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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ ANDREI VIVIAN APLICAÇÃO DA ANÁLISE TÉRMICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO PATO BRANCO 2023 4.0 Internacional Esta licença permite compartilhamento, remixe, adaptação e criação a partir do trabalho, mesmo para fins comerciais, desde que sejam atribuídos créditos ao(s) autor(es). Conteúdos elaborados por terceiros, citados e referenciados nesta obra não são cobertos pela licença. ANDREI VIVIAN APLICAÇÃO DA ANÁLISE TÉRMICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO Application of thermal analysis in the gray cast iron manufacturing process Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentada como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia mecânica da Universidade (UTFPR). Orientador(a): Prof. Dr. Dalmarino Setti. PATO BRANCO 2023 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pt_BR ANDREI VIVIAN UTILIZAÇÃO DE ANÁLISE TÉRMICA EUTÉTICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentada como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia mecânica da Universidade (UTFPR). Orientador(a): Prof. Dr. Dalmarino Setti. Data de aprovação: 14 de junho de 2023 ___________________________________________________________________________ Dalmarino Setti Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR Doutorado ___________________________________________________________________________ Maria Nalu Verona Gomes Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR Doutorado ___________________________________________________________________________ Silvana Patricia Verona Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Doutorado PATO BRANCO 2023 Dedico esse trabalho aos meus pais, pois eles sempre foram a razão para perseverar perante as dificuldades enfrentadas, especialmente durante o desenrolar deste curso. A minha namorada por sempre acreditar em minhas capacidades e me dar suporte em todas as situações. E aos amigos que adquiri durante essa jornada, a parceria e irmandade desenvolvida sempre amenizou as dificuldades e saudades de casa. AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer a toda a equipe Pato BAJA por me proporcionarem as experiencias formativas na engenharia, em especial a Guilherme Polachini por ser meu primeiro líder em ambiente profissional e me apresentar ao mundo da fundição. A todas as pessoas da Fersul Manufaturados de Ferro LTDA, em especial aos setores, administrativo e de engenharia por sempre confiarem no meu trabalho e proporcionarem a liberdade para executa-lo em sua plenitude. Também estendo meus agradecimentos a meu orientador Prof. Dr. Dalmarino Setti, pela disposição e agilidade que prestou para a realização deste trabalho. A todos aqui citados saibam que os conhecimentos que compartilharam comigo forma o que me norteou e formou como profissional. Seja você quem for, seja qual for a posição social que você tenha na vida, a mais alta ou a mais baixa, tenha sempre como meta muita força, muita determinação e sempre faça tudo com muito amor e com muita fé em Deus, que um dia você chega lá. De alguma maneira você chega lá. (Senna, Ayrton -1994). RESUMO A fundição é um dos processos metalúrgicos mais antigos, polivalentes e que permite produção em larga escala. É amplamente utilizado na fabricação de peças semiacabadas com geometria complexa, apresentando um custo altamente competitivo em relação a outros métodos de produção. O ferro fundido é o material mais comumente utilizado na fundição em larga escala. Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de ligas comerciais de ferro fundido cinzento com a utilização de análise térmica como ferramenta de controle metalúrgico, com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação. No desenvolvimento deste trabalho, foram empregadas as técnicas de análise térmica, espectrometria ótica, análise metalográfica e ensaio de dureza Brinell. Amostras de ligas hipoeutéticas e hipereutéticas foram retiradas no momento em que o metal se encontrava no processo de fusão e submetidas ao procedimento de análise térmica e espectrometria. Também foram retiradas amostras para análise de microscopia ótica, e foram realizadas medições de dureza Brinell nessas amostras. A partir dos dados experimentais, iniciou-se a fase de tratamento das informações obtidas. As curvas de resfriamento tiveram seus dados compilados e tratados pelo software Labplot para gerar as curvas, assim como imagens da metalografia que foram analisadas para obtenção de dados, como o número de células eutéticas, pelo software ImageJ. Os principais resultados destacam-se: as equações de Rosario (2012) podem ser utilizadas para prever as temperaturas do eutético estável (TEE) e a temperatura do eutético metaestável (TEM) a partir da análise química. Estas apresentaram uma diferença de 0,09% a 0,41% entre as TEE calculadas e as temperaturas de super resfriamento (TSE) medidas na parte experimental. A recalescência pode ser relacionada com o número de células eutéticas em ferros fundidos hipoeutéticos. Por ser um valor fácil de determinar, a recalescência pode ser utilizada na previsão dos números de células eutéticas e propriedades mecânicas de lotes de ferros fundidos da mesma classe. A inoculação pode ser avaliada pela redução da recalescência em relação aos lotes sem inoculação. Palavras-chave: Análise térmica. Ferro Fundido Cinzento. Recalescência. ABSTRACT Casting is one of the oldest metallurgical process, multipurpose, and of great scalability in production. It is widely used in manufacturing semi-finished parts with complex geometry, presenting a highly competitive cost with other production methods. Cast Iron is the most commonly used material in large-scale casting. This research presents a study of the solidification of commercial gray cast iron alloys using Thermal Analysis as a metallurgical control tool, emphasizing the degree of recalescence and its relationship with the microstructure obtained before inoculation. In the development of this work, the techniques of thermal analysis, optical spectrometry, metallographic analysis, and Brinell hardness test were employed. Hypo-eutectic and hyper-eutectic alloy samples were taken when the metal was melting and submitted to thermal analysis and spectrometry. Also, samples were taken for optical microscopy analysis. Brinell hardness measurements were also performed on these samples. From the experimental data began the phase of treatment of the information obtained; the cooling curves had their data compiled and treated by Labplot software to generate the curves as well as images of metallography, which were analyzed to obtain data such as the number of eutectic cells by ImageJ software. the main results are highlighted: Rosario's (2012) equations can be used to predict the stable eutectic temperature (TEE) and metastable eutectic temperature (TEM) from the chemical analysis, these showed a difference of 0.09% to 0.41% between the calculated TEE and supercooling temperatures (TSE) measured in the experimental part; recalescence can be related to the number of eutectic cells hypo eutectic cast irons, as it is an easy value to determine recalescence can be used in predicting the numbers of eutectic cells and mechanical properties of batches of cast irons of the same grade Inoculation can be evaluated by the reduction of recalescence inno cadinho de fusão, antes da liberação da ordem de produção pelo setor de qualidade. Essas amostras foram coletadas nessa etapa do processo devido à possibilidade de correção da composição química e do grau de nucleação do material base, de modo que elas não representam as características finais das peças. Foram retiradas cinco (5) amostras únicas em lotes de material base no momento da liberação para o vazamento e uma (1) amostra foi coletada da panela de vazamento, momentos antes do preenchimento do molde com metal líquido. Essa amostra única foi escolhida a partir do maior superresfriamento observado entre as 5 amostras analisadas. Dessa forma, se poderia verificar o efeito do tratamento de inoculação realizado. O equipamento utilizado na análise de composição química e um espectrofotômetro marca SPECTRO modelo SPECTROMAXx que permite a análise de 26 elementos químicos. O Carbono equivalente utilizado neste trabalho foi determinado diretamente pelo equipamento de análise química. Os corpos de prova utilizados na análise química são moedas coquilhadas de 5 mm de espessura e 40 mm de diâmetro obtidas em uma coquilha de cobre eletrolítico. 51 3.2 Procedimento de análise térmica Para obtenção das curvas de resfriamento durante a solidificação foi utilizado o equipamento Carbomax Delta da ITALTERM sistemas e controles industriais Ltda. A Figura 22 mostra o sistema de análise térmica de forma esquemática. As informações coletadas pelo equipamento a partir de seu software de processamento, incluem: data e hora de início e término, temperatura de pico, temperatura Liquidus, estimativa de carbono equivalente, temperatura de superresfriamento, temperatura de recalescência, grau de recalescência, diferencial de recalescência em °C/s, e temperatura final de fusão, as informações coletadas possuem um intervalo de medição de 0,5 segundos. Além das temperaturas durante a solidificação, o equipamento disponibiliza parâmetros da condição metalúrgica do banho fundido, com base na temperatura do eutético estável (TEE) usada com referencial, a partir dela os dados de temperatura de superresfriamento (TSE) e a variação do eutético (ΔT), informações complementares como o número da amostra ou lote de produção são registradas para controle de qualidade. As informações coletadas na análise podem ser importadas em arquivos em formato .CSV, para isso é necessário a ligação de um cabo de rede na sua porta de comunicação e em um computador com sistema operacional Windows ou Linux. Figura 22 – Componentes do sistema de análise térmica. Fonte: Adaptado de Boonmee e Worakhut (2018) 52 Nesse trabalho, no tratamento das informações foi usado o software livre labplot, desenvolvido pelo grupo KDE. Com ele foi possível desenvolver as análises e gerar os gráficos e tabelas necessários ao desenvolvimento e analise de resultados. 3.3 Procedimento de análise metalográfica Os corpos de prova utilizados para o desenvolvimento da análise metalográfica foram obtidos a partir de capsulas de análise térmica de areia Shell sem o sensor de Telúrio. As amostras de ferro fundido foram resfriadas lentamente até atingir a temperatura ambiente, resultando em um corpo de prova similar ao representado na Figura 23. Na sequência as amostras foram cortadas ao meio para adequar suas dimensões a entrada do microscópio, também foi realizado um desbaste grosseiro com pedras abrasivas, instaladas em um moto esmeril, sempre com o devido cuidado para não superaquecer a amostra, dessa forma removendo cerca de 5 mm do fundo da amostra e construindo um plano para o acabamento mais refinado, e a avaliação metalográfica em uma região afastada da superfície metal-molde. A etapa seguinte da preparação foi lixamento realizado em uma politriz metalográfica. As lixas utilizadas foram a 220, 600 e 1200 e após passarem por todas Figura 23 – Ilustração do corpo de prova Fonte: Autoria própria (2023) 53 as granulometrias de lixa as amostras foram polidas com pasta de alumina até a eliminação de das marcas de lixa e a superfície da amostra ter o aspecto espelhado. Como o objetivo do trabalho é avaliar a morfologia da grafita, nenhum ataque foi feito na superfície das amostras. Para realização dos ensaios metalográficos foi utilizado um microscópio LEIPZIG RX50 equipado com câmera de alta definição série HDL modelo Ultracam X / Metal M, com lentes ajustas para um aumento de 100 vezes dos laboratórios de ensaios mecânicos do campus Pato Branco da UTFPR. Após coletadas as imagens das cinco (5) amostras sem inoculação foram tratadas e avaliadas quantitativamente por meio do software livre ImageJ, os parâmetros para avalição usados foram os seguintes, partículas com menos de 2 microns quadrados forma desconsideradas, além disso só forma contabilizadas grafitas que apresentaram de 5% a 50% de circularidade, de desta forma foi possível realizar a contagem e medição das grafitas, com exemplificado na Figura 24. Com um posterior tratamento de dados feito em Excel também foi possível a quantificação da população, feita em grafitas por milímetro quadrado. A análise da amostra inoculada foi desenvolvida conforme a norma ASTM A247-2019, com o tipo e distribuição predominante das grafitas sendo definido por meio de estimativas Figura 24 – Ilustração da contagem de grafitas realizada pelo ImageJ Fonte: Autoria própria (2023) 54 visuais, e o tamanho da grafita definida pelas de medidas geradas pelo software ImageJ. 