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1 DETERMINAÇÃO DA JANELA DE PROCESSO DE UM FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO (ADI) SEM ADIÇÃO DE ELEMENTOS DE LIGA ATRAVÉS DE ENSAIOS MECÂNICOS E METALOGRÁFICOS Marcos E. Balzer 1 e C. A. S. Oliveira 2 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC) Tratamento Térmico, Joinville/SC, Brasil, Fone(0xx47) , Fax (0xx47) balzer@sociesc.com.br 2 Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Universitário - Trindade LabConf, Florianópolis/SC, Brasil, Fone (0xx48) carlosa@emc.ufsc.br O presente trabalho apresenta a influência do tempo de austêmpera na microestrutura e nas propriedades mecânicas de um ferro fundido nodular austemperado sem adição de elementos de liga. A temperatura de austêmpera foi de 370ºC e os tempos no patamar isotérmico (austêmpera) variaram de 3 a 225 minutos. Os resultados dos ensaios de tração e dureza evidenciaram que para uma faixa de tempo entre 15 e 180 minutos se obtém os maiores valores de resistência mecânica. As micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura mostraram que para tempos curtos de austêmpera (3 a 15 minutos) já existe formação de ferrita acicular nucleada a partir dos contornos de grão da austenita e dos nódulos de grafita. Em tempos intermediários (15 a 180 minutos) observou-se a predominância de estrutura ausferrítica, e para tempos longos (acima de 180 minutos) observou-se uma estrutura mais refinada, indicando uma possível formação de carbonetos. Nas análises de fratura observou-se comportamento frágil e dúctil-frágil para tempos muito curtos e muito longos de austêmpera, respectivamente. Para tempos intermediários (entre 15 e 180 minutos) observou-se a predominância de comportamento dúctil. Palavras-chave: Austêmpera, Ferro Fundido Nodular, Ferrita Acicular, Austenita Retida de Alto Carbono. INTRODUÇÃO O desenvolvimento do ADI (Austempered Ductile Iron) é uma das maiores realizações em tecnologia de ferro fundido nodular (1). O tratamento térmico de austêmpera possibilita que esse material retenha austenita de alto carbono e ferrita acicular na temperatura ambiente possibilitando a combinação de uma série de propriedades mecânicas dentre as quais se destacam a resistência à tração, tenacidade e resistência a abrasão (1,20). É importante não confundir os mecanismos de austêmpera dos aços e dos ferros fundidos. Nos aços, a reação de austêmpera ocorre em apenas uma etapa, ou seja, a austenita transforma - se em ferrita e carbonetos precipitados (bainita) (2). Já nos ferros fundidos nodulares a reação de austêmpera ocorre em dois estágios. No primeiro estágio a austenita se transforma em ferrita acicular e austenita retida de alto carbono, por nucleação e crescimento a partir dos nódulos de grafita e dos contornos de grão da austenita. No segundo estágio, a austenita retida de alto carbono transforma-se em bainita (2,3). Durante a formação de ferrita acicular ocorre o particionamento do carbono da ferrita que difunde-se para a austenita por diferença de solubilidade dos dois microconstituintes. A tendência a 3115

2 formação de carbonetos nesta etapa (como ocorre nos aços) é inibida pela ação do silício que aumenta a difusividade do carbono para o interior da austenita (2,4,10). O tratamento térmico de austêmpera para ferros fundidos nodulares é mostrado na Figura 1. Primeiramente, o material é aquecido e mantido em temperatura de austenitização (825 a 950ºC) durante um tempo suficiente para saturar a austenita de carbono. Em seguida faz-se um resfriamento rápido até a temperatura de austêmpera (230 a 400ºC) e permanece por um tempo suficiente para que ocorra formação da ferrita acicular e austenita retida de alto carbono sem a precipitação de carbonetos. A seguir resfria-se o material ao ar até a temperatura ambiente (1,5,6,9). T E M P E R A T U R A PERLITA FERRITA e AUSTENITA BAINITA TEMPO Figura 1: Esquema mostrando o ciclo térmico de austêmpera para um ADI (1). A medida que aumenta-se o tempo de austêmpera aumenta-se o teor de austenita retida de alto carbono até um determinado patamar quando então cessa o primeiro estágio da reação. Após um determinado tempo inicia-se a segunda etapa da reação através da formação de carbonetos pela liberação de carbono da austenita. O tempo entre o primeiro e o segundo estágio é chamado de janela de processo (6,7). Durante as etapas de austenitização e austêmpera ocorre a difusão de carbono pela austenita. É, portanto fundamental que o ferro fundido tenha condições metalúrgicas favoráveis a esse mecanismo. Os procedimentos, durante a fundição, para obter um ADI são os mesmos que se devem ter para obter um ferro nodular de qualidade, ou seja, é necessário uma ampla distribuição e uma alta contagem de nódulos de grafita, assim como um baixo nível de segregação dos elementos de liga (1,7,8). Existem várias normas que especificam o ADI de acordo com as propriedades mecânicas. No Brasil a norma mais aceita é a ASTM 897M (1990) conforme a Tabela I. Tabela I: Classes do ADI segundo ASTM 897M (1990) Classe Propriedades mínimas especificadas Dureza LR (MPa) LE (Mpa) A (%) I (J) (HB) De modo geral, as classes do ADI são alcançadas de acordo com as temperaturas de austêmpera empregadas. Temperaturas altas (em torno dos 400ºC) provocarão o aparecimento de ausferrita grosseira, com aproximadamente 60% de ferrita acicular e 40% de austenita retida de 3116

