INFLUÊNCIA DA DESGASEIFICAÇÃO POR INJEÇÃO NA MICROESTRUTURA E RESISTÊNCIA AO IMPACTO DO AÇO ASTM-A 216-08 GR WCC Ninin, S. W. 1 ; Maluf, O. 2 ; Farah, A. F. 2 ; Bosquetti, P. 2 Rua Jordão Borghetti, 480 - Bairro São João, Sertãozinho SP, CEP 14170-120 alfatec2011@bol.com.br 1 Pama Mecânica e Fundição Ltda.; 2 Faculdade de Tecnologia de Sertãozinho RESUMO O presente estudo analisou os efeitos da injeção de gás-argônio sobre as principais características quantitativas e qualitativas de peças geradas em uma fundição. O estudo foi realizado no aço ASTM-A 216-08 GR WCC, com e sem a injeção de gás argônio. Foi aplicado gás-argônio no veio central do cadinho, sob pressão, durante certo tempo. Para a análise dos resultados foram coletados corpos de prova preparados segundo a norma ASTM A370. Foram retiradas amostras para análise metalográfica e ensaio de impacto. Na análise metalográfica observou-se uma formação estrutural mais distribuída e refinada nas amostras com aplicação de argônio e os resultados dos ensaios de Impacto mostraram que o método de injeção de gás resultou em valores significativos. Foi possível concluir que a aplicação do gás-argônio, neste tipo de aço fundido, é de extrema funcionalidade aumentando significativamente algumas características mecânicas e estruturais do material. Palavras-chave: desgaseificação, fundição, microestrutura, tenacidade. INTRODUÇÃO As fundições no Brasil estão presentes em grande parte dos Estados, produzindo desde peças simples de uso doméstico até as mais sofisticadas como autopeças de veículos, componentes de máquinas e equipamentos de uso industrial. 5110
A demanda crescente por aços de elevada limpidez tem proporcionado às empresas o desenvolvimento de práticas especiais de fabricação, condicionamento e de seleção de materiais mais apropriados, de acordo com cada tipo de aplicação. A presença de inclusões não metálicas no aço afeta sua ductibilidade, tenacidade, resistência, fadiga e usinabilidade. Uma das possíveis maneiras de se obter a redução do conteúdo de inclusões no aço seria a injeção de gases inertes. Os aços limpos são uma realidade da qual não se pode fugir. O desenvolvimento de tecnologias e práticas operacionais visando melhoria dos produtos com menor custo de produção é um desafio para uma maior competitividade entre as empresas. O processo de fundição consiste em fabricar moldes, preparar e fundir metais. O produto da fundição é uma peça que pode variar em peso, como também em composição química (RESENDE, 1992). Após o processo de moldagem ocorre o vazamento do metal e as peças ficam dispostas por algum tempo até que ocorra a solidificação do metal liquido dentro do molde. O tempo de solidificação também é variado e depende de diversos fatores como: tipo de liga metálica utilizada e o tamanho e forma das peças. A seqüência do processo é a desmoldagem, onde ocorre a quebra do molde de areia e a retirada da peça fundida de seu interior. As operações produtivas subseqüentes variam muito de acordo com o tipo de peça, com o seu destino de uso, com o tipo de liga metálica, entre outros. As inclusões não metálicas estão sempre presentes nos aços. Podem ser originárias dos processos de refino e solidificação ou ainda oriundas de fontes externas. Existem dois tipos de inclusões não metálicas: endógenas, originárias de produtos de desoxidação e reoxidação do banho ou quando o aço é solidificado; e exógenas, originárias de erosão de refratários, arraste de pó de molde ou da incorporação de escória no banho. As inclusões endógenas são inerentes ao processo e estão em equilíbrio químico com os constituintes do aço, de modo que não podem ser completamente eliminadas, apenas minimizadas. Já as exógenas podem ser eliminadas através de melhores controles dos processos. (MILLMAN, 2004) As inclusões não metálicas podem ser classificadas pelo formato, composição química ou tamanho e são responsáveis por problemas ao longo do processo ou causar defeitos no produto final. Não somente a quantidade de inclusões, mas também o cuidado quanto ao tamanho é muito importante. Às vezes, uma única inclusão entre 20 e 150µm pode causar defeito catastrófico no produto (MILLMAN, 2004). Assim, evitar inclusões maiores que certo tamanho crítico, torna-se 5111
