EFEITO DO REVENIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO André Bragança Carvalho França, andre.braganca@sga.pucminas.br 1 Ernane Rodrigues da Silva, ernanerodrigues@gmail.com 1 José Rubens Gonçalves Carneiro, joserub@pucminas.br 2 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET MG), Av. Amazonas 5253 - Bairro: Nova Suiça, Belo Horizonte - MG - CEP 30421-056 2 Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC MG), Av. Dom José Gaspar, 500 - Coração Eucarístico - Belo Horizonte - MG - CEP 30535-901 Resumo: O ferro fundido nodular austemperado, mais conhecido como ADI (Austempered Ductile Iron), é um material importante devido às suas elevadas propriedades mecânicas de ductilidade, resistência à fadiga, tenacidade e tribológicas, podendo ser utilizado em substituição a aços conformados e tratados termicamente. Neste trabalho, propou-se comparar as propriedades mecânicas e microestrutura do ferro fundido nodular austemperado à temperatura de 320 C e revenido. Para atender esses objetivos, amostras de ferro fundido nodular foram fundidas por gravidade no formato de blocos dupla quilha. Esses blocos dupla quilha foram cortados, usinados e austenitizados em 900 C durante 1 hora e, em seguida, resfriados em banho de austêmpera na temperatura de 320 C onde permaneceram por tempo de 15 minutos antes do resfriamento em salmoura até a temperatura ambiente. Em seguida, parte das amostras foi submetida ao tratamento térmico de revenimento nas temperaturas de 200, 400, 450, 500, 550 e 600 C nos tempos de 10 a 14400 minutos em cada temperatura. Todas as amostras foram preparadas para análise metalográfica, submetidas a ensaio de dureza Vickers e ensaios de tração. Palavras-chave: ADI, austêmpera, ferro fundido nodular, ADI revenido. 1. INTRODUÇÃO O ferro fundido nodular tem excelente fundibilidade, usinabilidade, capacidade de amortecimento e baixo custo de produção (Lin; Lui; Chen, 1997). Os fatores que afetam as propriedades mecânicas do ferro nodular incluem a composição química, o tamanho, distribuição e forma dos nódulos da grafita, o tamanho e morfologia das dendritas primárias, relação ferrita/perlita, tamanho de grão da ferrita e espaçamento interlamelar da perlita (Chuzhoy et al., 1997). O ferro fundido nodular austemperado (ADI) é obtido a partir de um tratamento térmico de austêmpera aplicado ao ferro fundido nodular. A peça após fundição é austenitizada e, posteriormente, resfriada até o campo bainítico, objetivando estrutura e propriedades mecânicas compatíveis aos aços ultra resistentes com menor consumo de energia na produção. A matriz obtida nesse processamento também é referida como ausferrita, microestrutura constituída por austenita retida com alto teor de carbono que a torna estável em temperatura ambiente e ferrita (Kim et al, 2008). A associação da microestrutura ferrítica com a microestrutura austenítica é o que confere ao ADI a ductilidade (Campos- Cambranis et al., 1998). Entretanto, isto causa alguns problemas. A microestrutura austenítica possui uma taxa de endurecimento de trabalho mais elevada que a ferrítica, transformando-se, quando solicitada plasticamente, em martensita (Putatunda, 2006). Em razão de suas propriedades mecânicas, o ADI está sendo utilizado em estruturas de componentes automotivos, agricultura, mineração e equipamento de construção civil (Yang; Putatunda, 2005). 2. JUSTIFICATIVA A associação da microestrutura ferrítica com a microestrutura austenítica é o que confere ao ADI a ductilidade (CAMPOS-CAMBRANIS et al., 1998). Entretanto, a presença da austenita causa alguns problemas. A microestrutura austenítica possui uma taxa de endurecimento de trabalho mais elevada que a ferrítica e é mecanicamente instável, transformando-se, na deformação plástica, em martensita (PUTATUNDA, 2006). Para alguns componentes mecânicos utilizados na indústria automobilística, tais como engrenagens, eixos, etc., essa transformação pouco interfere na vida útil do componente. Entretanto, em componentes externos ao motor, tais como componentes de direção, componentes de suspensões, etc. essa transformação resulta um decréscimo na vida útil do componente, pois esses estão sujeitos a impactos. Keough (2002) lista uma série de componentes utilizados na indústria com o ADI, tais como: componentes de suspensão ferroviários, suportes de suspensões para caminhões leves (General Motors), ganchos para caminhonetes leves (General Motors) e braço de direção do Mustang Cobra (Ford). Já Putatunda (2006), propõe o ADI livre de austenita para melhorar a usinabilidade do material.
