EFEITO DO MATERIAL DE CARGA NA OBTENÇÃO DE FERROS FUNDIDOS NODULARES FERRÍTICOS. (Trabalho apresentado no CONAF 97).

Transcrição

1 Fernando Cezar Lee Tavares e Mauro Monteiro (Thyssen Fundições) Gloria de Almeida Soares (Coppe / URJ) EFEITO DO MATERIAL DE CARGA NA OBTENÇÃO DE FERROS FUNDIDOS NODULARES FERRÍTICOS. (Trabalho apresentado no CONAF 97). Para analisar influência da composição da carga na microestrutura e nas propriedades em tração de um ferro fundido nodular ferrítico, variou-se o teor de gusa da carga de 0 a 70% - mantendo-se a porcentagem de retorno fixa e igual a 20%, - sendo o restante de carga base constituída por sucata de aço. Adições de ferro silício e grafite foram feitas com o objetivo de manter a mesma composição química em todas as corridas. Matrizes com porcentagem de ferrita superior a 80% - sem tratamento térmico foram obtidas para composições com até 35% de gusa na carga. A composição com 35% de gusa, 29% de retorno e 45% de sucata de aço atendeu aos requisitos de diversas normas utilizadas na especificação desses materiais. As diferenças observadas no comportamento mecânico foram atribuídas principalmente às diferenças na porcentagem de ferrita contida na matriz do ferro, já que a morfologia, tamanho e distribuição da grafita não variou sensivelmente. INTRODUÇÃO. A carga para produção de um ferro fundido nodular geralmente é composta de gusa; sucata de aço; retorno e ferro - ligas. A quantidade de ferro gusa utilizada na carga para fabricação de ferro fundido nodular tem se mantido aproximadamente constante 40 a 60% - nos últimos anos possivelmente devido à maior sensibilidade do fero fundido nodular em relação ao ferro cinzento à contaminação por certos elementos residuais. O uso de uma quantidade maior de gusa pode se traduzir por uma redução de custos em uma fundição pela possibilidade de se diminuir as adições de grafite e FeSi e pela redução no consumo específico de energia devido ao abaixamento do ponto de fusão da carga. Este trabalho se propõe a avaliar o efeito da variação da porcentagem de gusa na carga sobre a microestrutura (forma e tamanho da grafita; tipo de matriz) e as propriedades mecânicas (resistência mecânica e ductilidade) de um ferro nodular ferrítico. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A escolha da composição química de um ferro nodular depende do tipo de matriz que se deseja obter, ou em última análise, do requisito mecânico da peça. Basicamente os teores de carbono e silício podem ser fixos para todas as matrizes desejadas, devendo-se trabalhar com os outros elementos, em função das suas características. (1) Propriedades mecânicas elevadas são favorecidas pela matriz metálica perlítica, que é obtido em função da espessura de parede de peça (velocidade de resfriamento), pela adição de elementos

