureza do cordão devido à presença de cementita e outros carbonetos complexos. No caso dos eletrodos E-CI, as soldas ficaram isentas de trincas, com baixa dureza do cordão, e para o E- CI as propriedades foram intermediárias. Para os eletrodos empregados a ZAC apresentou dureza elevada pelo rápido esfriamento, ocasionando microestruturas compostas de martensita, cementita e carbonetos complexos. Palavras-chave: rro fundido vermicular; Microestrutura; Eletrodos revestidos. Abstract: The compacted cast iron is being used more and more for the production of automotive components. Their mechanical properties are between those of the gray cast iron and ductil cast iron. This allows reductions in the thickness of the cast resulting in pieces of smaller weight. As it is a material relatively new, bibliography doesn't exist on it weldability. To study the technical characteristics of weldability of the compacted cast iron class ASTM 450, covered electrodes classification AWS ESt-CI, E-CI and E-CI were used. The results showed a behavior similar to the gray iron. For the electrode AWS ESt-CI, the weld bead presented both tendency to formation of cracks and a high increase of the hardness, due to the cementite presence and other complex carbides. In the case of the electrodes E-CI, the welds were exempt of crakcs, with low welds hardness, and for the E-CI the properties were intermediate. For the used electrodes, ZAC presented high hardness due the fast cooling, causing microstructure composed of martensite, cementite and complex carbides. Key-words: Compacted iron; Microstructure; SMAW. 1. Introdução Os ferros fundidos são empregados na fabricação, no reparo de peças, bem como estruturas industriais há muitos anos. Apesar desta longevidade, eles continuam sendo constantemente melhorados em suas características técnicas, sendo um material bastante conhecido e utilizado nas indústrias dos mais variados segmentos [1]. Os ferros fundidos são ligas contendo basicamente ferro, carbono variando de 2 a 4,5%, silício de 0,5 a 3%, e até 1% de manganês. As principais características que tornam os ferros fundidos bastante empregados industrialmente são o baixo ponto de fusão, alta fluidez e menor contração com relação aos aços fundidos. Estas propriedades aliadas ao seu menor custo são fatores que levam à preferência sobre os aços fundidos, apesar das qualidades mecânicas inferiores [2]. As propriedades mecânicas dos ferros fundidos dependem da microestrutura e distribuição dos elementos constituintes, principalmente a grafite livre. Entre os ferros fundidos, o que está sendo foco da atenção é o ferro fundido vermicular ou compactado, por apresentar propriedades mecânicas intermediárias entre os ferros fundidos cinzentos e nodulares.

2 Com incrementos de até 75% no limite de resistência, 35 a 40% no módulo de elasticidade e o dobro da resistência a fadiga, os ferros vermiculares atendem bem aos projetos atuais e no futuro de motores diesel [3]. A Tabela 1 apresenta as propriedades comparativas entre estas três nuances de ferros fundidos. Tabela 1. Propriedades de tipos de ferros fundidos [4]. Tipos de ferro fundido Propriedades Cinzent o Vermicular Nodular Com relação à fundição Fluidez Alta Alta Média Escória Não Forma Muita escória Tendência ao coquilhamento Modera da Média/alta Alta Mecânicas Resistência à tração [N/mm ] 320 Alongamento [%] Nulo Módulo de elasticidade [N/mm 2 ] Impacto Charpy na temperatura ambiente [J] Condutividade térmica [cal/cm.ºc.s] Capacidade de amortecimento Nulo Físicas e Térmicas 0,11 a 0,14 0,10 a 0,12 0,08 a 0,09 13, a a A estrutura da grafite no ferro fundido vermicular é espessa e com as extremidades arredondadas, que lhe confere melhores propriedades mecânicas já que o efeito do entalhe é reduzido, se comparada a grafite dos ferros fundidos cinzentos. Como no caso do ferro fundido cinzento, a grafite é interconectada o que resulta em boas propriedades de absorção de vibrações, fator importante na fabricação de blocos de motores a combustão [5]. A obtenção do ferro fundido vermicular é semelhante aquela do ferro fundido nodular. De acordo com a literatura, para manter as características técnicas, a quantidade de nódulos de grafite deve ser no máximo 20% da estrutura da matriz [6]. Apesar destas propriedades tecnológicas, nenhuma publicação sobre a soldagem de ferros fundidos vermiculares foi encontrada. O objetivo deste trabalho é o estudo da soldabilidade dos ferros fundidos vermiculares, aplicando os eletrodos comerciais convencionais para a soldagem de ferro fundido em geral. 2. Materiais e métodos O ferro fundido vermicular utilizado nos experimentos, classificação ASTM A classe 450 tipo perlítico-ferrítico, foi obtido de placa de dimensões 40 x 250 x mm, fornecido pela Fundição Tupy, cortadas em placas de 10 x 40 x 80 mm. As peças foram soldadas de topo sem chanfro, de forma manual, para análise microestrutural. Três tipos de eletrodos foram empregados, classificados segundo a norma AWS como ESt-CI, E-CI e E-CI, com diâmetro de 3,25 mm. O primeiro deles, ESt-CI, é um eletrodo de aço carbono com adição de quantidade importante de silício no revestimento para permitir a formação de veios de grafite na solidificação. O eletrodo E-CI é um eletrodo com alma de níquel com pureza de 99,5%. Finalmente o eletrodo E-CI é um eletrodo com alma composta de aproximadamente 50% e 50%. A velocidade média de soldagem foi de aproximadamente 4 mm/s. Como equipamento de soldagem foi empregado um retificador com o eletrodo conectado na polaridade inversa (+). Os parâmetros de soldagem para todos os experimentos foram: intensidade de corrente de 120 Ampères e tensão de arco de 27 volts. As juntas soldadas foram preparadas de forma convencional de metalografia: lixamento, polimento com alumina 1 µm, e ataque com nital 2%. A dureza do cordão de solda foi realizada com um microdurômetro Shimadzu modelo HMV-2, com carga de g e tempo de aplicação 10s. A Figura 1 mostra a microestrutura do ferro fundido vermicular empregado nos experimentos. A Figura 1(a) mostra a estrutura da grafite do metal de base, sem ataque, onde se pode observar o formato dos veios espessos