3.4 Determinação de dureza Brinell A análise de resultados de dureza foi realizada com base na norma ABNT NBR 6506-1 – 2010, o durômetro e lupa graduada empregados foram da marca Durotest modelo HBW 3000. Foram realizadas três (3) leituras cada amostra e nas amostras com maior dispersão de resultados foram feitas cinco (5) leituras, das quais a maior e a menor foram descartadas, sendo o resultado da dureza Brinell média de três (3) leituras. 55 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Composição química Os dados de composição química dos lotes foram coletados, dados esses obtidos por meio de espectrometria de emissão óptica (OES). A Tabela 3 exibe as leituras de composições químicas dos lotes de ferro fundido cinzento analisadas neste estudo. Tabela 3 - Dados da composição química Todos os as amostras apresentaram porcentagens dos elementos químicos próximas das recomendadas pela norma SAE J431 - 1996, possibilitando assim a liberação da ordem de produção sem muitas alterações, sendo realizadas apenas pequenos ajustes na carga de metal liquido. 4.2 Análise dos lotes hipoeutéticos Para realização deste estudo foram recolhidas 3 amostras de Ferro Base em composição hipoeutética (CETEM. 𝑇𝑇𝐶𝐶𝑀𝑀 ≅ 1104 + 10 ∗ (%𝐶𝐶) − 9 ∗ (0,15 ∗ %𝐶𝐶𝐶𝐶 + 1,6 ∗ %𝑀𝑀𝑀𝑀 + 0,65 ∗ %𝑆𝑆𝑆𝑆 + 0,09 ∗ %𝑀𝑀𝑆𝑆 + 1,3 ∗ %𝑆𝑆𝑆𝑆 + 3,43 ∗ %𝑃𝑃 − %𝐶𝐶𝐶𝐶 2,9 … . . (3) Com essas informações calculadas lote a lote e em conjunto com os dados importados do equipamento de análise térmica, foi possível elaborar os gráficos das curvas de resfriamento de cada lote. A Figura 25 exibe a curva de resfriamento do lote 1317, as temperaturas pontuais TSE e TRE são identificadas por uma inflexão na curva e por meio delas é possível o cálculo do grau de recalescência, também é perceptível os perfis de resfriamento hipereutético. Figura 25 – Curva de resfriamento do lote 1317 Fonte: Autoria própria (2023) 57 A Figura 26 exibe a curva de resfriamento do lote 1321, as temperaturas pontuais TSE e TRE são identificadas por uma inflexão na curva e por meio delas é possível o cálculo do grau de recalescência. A Figura 27 exibe a curva de resfriamento do lote 1322, as temperaturas pontuais TSE e TRE são identificadas por uma inflexão na curva e por meio delas é possível o cálculo do grau de recalescência, também é perceptível os perfis de resfriamento hipereutético. Figura 26 – Curva de resfriamento do lote 1321 Fonte: Autoria própria (2023) 58 A Tabela 4, compila as informações características das curvas de resfriamento, obtidas a partir dos resultados experimentais como TSE, TRE, Recalescência, em conjunto com as informações calculadas por meio das Equações (2) e (3) de Rosário (2012) além de exibir a informação da diferença percentual entre TEE e TSE. Tabela 4 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipoeutéticos Lote TEE (°C) TEM (°C) TSE(°C) TRE (°C) Recalescência (°C) Diferença entre TEE e TSE (%) 1317 1142,85 1113,89 1141,69 1146,3 4,61 0,10% 1321 1141,71 1115,32 1138,59 1143,3 4,71 0,27% 1322 1144,99 1109,25 1144,00 1148,09 4,09 0,09% Fonte: Autoria própria (2023) Os resultados obtidos pela microscopia óptica das 3 amostras hipoeutéticas são apresentados na Figura 28, em seguida na Tabela 5 é exibido o resultado da análise das imagens, feitas pelo software ImageJ, contando o número de célula eutética por mm². Figura 27– Curva de resfriamento do lote 1322 Fonte: Autoria própria (2023) 59 Figura 28- a) Metalografia lote1317 b) Metalografia lote1321 c) Metalografia lote1322 – Aumento 100x Em conjunto com a metalografia foi medida a dureza média em cada amostra, por meio dos ensaios Brinell, onde seus resultados são expressos também na Tabela 5. Tabela 5 – Dados da análise das imagens Figura Lote N° de células eutéticas/ mm² Dureza (HB) 24(a) 1317 136 229 24(b) 1321 139 230 24(c) 1322 132 218 Fonte: Autoria própria (2023) A partir das informações da Tabela 4 em conjunto com as contidas na Tabela 5, é possível gerar o gráfico correlacionando o grau de recalescência com o número de células eutéticas presente na Figura 29, podemos observar alta correlação positiva Fonte: Autoria própria (2023) 60 que existe entra os dois parâmetros, pois com um maio número de células eutéticas maior é o calor latente liberado na formação das grafitas, portanto, maior é a recalescência. De mesma forma, como exibido na Figura 30, podemos construir o gráfico da correlação entre o grau de recalescência e o valor de dureza Brinell medido na amostra. Como quanto mais recalescências mais células eutéticas, também haverá maior quantidade de grafita. Com maior quantidade as grafitas ficam menores pois há uma maior divisão de carbono, e como resultado prático de grafitas menores podemos perceber maior dureza. Figura 29 – Correlação entre grau de recalescência e N° de células eutéticas/mm² Fonte: Autoria própria (2023) 61 Antes de realizar os ensaios de dureza Brinell, e em conjunto com a metalografia para avaliação das grafitas, foi realizado outro ensaio metalográfico com ataque químico, onde se constatou apenas as fases de ferrita e perlita, significando que todas as amostras solidificaram pelo sistema estável, validando as temperaturas de TEM calculadas na Tabela 4. 4.3 Análise dos lotes hipereutéticos Em composição hipoeutética (CE1138,59 1143,3 4,71 0,27% Final 1144,18 1110,62 1147,8 1151,3 3,5 -0,32% Fonte: Autoria própria (2023) Podemos também perceber, notável mudança na microestrutura resultante do lote, esta exibida na Figura 35. E de mesma forma que as outras amostras a inoculada também teve a imagem da sua metalografia analisada e sua dureza medida, os dados obtidos são apresentados na Tabela 9. Tabela 9 – Dados da análise das imagens do lote 1321 Figura Condição N° de células eutéticas/ mm² Dureza (HB) 30(a) Base 139 230 30(b) Final 119 204 Fonte: Autoria própria (2023) Figura 35– a) Metalografia lote1321 Base b) Metalografia lote1321 Final - Aumento 100x Fonte: Autoria própria (2023) 66 Da mesma forma que nas amostras hipoeutéticas e hipereutéticas, é possível perceber uma correlação da diminuição recalescência com a diminuição de células eutéticas e da dureza, porém pela avaliação do lote gerar apenas duas amostras não é possível construir gráficos para a avaliação quantitativa de correlação Com base nos resultados experimentais deste trabalho, curvas de resfriamento de diferentes amostras por meio de equipamento industriais de análise térmica, as amostras para Metalografia afim de avaliar a microestrutura obtida quanto a quantidade de células eutéticas e também utilizadas nos ensaios de dureza Brinell, para ser possível correlacionar os dados obtidos com uma propriedade mecânica. Após a análise destes dados, ficou evidenciado que o grau de recalescência apresentado na análise térmica tem alta correlação positiva com o número de células eutéticas presente na microestrutura, e se relacionando de mesma maneira com a dureza do material, de modo que pode ser estabelecida uma relação direta entre o grau de recalescência o número de células eutéticas por mm² e a dureza do material. As equações de Rosario (2012) usadas para o cálculo do TEE e TEM foram validadas por meio de metalografias com ataque, que revelou a presença apenas de ferrita e perlita na microestrutura. Também cabe ressaltar que as ligas Hipoeutéticas e Hipereutéticas foram analisadas separadamente, desta forma foi possível a correta avaliação das propriedades apresentadas, tendo em vista que possuem mecanismos de solidificação diferentes, e de maneira geral ligas hipereutéticas apresentam menor dureza por formarem grafitas grosseiras tipo C em sua microestrutura. Por último, foi validada a eficácia da inoculação, como tratamento de banho que visa a melhoria da distribuição da grafita. Através de duas amostras retiradas do mesmo lote, uma anterior e uma após o tratamento realizado, é nítida a melhora tanto nos dados da curva de resfriamento, quanto nas amostras de metalografia, obtendo assim um refino na qualidade do metal, passando de predominância de grafitas D, para predominâncias de grafitas A. . 67 5 CONCLUSÕES Com o objetivo de estudar a solidificação de ligas comerciais de Ferro Fundido Cinzento com a utilização de Análise Térmica com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação as seguintes conclusões foram obtidas. As equações de Rosário (2012) podem ser utilizadas para prever os eutéticos TEE e TEM a partir da análise química, estas apresentaram uma diferença de 0,09% a 0,41% entre as TEE calculadas e TSE medidas na parte experimental. Quanto maior a recalescência maior o número de células eutéticas, pois maior vai ser o calor latente liberado e maior vai ser a temperatura atingida. Por ser um valor fácil de determinar a recalescência pode ser utilizada na previsão dos números de células eutéticas e propriedades mecânicas de lotes de ferros fundidos da mesma classe. A inoculação pode ser avaliada pela redução da recalescência em relação aos lotes sem inoculação. 5.1 Sugestões de trabalhos futuros Como sugestões para continuidade do desenvolvimento desse trabalho, propõe-se um estudo sobre a quantidade necessária de inoculante para obtenção de grafita tipo A, assim como a eficácia relativa de diferentes tipos de inoculantes comerciais, para deste modo estabelecer uma quantidade ótima de dosagem para cada situação, desta forma proporcionando redução de custos e garantia de qualidade metalúrgica no produto final. 68 REFERÊNCIAS ABBASI, H.R., BAZDAR, M., HALVAEE – Effecet of Phosphorus as an Alloying Elemento n Microestruture and Mechanical Properties of Pearlitic Gray Cast Iron- Materials Science Engineering v.444, p.314-317, 2006. ABIFA. Associação Brasileira de Fundição. Industria de fundição tem melhor janeiro dos últimos seis anos. Revista Oficial da Associação Brasileira de Fundição, São Paulo, n°243, p. 16-18, fevereiro,2022. 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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ ANDREI VIVIAN APLICAÇÃO DA ANÁLISE TÉRMICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO PATO BRANCO2023 ANDREI VIVIAN APLICAÇÃO DA ANÁLISE TÉRMICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO Application of thermal analysis in the gray cast iron manufacturing process Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentada como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia mecânica da Universidade (UTFPR). Orientador(a): Prof. Dr. Dalmarino Setti. PATO BRANCO 2023 ANDREI VIVIAN UTILIZAÇÃO DE ANÁLISE TÉRMICA EUTÉTICA NO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE FERRO FUNDIDO CINZENTO Trabalho de conclusão de curso de graduação apresentada como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia mecânica da Universidade (UTFPR). Orientador(a): Prof. Dr. Dalmarino Setti. Data de aprovação: 14 de junho de 2023 ___________________________________________________________________________ Dalmarino Setti Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR Doutorado ___________________________________________________________________________ Maria Nalu Verona Gomes Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR Doutorado ___________________________________________________________________________ Silvana Patricia Verona Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Doutorado PATO BRANCO 2023 Dedico esse trabalho aos meus pais, pois eles sempre foram a razão para perseverar perante as dificuldades enfrentadas, especialmente durante o desenrolar deste curso. A minha namorada por sempre acreditar em minhas capacidades e me dar suporte em todas as situações. E aos amigos que adquiri durante essa jornada, a parceria e irmandade desenvolvida sempre amenizou as dificuldades e saudades de casa. AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer a toda a equipe Pato BAJA por me proporcionarem as experiencias formativas na engenharia, em especial a Guilherme Polachini por ser meu primeiro líder em ambiente profissional e me apresentar ao mundo da fundição. A todas as pessoas da Fersul Manufaturados de Ferro LTDA, em especial aos setores, administrativo e de engenharia por sempre confiarem no meu trabalho e proporcionarem a liberdade para executa-lo em sua plenitude. Também estendo meus agradecimentos a meu orientador Prof. Dr. Dalmarino Setti, pela disposição e agilidade que prestou para a realização deste trabalho. A todos aqui citados saibam que os conhecimentos que compartilharam comigo forma o que me