2 perlitizantes ou pelo próprio controle do tempo de resfriamento da peça no molde. Ao contrário, a formação de uma matriz ferrítica é favorecida pela menor velocidade de resfriamento da peça, pois com isso se tem um tempo maior para difusão do carbono para a grafita. (2) Além desses fatores, também afetam a formação de ferrita a composição química do ferro e a forma, quantidade e distribuição da grafita existente antes da reação eutetóide. (3) Para se obter maior ductilidade do material, a matriz metálica deve tender a uma maior quantidade de ferrita, que será limitada de acordo com as propriedades mecânicas, ou seja, quanto à quantidade de ferrita, maior o alongamento e menor a resistência mecânica obtida. Para a mesma matriz metálica a variação no número de nódulos interfere nas propriedades mecânicas, no sentido de que quanto maior o número de nódulos, maior o alongamento. (2) No que se refere à morfologia da grafita, esta não sofre modificação sensível nos nodulares, uma vez que é alterado apenas o número e conseqüentemente, o tamanho de nódulos, o que não modifica significativamente o efeito de entalhe. Ocorre, porém, uma diminuição do carbono durante a reação eutetóide, o que favorece a formação da ferrita. A resistência mecânica praticamente não será alterada, se a matriz metálica não sofrer modificações sensíveis, isto é quando a variação da proporção perlita / ferrita for pouco significativa. (2,4) Nos ferros nodulares a formação de ferrita livre é favorecida pela existência de um grande número de nódulos de grafita. Nestes casos, a existência de muitos locais para a nucleação da ferrita e as pequenas distâncias de difusão para o carbono permitem que a reação estável predomine. Em termos práticos, resulta que se pode utilizar a técnica de inoculação como meio de promover a formação de matrizes ferríticas em ferros fundidos nodulares. (3) Quanto maior à distância entre os nódulos de grafita maior é a quantidade de perlita na matriz, visto a maior distância para a difusão do carbono, resultando num decréscimo na ductilidade. (5) Embora se associe boa propriedade mecânica a um elevado número de nódulos (6), deve-se evidenciar que um aumento excessivo no número de nódulos, provocado por qualquer que seja a fonte nucleante (gusa, grafite, Ferro-silício, etc.), pode acarretar uma ampliação do caráter pastoso da solidificação, aumentando à tendência a formação de porosidades. (7) Nos ferros nodulares, a quantidade padrão poderá ser produzida em a formação de ligas e, se necessário, a partir de um ferro gusa mediante tratamento térmico. A formação de ligas é útil na obtenção de uma matriz totalmente perlítica no estado bruto de fusa, para níveis de resistência à tração além de 800 MPa, no caso de ferros endurecíveis e de feros a serem utilizados a temperatura elevadas. (8) De um modo geral se aceita que os materiais metálicos da carga podem interferir nas características finais do produto, embora não constituam um fator decisivo. (8) A importância da escolha do material de carga reside, adicionalmente, na possível contaminação do banho com elementos químicos residuais, como, Poe exemplo, os que ocasionam a formação de defeitos associados a gases, ou a degenerescência da grafita em ferros fundidos nodulares. (9) O gusa constitui a melhor meteria-prima de que se dispõe para a produção de ferros fundidos, qualquer que seja o equipamento de fusão disponível. É uma excelente fonte de carbono e de silício, além de ser em geral homogêneo denso e com baixa concentração de elementos residuais, principalmente quando é obtido através do uso de carvão vegetal como agente redutor. Suas vantagens residem no fato de possuir alta densidade, favorecer a dissolução da sucata de aço, servir como fonte de carbono e também favorece a grafitização, por incrementar a intensidade de nucleação do banho. (9,10) Foi observado que com a utilização de uma quantidade maior de gusa, há uma redução considerável no percentual de nitrogênio e um decréscimo no nível de porosidade. (11) Além de todas as vantagens apontadas, Deiker (10) indica que uma modificação na composição da carga, com um aumento no teor de gusa permite uma redução considerada no consumo específico