3 (a) (b) (c) (d) Figura 1. Microestrutura do metal de base. Veios e nódulos de grafite em uma matriz perlítica-ferrítica. Em (a) e (b) microscopia ótica; em (c) e (d) microscopia eletrônica de varredura (técnica de elétrons retroespalhados). com as bordas arredondadas. Na Figura 1(b), atacada com reativo, é evidenciada a estrutura do metal base em uma região com presença de nódulos de grafite, circundados por um halo de ferrita, em uma matriz perlítica muito fina. Nas Figuras 1(c) e 1(d), obtidas por MEV, está mais definido os veios de cementita mais ferrita que caracterizam a perlita. 3. Resultados e discussão Os primeiros ensaios foram executados utilizando o eletrodo ESt-CI, sem pré-aquecimento. Os resultados foram ruins, uma trinca se propagou ao longo do comprimento do cordão. Para sanar este problema, a amostra foi pré-aquecida em ºC, não se repetindo o problema. A Figura 2(a), centro do cordão de solda sem ataque, mostra a presença reduzida de precipitação de grafite, já que a mesma se combinou com o aço do metal de deposição. A microestrutura deste cordão após ataque, com reativo apropriado, Figura 2(b), mostra a combinação do carbono formando cementita 3 C. Além da cementita nota-se a presença de agulhas de martensita e carbonetos complexos. A interface do cordão (ZAC), Figura 2(c) e 2(d), mostra agulhas de martensita, cementita, além da grafite. A Figura 3 mostra os valores da microdureza obtida no metal de base e cordão de solda. O valor de dureza do ferro fundido fica em torno de 280 HV, enquanto que na ZAC os valores sofrem um aumento contínuo até próximo do metal fundido, de HV. No interior do cordão, após a ZAC, ocorre um pequeno decréscimo, aumentado até um valor estável de aproximadamente 770 HV. Este aumento de dureza é justificado pela formação de fases duras, martensita, cementita e outros carbonetos complexos, pelo sobreaquecimento e resfriamento rápido da ZAC. No interior do cordão a dureza corresponde aquela de um ferro fundido branco. Estes valores se assemelham muito aos obtidos na soldagem de ferros fundidos cinzentos e nodulares. Para um aprofundamento do assunto, se encontra na literatura [2] uma ampla revisão bibliográfica sobre a soldagem de ferros fundidos.

4 (a) (b) (c) (d) Figura 2. Microestrutura do cordão de solda sem ataque (a); centro do cordão de solda atacado com nital, grafite combinado sob a forma de cementita e martensita (b); microscopia ótica (c) e MEV (d) da ZAC, mostrando agulhas de martensita e cementita, além da grafite. Solda eletrodo AWS ESt Dureza Vickers, HV 0,3 MB ZAC Figura 3. Microdureza do metal de base (MB), ZAC e cordão de solda. Para implementar o trabalho, foi feita uma análise com microsonda EDS do cordão de solda. Os resultados mostram a presença de ferro, silício e carbono, que fazem parte da constituição dos ferros fundidos, além de teores residuais de Al, Figura 4.