extremamente importante para o processo. Dependendo da aplicação do produto, a presença de inclusões pode prejudicar algumas propriedades mecânicas. Segundo Zhang (2003), as fontes de inclusão podem ser oriundas de produtos de desoxidação (a alumina formada da reação do oxigênio dissolvido no banho com alumínio adicionado como desoxidante); produtos de reoxidação (formados quando o alumínio remanescente no banho é oxidado pelo FeO, MnO, SiO 2 ou outros óxidos da escória ou revestimentos refratários); arraste de escória; sujeira no distribuidor (Panela); quebra de refratários; e reações químicas. Os efeitos prejudiciais das inclusões no aço atuam diretamente nas suas propriedades mecânicas. As inclusões que afetam as propriedades são principalmente óxidos e sulfetos, cujos tamanhos podem variar, e a sua forma também influencia no comportamento da matriz metálica (SIMENSEN, 1992). A tenacidade é afetada negativamente, pois as inclusões nucleiam trincas devido à concentração de tensões localizadas, propiciando, assim a sua diminuição. A soldabilidade dos aços e a resistência à corrosão dos mesmos também são prejudicadas pela presença das inclusões (KISSLING, 1989). MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais analisados foram produzidos na Pama Mecânica e Fundição Ltda., localizada na cidade de Sertãozinho-SP. O material era analisado após a fusão visando o atendimento à composição química estabelecida por norma e após a liberação dava-se início ao processo de desgaseificação do metal líquido. Após o processo de desgaseificação o metal era transferido para uma panela de vazamento onde era realizada a desoxidação do metal com elementos químicos de potencial de reação desoxidante elevado visando que não ocorresse a reoxidação líquida. Para a realização do estudo foi utilizado o aço ASTM A216 GR WCC, cuja composição encontra-se descrita na Tabela 1. Tabela 1: Composição química do material ASTM A216 GR WCC. COMPOSIÇÃO QUÍMICA (% Max.) C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu V 0,25 0,6 1,2 0,04 0,04 0,5 0,2 0,5 0,3 0,03 Fonte: Pama Mecânica e Fundição (2013). 5112
As aplicações do aço ASTM A216 GR WCC vão desde a fabricação de válvulas industriais até a utilização em componentes acionadores de turbinas hidroelétricas, entre outras aplicações. O estudo foi realizado durante um período de 12 meses, utilizando 05 corridas do aço ASTM A216 GR WCC, com e sem a utilização de injeção de gás-argônio. As composições das corridas são mostradas na Tabela 2. Tabela 0: Composição química dos lotes do aço ASTM A216 GR WCC utilizados. Amostras Elementos químicos (%) C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu 1 0,220 0,340 1,100 0,020 0,013 0,160 0,050 0,030 0,040 2 0,210 0,340 1,140 0,022 0,013 0,150 0,050 0,040 0,040 3 0,210 0,340 1,140 0,022 0,013 0,140 0,050 0,030 0,040 4 0,220 0,350 1,100 0,021 0,013 0,120 0,050 0,030 0,060 5 0,220 0,380 1,150 0,021 0,014 0,100 0,040 0,030 0,050 6 0,200 0,340 1,110 0,020 0,013 0,100 0,040 0,030 0,060 7 0,210 0,350 1,100 0,018 0,012 0,100 0,050 0,030 0,050 8 0,220 0,290 1,080 0,022 0,015 0,130 0,050 0,050 0,060 9 0,200 0,330 1,120 0,021 0,016 0,090 0,040 0,030 0,060 10 0,220 0,390 1,080 0,022 0,012 0,070 0,030 0,030 0,050 Fonte: Pama Mecânica e Fundição (2013). A válvula utilizada para a injeção do gás era em formato de lança, adquirida de fornecedor específico e continha dimensões de 0,06mx1,0m e um único orifício na ponta por onde era lançado o gás. A temperatura máxima de uso da lança de acordo com a especificação do fabricante é de 1700ºC. Era efetuado o aquecimento da lança de desgaseificação, com a finalidade de minimizar efeitos de choque térmico no contato da lança com o banho liquido. O gás utilizado no estudo foi o gás argônio. Não se utilizou outro tipo de gás porque para os tipos de aço de baixo carbono sempre é recomendada a utilização de um gás inerte. A vazão e a pressão adotadas foram estabelecidas após ensaios preliminares com diferentes parâmetros, sendo escolhidos os que mais atenderam as necessidades específicas para este estudo. Toda a tubulação passou por um processo de manutenção preventiva para a certificação da estabilidade do fluxo de gás e ausência de vazamentos de gás nas conexões. Esta medida é essencial, uma vez que vazamento podem ser pontos de infiltração de ar atmosférico, podendo causar um efeito oposto do esperado. 5113
Para a análise dos resultados foram coletados corpos de prova preparados segundo a norma ASTM A370. Além dos corpos de prova utilizados nos ensaios mecânicos, foram preparadas amostras para análise em microscopia óptica de acordo com a norma ASTM E112. RESULTADOS E DISCUSSÃO Conforme resultados descritos na Tabela 3, podemos observar que a injeção de gás-argônio durante o processo de fundição apresentou resultados significantes aos obtidos pelas amostras onde não foi empregada a injeção. Tabela 0: Resultados obtidos no ensaio de impacto. Comparando as médias gerais com e sem a utilização da injeção do gás-argônio, podemos concluir que a injeção do gás-argônio proporciona um incremento de 44,3% nos resultados para o teste de Impacto. Resultados positivos na utilização de gases inertes pelo método de injeção também foram relatados por Nadif et al. (2007), que de acordo com seus estudos notou que o gás injetado pela ponta da lança gera uma nuvem que impermeabiliza a superfície, de modo que se consiga um menor ângulo de molhamento entre as inclusões e a mesma, melhorando significativamente os resultados dos ensaios. Os resultados da análise de microscopia óptica para as amostras com injeção de gás argônio foram bastante homogêneas sendo, portanto, discutidos apenas um resultado. Este fato também foi adotado para as amostras sem injeção. 5114