3 de energia, uma vez que o ponto de fusão da carga é reduzido. Esta redução no consumo pode vir a compensar o preço mais elevado do gusa quando comparado ao da sucata de aço, o que aumenta o custo da carga fria.outro fator que limitaria o uso de sucata é que com esse tipo de carga as adições serão maiores e em conseqüência devem-se esperar maiores dispersões nos resultados. Ainda assim, a proposta do autor é de utilizar 45% de gusa acompanhado de 15% de sucata e 40% de retorno. Segundo s. Okada (apud 12), quando a sucata de aço excede a 40% não é mais possível obter produtos livres de defeitos. Isso se deve a necessidade de recarburação, que aumenta a percentagem de nitrogênio e uma tendência à formação de microporosidades. Pieske e colaboradores (8), contrariamente a outros autores afirmam que ferros fundidos de composição químicos semelhante, obtidos em fornos de indução, tendem a apresentar melhores resultados aqueles obtidos a partir de sucata de aço recarburada ou a partir de cavacos de fero fundido do que aqueles obtidos a partir de gusa. Não há uma explicação completa para essa diferença. Desprezando-se uma possível variação na composição química final e do grau de nucleação do banho, uma explicação que tem sido apresentada seria a diferença nos teores de nitrogênio e oxigênio que seria maior quando se usa sucata de aço e cavacos. Dessa forma o nitrogênio estaria atuando de forma benéfica. O emprego de carburante em grande escala em fornos de indução tem se verificado, principalmente, em virtude do uso cada vez mais pronunciado de aço na fabricação de ferros fundidos. A vantagem deste processamento reside na obtenção de um material algumas vezes com menores custos relativos à matéria-prima, conseguindo-se mais baixos teores de enxofre e fósforo no banho metálico, o que é, como já foi citado, essencial na fabricação de materiais como os ferros fundidos nodulares. (9) A prática da carburação é, da carburação é, todavia, considerada vantajosa sob outros aspectos. Cita-se, por exemplo, a possibilidade do uso de maiores quantidades de retorno, em decorrência dos baixos existentes de enxofre e fósforos, e, ainda, a possibilidade de obtenção de ferros fundidos de classe diferentes numa mesma operação, através de carburações do banho após vazamentos sucessivos. (9) (apud 9) Relativamente à influência dos carburantes na qualidade dos ferros fundidos, Fuller verificou que, em gera, as propriedades mecânicas do metal fundido em fornos de indução, a partir de cargas compostas principalmente por sucatas de aço e retorno de ferro fundido, são superiores às do metal fabricado com maior quantidade de ferro gusa, ou às dos ferros fundidos de composição similar, proveniente de cubilô. (9) Os carburantes podem apresentar também efeito inoculante no banho metálico. Foi observado, por exemplo, que em ferros fundidos cinzentos com teor de enxofre superior a 0,03%, os carburantes grafíticos apresentaram um efeito inoculante sensível, comparativamente a adições de não grafíticos. A explicação para este fato pode estar ligada ao mecanismo de dissolução do carbono no banho. Como o enxofre diminui a velocidade de difusão do carbono, ele favorecia o comportamento inoculante de carburantes, sugerindo-se que a nucleação ocorreria nos cristais de grafita não dissolvidos. (9) MATERIAIS E MÉTODOS. Foram projetados cinco (5) composições de cargas com teor de gusa crescente acompanhado pela diminuição no teor da sucata de aço - sendo que o percentual de retorno foi mantido constante. A Tabela 1 mostra o teor de gusa, sucata e retorno para cada uma das composições projetadas.

4 Tabela 1 Carregamento Utilizado em cada uma das composições Projetadas. CARGA TEOR (% em peso) Gusa Sucata de aço Retorno de F.F As ligas foram denominadas pelo teor de gusa previsto, ou seja, a liga 35 foi produzida a partir de uma carga contendo 35% de gusa, 45% de sucata e 20% de retorno. Foi escolhida como composição química alvo a mostrada na Tabela 2. As correções com FeSi e grafite feitas no próprio forno, visando a análise final, já descontando, entretanto, o incremento de silício proveniente do nodulizante e da inoculação na transferência. As correções foram feitas em duas etapas: parte na carga fria e parte a 1450 c (quando necessário). Tabela 2 Composição Química Alvo para as Ligas Projetadas. %C %Si %Mn %Cr %Cu %Mg %P 3,60 3,70 1,80-1,85 0,20 máx. 0,03 máx. 0,20 máx. 0,03-0,05 0,08 máx. A elaboração das ligas 2 corridas por composição - foi feita em fornos a indução de média freqüência (600 Hz) em capacidade de 3,0 toneladas e para cada corrida foram vazados três corpos de prova Y 1. Os moldes para vazamento desses corpos de provas foram confeccionados em areia pelo processo cold box segundo norma ASTN A 536. Para determinação do Limite de Resistência, Limite de Escoamento e % de Elongação foi realizado ensaios de tração à temperatura ambiente na Máquina Universal de Ensaio LOSENHAUSEWERKE 35 toneladas, seguindo as normas ASTM E 8 e A 536. A análise microestrutura foi feita num MICROSCÓPIO METALOGRÁFICO PME OLYMPUS segundo a norma alemã VDG P 441 onde foi identificadas a matriz metálica (em termos de % de ferrita) e a morfologia e o tamanho da grafita. RESULTADO E DISCUSSÃO. A analise química das ligas produzidas é apresentada na tabela 3. a variação nos valores de carbono equivalente que se manteve entre 4,237 4,342 pode ser considerada aceitável, uma que foram fundidas 3 toneladas por corrida, em forno industrial, provocando variações no tempo de elaboração e nas correções efetuadas.