3. OBJETIVOS Comparar a estrutura e propriedades mecânicas do ferro fundido nodular austemperado (ADI) com o ADI revenido; 4. MATERIAIS E MÉTODOS A carga utilizada para produção do ferro fundido nodular consistiu de 10% de sucata de aço baixo carbono, 30% de retorno de ferro nodular e 60% de ferro gusa nodular. Essa carga foi fundida em forno elétrico de indução, marca Inductotherm, em cadinho de capacidade útil de 1 t, elaborado conforme norma DIN 1693, classe GGG40. Posteriormente, o metal base passou por processo de nodularização e inoculação, para posterior vazamento em molde rígido em areia resinada. A nodularização foi elaborada através da técnica sandwich. Realizada simultaneamente com o tratamento de nodularização, a inoculação ocorre através da adição de compostos de ferro silício, com características fortemente grafitizantes. A adição do inoculante acontece juntamente com o material nodularizante antes ou durante a transferência do metal para panela, sendo adicionado diretamente no jato de metal, através de basculamento por meio de uma concha contendo o inoculante. Neste caso, foi utilizada a adição simultaneamente com material nodularizante o Fe-Si-Mg. A temperatura de vazamento foi de 1375ºC, (medida através de pirômetros de imersão calibrados, utilizando termopares descartáveis). As medições de temperatura do metal foram realizadas antes e, posteriormente, à nodularização. A panela é revestida com tijolo sílico-aluminoso, formato bico chaleira. As amostras para análises químicas foram retiradas através do vazamento em coquilhas de cobre refrigerada, antes do tratamento do metal base e, posteriormente, à adição de nodularizante e inoculante. A análise química foi feita na pastilha, em espectrômetro ótico de emissão, marca Shimadzu OHS5500. Posteriormente, à análise química, a panela foi transportada para a área de vazamento e, novamente, medida a temperatura de vazamento. O molde rígido em areia foi obtido através de processo de moldação semi-mecanizada, utilizando areia quartzosa preparada com resina fenólica alcalina e adição de triacetina como catalisador. O material foi obtido em blocos Y (ASTM A395). 4.1. Tratamentos Térmicos 4.1.1. Austêmpera O tratamento térmico de austêmpera consistiu na austenitização em forno de banho de sal à temperatura de 900 C com tempo de 1 hora, seguido de resfriamento em forno de banho de sal de austêmpera até à temperatura de 320 C. O controle dessas temperaturas foi feito através de termopar imerso no banho, e, o sinal de tensão jogado em computador de processo para registro e conversão em temperatura. O aquecimento destes fornos de banho de sal foi feito através de resistência elétrica e/ou combustão de gás natural. O tempo de manutenção nesta temperatura de austêmpera foi de 15 minutos (FRANÇA et al., 2012; PÉREZ et al., 2012; MEIER et al. 2013). Posteriormente a este tempo de manutenção, as amostras foram resfriadas em salmoura até a temperatura ambiente. 4.1.2. Revenimento O tratamento térmico de revenimento foi executado com a utilização de quatro muflas marca Lavoisier, modelo 4000 e 4008 e marca Magnus, modelo 0809 com controles de temperaturas feitos por controladores digitais marcas Warme, modelo WCTM-45 e marca Novus, modelo N1200-USB. O relé é do tipo eletrônico com precisão de temperatura de ± 0,1 ºC. 4.2. Dureza A medição em escala Vickers foi feita em equipamento marca Heckert modelo 308/100 com carga de 50 KP e a medição das diagonais foram feitas em microscópio ótico marca Zeiss, modelo AXIO Scope A1. Foram feitas doze medições em cada uma das amostras, eliminando-se a maior e menor medidas e calcula-se a média e o desvio padrão. 4.3. Metalografia Foram utilizadas as amostras austemperadas a 320 C com tempo de manutenção de 15 minutos e austemperadas e revenidas às temperaturas de 200, 400, 450, 500, 550 e 600 ºC em tempos de 10 a 14400 minutos. Para a caracterização do ferro fundido quanto à forma, distribuição e dimensão dos nódulos de grafita, utiliza-se microscópio óptico marca Zeiss, modelo AXIO Scope A1.