norteou e formou como profissional. Seja você quem for, seja qual for a posição social que você tenha na vida, a mais alta ou a mais baixa, tenha sempre como meta muita força, muita determinação e sempre faça tudo com muito amor e com muita fé em Deus, que um dia você chega lá. De alguma maneira você chega lá. (Senna, Ayrton -1994). RESUMO A fundição é um dos processos metalúrgicos mais antigos, polivalentes e que permite produção em larga escala. É amplamente utilizado na fabricação de peças semiacabadas com geometria complexa, apresentando um custo altamente competitivo em relação a outros métodos de produção. O ferro fundido é o material mais comumente utilizado na fundição em larga escala. Este trabalho apresenta um estudo da solidificação de ligas comerciais de ferro fundido cinzento com a utilização de análise térmica como ferramenta de controle metalúrgico, com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação. No desenvolvimento deste trabalho, foram empregadas as técnicas de análise térmica, espectrometria ótica, análise metalográfica e ensaio de dureza Brinell. Amostras de ligas hipoeutéticas e hipereutéticas foram retiradas no momento em que o metal se encontrava no processo de fusão e submetidas ao procedimento de análise térmica e espectrometria. Também foram retiradas amostras para análise de microscopia ótica, e foram realizadas medições de dureza Brinell nessas amostras. A partir dos dados experimentais, iniciou-se a fase de tratamento das informações obtidas. As curvas de resfriamento tiveram seus dados compilados e tratados pelo software Labplot para gerar as curvas, assim como imagens da metalografia que foram analisadas para obtenção de dados, como o número de células eutéticas, pelo software ImageJ. Os principais resultados destacam-se: as equações de Rosario (2012) podem ser utilizadas para prever as temperaturas do eutético estável (TEE) e a temperatura do eutético metaestável (TEM) a partir da análise química. Estas apresentaram uma diferença de 0,09% a 0,41% entre as TEE calculadas e as temperaturas de super resfriamento (TSE) medidas na parte experimental. A recalescência pode ser relacionada com o número de células eutéticas em ferros fundidos hipoeutéticos. Por ser um valor fácil de determinar, a recalescência pode ser utilizada na previsão dos números de células eutéticas e propriedades mecânicas de lotes de ferros fundidos da mesma classe. A inoculação pode ser avaliada pela redução da recalescência em relação aos lotes sem inoculação. Palavras-chave: Análise térmica. Ferro Fundido Cinzento. Recalescência. ABSTRACT Casting is one of the oldest metallurgical process, multipurpose, and of great scalability in production. It is widely used in manufacturing semi-finished parts with complex geometry, presenting a highly competitive cost with other production methods. Cast Iron is the most commonly used material in large-scale casting. This research presents a study of thesolidification of commercial gray cast iron alloys using Thermal Analysis as a metallurgical control tool, emphasizing the degree of recalescence and its relationship with the microstructure obtained before inoculation. In the development of this work, the techniques of thermal analysis, optical spectrometry, metallographic analysis, and Brinell hardness test were employed. Hypo-eutectic and hyper-eutectic alloy samples were taken when the metal was melting and submitted to thermal analysis and spectrometry. Also, samples were taken for optical microscopy analysis. Brinell hardness measurements were also performed on these samples. From the experimental data began the phase of treatment of the information obtained; the cooling curves had their data compiled and treated by Labplot software to generate the curves as well as images of metallography, which were analyzed to obtain data such as the number of eutectic cells by ImageJ software. the main results are highlighted: Rosario's (2012) equations can be used to predict the stable eutectic temperature (TEE) and metastable eutectic temperature (TEM) from the chemical analysis, these showed a difference of 0.09% to 0.41% between the calculated TEE and supercooling temperatures (TSE) measured in the experimental part; recalescence can be related to the number of eutectic cells hypo eutectic cast irons, as it is an easy value to determine recalescence can be used in predicting the numbers of eutectic cells and mechanical properties of batches of cast irons of the same grade Inoculation can be evaluated by the reduction of recalescence in relation to lots without inoculation. Keywords: Thermal Analysis. Gray Cast Iron. Recalescence. LISTA DE FIGURAS Figura 1- Classificações de ligas ferrosas 21 Figura 2 – Classes de ferro fundido 24 Figura 3 – a) Diagramas Fe-C estável e metaestável b) Pontos eutéticos 26 Figura 4 – Influência do Silício nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 28 Figura 5 – Secção vertical do sistema Fe-C-Si a um teor constante de 2% de Si, em hachurado área com as três fases 29 Figura 6 – Influência do Cromo nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 30 Figura 7 – Influência dos principais elementos de liga nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 31 Figura 8 – Curvas de resfriamento típicas para os tipos de grafita 34 Figura 9 -Tipos de grafita de ferro fundido cinzento 35 Figura 10 – Diagrama (a) zona acoplada simétrica (b) zona acoplada assimétrica 36 Figura 11– Solidificação de uma liga eutética 37 Figura 12– Solidificação (a) Liga hipoeutética (b) Liga hipereutética 38 Figura 13– Características da grafita tipo A 39 Figura 14– Características da grafita tipo B 40 Figura 15– Características da grafita tipo C 41 Figura 16– Características da grafita tipo D. 42 Figura 17– Características da grafita tipo E 43 Figura 18 – Curva de resfriamento característica de 3 classes de ferro fundido 47 Figura 19 – Equipamento Carbomax Delta utilizado em aplicações industriais. 48 Figura 20 – Capsulas ITALCARB K e receptáculo para alojamento e comunicação 48 Figura 21 – Curva de resfriamento característica de uma liga hipoeutética 49 Figura 22 – Componentes do sistema de análise térmica. 51 Figura 23 – Ilustração do corpo de prova 52 Figura 24 – Ilustração da contagem de grafitas realizada pelo ImageJ 53 Figura 25 – Curva de resfriamento do lote 1317 56 Figura 26 – Curva de resfriamento do lote 1321 57 Figura 27– Curva de resfriamento do lote 1322 58 Figura 28- a) Metalografia lote1317 b) Metalografia lote1321 c) Metalografia lote1322 – 59 Aumento 100x 59 Figura 29 – Correlação entre grau de recalescência e N° de células eutéticas/mm² 60 Figura 30 – Correlação entre grau de recalescência e Dureza 61 Figura 31 – Curva de resfriamento do lote 1318 62 Figura 32 – Curva de resfriamento do lote 1320 62 Figura 33 –Metalografia com aumento de 100x a) lote1318 b) lote1320 63 Figura 34 – Curva de resfriamento do lote 1321 após inoculação 64 Figura 35– a) Metalografia lote1321 Base b) Metalografia lote1321 Final - Aumento 100x 65 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Equivalência de propriedades mecânicas mínimas aproximadas de alguns ferros fundidos cinzentos- ASTM A448 e SAE J431 32 Tabela 2 Principais aplicações de Ferros fundidos Cinzentos 32 Tabela 3 – Dados da composição química 55 Tabela 4 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipoeutéticos 58 Tabela 5 – Dados da análise das imagens 59 Tabela 6 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipereutéticos 63 Tabela 7 – Dados da análise das imagens 64 Tabela 8 – Dados das curvas de Resfriamento do lote 1321 65 Tabela 9 – Dados da análise das imagens do lote 1321 65 LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1. Calculo do carbono equivalente. 29 Equação 2. Cálculo de TEE. 56 Equação 3. Cálculo de TEM. 56 LISTA DE SIGLAS American Society for Testing and Materials ASTM Análise Térmica AT Carbono Equivalente Ceq Espectrometria de Emissão Óptica OES Lamelares De Cinzento LG Temperatura Eutético Metaestável TME Temperatura do Eutético Estável TEE Temperaturas De Super Resfriamento TSE Temperaturas De Recalescência TRE SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 16 1.1 Objetivos 18 1.1.1 Objetivo geral 18 1.1.2 Objetivos específicos 18 1.2 Justificativa 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 20 2.1 Ferro fundido 20 2.2 O ponto eutético diagrama Fe-C 25 2.2.1 O eutético estável 27 2.2.2 O eutético metaestável 30 2.3 Ferro fundido cinzento 31 2.3.1 Solidificação ferros fundidos cinzentos 33 2.3.2 Tipos de grafita 38 2.3.3 Propriedades mecânicas ferros fundidos cinzentos 43 2.4 Análise térmica 44 3 MATERIAIS E MÉTODOS 50 3.1 Material utilizado e análise de composição química 50 3.2 Procedimento de análise térmica 51 3.3 Procedimento de análise metalográfica 52 3.4 Determinação de dureza Brinell 54 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 55 4.1 Composição química 55 4.2 Análise dos lotes hipoeutéticos 55 4.3 Análise dos lotes hipereutéticos 61 4.3 Análise do efeito da inoculação 64 5 CONCLUSÕES 67 5.1 Sugestões de trabalhos futuros 67 REFERÊNCIAS 68 1 INTRODUÇÃO 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo geral 1.1.2 Objetivos específicos 1.2 Justificativa A fundição é um dos processos metalúrgicos mais antigos, polivalentes e que permite produção em larga escala. É amplamente utilizado na fabricação de peças semiacabadas com geometria complexa, apresentando um custo altamente competitivo em relação a outros métodos de produção. Devido a essas características, a fundição é um processo que envolve diversas variáveis e, consequentemente, requer inúmeros controles de qualidade. Esses controles são necessários para garantir que as propriedades finais das peças sejam alcançadas, ao mesmo tempo em que se mantém os custos de produção dentro do estimado, evitando desperdícios e refugos (LEGUTKO, 2018; BUCHANAN; GARDNER, 2019). Na fundição, existem diferentes classes de ligas que podem ser utilizadas para produzir uma ampla variedade de produtos. Cada classe possui requisitos específicos de controle de qualidade, devido às suas características estruturais. Portanto, ao trabalhar com diferentes ligas, é necessário avaliar suas particularidades específicas. O Ferro Fundido é o material mais comumente utilizado na fundição em larga escala (ABIFA, 2022). Trata-se de um material versátil que combina excelentes propriedades mecânicas e de fundição. O controle de qualidade na fusão durante a produção de ferro fundido desempenha um papel fundamental no sucesso da fabricação do material. Esse controle abrange a verificação da composição química do ferro fundido, a eficácia do processo de inoculação e a análise da morfologia da grafita presente no material. A Espectrometria de Emissão Óptica (OES), é amplamente utilizada como o método padrão da indústria para o controle da composição química durante o processo de fusão, entretanto esse método fornece informações exclusivamente sobre a composição química do material (BOONMEE; WORAKHUT, 2018). A análisetérmica (AT) e interpretação das curvas de resfriamento tornou-se uma ferramenta importante no monitoramento da qualidade do ferro fundido. Inicialmente, as aplicações iniciais da AT eram focadas na rápida avaliação do carbono equivalente em ferro fundido ou do teor de silício em ligas de alumínio-silício. No entanto, avanços posteriores ampliaram a relevância desse método, permitindo a avaliação do efeito da composição química e das variações na taxa de resfriamento sobre o resultado da microestrutura de solidificação (STEFANESCU et al., 2020). Existem vários tipos de Ferro Fundido disponíveis, tais como Ferro Fundido Cinzento, Ferro Fundido Nodular, Ferro Fundido Maleável e Ferro Fundido Branco. Cada tipo de ferro fundido possui propriedades únicas e é adequado para aplicações distintas, a maioria dos ferros fundidos que apresentam grafitas em sua microestrutura. As grafitas são concentrações de carbono que possuem tamanhos e formas distintas (FRANCKLIN, 2009). Essas grafitas se formam durante o processo de solidificação do metal. Elas são produzidas quando a liga utilizada na fundição contém materiais nucleantes em sua composição. Esses materiais reagem com o carbono presente no ferro, separando-o do metal líquido e concentrando-o em depósitos ao longo da microestrutura. O ferro fundido cinzento é caracterizado por ter grafitas em forma de veios lamelares. Já o ferro fundido nodular possui grafitas em forma de nódulos esferoidais. Por sua vez, o ferro fundido maleável é considerado um intermediário entre essas duas classes. O controle de qualidade os que apresentam