5 Tabela 3 Análise Química das corridas Realizadas. LIGA EXP. %C %Si %P %S %Mn %Cr %Ni %Sn %Cu %Mg C.E. 0 1ª 3,70 1,725 0,027 0,01 0,269 0,022 0,019 0,005 0,073 0,027 4,244 2ª 3,78 1,784 0,03 0,011 0,291 0,019 0,020 0,005 0,070 0,029 4, ª 3,73 1,847 0,022 0,009 0,226 0,019 0,015 0,005 0,075 0,041 4,314 2ª 3,67 1,807 0,021 0,008 0,221 0,017 0,012 0,006 0,043 0,030 4, ª 3,71 1,894 0,042 0,009 0,184 0,014 0,016 0,005 0,081 0,027 4,316 2ª 3,66 2,060 0,044 0,012 0,183 0,016 0,013 0,006 0,089 0,025 4, ª 3,67 1,963 0,062 0,009 0,125 0,012 0,016 0,007 0,057 0,031 4,304 2ª 3,65 1,843 0,064 0,010 0,128 0,010 0,015 0,006 0,42 0,029 4, ª 3,71 1,888 0,051 0,010 0,119 0,013 0,012 0,005 0,061 0,027 4,317 2ª 3,64 1,903 0,053 0,007 0,099 0,009 0,011 0,005 0,084 0,036 4,253 Observa-se que, embora o teor de fósforo aumente com a maior participação do gusa na carga metálica, a quantidade de residuais total diminui Figura 1 devido, principalmente, à diminuição do teor de manganês. O teor dos elementos enxofre, estanho, cobre e magnésio sofreram pequenas variações corrida à corrida, mas sem que pudesse ser estabelecida uma correlação com o carregamento utilizado em cada uma delas. Figura 1 Variação do Teor de Residuais com o Teor de Gusa na carga. O aumento do teor de fósforo com o aumento do percentual de gusa na carga já era esperado, pois o gusa traz em sua composição %P máx. igual a 0,12% (9) enquanto que na sucata de aço esses valores são bem mais baixos (0,04% máx.). enquanto, segundo Oliveira (13) o fósforo só apresenta interferência negativa em ferros fundidos quando presente em teores superiores a 0,1%, sendo que no presente trabalho o teor de fósforo final não ultrapassou 0,064%. Da mesma forma, como o emprego de mais gusa, a quantidade de manganês, cromo e níquel residuais na sucata de aço tendeu a diminuir. Ainda assim o teor de manganês, mesmo para a liga sem gusa, não ultrapassou o valor de 0,30% que é considerado o valor máximo para se manter estrutura ferrítica. (4,9) Os demais elementos apresentaram percentuais que não interferem nas características do material. (4,8,9) A identificação da matriz metálica medida através de padrões de comparação cujos resultados estão apresentados na figura 2 mostra que houve um decréscimo quase contínuo da

6 porcentagem de ferrita na matriz, sendo que as ligas com 55% ou mais de gusa o teor máximo de ferrita não ultrapassou 80%. A curva foi traçada para os valores médios entre a primeira e a segunda experiência. Figura 2 Variação da Porcentagem de Ferrita na Matriz em Função do Teor de Gusa na Carga. A principio poder-se-ia esperar que as ligas com menor porcentagem de gusa e conseqüentemente teor de manganês mais elevado possuíssem matriz mais perlítica, entretanto, ocorre exatamente o oposto. Isso pode ser explicado primeiramente com base no fato de que o manganês se situa numa faixa que como dito anteriormente não compromete a matriz ferrita. Por outro lado corridas com menor porcentagem de gusa necessitaram de adições de maiores quantidades de FeSi e grafite sendo que essas adições foram realizadas parte na carga fria e parte a C. Assim é possível se atribuir a essas adições um poder nucleante que promoveria uma maior quantidade de ferrita. Neste caso o poder de inoculação dessas adições estaria sendo maior do que o do gusa e se traduziria por uma maior quantidade de ferrita nas ligas com menor teor de gusa, como visto na figura 2. Esses elementos FeSi e grafite são reconhecidamente bons inoculantes, sendo o silício usado extensivamente para esse fim. (8,9,13,14) além disso, segundo Souza Santos (15), o grafite é considerado um inoculante mais efetivo do que o próprio FeSi e com um tempo de fading superior (cerca de 30 min.). Também o carbeto de silício é considerado mais eficiente como inoculante do que o FeSi (16). Alguns autores reportam o gusa como matéria prima ideal devido, que ouros aspectos, ao aumento na intensidade de nucleação no banho (9) e por se evitar adições já que a composição do gusa é muito próxima a do banho. O uso excessivo de sucata de aço poderia resultar numa maior dispersão nos resultados. Ainda assim o máximo de gusa utilizado pelo autor é de 45% de gusa acompanhado por 40% de retorno e 15% de sucata. A verificação da forma e tamanho da grafita realizada, em amostras não atacadas, de acordo a norma alemã VDG P 441 que usa padrões de comparação, mostrou que esses parâmetros praticamente não variam com a alteração do carregamento. Essa análise indicou para todas as amostra grafita com morfologia V VI e tamanho entre e 7-8, sendo que a maioria se