4.4. Tração Os blocos Y, no estado bruto de fusão, foram cortados em máquina de corte de fita marca Franho, usinadas em torno marca IMOR, modelo oficina 420 com a utilização de ferramenta de corte revestida por TiN, marca Mitsubishi, com sobremetal de 0,2 mm. Depois sofreram os tratamentos térmicos e usinados nas dimensões finais, conforme norma ASTM E-8M, 2013 (Figura 1). Figura 1. Corpo de prova para ensaio de tração conforme ASTM E8m (2013). Este ensaio foi realizado em máquina universal Wolpert, com acionamento hidráulico e células de carga de 30 t, acoplada em um computador com programa de controle, recebimento e tratamento de dados. A velocidade estipulada foi de 0,1 KN/seg. O valor do limite de escoamento foi obtido do gráfico tensão versus deformação, a partir da deformação de 0,2%. 5. ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS 5.1. Análise química A composição química do ferro fundido nodular em percentual de peso, utilizado nos ensaios, é apresentada na Tabela 1. Tabela 1. Composição Química da liga fundida. %C %Si %Mn %S %P %Cu %Mg 3,57 2,57 0,31 0,01 0,08 0,03 0,04 Essa composição química atende a especificação GGG40 DIN 1693, e o teor de magnésio de 0,04 evidencia a incorporação do mesmo e o seu efeito na morfologia da grafita esferoidal, conforme mostrado na Figura 2. 5.2. Durezas Figura 2. Microestrutura da amostra no estado bruto de fusão sem ataque químico. A Figura 3 mostra o perfil de durezas para as temperaturas e tempos de revenimento aplicados no material.
Figura 3. Perfil de durezas para os tempos e temperaturas de revenimento aplicados ao material. Percebe-se pela Figura 3 que temperaturas inferiores a 450 C pouco afetam a dureza do material, mesmo com o tempo de encharque de 24 horas. 5.3. Metalografia A Figura 4 mostra a microestrutura do ferro fundido nodular austemperado a 320 C por 15 minutos (Reagente Nital 2%). Figura 4. Micrografia da amostra austemerada a 320 C por 15 minutos. Verifica-se, pela Figura 4, a microestrutura típica do ADI constituído de ausferrita.
A Figura 5 mostra a microestrutura do ferro fundido nodular austempertado a 320 C por 15 minutos (Reagente Vilela). Ferrita acircular Bainita Figura 5. Micrografia da amostra austemerada a 320 C por 15 minutos. Evidencia-se, pela Figura 5, a formação da ferrita acicular no centro do grão com crescimento em direção ao contorno do grão bem como a formação de bainita nos contornos de grãos com crescimento em direção ao centro do grão (BHADESHIA; HONEYCOMBE, 2006). A Figura 6 mostra a microestrutura do ADI revenido a 600 C por 20 minutos (Reagente Nital 2%). (a) (b) Figura 6. ADI revenido a 600 C por 20 minutos. Percebe-se, pela Figura 6, a formação de novos nódulos de grafita disforme e ferrita globularizada, bem como o comportamento da ferrita assemelhando-se com a martensita revenida. A Figura 7 mostra a microestrutura do ADI revenido a 600 C por 60 minutos (Reagente Nital 2%).
(a) (b) Figura 7. ADI revenido a 600 C por 60 minutos. Na Figura 7, evidencia-se a formação de novos nódulos de grafita disforme e transformação da autenita em ferrita globularizada, Figura 7 (a). Percebe-se ainda a formação de carbonetos nos contornos de grãos da ferrita globularizada (Figura 7 (b)). 5.4. Tração Foram realizados três ensaios de tração para as temperaturas e tempos de revenimento de 200 C 1 hora, 400 C 1 hora, 450 C 1 hora, 500 C 1 hora, 550 C 1 hora e 600 C 1 hora. Usou-se a equação de Hollomon (Equação 1) para o regime plástico onde procedeu-se a linearização da equação (Equação 2) para obtenção dos valores de k e n. n (1) v ke v v ln k nev ln (2) Os resultados obtidos são demonstrados na Figura 8. Figura 8. Resultados dos ensaios de tração. Os resultados se mostraram compatíveis com o material, exceto pelo material revenido a 500 ºC. Fez-se uma comparação entre a dureza convertida de Vickers em Brinell com o limite de resistência e os resultados são apresentados na Figura 9.