maiores resultados mercadológicos são os feitos antes de executar o processo de fundição, conhecido como controle de qualidade pré-produção. Esse tipo de controle é importante para garantir que os materiais utilizados na fundição estejam de acordo com as especificações técnicas, e em casos de não conformidade, após a obtenção das características do metal líquido, é possível realizar ajustes corretivos antes do processo de vazamento (BOONMEE; WORAKHUT, 2018). Mitigando assim as chances de que a peça a ser produzida não alcance as necessidades de desempenho requeridas. O que dá a essas classes de ferro fundido suas propriedades distintas é majoritariamente a morfologia de suas grafitas, e uma variável muito importante em seu processamento é o grau de nucleação que o banho de metal liquido apresenta. A medida de nucleação da carga é um indicativo direto de quão propensa o material está a precipitação de grafitas e por suas vezes qual será o formato e tamanho delas na microestrutura estrutura final do item fundido, garantido assim as propriedades mecânicas desejadas (STEFANESCU, 2015). Neste trabalho foi estudado as aplicações da análise térmica no processo produtivo do ferro fundido cinzento. Esta técnica é uma ferramenta poderosa, pois permite o controle do processo de solidificação, também ajuda a identificar problemas que possam ocorrer durante o processo de fundição, como a formação de defeitos na peça fundida, além de prever a microestrutura resultante e possíveis variações. Este trabalho tem como objetivo estudar a solidificação de ligas comerciais de Ferro Fundido Cinzento com a utilização de Análise Térmica com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação. Para se atingir o objetivo geral proposto se destacam os seguintes objetivos específicos: (i) obter dados da curva de resfriamento de diferentes amostras por meio de equipamento industriais de análise térmica, para comparar os dados experimentais com calculados; (ii) realizar ensaios metalográficos nas diferentes amostras e quantificar a microestrutura obtida quanto número de células eutéticas e sua correlação com a dureza do material (iii) avaliar a efetividade da inoculação na mudança de distribuição morfológica da grafita e seu impacto sobre a recalescência Em algumas situações, mesmo quando a composição química dos lotes de ferro cinzento está dentro das faixas especificadas, pode ocorrer uma tendência à formação de ferro branco em partes da matriz. Essa ocorrência se deve ao fato de a carga utilizada apresentar um grau inadequado de nucleação para a formação de ferro cinzento. Essa situação destaca a necessidade de práticas complementares de controle de qualidade metalúrgica, uma vez que a análise química por meio de espectrometria muitas vezes se mostra insuficiente para avaliar adequadamente os fenômenos físico-químicos envolvidos na solidificação do metal. Ao recorrer a essas abordagens complementares, é possível obter uma avaliação mais abrangente e precisa dos fenômenos físico-químicos da solidificação do ferro fundido cinzento. Isso contribui para um melhor entendimento das propriedades do material e auxilia na identificação de possíveis desvios ou problemas no processo de fabricação. Assim, o controle de qualidade metalúrgica se torna mais eficiente, garantindo a produção de ferro fundido cinzento com as propriedades desejadas e a qualidade necessária para as aplicações industriais. A implementação da analise térmica como controle de qualidade possibilita a correção do grau de nucleação da carga por meio de procedimentos como a inoculação, tendo em vista essa possibilidade este trabalho contribuirá para validação do controle de qualidade por analise térmica no processo produtivo da Fersul Manufaturados de Ferro LTDA. Empresa do setor de fundição localizada no município de Pato Branco, PR. 2 REVISÃO Bibliográfica 2.1 Ferro fundido 2.2 O ponto eutético diagrama Fe-C 2.2.1 O eutético estável 2.2.2 O eutético metaestável 2.3 Ferro fundido cinzento 2.3.1 Solidificação ferros fundidos cinzentos 2.3.2 Tipos de grafita 2.3.3 Propriedades mecânicas ferros fundidos cinzentos 2.4 Análise térmica O limite de solubilidade do carbono na solução sólida de ferro γ (Austenita) é de 2,11%. Esse valor é amplamente utilizado como uma separação teórica entre os principais produtos siderúrgicos. Por exemplo, materiais com teores de carbono abaixo desse limite são classificados como aço, enquanto aqueles com teores de carbono acima são classificados como ferro fundido (OLIVEIRA, 2009). A descoberta do ferro fundido foi por volta do ano de 500 DC e em 1388 DC há relatos da sua comercialização. Essa liga tem sido a mais utilizada em aplicações rotineiras, com aplicações diversas nos setores metais mecânico pois oferecem custos de produção relativamente baixos, propriedades mecânicas satisfatórias e além de boa resistência a corrosão em altas temperaturas (FRANCKLIN, 2009). Por definição, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas que contém teores de carbono acima de 2,11%p; na prática, no entanto, a maioria das ligas comercias de ferros fundidos contém entre 3,0% e 4,5%p C, além de outros elementos. O diagrama de fases ferro-carbono, revela que as ligas nessa faixa de composições tornam-se completamente líquidas em temperaturas entre aproximadamente 1150 °C e 1300 ºC, o que é uma temperatura relativamente baixa se comparada a temperatura de fusão de aços. Essa é a principal característica que torna essas ligas apropriadas para fundição, pois são fundidas com considerável facilidade. Além disso, alguns ferros fundidos são muito frágeis, e a fundição é a técnica de fabricação mais conveniente (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Como o ferro fundido possui um percentual de carbono acima do limite de solubilidade, ele não pode ser retido somente em solução sólida, o excedente encontrasse segregado da matriz de forma livre em sua microestrutura, podendo solidificar na forma de carboneto formando a Cementita (Fe3C) ou agrupar e assumir diversos formatos e geometrias, esses agrupamentos são denominados grafitas. A morfologia das grafitas é principal fator que determina suas características e propriedades mecânicas. Ferros fundidos são divididos em classes, onde a característica em comum é a grafita de mesmo formato em todas as ligas pertencentes a denominada classe. O nome de algumas classes reflete a geometria dagrafita, outros aspectos físicos peculiares como a coloração da superfície de fratura e até propriedades mecânicas apresentadas por ela, além disso cada liga dentro das diversas classe oferece características e propriedades especificas (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). A Figura 1 um apresenta as principais divisões e classificações dos produtos siderúrgicos. A seguir se apresenta as principais características de cada classe de ferro fundido com exceção do ferro cinzento que por ser o foco deste trabalho será abordado com maiores detalhes em uma seção específica. Figura 1- Classificações de ligas ferrosas / Fonte: Adaptado de Callister (2007) O ferro fundido nodular possui grafita em nódulos, ou seja, com formato esférico, para isso é adicionada momentos antes de seu vazamento, uma pequena quantidade de liga nodularizante a base de magnésio e ou cério, bismuto... esta por sua vez reage com o metal liquido, fazendo com que as grafitas se formem no formato mencionado e como pode ser observado na Figura 2(a). A depender da composição química da liga ou seu tratamento térmico a matriz predominante pode ser ferrita ou perlita, de modo geral esta classe possui um conjunto de propriedades mecânicas bastante diferente das demais, sendo equiparáveis as do aço e algumas das aplicações típicas desse material é em válvulas, virabrequins, corpos de válvulas, engrenagens, braços de acionamento (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Igual ao ferro dúctil e ao cinzento o ferro fundido vermicular também exibe grafitas em sua microestrutura, o formato de sua grafita em particular se assemelha a um verme e representa um meio termo entre as em formato lamelar e as nodulares, onde algumas de suas grafitas estão de fato em formato nodular, mas estas não podem representar a maioria e sua população deve ser inferior a 20% do total de grafitas, assim como as grafitas em forma de vermes não podem exibir arrestas vivas, o arranjo final desejado podemos observar na Figura 2(b) (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Como o principal fator que define as propriedades mecânicas dos ferros fundidos que possuem grafitas é o formato delas, no ferro vermicular não é diferente, onde por ser um formato intermediário estas se encontram em um faixa intermediaria nas maiorias dos casos. Os limites de resistência a esforços do são comparáveis as aos dos ferros dúcteis e maleáveis e maiores que os dos cinzentos, o grau de ductilidade apresentado pelo ferro vermicular é intermediário entre o cinzento e o dúctil, estas propriedades sendo muito alteradas conforme se altera o grau de modularidade das grafitas (MASCHKE; JONULEIT, 2013). O processo de produção do ferro fundido vermicular é mais complexo pois o controle das reações deve ser mais preciso, igualmente ao dúctil é adicionada liga nodularizante ao metal liquido, mas em proporções que não seja produzido uma predominância de grafitas nodulares, nem que o desvanecimento (fading) seja tanto a ponto de gerar arrestas vivas como no cinzento. Ao alcançar a microestrutura desejada o ferro vermicular apresenta características vantajosas em relação aos outros tios de ferro fundido, como a maior condutividade térmica, maior resistência a choque térmicos e menor oxidação em temperaturas elevadas, e por conta delas as aplicações dessa classe contam com blocos de motores diesel, distribuidores de exaustão e discos de freios para trens de alta velocidade. Nos ferros fundidos brancos, a maior parte do carbono está presente na forma de carboneto de ferro (Fe3C), conhecido como Cementita, o que resulta em uma superfície de fratura clara característica dessa classe de ferro fundido. A Cementita é um composto químico com fórmula Fe₃C e possui uma estrutura cristalina ortorrômbica. Ela é encontrada em ferros e aços fundidos, sendo extremamente frágil e dura, com uma dureza superior a 840 HV. Devido às altas quantidades de Cementita, as propriedades do ferro fundido branco são caracterizadas por alta dureza e resistência ao desgaste. No entanto, como consequência dessa combinação de propriedades, ele também é altamente frágil, o que impossibilita sua usinagem. Portanto, as aplicações do ferro fundido branco são restritas a situações que demandam uma superfície muito dura e resistente à abrasão, dispensando a ductilidade. Um exemplo comum de aplicação é o uso em rolos de laminação (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Nos ferros fundidos de baixo teor de silício (inferior a 1%), todo o carbono presente na liga solidifica-se na forma de Cementita em regiões com taxas de resfriamento elevadas. Quando a peça fabricada possui uma espessura reduzida, toda a sua microestrutura será composta por ferro fundido branco, como ilustrado na Figura 2(c). À medida que a espessura da peça aumenta, a taxa de resfriamento diminui, o que favorece a formação de grafita. Consequentemente, seções mais espessas podem apresentar apenas uma camada superficial de ferro fundido branco, enquanto o núcleo será composto por ferro fundido cinzento. Geralmente o ferro fundido branco é usado também com função de intermediário na produção de ferro fundido maleável, que possui uma resistência relativa elevada e apresenta uma ductilidade ou maleabilidade relevante. Para a ferro maleável ser produzido é preciso realizar o aquecimento das peças de ferro branco já solidificado em temperatura de 800°C a 900 °C em um período de tempo considerável, (CALLISTER; RETHWISCH, 2012) este aquecimento causa a decomposição da Cementita e gera grafitas em formatos aglomerados ou rosetas, a Figura 2(d) é uma fotomicrografia de um ferro fundido maleável ferrítico. Perceba que a microestrutura gerada possui semelhanças com a do ferro dúctil ou nodular, o que é responsável por propriedades mecânicas semelhantes. //Fonte: Callister e Rethwisch (2012). Como apresentado cada classe de ferro fundido preenche requisitos específicos e tem suas aplicações determinadas, assim como cada processo de produção acarreta em custo de materiais distintos, dessa forma as classes mais utilizadas são os ferros cinzento e nodular, por exibirem menor custo de produção e grandes volumes de aplicações. De todas as ligas existes