3 alto carbono, como conseqüências obtêm-se altos valores de alongamento (acima de 10%) e limite de resistência em torno de 850 MPa. Temperaturas baixas (em torno de 250ºC) provocarão aparecimento de ausferrita refinada, com aproximadamente 85% de ferrita acicular e 15% de austenita retida de alto carbono, como conseqüência obtém-se baixos valores de alongamento (abaixo de 2%) e limite de resistência em torno de 1600 MPa (1,8). O objetivo deste trabalho é verificar através de ensaios de tração, dureza e microscopia eletrônica de varredura os tempos de austêmpera onde está situada a janela de processo de um ADI sem adição de elementos de liga. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Primeiramente foram moldados blocos em Y de 25 mm de espessura de acordo com a norma ABNT-MBR A fusão foi realizada em forno elétrico a indução de média freqüência com capacidade para 300 Kg de material. A análise da composição final da liga foi realizada por espectrômetro de emissão ótica a partir de moedas coquilhadas. Os resultados são apresentados na Tabela II. Tabela II: Composição química obtida. Elemento C Si Mn Mg P S Teor (%) 4,4 2,39 0,11 0,05 0,061 0,012 Os corpos de prova de tração foram usinados a partir dos blocos Y de acordo com a norma DIN Os tratamentos térmicos de austêmpera nos corpos de prova foram realizados da seguinte forma: Pré-aquecimento a 450ºC durante 1hora em forno tipo câmara aberto; austenitização a 890ºC durante 1 hora e 25 minutos em forno de banho de sais neutro; transferência para forno de austêmpera em banho de sais a 370º C. Inicialmente, os corpos de prova foram retirados do banho de austêmpera a cada três minutos até completar 15 minutos, e a seguir foram retirados a cada 15 minutos até completar 225 minutos. Foram utilizados três corpos de prova por condição. A seguir foi realizado ensaio de tração a temperatura ambiente em máquina universal de ensaios conforme a norma NBR 5152 e o ensaio de dureza Brinell segundo a norma NM 187-1:99. A análise microestrutural, por microscópio eletrônico de varredura (MEV), foi realizada de modo a evidenciar as diferentes etapas da reação de austêmpera. As fraturas obtidas nos corpos de prova de tração foram analisadas por MEV. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados dos ensaios mecânicos são apresentados na Tabela III e representados graficamente na figura 2. Observou-se para tempos curtos de austêmpera (até o intervalo 12 minutos) menores valores de limite de escoamento (de 581 a 740 MPa), Figura 2(a), e limite de resistência (de MPa), Figura 2(b). Devido ao pequeno tempo de austêmpera a formação de ferrita acicular é interrompida e parte da austenita que permanece, durante o resfriamento, se transforma em martensita. Esta martensita é responsável pela fragilização parcial do material, conforme pode ser evidenciado pelo valor do alongamento, Figura 2(c). A fratura da amostra com 3 minutos de austêmpera, figura 3(d), também evidencia alguns planos de clivagem, característicos de fratura frágil. 3117

4 Tabela III: Resultados dos ensaios de tração e dureza Tempo (min) LR (MPa) LE (MPa) Alongamento (%) Dureza (HB) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Limite de Escoamento Limite de Resistência (Mpa) (a) Tempo em minutos (b) Tempo em minutos Alongamento Tempo em minutos Figura 2: Representação gráfica dos resultados obtidos no ensaio de tração. (a) limite de escoamento; (b) Limite de resistência; (c) alongamento 3118