7 enquadrou no tamanho A verificação da forma e tamanho da grafita segundo a norma alemã VDG PH 41 mostrou que esses parâmetros praticamente não foram afetados pela alteração na composição da carga. Segundo Castelo Branco (4) no que se refere à morfologia da grafita, esta não sofre modificação sensível nos nodulares, uma vez que é alterado apenas o número e conseqüentemente, o tamanho de nódulos, o que não modifica significativamente o efeito de entalhe. Ocorre, porém, uma diminuição do carbono durante a reação eutetóide, o que favorece a formação de ferrita. A resistência mecânica praticamente não será alterada, se a matriz metálica não sofrer modificações sensíveis, isto é, quando a variação da proporção perlita / ferrita for pouco significativa. As figuras 3 a 5 apresentam, respectivamente, a variação do Limite de Resistência (MPa), Limite de Escoamento (MPa) e Elongação (%) em função da quantidade de gusa na carga, para a primeira e a segundo experiências. Nesses gráficos as curvas traçadas foram as referentes às médias de todos os ensaios realizados em corpos de prova da 1ª e a 2ª experiências. Pode-se observar que com o aumento da quantidade de gusa na carga metálica, há uma tendência ao acréscimo do limite de resistência à tração e do limite de escoamento, acompanhado de um decréscimo de elongação. Figura 3 Efeito da Quantidade de Gusa na Carga sobre o Limite de Resistência. Figura 4 efeito da Quantidade de Gusa na Carga sobre o Limite de Escoamento.

8 Figura 5 Efeito da quantidade de Gusa na Carga sobre Elongação Percentual. A similaridade das curvas da figura 2 e 5 que representam, respectivamente, a variação na porcentagem de ferrita na matriz e a variação na elongação percentual com o aumento do teor de gusa permitem concluir a matriz determinante no comportamento mecânico em tração. Pequenos desvios podem ser atribuídos a outros fatores como composição química, quantidade e morfologia de nódulos, etc. A Tabela 4 mostra adequação dos resultados de tração às normas mais comumente utilizadas para essa classe de material. Tabela 4 Adequação dos Resultados de Tração a diversas Normas. NORMAS L 0 L 10 L 35 L 55 L 70 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª 2ª DIN GGG 40 T T T T T T A T T N DIN GGG 40.3 A T A T T T N N A N SAE D 4018 A A A A T T N N A N SAE D 4512 N N N N T T T T T A ASTM A A A A T T N N A N ASTM N N N N T T T T T A ABNT FE T T T T T T N N A N ABNT FE T A T A T T T T T T T Todos os corpos de prova atendem a norma. A Alguns corpos de prova atenderam a norma. N Nenhum corpo de prova atendeu a norma. As ligas 35 (35% gusa; 45% sucata de aço; 20% retorno) foi a única cujos resultados de todos os corpos de prova (da 1ª e 2ª experiência) atenderam às especificações mínimas de todas as norma. As composições com microestrutura mais ferrítica (teor de gusa máximo igual a 35%) atenderam bem às classes GGG 40 e ABNT FE 38017, com os resultados de todos os corpos de prova enquadrados nessas classes. Já classe ABNT FE que combina resistência elevada com