possivelmente as mais importantes são as formadas por ferro e carbono, tanto o aço quanto o ferro fundido são hoje os principais materiais em todo sociedade tecnologicamente avançada e por mais que avanços venham acontecendo e novos materiais mais eficiente apareçam a todo momento como substitutos, ainda irá demorar décadas para que estes sejam produzidos em uma escala e preço plausível a ponto de tornar-se as ligas de ferro e carbono obsoletas, se é que isso irá acontecer. Dada a importância que essas ligas têm em nossa sociedade, é mais que necessário termos conhecimentos de suas características e peculiaridades, para dessa forma dominarmos cada vez seu processamento e utilização. Uma das principais ferramentas para interpretar a transformações ocorridas nessas ligas é o diagrama ferro-carbono apresentado na Figura 3 (a). Nele podemos observar as fases presentes em determinadas regiões sempre em função da porcentagem de carbono presente na liga (eixo x) e da temperatura (eixo y). O digrama de fases ferro-carbono pode ser caracterizado em duas macro regiões, a primeira conhecida como Fe - Fe3C, também conhecida como região rica em ferro, comtempla toda região das ligas de aço e ferro fundido até o limite de porcentagem de carbono corresponde a composição da Cementita (Fe3C), e a segunda Fe3C – C que vai da formação de 100% Cementita ao limite de grafita pura (100% carbono). Como mencionado a na região rica em ferro ficam localizadas todas as ligas de aço e ferro fundido existentes, portanto, ela que possui a maior importância cientifica (ROLLO, 2015). Como neste trabalho será estudado o ferro fundido, região especifica que abordaremos é a do ponto eutético exibida na Figura 3(b), em uma reação de solidificação eutética um liquido transformasse em duas fases solidas diferentes isotermicamente, no sistema ferro carbono o ponto eutético localizasse em uma composição deaproximadamente 4,3% de carbono. Os ferros fundidos são ligas que possuem dois pontos eutéticos, relacionados a duas temperaturas de equilíbrio: o eutético estável e o eutético metaestável. Durante o processo de solidificação, quando a temperatura cruza a linha do eutético estável, a fase líquida se transforma em Austenita + grafita. Por outro lado, se a temperatura durante a solidificação ultrapassar a linha do eutético metaestável, as fases formadas serão Austenita + Cementita (PIESKE, 1980), resultando no ferro fundido branco. A representação dos dois eutéticos do ferro fundido é feita na Figura 3(b), onde as linhas tracejadas representam a o mecanismo de transformação estável e as linhas continuas representam as transformações de fase pelos mecanismos metaestáveis, a perceptíveis diferenças entre as temperaturas e porcentagem de carbono das duas. / / / Vale ressaltar que os valores expressos no diagrama da Figura 3(b) não são consensuais na literatura existindo diversos estudiosos do assunto propondo diferentes valores de porcentagem de carbono para o ponto eutético assim como temperaturas de transformação estável e metaestável (STUEWE, 2008). As faixas de temperaturas expostas correspondem a uma liga binária Fe-C, a diferença de apenas 7°C entre os dois eutéticos, como podemos ver com mais detalhes na Figura 3(b), propicia a transformação pelo sistema metaestável, entretanto, para ligas comercias sempre existiram outros elementos adicionados com a função de alterar as características de solidificação e possibilitar que o material final atinja as propriedades desejadas. A solidificação dos ferros fundidos é comumente interpretada considerando a competição entre os eutéticos, o eutético estável é a transformação do metal liquido em Austenita (y) e grafita, representa um exemplo clássico de um eutético do tipo facetado/não facetado, onde a grafita, como fase facetada, possui dificuldade significativa de nucleação e crescimento. Nesse caso, a grafita desempenha um papel crucial no processo de superresfriamento para a nucleação e crescimento do eutético estável (FUOCO et al., 2000). As faixas de temperatura para que a transformação ocorra pelo mecanismo eutético estável são alteradas pela adição de elementos na liga, a adição de elementos de liga em proporções corretas facilita o processo de fundição, pois melhoram características de solidificação assim aumentando as resistências a tração, ao desgaste, a tenacidade e não prejudicam a usinabilidade e a tendência a precipitação de Cementita (ROSÁRIO, 2012). O silício é o elemento de liga mais importante nos ferros fundidos comuns contendo grafita, normalmente presente em teores de aproximadamente 2% em peso. Essas adições são feitas para melhorar a fluidez do metal líquido e evitar a formação de carbonetos eutéticos durante o processo de solidificação, expandido cerca de 35°C a diferenças das temperaturas do estável para o metaestável (PIESKE, 1974), na Figura 4 podemos notar a alteração causada pela adição de silício. // Fonte: Pieske (1974) Os ferros fundidos comerciais são, essencialmente, ligas ternárias de Fe-C-Si. Quando adicionado às ligas de ferro cinzento, o silício atua como um agente grafitizante, ou seja, auxilia na nucleação e formação de grafitas, permitindo que a liga solidifique pelo sistema estável. Além do silício fosforo também tem função grafitizante da solidificação do ferro fundido, mas apesar desta característica benéfica na solidificação de ferros com grafita, concentrações acima de 0,06% do elemento ultrapassa seu limite de solubilidade no liquido e é fortemente rejeitado na solidificação formando a steadita, esta estrutura formada nas regiões de encontros das células eutética eleva a dureza e diminuiu a resistência a tração, por esses motivos deletérios o fosforo é encarado como elemento deletério em ligas de ferro com grafitas (ABBASI, 2006). Como ligas comerciais são formadas por diversos elementos, sejam eles adicionados intencionalmente como no caso do silício, ou em porcentagem residual controlados como no caso do fosforo, o diagrama de fases exato de cada liga seria em formatos ternários com seções como o exemplo da Figura 5, ou até mesmo diagramas quaternários. // Fonte: Chiaverini (1988). No entanto, o diagrama Fe-C-Si pode ser comparado ao diagrama Fe-C por meio do conceito de Carbono Equivalente (CEQ), que combina em uma única medida os elementos presentes na liga que exercem influência significativa no percentual de carbono da composição do ponto eutético estável (PEISKE, 1974). Para calcular o carbono equivalente existem fórmulas detalhadas (equação 1), onde são englobados maior quantidade de elementos, mas para uso geral a formula seguinte é a que comtempla os mais significativos. Equação 1. Calculo do carbono equivalente. 𝐶𝐸=%𝐶+%𝑆𝑖3+%𝑃3………….(1) A partir dos resultados do cálculo acima podemos classificar os ferros fundidos em ligas em hipoeutéticas (Ceq 4,3%). O eutético metaestável, embora também seja do tipo facetado/não facetado, tem uma cinética de crescimento mais rápida em comparação ao eutético estável. Assim, à medida que a velocidade de solidificação aumenta, a reação do eutético estável é suprimida e a liga solidifica de acordo com a reação de equilíbrio do eutético metaestável (CABEZAS et al., 2000). Como citado anteriormente outros elementos de liga podem ser adicionados no metal, contribuindo para a grafitização do material, entretanto alguns elementos podem deixar a solidificação da liga muito mais rápida e por consequência mais instável. Merchant (1964), ao revisar a teoria de solidificação dos ferros fundidos, descreve a formação dos eutéticos estável e metaestável com base nas curvas de resfriamento. Isso permite explicar a transição das microestruturas dos ferros fundidos cinzentos a brancos com o aumento da velocidade de resfriamento medido pelas curvas. Por exemplo quando adicionado 1,1% de cromo além do silício padrão da liga, o intervalo de TEE a TEM se reduz para 14 °C, com o elemento atuando como estabilizador de carbonetos e induzindo a formação de Cementita, como podemos observar na Figura 6. / / Fonte: Pieske (1974) Na Figura 7, é possível observar a tendência de como os principais elementos afetam o intervalo de solidificação entre o sistema estável e o metaestável, seja aumentando, diminuindo ou deslocando a faixa. / / Fonte: Rosário (2012) O ferro fundido em questão possui carbono livre em sua microestrutura, apresentando grafitas agrupadas em veios lamelares. Esses veios são formados devido ao processo de nucleação heterogênea durante a solidificação do metal. Essa precipitação resulta em uma considerável expansão de volume, o que permite minimizar ou até mesmo eliminar a necessidade do uso de Massalotes e outros alimentadores no molde do material. Possui também uma temperatura de fusão reduzida em relação a outros metais ferrosos, que aliado à sua excelente fluidez permite uma temperatura de processamento e vazamento baixa além da confecção de peças em geometrias complexas. Por haver uma grande variedade de ligas de ferros cinzento com grande amplitude de propriedades mecânicas algumas classificações formam criadas para caracterizar certas ligas. A norma A48 da American Society for Testing and Materials (ASTM) é utilizada para classificar os ferros fundidos cinzentos de acordo com sua resistência mecânica. Na Tabela 1, são listadas as classes correspondentes, em que os números de 20 a 40 indicam os limites de resistência à tração em ksi (1000 lb/pol²). Tabela 1 – Equivalência de propriedades mecânicas mínimas aproximadas de alguns ferros fundidos cinzentos- ASTM A448 e SAE J431 Limite de Resistência à Tração ASTM – SAE Estrutura da Matriz Faixa de dureza Brinell Classe Ksi Mpa Ferrita + Perlita 20-18 137-123 120 a 187 SAE G1800 ASTM 20 Ferrita + Perlita 25 169 170 a 229 SAE G2500 ASTM 25 30 204 Perlita 187 a 241 SAE G3000 ASTM 30 35 244Perlita 207 a 255 SAE G3500 ASTM 35 40 273 Perlita 217 a 269 SAE G4000 ASTM 40 Fonte: Adaptado de ASTM A48/A 48M-2003 e SAE J431-1996 Segundo Chiaverini (1988) as características dos ferros fundidos cinzentos tornam esse material de grande importância para indústria automobilística. Por essa razão a SAE, por intermédio da especificação J431, elaborou sua classificação desses materiais onde suas principais aplicações são: Tabela 2 – Principais aplicações de Ferros fundidos Cinzentos Fonte: Adaptado de SAE J431-1996 A solidificação do ferro fundido cinzento é basicamente um processo de nucleação e crescimento das fases Austenita, grafita e Cementita. O processo é termicamente ativado e é necessário o resfriamento em relação da temperatura de equilíbrio para que os primeiros núcleos sejam formados, e possam em um determinado tempo atingir o tamanho crítico e crescer, dando sequência a transformação de fase (SANTOS; BRANCO, 1989). Na solidificação de qualquer ferro fundido a área em que formação de grafita acontece é representada a partir de dois patamares de temperatura no Diagrama de equilíbrio Fe-C, a Temperatura do Eutético Estável (TEE) que no diagrama binário é representada pela linha de 1152°C, e a Temperatura do Eutético metaestável (TME) representada pela linha de 1146°C (NASCIMENTO; SANTANA, 2016). A diferença de temperatura entre o começo da formação da grafita e a do eutético estável é chamada superresfriamento, para que os núcleos de atinjam o tamanho crítico e a matriz do ferro fundido seja composta de Austenita e grafita, sem a precipitação de carbonetos de Cementita (ferro branco) após a transformação eutética é aconselhável que a temperatura não ultrapasse a linha do eutético metaestável. Com o superresfriamento se mantendo acima do ponto metaestável, os patamares em que a em que as precipitações de grafitas ocorrem durante a solidificação são de suma importância, dependendo dos níveis diferentes tipos de grafitas iram se formar assim conferindo ou não grande parte das propriedades mecânicas esperadas da liga. Alguns fatores são fundamentais as para a correta solidificação dos ferros fundidos cinzentos, como: velocidade de resfriamento, composição química, e grau de nucleação. Como por exemplo, Rosario (2012) denota que a forma lamelar da grafita é modificada pelo enxofre e oxigênio, estes são elementos tenso-ativos que não permitem que o carbono se ancore no plano basal, forçando assim o crescimento na direção do plano prismático tornando a grafita lamelar. A morfologia da grafita do ferro fundido cinzento está dividida em cinco classes de acordo com a Norma ASTM A 247, A, B, C, D e E, essas morfologias originam-se do processo de solidificação, em função de fatores já citados acima e diretamente dependente do grau de superresfriamento envolvido como mostra a Figura 8, onde é demostrado o