5 Os valores de limite de resistência, limite de escoamento e dureza mostrados respectivamente na Figura II (b) e (a) e na tabela III não evidenciaram o início do segundo estágio da reação de austêmpera. Porém analisando os valores de alongamento na Figura II (c) e Tabela III pode-se observar uma tendência a queda após o intervalo de tempo entre 180 e 195 minutos, indicando uma possível formação de carbonetos neste intervalo. Comparando-se as micrografias da figura 3 (b) e (c) observa-se que para tempos mais longos de austêmpera (225 minutos) a microestrutura se apresenta mais refinada. Segundo Baumer e Guedes (5) não é possível evidenciar, por microscopia eletrônica de varredura, a diferença entre uma estrutura mista ferrítica-bainítica de uma estrutura totalmente ausferrítica, porém o refino da microestrutura é uma evidência de que o segundo estágio da reação já iniciou. Observando a Figura 3 (e) e (f) notou-se que a fratura para 150 minutos de austêmpera apresenta-se com aspecto dúctil. Já para tempo de 225 minutos a fratura apresenta um aspecto misto, ou seja, parcialmente dúctil, o que serve como mais uma evidência de que para esse tempo de austêmpera já iniciou-se o segundo estágio da reação. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura 3: Aspectos microestruturais e de fratura do ADI para as seguintes condições: (a) microestrutura após 3 minutos de austêmpera (MEV 1000X); (b) microestrutura após 150 minutos de austêmpera (MEV 1000X); (c) microestrutura após 225 minutos de austêmpera (MEV 1000X); (d) fratura após 3 minutos de austêmpera (MEV 500x); (e) fratura após 150 minutos de austêmpera (MEV 500X); (f) fratura após 225 minutos de austêmpera (MEV 500x) CONCLUSÕES Os resultados dos ensaios mecânicos e metalográfico mostram que para um ADI sem adição de elementos de liga o início da janela de processo se dá após o tempo de 15 minutos de austêmpera. 3119

6 Os resultados de dureza, limite de resistência e limite de escoamento não são suficientes para determinar o final da janela de processo de austêmpera de um ADI sem adição de elementos de liga. Já os resultados de alongamento evidenciam o final da janela de processo e início do segundo estágio da reação. O aparecimento de uma estrutura mais refinada, assim como o aspecto misto da fratura (dúctil e frágil) também são evidências de que para longos tempos de austêmpera (225 minutos) já existem precipitações de carbonetos resultantes do início do segundo estágio da reação. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a empresa Schulz S.A. pela realização dos ensaios mecânicos, a Universidade Federal de Santa Catarina pelas análises metalográficas, a Fundição da SOCIESC pelos materiais e equipamentos para fundição da liga, ao Laboratório de Materiais da SOCIESC pelas análises químicas e ao Tratamento Térmico da SOCIESC em especial aos colegas Luiz Fernando Bublitz, Durval Böge e Jair Petry pelo apoio técnico na realização dos tratamentos térmicos. REFERÂNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. D.J. Carmo, J.F. Dias, Ferro Fundido Nodular Austemperado ADI, L.C. Chang, Scripta Materialia, Vol. 39, No.1, pp , A. Trudel, M. Gagne, Canadian Metallurgical Quartely, Vol. 36, No. 5, pp , J. Tartera, M. Marsal, J. Símon, Fundición, Barcelona, Nov./Dez., I. Baumer, L.C. Guedes, Metalurgia-ABM, Vol. 45, No. 383, outubro J.A. Vaccari, MM/Fundição e Serviços, outubro B.V. Kovacs, Modern Casting. Des Plaines, V. 80, No. 3, p , mar B.V. Kovacs, Word Conference on Austempered Ductile Iron. Des Plaines, AFS, V.1, p , il. Chicago, L.C. Guedes, W.L. Guesser, P.V.Duran, A.B.S.Santos, Metalurgia&Materiais-ABM, Vol.49, No. 420, agosto A. Kutsov, Y. Taran, K.Uzlov, A.Krimmel, M.Evsyukov, Materials Science&Engineering A (1999)

7 THE WINDOW PROCESS DETERMINATION OF AN AUSTEMPERED DUCTILE IRON WITHOUT ALLOY ADITIONS BY MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL TESTS Marcos E. Balzer 1 e C. A. S. Oliveira 2 1 Sociedade Educacional de Santa Catarina (SOCIESC) Tratamento Térmico, Joinville/SC, Brasil, Fone(0xx47) , Fax (0xx47) balzer@sociesc.com.br 2 Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Universitário - Trindade LabConf, Florianópolis/SC, Brasil, Fone (0xx48) carlosa@emc.ufsc.br This work aimed about the effect of austempering time on the microstructure and mechanical properties of autempered ductile iron without alloy additions. The austempering temperature was C and time was between 3 and 225 minutes. The mechanical tests and the microstructure showed the window process was between 15 and 180 minutes. Keywords: Austempered ductile iron, acicular ferrite, retained austenite 3121