5 C O Si Al kev Figura 4. Espectro (EDS) dos elementos químicos presentes no cordão, soldado com eletrodo ESt. Para o eletrodo E-CI, o centro do cordão mostra a presença de grafite livre sob a forma de pequenos nódulos e também precipitações ao longo dos contornos de grão, originados da grafite do metal de base, e que não foram combinados com o metal do eletrodo, já que não existe afinidade química, Figura 5(a). A amostra tratada com reativo, Figura 5(b), mostra a característica da estrutura obtida. As partes mais claras mostram a presença de níquel, e entre elas a presença de cementita originada do ferro fundido pela solda e combinado com a parte do teor de grafite do metal de base, além de nódulos de grafite. As Figuras 5(c) e 5 (d) mostram a interface do cordão de solda e material de base, ZAC. A estrutura é composta de agulhas grosseiras de martensita, cementita e outros carbonetos. (a) (b) (c) (d) Figura 5. Centro do cordão sem ataque (a); centro do cordão com ataque (b); interface (ZAC) (c) e (d).

6 Na Figura 6 está mostrada a microdureza da ZAC e do cordão de solda, com relação ao metal base. A dureza passa de um valor médio de 280 HV no metal de base até um valor médio de 660 HV na ZAC. No cordão de solda devido a presença importante do níquel, a dureza se torna menor do que aquela do metal de base, ou seja, aproximadamente 180 HV. Solda eletrodo AWS E Dureza Vickers, HV 0,3 MB ZAC Figura 6. Microdureza do metal de base (MB), ZAC e cordão de solda com eletrodo E. A análise como microsonda EDS do cordão de solda, mostra a presença importante de, conferindo os resultados já que o metal de adição é composto de níquel de pureza > 99%, Figura Si F Al P 0 kev Figura 7. Espectro (EDS) dos elementos químicos presentes no cordão de solda com eletrodo E. A utilização do eletrodo E-CI proporciona um cordão de solda com uma quantidade de grafite livre sob a forma de nódulos, Figura 8(a), menor que no caso precedente. Uma grande parte da grafite se combina com o ferro fundido do cordão e do metal de adição. A Figura 8(b) mostra a micrografia do centro do cordão de solda atacado por reativo apropriado. Além da presença de nódulos de grafite, dendrítas de níquel e entre elas cementita e esteadita, Figura 8(c). A interface cordão de solda-metal de base está mostrada na Figura 8(d). Como nos casos precedentes, a estrutura é formada por martensita, cementita e outros carbonetos de difícil definição. O perfil da dureza mostra um aumento na ZAC até um valor de ~ HV próximo ao cordão de solda e um decréscimo na solda para 325 HV, Figura 9.

7 (a) (b) (c) (d) Figura 8. Microestrutura da solda e ZAC para um eletrodo E. Solda eletrodo AWS E Dureza Vickers, HV 0,3 MB ZAC Figura 9. Microdureza do metal de base (MB), ZAC e cordão de solda com eletrodo E. A análise pontual com microsonda EDS mostra que a fase entre os grãos é um composto --Si-C e traços de Mn, Figura 10.

8 1 0 C Si Mn 0 kev Figura 10.Espectro da análise EDS da região entre as dendrítas de níquel. A análise como microsonda EDS do cordão de solda, mostra a presença de, resultados esperados já que o metal de adição é composto de níquel e ferro, Figura Conclusões Figura 11. Espectro (EDS) dos elementos químicos presentes no cordão de solda com eletrodo E. Os resultados mostram que o ferro fundido vermicular pode ser soldado com eletrodos revestidos. As características e propriedades da junta são idênticas aquelas dos ferros fundidos cinzentos. Entre os três tipos de eletrodos utilizados, o ESt-CI apresenta dureza muito alta o que dificultaria o acabamento posterior da peça por usinagem. Além disso, é necessário um pré-aquecimento para se evitar as trincas a quente. Os eletrodos E-CI e E-CI tornam o cordão usinável devido a queda de dureza no cordão de solda. O eletrodo E -CI deveria ser empregado já que o do tipo E-CI tem um custo muito elevado. 5. Agradecimentos Os autores agradecem a Fundição Tupy pelo fornecimento do ferro fundido vermicular utilizado na pesquisa. 6. Referências bibliográficas Si F Al P kev [1] LOVATO, R.A. Análise de soldagem do ferro fundido vermicular: p.trabalho de Conclusão de Curso Universidade deral de Santa Maria, Santa Maria, RS. [2] DE PARIS, A.F. Tecnologia da Soldagem de rros Fundidos. Ed. UFSM, Santa Maria, 3, 140 p.

9 [3] GUESSER, W.L.; GUEDES, L.C. Desenvolvimentos recentes em ferros fundidos aplicados à indústria automobilística. Trabalho apresentado no seminário da Associação de Engenharia Automotiva (AEA), São Paulo, [4] FERRO FUNDIDO VERMICULAR. Disponível em: < vermicular.pdf> Acessado em 15 de Janeiro de 7. [5] GUESSER, W.L. rro fundido com grafita compacta. Metalurgia & Materiais, junho de 2, p [6] ASM HANDBOOK. Castings. 9 ed. Ohio, USA, 1992, 1 p.