tipo de grafita obtida em cada patamar de superresfriamento. // Fonte: Fuoco et al. (2003) Também é relevante mencionar as classificações das grafitas com base em sua composição química. A grafita tipo C é considerada uma grafita primária, o que indica uma liga hipereutética, enquanto as grafitas A, B, D e E são classificadas como grafitas eutéticas. A morfologia desses tipos de grafita é ilustrada na Figura 9. A grafita tipo “A” é a mais amplamente distribuída e uniforme, resultando em uma distribuição mais homogênea. Na grafita tipo “B”, pode-se observar uma grafita fina no núcleo, cercada por grafitas maiores, caracterizando uma distribuição heterogênea. Na grafita tipo “D”, existem regiões sem grafita que consistem em dendritas de Austenita, indicando uma liga hipoeutética. (©/TR 945-2:2011) De acordo com Fuoco (2004), os fatores mencionados desempenham um papel fundamental na formação, crescimento e arranjo das grafitas, resultando em propriedades, composições e aplicações completamente distintas. Figura 9 -Tipos de grafita de ferro fundido cinzento / Fonte: ASTM (1988) Um dos conceitos fundamentais para compreender as diversas microestruturas que podem se formar na solidificação do ferro fundido é o diagrama de fases acopladas ou acoplamento de crescimento cooperativo, conforme descrito por Stefanescu (2015). A zona acoplada é uma faixa de temperaturas (abaixo da temperatura eutética) e composições em que as fases que compõem o eutético podem crescer a partir do banho a velocidades semelhantes, como explicado por Elliot (1988). A Figura 10 ilustra os dois tipos de zonas acopladas presentes em sistemas metálicos. Para o caso do ferro fundido com grafitas os dois principais componentes possuem pontos de fusão diferentes, portanto a zona acoplada correspondente é a da Figura 10b, nomeada zona acoplada assimétrica. Está possui um deslocamento quando comparada a da Figura 10ª, nomeada zona acoplada simétrica. /// A solidificação dos ferros fundidos com grafita é um processo que envolve principalmente a nucleação e o crescimento de fases. A nucleação ocorre quando partículas energeticamente estáveis são formadas por ativação térmica. À medida que essas partículas atingem um tamanho crítico, elas crescem e dão origem às fases presentes, que incluem a Austenita, a grafita e a Cementita. Esse processo de nucleação e crescimento é essencial para a formação da microestrutura característica dos ferros fundidos com grafita (SANTOS, 1989). A nucleação da grafita nos ferros fundidos requer um superresfriamento em relação à TEE para que os primeiros núcleos se formem. Por outro lado, as dendritas de Austenita são mais facilmente formadas devido às melhores condições de cristalização que favorecem a nucleação de cada fase. A Austenita, por ter uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas, é mais regular e isotrópica em comparação com o sistema hexagonal da grafita. Essas diferenças estruturais influenciam a forma como as fases se nucleiam e se desenvolvem durante o processo de solidificação dos ferros fundidos (NETO,1985). Na solidificação de uma liga eutética, ao cruzar a linha do eutético estável inicialmente a fase que precipita é a de dendritas primárias de Austenita, isso porque a liga se encontra fora da zona acoplada e a estrutura CCC da Austenita prevalece até a temperatura de superresfriamento, ponto 1, da representação da Figura 11, com essas dendritas primarias possuem menor teor de carbono que a liga, este é expulso para o metal liquido e elevando o seu teor de tal forma que a solidificação entra na zona acoplada, ponto 2, a solidificação nessa possibilita a formação do eutético, e como resultado final desse interações pode se observar conforme ilustrado na Figura 11 abaixo da zona acoplada, dendritas primárias de Austenita e células eutéticas. / // Nas solidificações de liga hipoeutética e hipereutéticas ocorre precipitações de grafitas além das de dendritas e células eutéticas, as hipoeutéticas Figura 12(a) ocorrem na ordem dendritas (ponto 1), grafitas (ponto 2), células eutéticas (ponto 3), enquanto que nas hipereutéticas Figura 12(b) a ordem é grafitas (ponto 1), dendritas (ponto 2) e células eutéticas (ponto 3). Vale ressaltar que as posições dos pontos apresentados nas Figuras são hipotéticas, pois as suas localizações são fortemente dependentes da composição química, condições de resfriamento e número de núcleos contidos do banho. / / Fonte: Cabrezas (2005) Essas são as principais diferenças das características da curva de resfriamento quanto a sua composição química, como pode ser observado diferentes composições, tanto eutética, hipoeutética e hipereutética geram diferentes mecanismos de solidificação impactando na microestrutura final. A grafita do tipo A é caracterizada por ser fina, com distribuição aleatória e uniforme. Em geral, as lamelas de grafita lamelar com arestas vivas podem atuar como fragilizantes, causando efeito de entalhe no material. No entanto, esse efeito tende a ser menor quando a grafita é do tipo A. Por essa razão, é o tipo de grafita preferido para uso em peças que requerem resistência mecânica. Na Figura 13, podemosobservar a natureza ramificada e interconectada das lamelas. A formação da grafita tipo A pode ser realizada através da inoculação, que consiste na adição de partículas de elementos nucleantes de grafita no banho líquido metálico durante a formação do ferro fundido cinzento. Isso é feito com o objetivo de reduzir o superresfriamento e promover a formação da estrutura de grafita tipo A, através da introdução de núcleos estáveis (NASCIMENTO; SANTANA, 2016). Figura 13– Características da grafita tipo A/ Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafita tipo B é formada com moderado superresfriamento, normalmente encontra sobre toda superfície da peça fundida que fica m contato com o molde, também conhecida como reação metal molde. A Grafita tipo B pode ser caracterizada como uma grafita mista, apresentando grafitas tipo D no seu centro e grafitas tipo “A” em suas partes externas, exibindo um agrupamento em forma de roseta. A solidificação do ferro fundido com grafita é caracterizada pela nucleação em áreas de alta velocidade de extração de calor. Quanto maior a velocidade de extração de calor, menor será o tamanho da grafita, o que explica a presença das grafitas do tipo “D” na região central. A solidificação de várias dessas grafitas no centro libera calor, reduzindo o superresfriamento e alterando a cinética de crescimento. Isso resulta na formação de grafitas do tipo “A” com veios alongados, dispostas radialmente em relação ao centro, conforme ilustrado na Figura 14 (a). Na Figura 14 (b) podemos observar podemos ver uma microscopia evidenciando as grafitas tipo “D” formadas no centro a célula eutética, assim como na Figura 14 (c) podemos observar as grafitas tipo “A” distribuídas nos contornos. Na Figura 14 (d) é ilustrado a deposição de carbono na interface da grafita tipo “D” localizado ao centro, ela ocorre devida a pequena distancia de difusão, essa deposição acaba tornando a matriz do centro da grafita totalmente ferrítica, por após a difusão facilitada não há carbono o suficiente na fase para torna-la perlitica. // Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) As grafitas do tipo C podem ocorrer em ligas hipoeutéticas quando há partículas de grafita não dissolvidas durante a fusão. Nesses casos, ocorre a hereditariedade (CABEZAS, 2005). No entanto, esses casos são menos comuns, sendo as grafitas do tipo C características do ferro fundido hipereutético. Em ligas hipereutéticas, as grafitas do tipo C podem ser as primeiras a se formarem, devido à baixa velocidade de extração de calor. Isso resulta em menos núcleos e menor frequência de ramificação, levando à formação de grafitas mais grosseiras. Durante a solidificação dessas grafitas primárias, ocorre a liberação de calor, resultando em um superresfriamento reduzido, o que, por sua vez, dá origem às grafitas eutéticas do tipo A. Figura 15– Características da grafita tipo C / Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafitas tipo C assumem o formato de lamelas grosseiras quando presente em seções espessas, conforme podemos observar na Figura 15ª e 15b, e de forma distinta assume as formas de estrelas quando em seções de espessura reduzida (Figuras 15c e 15d).. A grafita do tipo D é caracterizada pela solidificação de finas lamelas de grafita em alto grau de superresfriamento, que delineiam os contornos da Austenita primária em ligas hipoeutéticas, como ilustrado na Figura 16a. Na Figura 16b, pode-se observar alguns vales onde a matriz foi corroída, o que indica o caráter hipoeutético da liga, embora sua composição seja muito próxima da liga eutética, com um teor de carbono equivalente entre 4,0% e 4,3%. Dessa forma, a grafita do tipo D pode ser classificada como grafitas interdendríticas sem orientação preferencial, com sua orientação aleatória evidenciada na Figura 16c. Figura 16– Características da grafita tipo D. / Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafitas tipo D são típicas de banhos com inoculação muito deficiente, devido seu alto grau de superresfriamento sua solidificação ocorre preste a cruzar o limite da temperatura metaestável, essas características aliadas à sua resistência mecânica reduzida em relação a grafitas do tipo A, fazem com que essas grafitas sejam consideradas desfavorável. De mesma forma que as grafitas de tipo D, as grafitas do tipo E são formadas a partir de um alto superresfriamento, e possuem o formato interdendritico, como diferencial elas apesentam a orientação preferencial imposta pelas dendritas de Austenita primária, caracterizando-se assim por uma forma extrema de grafita tipo D. Grafitas tipo E são uma distribuição característica de banhos fortemente hipoeutéticos, com carbono equivalente abaixo de 4,0%, apresentam espessuras médias ou baixas e são bastante alinhadas como exibido na Figura 17. //Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Para obtenção das melhores propriedades mecânicas nos ferros fundidos cinzentos sempre é buscado a obtenção de grafitas tipo A, para alcançar esse resultado diversas técnicas e tratamentos são realizados para melhorar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Um dos principais e indispensáveis tratamentos é a inoculação do banho. A inoculação consiste na adição de substâncias ou partículas de nucleação no metal líquido, com o objetivo de aumentar a nucleação e formação de células eutéticas, onde ocorrerá a formação das grafitas. Com a inoculação, é possível aumentar o número de núcleos heterogêneos presentes no metal líquido, o que resulta em uma maior nucleação das grafitas. Esse processo diminui o superresfriamento e contribui para a obtenção de uma microestrutura mais refinada e uniforme, com um maior número de grafitas do tipo A distribuídas de maneira homogênea. Essa melhoria na microestrutura proporcionada pela inoculação resulta em uma série de benefícios nas propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. A presença de grafitas do tipo A, que são finas e uniformes, confere uma maior resistência mecânica, uma melhor ductilidade e uma maior resistência à fadiga. Além disso, a presença de grafitas tipo A reduz a tendência de trincas e falhas estruturais, contribuindo para a integridade e durabilidade das peças fabricadas com esse material. Dessa forma, a inoculação é uma técnica fundamental na produção de ferros fundidos cinzentos, pois desempenha um papel crucial na obtenção das melhores propriedades mecânicas, através da formação controlada de grafitas tipo A na microestrutura. Um dos principais controles usados durante a fabricação do ferro fundido é o da composição química do banho, onde os parâmetros mais importantes a serem avaliados do ponto de vista da solidificação é o percentual de carbono equivalente (%CE), o de carbono (%C), e o de silício (%Si) (SILVA, 2007). A composição química modifica o comportamento cinético da solidificação por influenciar tanto a velocidade de nucleação como a velocidade de crescimento das células eutéticas com elementos grafitizantes em geral tendendo a aumentar a velocidade de nucleação (STUEWE, 2008). Dada a sua grande influência é de extrema importância que a análise química seja realizada para obtenção de um ferro fundido de qualidade, atualmente ela pode ser executada de duas maneiras: por espectrometria óptica ou via analise térmica (SILVA, 2007). A análise química utilizando espectrometria óptica é reconhecida como um método altamente preciso para determinar a composição química de um banho líquido. Esse método oferece resultados abrangentes que incluem todos os principais componentes presentes no banho, proporcionando uma análise completa. No entanto, é importante mencionar algumas desvantagens associadas a esse método. Para realizar a análise, é necessário que a amostra seja solidificada como ferro fundido branco (Fe γ + Fe3C), a fim de viabilizar a análise adequada. Isso requer um tempo considerável para a preparação da amostra, que envolve etapas como lixamento ou retificação. Além disso, o tempo total necessário para obter a amostra, enviá-la ao laboratório, realizar a preparação e, por fim, realizarrelation to lots without inoculation. Keywords: Thermal Analysis. Gray Cast Iron. Recalescence. LISTA DE FIGURAS Figura 1- Classificações de ligas ferrosas ............................................................ 