De forma geral a análise metalográfica, apresentou uma estrutura de matriz ferrítica/perlítica, mas com microestrutura mais refinada nas amostras com aplicação de argônio, permitindo concluir que esta aplicação é extremamente efetiva, pois melhorou significativamente as características estruturais do material. A Figura 1 (A e B) mostram as fotomicrografias do material bruto de fusão. (A) (B) Figura 1: Microestrutura do material bruto de fusão com aplicação de argônio (A) e sem a aplicação de argônio (B). Para a análise estrutural do material normalizado pode-se verificar uma matriz ferrítica-perlítica (20 a 30% de perlita) nos dois casos, o que é típico de aço de baixo carbono ou baixa liga, conforme mostrado na Figura 2 (A e B). Nota-se que há uma estrutura mais refinada para o material com desgaseificação por argônio. (A) (B) Figura 2: Microestrutura do material normalizado com aplicação de argônio (A) e sem a aplicação de argônio (B). 5115
A análise microestrutural, mostrada na Figura 3 (A e B), do fundido normalizado e revenido apresentou matriz ferrita-perlita, com 25 a 30% de perlita para os materiais. Também é visível que há uma estrutura mais refinada para o material com desgaseificação por argônio. (A) (B) Figura 0: Microestrutura do material normalizado e revenido no fundido com aplicação de argônio (A) e sem a aplicação de argônio (B). CONCLUSÃO Com base nos resultados obtidos no estudo, é possível concluir que, no teste de impacto, o método de injeção de gás-argônio foi bastante positivo, pois apresentou significativo incremento nos valores de absorção de energia de impacto e a análise metalográfica apresentou uma microestrutura mais distribuída e refinada nas amostras com aplicação de argônio. Esta aplicação, em fundidos no grau WCC da norma ASTM A216, foi muito funcional, pois aumentou significativamente as propriedades mecânicas estudadas. REFERÊNCIAS ASTM A370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. 2012, Revisão A. ASTM E112. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. 2012. KIESSLING, R. Non-metallic inclusions in steel. London: The Iron and Steel Institute, 1989. 5116
MILLMAN, S. Clean Steel: Basic Features and Operation Practices. IISI Committee on Technology, 2004, p. 39-60. NADIF, M. et al. Control of Steel Re-Oxidation and CC Nozzle Clogging: an Overview. In: International Conference on Clean Steel, 2007, Balatonfured, Hungary. Balatonfured: Mining and Metallurgical Society, 2007. p. 493-500. RESENDE, M.O. Princípios de processos de produção. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, Volume I, 1992. SIMENSEN, C.J. The effect of dissolved elements and inclusions on the properties of metal products. In: ENGH, T.A. PRICIPLES OF METAL REFINING, 1992. Oxford: Oxford University Press, 1992. p. 1-38. ZHANG, L.; THOMAS, B.G. State of the Art in Evaluation and Control of Steel Cleanliness. ISIJ International: University of Illinois, Urbana, vol. 43, n. 3, p. 271-291, 2003. EFFECT OF DEGASSING FOR INJECTION ON MICROSTRUCTURE AND IMPACT RESISTANCE OF STEEL ASTM A 216-08 GR WCC ABSTRACT The present study examined the effects of argon gas injection on the main quantitative and qualitative characteristics of parts produced in a foundry. The study was realized in cast steel ASTM-A 216-08 GR WCC, with and without the injection of argon gas. The Argon gas was applied to the central shaft of the crucible under pressure for a certain time. For the analysis of the results prepared specimens were collected according to ASTM A370. Samples for metallographic analysis, and the impact test were taken. The metallographic analysis revealed a microstructure more refined and distributed in samples with application of argon and test results Impact showed that the method of gas injection resulted in significant values. It was concluded that the application of argon gas in this type of cast steel, is of utmost functionality significantly increasing some mechanical and structural characteristics of the material. Keywords: degassing, casting, microstructure, toughness 5117