Figura 9. Comparativo entre Tração e dureza. Calculou-se o fator de ajuste entre dureza e Limite de resistência que é apresentado na Tabela 2. Tabela 2. Relação de dureza e Limite de resistência. Temp. ( C) Tempo de encharque (min.) Dureza média (HB) LR médio experimental (MPa) LR médio / Dureza (HB) ADI 0 371,16 1247,73 3,36 200 60 343,00 1214,08 3,54 400 60 336,45 1248,51 3,71 450 60 338,01 1227,91 3,63 500 60 277,58 1020,14 3,68 500 150 298,61 974,133 3,26 550 60 267,90 812,66 3,03 600 60 284,72 953,04 3,35 Média Desvio Padrão 3,38 0,30 Os resultados obtidos para o fator de ajuste são muito próximos aos encontrados na literatura, validando dessa forma os ensaios de dureza. 6. CONCLUSÕES Observou-se no trabalho que temperaturas de revenimento inferiores a 500 C pouco afetam as propriedades mecânicas do ADI, enquanto temperaturas iguais e acima, têm um efeito drástico nas propriedades mecânicas e na microestrutura com a formação de novos nódulos de grafita disforme, transformação da austenita em ferrita globularizada bem como a precipitação de carbonetos nos contornos de grãos. 7. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET MG) pela oportunidade da realização do trabalho, bem como à Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC MG) pela disponibilização do laboratório de materiais de construção mecânica. Agradecem ainda a disposição da METALTEMPER Tratamentos Térmicos na realização dos tratamentos térmicos do trabalho. 8. REFERÊNCIAS (Times New Roman, negrito, tamanho 10) (espaço simples entre linhas, tamanho 10) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM A395-99, 2014, Standard Specification For Ferritic Ductile Iron Pressure-Retaining Castings for Use at Elevated Temperatures. West Conshohocken. BHADESHIA, H.K.; HONEYCOMBE, 2006, R. Steels, microstructure and properties. 3 edição, Londres: IOM Communications. Campos-Cambranis, R.E.; Narváez Hernández, L.; Cisneros-Guerrero, M.M.; Pérez-López, M.J., 1998, Effect of Initial Microstructure on the Activation Energy of Second Stage During Austempering of Ductile Iron, Scripta Materialia, v. 368, n. 8, p. 1281-1287. Chuzhoy, L.; Pershing, M.A.; Biltgen, G.L.; Guo, X., 1997, A mechanical properties model for ductile iron. American Foundry Society Transactions, p. 321-324.
FRANÇA, A.B.C.; CARNEIRO, J.R.G; BRITO, P.P.; SOUZA, P.S.; SIQUEIRA, W.A.; SILVA, W.M., 2012, Comparação de desgaste, prorpiedades mecânicas e físicas entre ferro fundido austemperado e ferro fundido nodular In: Congresso anual ABM 67, 2012, Anais..., Rio de Janeiro: ABM. Keough, J.R., 2002, ADI Developments in North America-Revisited 2002, Applied Process Inc. Technologies Div. Livonia. Kim, Y.J.; Shin, H.; Park, H.; Lim, J.D., 2007, Investigation into mechanical properties of austempered ductile iron (ADI) in accordance with austempering temperature Materials Letters, v.62, n. 3, p. 357-360. Lin, S.C.; Lui, T.S.; Chen, L.H., 1997, Effect of matrix structure on resonant failure of SG cast irons. American Foundry Society Transactions p. 753-756. MEIER, L.; HOFMANN, M.; SAAL, P.; VOLK, W.; HOFMANN, H., 2013, In-situ measurement of phase transformation kinetics in austempered ductile iron, Material Characterization, v. 85, p. 124-133. PÉREZ, M.J.; CISNEROS, M.M.; ALMANZA, E.; HARO, S., 2012, Kinetic study of the austempering reactions in ductile irons, Journal of Materials Engineering and Performance, v. 2, n. 11, p. 2460-2466. Putatunda, S. K., 2006, Development of austenite free ADI (austempered ductile cast iron) Materials Science and Engineering v. 435-436, n. 5, p. 112-122. Yang, J.; Putatunda, S.K., 2005 Near threshold fatigue crack growth behavior of austempered ductile cast iron (ADI) processed by a novel two-step austempering process iron (ADI) Materials Science and Engineering A v. 393 p. 254-268. 9. DIREITOS AUTORAIS (Times New Roman, negrito, tamanho 10) Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho. EFEITO DO REVENIMENTO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DO FERRO FUNDIDO NODULAR AUSTEMPERADO André Bragança Carvalho França Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais CEFET MG Ernane Rodrigues da Silva Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais CEFET MG José Rubens Gonçalves Carneiro Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais PUCMG Abstract: The austempered nodular cast iron, as known ADI (Austempered Ductile Iron), is an important material due to its high mechanical properties of ductility, fatigue resistance, toughness and tribological and may be used instead shaped steel and heat treated. This study is comparing the mechanical properties, wear and microstructure of ductile iron austempered at a temperature of 320 C and tempering. To meet these objectives, samples shall be ductile iron castings by gravity in the double keel block format. These blocks are cut, machined and austenitized at 900 C for 1 hour and then cooled in salt bath at temperature of 320 C where they remain for the time 15 minutes prior to cooling to room temperature brine. Then, part of the samples were subjected to tempering heat treatment at temperatures of 200, 400, 450, 500, 550 and 600 C at the times of 10 to 14400 minutes at each temperature. All samples were prepared for metallographic analysis, Vickers hardness and tensile. Key words: ADI, austempering, ductile iron, tempered ADI.