21 Figura 2 – Classes de ferro fundido ...................................................................... 24 Figura 3 – a) Diagramas Fe-C estável e metaestável b) Pontos eutéticos ......... 26 Figura 4 – Influência do Silício nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos ........................................................................................................ 28 Figura 5 – Secção vertical do sistema Fe-C-Si a um teor constante de 2% de Si, em hachurado área com as três fases .................................................................. 29 Figura 6 – Influência do Cromo nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos ........................................................................................................ 30 Figura 7 – Influência dos principais elementos de liga nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos .................................................................. 31 Figura 8 – Curvas de resfriamento típicas para os tipos de grafita .................... 34 Figura 9 -Tipos de grafita de ferro fundido cinzento ............................................ 35 Figura 10 – Diagrama (a) zona acoplada simétrica (b) zona acoplada assimétrica ............................................................................................................... 36 Figura 11– Solidificação de uma liga eutética ...................................................... 37 Figura 12– Solidificação (a) Liga hipoeutética (b) Liga hipereutética ................ 38 Figura 13– Características da grafita tipo A .......................................................... 39 Figura 14– Características da grafita tipo B .......................................................... 40 Figura 15– Características da grafita tipo C .......................................................... 41 Figura 16– Características da grafita tipo D. ......................................................... 42 Figura 17– Características da grafita tipo E .......................................................... 43 Figura 18 – Curva de resfriamento característica de 3 classes de ferro fundido .................................................................................................................................. 47 Figura 19 – Equipamento Carbomax Delta utilizado em aplicações industriais. .................................................................................................................................. 48 Figura 20 – Capsulas ITALCARB K e receptáculo para alojamento e comunicação ........................................................................................................... 48 Figura 21 – Curva de resfriamento característica de uma liga hipoeutética ...... 49 Figura 22 – Componentes do sistema de análise térmica. .................................. 51 Figura 23 – Ilustração do corpo de prova ............................................................. 52 Figura 24 – Ilustração da contagem de grafitas realizada pelo ImageJ ............. 53 Figura 25 – Curva de resfriamento do lote 1317 ................................................... 56 Figura 26 – Curva de resfriamento do lote 1321 ................................................... 57 Figura 27– Curva de resfriamento do lote 1322 .................................................... 58 Figura 28- a) Metalografia lote1317 b) Metalografia lote1321 c) Metalografia lote1322 – ................................................................................................................. 59 Aumento 100x .......................................................................................................... 59 Figura 29 – Correlação entre grau de recalescência e N° de células eutéticas/mm² .......................................................................................................... 60 Figura 30 – Correlação entre grau de recalescência e Dureza ............................ 61 Figura 31 – Curva de resfriamento do lote 1318 ................................................... 62 Figura 32 – Curva de resfriamento do lote 1320 ................................................... 62 Figura 33 –Metalografia com aumento de 100x a) lote1318 b) lote1320 ............. 63 Figura 34 – Curva de resfriamento do lote 1321 após inoculação ...................... 64 Figura 35– a) Metalografia lote1321 Base b) Metalografia lote1321 Final - Aumento 100x .......................................................................................................... 65 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Equivalência de propriedades mecânicas mínimas aproximadas de alguns ferros fundidos cinzentos- ASTM A448 e SAE J431 ................................ 32 Tabela 2 Principais aplicações de Ferros fundidos Cinzentos .......................... 32 Tabela 3 – Dados da composição química ............................................................ 55 Tabela 4 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipoeutéticos ........... 58 Tabela 5 – Dados da análise das imagens ............................................................ 59 Tabela 6 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipereutéticos .......... 63 Tabela 7 – Dados da análise das imagens ............................................................ 64 Tabela 8 – Dados das curvas de Resfriamento do lote 1321 ............................... 65 Tabela 9 – Dados da análise das imagens do lote 1321 ...................................... 65 LISTA DE EQUAÇÕES Equação 1. Calculo do carbono equivalente. ....................................................... 29 Equação 2. Cálculo de TEE. ................................................................................... 56 Equação 3. Cálculo de TEM. ................................................................................... 56 LISTA DE SIGLAS ASTM American Society for Testing and Materials AT Análise Térmica Ceq Carbono Equivalente OES Espectrometria de Emissão Óptica LG Lamelares De Cinzento TME Temperatura Eutético Metaestável TEE Temperatura do Eutético Estável TSE Temperaturas De Super Resfriamento TRE Temperaturas De Recalescência SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 16 1.1 Objetivos ............................................................................................................ 18 1.1.1 Objetivo geral ................................................................................................... 18 1.1.2 Objetivos específicos........................................................................................ 18 1.2 Justificativa ........................................................................................................ 18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 20 2.1 Ferro fundido ..................................................................................................... 20 2.2 O ponto eutético diagrama Fe-C ...................................................................... 25 2.2.1 O eutético estável ............................................................................................. 27 2.2.2 O eutético metaestável ..................................................................................... 30 2.3 Ferro fundido cinzento ...................................................................................... 31 2.3.1 Solidificação ferros fundidos cinzentos............................................................. 33 2.3.2 Tiposa análise em si, geralmente leva em média cerca de 5 minutos. É importante levar em consideração esse tempo adicional ao avaliar a eficiência e a rapidez do processo de análise química por espectrometria óptica. Já a análise química através da análise térmica é bastante rápida e precisa, mas também apresenta algumas desvantagens, como por exemplo, os resultados de percentuais são obtidos com base nas temperaturas de início de solidificação e fusão, portanto só quantifica os principais elementos da solidificação (%CE, %C, %Si), assim não sendo adequada para o controle do processo como um todo. A maioria das fundições de ferros fundidos utiliza a composição química como o principal método de controle do banho metálico. No entanto, é importante destacar que, durante a solidificação do ferro fundido, ocorrem diversas mudanças de fases (FUOCO; CABEZAS, 2004). O uso exclusivo da análise química é adequado quando se trata de um processo altamente confiável, com produção em série de peças com pouca variação de espessura e matéria-prima. No entanto, em situações em que essas condições não são atendidas, é aconselhável buscar um controle adicional, como o controle de nucleação. Esse tipo de teste auxilia na determinação da quantidade adequada de inoculante necessária para preparar o material antes do vazamento (MORREIRA, SD). Entre os métodos conhecidos para realizar esse controle, destaca-se a análise da cunha. Por muito tempo, o teste de cunha foi amplamente utilizado na análise do ferro fundido cinzento e desempenhava um papel fundamental na avaliação do grau de nucleação desse material. Com esse teste simples e prático, é possível prever a forma da grafita em diferentes espessuras das peças a serem fundidas. O teste de cunha consiste em verter uma determinada quantidade de metal líquido em um molde com formato de cunha. Devido à geometria do molde, a velocidade de extração de calor varia, ou seja, a parte inferior da cunha resfria mais rapidamente do que a parte superior, criando diferentes taxas de resfriamento. Após a solidificação, é realizada uma inspeção visual para avaliar a altura do coquilhamento na cunha, o que fornece uma representação do grau de nucleação do banho metálico. No entanto, é importante mencionar que, apesar de ser um teste simples e de baixo custo, o teste de cunha está se tornando cada vez menos utilizado como técnica padrão em linhas de produção. Isso ocorre devido ao fato de que a análise da cunha não fornece um valor exato e depende principalmente do bom senso e do conhecimento prático para sua realização. Portanto, outras abordagens mais precisas e confiáveis estão sendo desenvolvidas e adotadas para o controle de nucleação em fundições de ferros fundidos. A análise térmica eutética já possui um grande histórico de pesquisas, surgindo em meados da década e 1960 para medição do carbono equivalente contido na liga, na década seguinte vários autores publicaram estudos sobre a relação da curva de solidificação com a microestrutura resultante e a eficácia da inoculação. Também nessa década a Ford desenvolveu o “Ceq cooling curve computer” para a plotagem da curva. A técnica baseia-se na e interpretação das curvas de resfriamento obtidas de uma amostra do banho metálico, vazada num cartucho contendo um termopar no seu centro geométrico onde um equipamento gera a curva de temperatura versus tempo. Dessa curva são retirados dados como superresfriamento a recalescência onde certos patamares tendem a gerar determinadas grafitas e por consequência algumas propriedades físicas distintas. Dessa forma quando implementada no processo produtivo desempenha um papel importante no controle de qualidade do banho metálico pois permite estimar a microestrutura a se formar antes do metal ser retirado do forno e vazado, possibilitando assim sua exata correção do banho via inoculação ou desnucleação. Todos os processos da solidificação do ferro fundido podem ser monitorados por curvas de análise térmica. Basicamente os ferros fundidos solidificam-se em dois processos consecutivos, solidificação de fase primária e solidificação de microconstituinte eutético, em ferros hipoeutéticos a fase primária corresponde a Austenita e em hipereutéticos corresponde a grafita. Todavia para maioria das aplicações é preferível trabalhar com composições hipoeutéticas