O objetivo deste trabalho é avaliar as propriedades mecânicas e características
metalúrgicas do ferro fundido nodular austemperado, com e sem adição de nióbio.
Os resultados indicaram a formação de ausferrita livre de perlita, com precipitados de
carbonetos de nióbio, além de um pequeno aumento da dureza.
Introdução
Oferro fundido é comumente definido como uma liga Fe-C, com mais de 2,0% de carbono.No entanto, nunca encontramos somente ferro e carbono. Os ferros fundidos apresentam como soluto o carbono, silício e manganês. O carbono é encontrado, na sua grande maioria, na forma livre, também conhecida como grafita, formada devido à presenta do silício em concentrações superiores a 1%. O ferro fundido nodular austemperado, também conhecido como ADI, é o ferro fundido nodular tratado termicamente pelo processo de austêmpera. Sua estrutura é composta pela grafita esferoidal dispersa em uma matriz de ausferrita, que Produção e caracterização mecânica de ferro fundido nodular com adição de nióbio,
austemperado em banho de zamac é uma mistura de ferrita acicular e austenita de alto carbono. As fases da ausferrita possuem diferentes nomes na literatura. A ferrita acicular também é chamada de ferrita bainítica ou ferrita pró-bainíta, enquanto a austenita de alto carbono também é denominada austenita retida, estando ambas equivocadas e decorrentes de nomenclaturas referentes a aços bainíticos. A reação de austêmpera ocorre com a nucleação e crescimento da ferrita acicular, a partir de defeitos na estrutura cristalina e difusão simultânea de carbono para a austenita. A nucleação e crescimento das agulhas de ferrita possibilitam a elevação do teor de carbono na austenita remanescente. Essa etapa, exemplificada na reação (1), é o primeiro estágio da transformação, que é a razão do tratamento isotérmico de austêmpera. Quando completa, confere a melhor combinação de propriedades ao ADI.
1º estágio: γ → αac + γHC (1)
2º estágio: γHC → Fe3C + α (2)
O tempo compreendido entre o final do primeiro e início do segundo estágio da reação de austêmpera é
denominado janela de processo. Nesse momento, se tem a maior porcentagem de austenita de alto
carbono. Permanecendo-se com o tratamento isotérmico de austêmpera, ocorre a precipitação de carbonetos e formação de ferrita a partir da austenita de alto carbono. Este é o segundo estágio da reação de austêmpera, que no ADI é indesejado, pois leva à diminuição da tenacidade e ductilidade do material. A resistência ao desgaste em ADI pode ser aumentada pela presença de carbonetos na microestrutura, sendo uma variante de ADI com carbonetos livres na microestrutura. Neste cenário, o nióbio apresenta-se como uma alternativa, visto que os carbonetos de nióbio são estáveis,
de fácil obtenção e alta dureza. O nióbio apresenta como grande problema a baixa solubilidade em
ferro[8]. A solidificação inicia-se pela formação de carbonetos de nióbio. Como ainda não se deu
a nucleação de grafita, sequer de austenita de estabilidade muito alta, o resultado é uma de
carbonetos de nióbio. Alguns autores trataram dos efeitos sobre as propriedades mecânicas e
tribológicas de adições de nióbio em ferro nodular, não sendo encontrada melhorias significativas
em propriedades mecânicas, que verificou maior resistência ao desgaste no material estudado.
As adições realizadas em ferro nodular e posterior tratamento de austêmpera geram maior resistência ao desgaste abrasivo para a adição de 1,5% de nióbio. O objetivo desse trabalho é avaliar as propriedades mecânicas e características metalúrgicas do ferro fundido nodular austemperado, com e sem adição de nióbio, por meio do ensaio de dureza, ensaio de impacto e análise metalográfica.
Material e métodos
A produção do ferro fundido nodular foi realizada em forno a indução Inductotherm de média
frequência, com capacidade para 9 kg de ferro. As cargas foram preparadas da seguinte forma:
■ Carga 1, sem adição de Nb
■ Carga 2, com adição de 0,2% Nb
■ Carga 3, com 0,4% Nb
■ Carga 4, com 0,8% Nb
A temperatura de vazamento para a panela de tratamento foi de 1550°C. O metal foi basculado em uma panela de nodularização do tipo sanduiche, para tratamento de nodularização com 120 g de Fe46Si8Mg e de inoculação com 80 g de Fe-75Si.