9 moderada elongação é atendida parcialmente pelas ligas 0 (zero) e 10 e por todos os corpos de prova das demais composições. CONCLUSÕES. Dentre o espectro de condições abordadas neste trabalho pode-se concluir que: A matriz do ferro fundido pode se alterada com o tipo de carregamento utilizado no forno. Matrizes com porcentagem de ferrita superior a 80% foram obtidas para composições com até 35% de gusa sendo que em todas as composições o teor de retorno foi de 20% e o restante sucata de aço. O efeito da composição da carga sobre a matriz atribuído principalmente às adições de FeSi e grafite efetuadas durante a fusão que promoveram ema intensa nucleação. O comportamento mecânico em tração refletiu principalmente as diferenças observadas na quantidade de ferrita presente nas diversas ligas. Os nódulos apresentaram morfologia, tamanho e distribuição dentro de uma faixa relativamente estreita não tendo influência marcante sobre as propriedades em tração. A liga 35 (35% gusa; 45% sucata de aço; 20% retorno) foi a única cujos resultados de todos os corpos de prova (da 1ª e 2ª experiências) atenderam às especificações mínimas de todas as norma mais utilizadas para essa classe de material. As composições com microestrutura mais ferrítica (teor de gusa máximo igual a 35%) atenderam bem às classes GGG 40 e ABNT FE AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem o apoio financeiro da THYSSEN FUBDIÇÕES, do CNPq e da fundação Universitária José Bonifácio (FUJB). BIBLIOGRAFIA: 1. BERTOLI, C. e ROHRIG K.; Seleção e Efeito Gerais de Elementos de Ligas em Ferro Cinzentos e Nodulares, Revista Fundição, Março MELLO, G.H.T. e CARMO, D.J.; Correlação entre Microestrutura e Propriedades Mecânicas do Ferro Fundido com grafita esferoidal 3º seminário Tecnológico Junho 1992 Itaúna Mg. 3. ALBERTIN, E.; Efeito da Composição Química e do Número de Nódulos na Obtenção de Ferros Fundidos Nodulares Ferríticos ; Contribuição Técnica Nº 2005 Seminário sobre Desenvolvimento Tecnológicos Fundição Novembro / CASTELLO BRANCO. A.H.; Metalurgia dos Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares, IPT, LIN, Y.F., LUI, T.S. e CHEN, L.H.; Effect of Triaxial Stress on Ductility and Fracture Morphology of Ferritic Spheroidal Graphite Cast Iron, Metallurgical Transactions a, vol. 25 A, nº 4, apr. 94, pp SAPPOK, M.H. e HANS, J.; Ductile Iron Containers for Hardous Wastes, Foundry Management & Technology, vol. 120, nº 3, mar 92, pp

10 7. TAVARES, F.C.L., SOARES, G.D.A. e MONTEIRO, M.S.C.; O efeito da Diminuição do Teor de Silício na Sanidade de Ferros Fundidos Nodulares, CONAF 95, pp PIESKE, A., CHAVE FILHO, L.M. e REIMER, J.F.; Ferros Cinzentos de Alta Qualidade, Sociedade Educacional Tupy 3º edição, 1980, 9. CASTELLO BRANCO, C.H. e REIMER, J.F.; Aspectos Metalúrgicos na Produção de Ferro Fundidos em Fornos de Indução a Cadinho. 10. DEIKER, R. ; O Ferro-Gusa Oferece a Vantagem de um Menor Custo à Fundição ; fundição e Serviços Junho PARENT, S.; MANTOVAN, A.; The influence of Charge Materiais on Grey Cast Iron, Techonology Report Foundry International, dec 93, pp CASPERS, K.H.; Influence of Steel Scrap and Burden Additives in Induction Furnaces on the Tendency for Defect Formation in Cast Iron AFS. 13. OLIVEIRA, M.M.; Elementos Residuais em ferros Fundidos Nodulares, Informações Técnicas Fundição nº 129, SENAI-MG, Ferros Fundidos ligados: Influência do Silício, alumínio, titânio e Elementos Diversos, Itauna, SOUZA SANTOS, A.B.; Efeito de Algumas Variáveis na Inoculação dos Ferros Fundidos, CONAF 93, pp BENECKE, T. et al.; Effect of Stress on Ductility and Fracture Morphology of Ferritic spheroidal Graphite Cast Iron, Metallurgical Transactions A, vol. 25 A, pp