Ao atingir a temperatura de 1410°C, retirou-se uma amostra coquilhada utilizando amostrador Italsamp F, da Italterm, para análise química em espectrômetro de emissão óptica Q2 ION, da Bruker. Logo em seguida, o ferro fundido nodular foi vazado para os moldes de areia cura frio, para obtenção dos corpos de provas, como se observa na figura 1. Para a austenitização dos corpos de prova de ferro nodular, utilizou-se um forno laboratorial do tipo mufla, resistivo, com atmosfera rica em CO/CO2, de modo
a reduzir a oxidação e descarburação superficial dos corpos de prova. A etapa de austenitização foi realizada por 120 min a 930°C. Após retirados do forno de austenitização, os corpos de prova foram
conduzidos imediatamente para o banho de austêmpera formado por uma liga de zamac a 380°C,
que promoveu o resfriamento até a temperatura objetivada de austêmpera durante 60 min. Depois,
foram resfriados ao ar até a temperatura ambiente. Após limpos, os corpos de prova tiveram a sua superfície lixada e foram feitas as medidas de dureza pelo método Brinell, utilizando um durômetro Mitutoyo. Foi utilizada esfera de 2,5 mm e carga de 187 Kgf. Para a análise da microestrutura,
as amostras retiradas dos corpos de prova foram lixadas, polidas e atacadas com uma solução de Nital
3%, de maneira a permitir a identificação da ausferrita. Para a captura das imagens, foi utilizado um microscópio Olympus BX60M equipado com câmera e software de análise de imagens OmniMet 9.8. O ensaio de impacto foi realizado com a máquina de ensaio de impacto Charpy, Wolpert Lestor,
PW-30/15K, seguindo o método de ensaio ASTM E.23.
Resultados e discussão
O ferro fundido nodular
O resultado da análise química das amostras coquilhadas é apresentado na tabela 1.
Os traços presentes de outros elementos encontram-se conforme recomendados pela ASTM 897, que para o ADI são de 0,02% para o enxofre, 0,02% para o estanho, 0,04% para o fósforo e 0,1% para o cromo.
Propriedades mecânicas: Dureza
Os resultados das medidas de dureza das diferentes ligas após a austêmpera estão apresentados na
tabela 2. O acréscimo da dureza em ferros fundidos austemperados com adição de nióbio deve-se à formação dos precipitados. Isso gera alterações na estabilidade da austenita, promovendo o refino da estrutura grafítica. Nas ligas obtidas com as adições propostas, observou-se também o refinamento da ausferrita, o que se somou aos fatores descritos, para este aumento na dureza de 5 HB de uma liga para outra, até a última adição de nióbio na liga 4.
Propriedades mecânicas: Ensaio de Impacto
A tabela 3 reúne os resultados das medidas das energias absorvidas e ensaio de impacto para as
diferentes cargas após a austêmpera. A tenacidade representada pela resisistência ao impacto é
diretamente influenciada pela microestrutura, tanto pela característica morfológica da austenita, como pelos carbonetos formados. Assim, há uma maior resistência ao impacto para o ferro isento de nióbio, seguida da tendência de diminuição da resistência ao impacto com o aumento do nióbio nos teores mais elevados. Essa redução da energia absorvida, em função de teores maiores de nióbio, estaria relacionada à maior presença de perlita, que é um constituinte menos tenaz que a ferrita nos ferros fundidos com
nióbio.
Microestrutura do ADI
Nas amostras observadas, houve a formação de ausferrita em todas elas, o que demostra que o tratamento em banho de zamac no patamar estipulado foi eficaz. Também foi notado um refinamento
da ausferrita nas microestruturas, o que se acentua nas adições de 0,4% de nióbio e 0,8% de nióbio.
Na figura 2, estão as imagens da microestrutura do ADI com os teores de 0%, 0,2%, 0,4% e 0,8% de
nióbio. A imagens foram observadas em 100, 200 e 1000 X. Utilizando microscopia eletrônica
de varredura, foi possível realizar a identificação de carbonetos formados, os quais ficaram mais perceptíveis nas adições de 0,8% (figura 3).
Conclusões
O estudo permitiu concluir que para a liga estudada, com a austenitização realizada a 930°C por 2 h
e austêmpera realizada a 380°C por 60 min, e nas adições propostas de nióbio, houve uma leve alteração
na dureza e uma diminuição da tenacidade do material. Observou-se um aumento de 15% na dureza da carga 1, sem nióbio, para a carga 4, com 0,8% de nióbio. Houve ainda uma redução de 50%
na tenacidade da carga 1, sem nióbio, em relação à carga 4, com 0,8% de nióbio.
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Federal de Minas Gerais, MG. 2012.
Trabalho apresentado no 20º CONAF – Congresso ABIFA de Fundição, realizado em 2022. Régis Fabiano do Amaral é engenheiro metalúrgico, doutorando e técnico científico no Laboratório de Fundição, PPGE3M da UFRGS; Leonardo Pereira é engenheiro metalúrgico, doutorando no Laboratório de Fundição, PPGE3M da UFRGS; Pedro Henrique Peixoto é engenheiro metalúrgico, mestrando no Laboratório de Fundição, PPGE3M da UFRGS; Túlio Sergio Nascimento é tecnólogo metalúrgico, mestrando no
Laboratório de Fundição PPGE3M da UFRGS; Vinicius Karlinski de Barcellos é engenheiro metalúrgico, doutor em engenharia, professor e coordenador do Laboratório de Fundição da UFRGS
Essa materia foi retirada da RRevista Fundição & Matérias-Primas – edição janeiro/2023 confira tudo na integra: https://www.abifa.org.br/wp-content/uploads/2023/02/RevistaABIFAJaneiro2023.pdf
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