pois quando se tem uma liga hipereutética ó obtida uma grafita primária muito grosseira, diminuindo assim a resistência do material (ROSARIO, 2012). Tanto em liga hipoeutética e hipereutética em ambas as fases, sua solidificação ocorre por nucleação e crescimento. Curvas de resfriamento típicas de 3 classes de ferro fundido estão representadas na Figura 18, nela podemos observar o primeiro patamar, que corresponde a temperatura de nucleação das dendritas de Austenita, e em seguida o decaimento da temperatura e a precipitação de grafitas exibem curvas características de cada tipo de grafita, como é demostra do para grafitas lamelares de cinzento (LG), grafitas compactas de vermicular (CG) e grafitas esferoidal de nodular (SG). / / Fonte: Stefanescu (2015) Para obtenção das curvas de arrefecimento são utilizados equipamentos industriais como o apresentado na Figura 19. Estes equipamentos são dotados de software de processamento que registra além das temperaturas durante a solidificação de uma amostra de ferro fundido, também informações complementares e calcula parâmetros da condição metalúrgica do banho fundido, para isso se faz necessário definir uma Temperatura De Eutético Estável (TEE) usada com referencial. Figura 19 – Equipamento Carbomax Delta utilizado em aplicações industriais. / Fonte: Italterm (2023) Para gerar a entrada de dados no equipamento, são usados alguns acessórios, o metal é vazado em sensores no formato de capsulas quic-cup, são sensores descartáveis desenvolvidos para o processo de análise térmica de ferros fundidos cinzentos, nodulares e vermiculares. Confeccionados em areia Shell e em seu centro possuem um termopar tipo K, como é demostrado na Figura 20(a). Este sensor é montado sobre um receptáculo que faz contato elétrico com o termopar, e através de cabos o receptáculo envia os sinais elétricos para o equipamento de leitura, como demostrado na Figura 20(b). // Fonte: Italterm (2023) Para realizar uma análise química correta via equipamentos que registam temperaturas é necessário utilizar os sensores com porções de Telúrio e enxofre em seu fundo, assim quando a amostra de metal liquido é vazada na capsula, ocorre a adição desses elementos específicos fazendo com que a liga solidifique exclusivamente no sistema metaestável e dessa forma gerando uma curva de arrefecimento propicia para a determinação da composição química da liga. Em ambas as situações a retirada de amostras de metal liquido é feita por meio de uma concha especial exemplificada na Figura 21(a), fabricada em fibra cerâmica, para que a troca de calor seja minimizada, devido à sua baixa condutividade térmica, permite também que a temperatura do metal seja mantida por mais tempo, possibilitando análises que de maior tempo de enchimento (Figura 21 (b)), além não contaminar a amostra retirada por ter um baixo nível de aderência e boa estabilidade em altas temperaturas, se mantendo integra e sem liberar resíduos nas amostras. /// A utilização do equipamento pela empresa onde este trabalho foi desenvolvido é exclusivamente em seu modo de avaliação de microestrutura, onde os sensores utilizados não possuem nenhum elemento a ser diluído na amostra durante seu vazamento, dessa forma não alterando a microestrutura da amostra. 3 Materiais e Métodos 3.1 Material utilizado e análise de composição química 3.2 Procedimento de análise térmica 3.3 Procedimento de análise metalográfica 3.4 Determinação de dureza Brinell Neste capítulo são apresentados os métodos empregados no desenvolvimento deste estudo. São descritos os materiais utilizados, os procedimentos para análise de composição química, para análise térmica, metalografia por microscopiaótica e dureza Brinell. Neste estudo, o material analisado consiste em ferro base das ligas de ferro fundido cinzento hipereutéticas SAE G1800 e hipoeutéticas SAE G2500 e SAE G3000. O ferro base é a denominação que o material recebe quando está no cadinho de fusão, antes da liberação da ordem de produção pelo setor de qualidade. Essas amostras foram coletadas nessa etapa do processo devido à possibilidade de correção da composição química e do grau de nucleação do material base, de modo que elas não representam as características finais das peças. Foram retiradas cinco (5) amostras únicas em lotes de material base no momento da liberação para o vazamento e uma (1) amostra foi coletada da panela de vazamento, momentos antes do preenchimento do molde com metal líquido. Essa amostra única foi escolhida a partir do maior superresfriamento observado entre as 5 amostras analisadas. Dessa forma, se poderia verificar o efeito do tratamento de inoculação realizado. O equipamento utilizado na análise de composição química e um espectrofotômetro marca SPECTRO modelo SPECTROMAXx que permite a análise de 26 elementos químicos. O Carbono equivalente utilizado neste trabalho foi determinado diretamente pelo equipamento de análise química. Os corpos de prova utilizados na análise química são moedas coquilhadas de 5 mm de espessura e 40 mm de diâmetro obtidas em uma coquilha de cobre eletrolítico. Para obtenção das curvas de resfriamento durante a solidificação foi utilizado o equipamento Carbomax Delta da ITALTERM sistemas e controles industriais Ltda. A Figura 22 mostra o sistema de análise térmica de forma esquemática. / / / As informações coletadas pelo equipamento a partir de seu software de processamento, incluem: data e hora de início e término, temperatura de pico, temperatura Liquidus, estimativa de carbono equivalente, temperatura de superresfriamento, temperatura de recalescência, grau de recalescência, diferencial de recalescência em °C/s, e temperatura final de fusão, as informações coletadas possuem um intervalo de medição de 0,5 segundos. Além das temperaturas durante a solidificação, o equipamento disponibiliza parâmetros da condição metalúrgica do banho fundido, com base na temperatura do eutético estável (TEE) usada com referencial, a partir dela os dados de temperatura de superresfriamento (TSE) e a variação do eutético (ΔT), informações complementares como o número da amostra ou lote de produção são registradas para controle de qualidade. As informações coletadas na análise podem ser importadas em arquivos em formato .CSV, para isso é necessário a ligação de um cabo de rede na sua porta de comunicação e em um computador com sistema operacional Windows ou Linux. Nesse trabalho, no tratamento das informações foi usado o software livre labplot, desenvolvido pelo grupo KDE. Com ele foi possível desenvolver as análises e gerar os gráficos e tabelas necessários ao desenvolvimento e analise de resultados. Os corpos de prova utilizados para o desenvolvimento da análise metalográfica foram obtidos a partir de capsulas de análise térmica de areia Shell sem o sensor de Telúrio. As amostras de ferro fundido foram resfriadas lentamente até atingir a temperatura ambiente, resultando em um corpo de prova similar ao representado na Figura 23. / // Na sequência as amostras foram cortadas ao meio para adequar suas dimensões a entrada do microscópio, também foi realizado um desbaste grosseiro com pedras abrasivas, instaladas em um moto esmeril, sempre com o devido cuidado para não superaquecer a amostra, dessa forma removendo cerca de 5 mm do fundo da amostra e construindo um plano para o acabamento mais refinado, e a avaliação metalográfica em uma região afastada da superfície metal-molde. A etapa seguinte da preparação foi lixamento realizado em uma politriz metalográfica. As lixas utilizadas foram a 220, 600 e 1200 e após passarem por todas as granulometrias de lixa as amostras foram polidas com pasta de alumina até a eliminação de das marcas de lixa e a superfície da amostra ter o aspecto espelhado. Como o objetivo do trabalho é avaliar a morfologia da grafita, nenhum ataque foi feito na superfície das amostras. Para realização dos ensaios metalográficos foi utilizado um microscópio LEIPZIG RX50 equipado com câmera de alta definição série HDL modelo Ultracam X / Metal M, com lentes ajustas para um aumento de 100 vezes dos laboratórios de ensaios mecânicos do campus Pato Branco da UTFPR. Após coletadas as imagens das cinco (5) amostras sem inoculação foram tratadas e avaliadas quantitativamente por meio do software livre ImageJ, os parâmetros para avalição usados foram os seguintes, partículas com menos de 2 microns quadrados forma desconsideradas, além disso só forma contabilizadas grafitas que apresentaram de 5% a 50% de circularidade, de desta forma foi possível realizar a contagem e medição das grafitas, com exemplificado na Figura 24. / / / Com um posterior tratamento de dados feito em Excel também foi possível a quantificação da população, feita em grafitas por milímetro quadrado. A análise da amostra inoculada foi desenvolvida conforme a norma ASTM A247-2019, com o tipo e distribuição predominante das grafitas sendo definido por meio de estimativas visuais, e o tamanho da grafita definida pelas de medidas geradas pelo software ImageJ. A análise de resultados de dureza foi realizada com base na norma ABNT NBR 6506-1 – 2010, o durômetro e lupa graduada empregados foram da marca Durotest modelo HBW 3000. Foram realizadas três (3) leituras cada amostra e nas amostras com maior dispersão de resultados foram feitas cinco (5) leituras, das quais a maior e a menor foram descartadas, sendo o resultado da dureza Brinell média de três (3) leituras. 4 Resultados e discussões 4.1 Composição química 4.2 Análise dos lotes hipoeutéticos 4.3 Análise dos lotes hipereutéticos 4.3 Análise do efeito da inoculação Os dados de composição química dos lotes foram coletados, dados esses obtidos por meio de espectrometria de emissão óptica (OES). A Tabela 3 exibe as leituras de composições químicas dos lotes de ferro fundido cinzento analisadas neste estudo. Tabela 3 - Dados da composição química / Todos os as amostras apresentaram porcentagens dos elementos químicos próximas das recomendadas pela norma SAE J431 - 1996, possibilitando assim a liberação da ordem de produção sem muitas alterações, sendo realizadas apenas pequenos ajustes na carga de metal liquido. Para realização deste estudo foram recolhidas 3 amostras de Ferro Base em composição hipoeutética (CE// / A Tabela 4, compila as informações características das curvas de resfriamento, obtidas a partir dos resultados experimentais como TSE, TRE, Recalescência, em conjunto com as informações calculadas por meio das Equações (2) e (3) de Rosário (2012) além de exibir a informação da diferença percentual entre TEE e TSE. Tabela 4 – Dados das curvas de Resfriamento dos lotes Hipoeutéticos Diferença entre TEE e TSE (%) Recalescência (°C) TRE (°C) TSE(°C) TEM (°C) TEE (°C) Lote 0,10% 4,61 1146,3 1141,69 1113,89 1142,85 1317 0,27% 4,71 1143,3 1138,59 1115,32 1141,71 1321 0,09% 4,09 1148,09 1144,00 1109,25 1144,99 1322 Fonte: Autoria própria (2023) Os resultados obtidos pela microscopia óptica das 3 amostras hipoeutéticas são apresentados na Figura 28, em seguida na Tabela 5 é exibido o resultado da análise das imagens, feitas pelo software ImageJ, contando o número de célula eutética por mm². Figura 28- a) Metalografia lote1317 b) Metalografia lote1321 c) Metalografia lote1322 – Aumento 100x / / Em conjunto com a metalografia foi medida a dureza média em cada amostra, por meio dos ensaios Brinell, onde seus resultados são expressos também na Tabela 5. Tabela 5 – Dados da análise das imagens Dureza (HB) N° de células eutéticas/ mm² Lote Figura 229 136 1317 24(a) 230 139 1321 24(b) 218 132 1322 24(c) Fonte: Autoria própria (2023) A partir das informações da Tabela 4 em conjunto com as contidas na Tabela 5, é possível gerar o gráfico correlacionando o grau de recalescência com o número de células eutéticas presente na Figura 29, podemos observar alta correlação positiva que existe entra os dois parâmetros, pois com um maio número de células eutéticas maior é o calor latente liberado na formação das grafitas, portanto, maior é a recalescência. /// De mesma forma, como exibido na Figura 30, podemos construir o gráfico da correlação entre o grau de recalescência e o valor de dureza Brinell medido na amostra. Como quanto mais recalescências mais células eutéticas, também haverá maior quantidade de grafita. Com maior quantidade as grafitas ficam menores pois há uma maior divisão de carbono, e como resultado prático de grafitas menores podemos perceber maior dureza. /// Antes de realizar os ensaios de dureza Brinell, e em conjunto com a metalografia para avaliação das grafitas, foi realizado outro ensaio metalográfico com ataque químico, onde se constatou apenas as fases de ferrita e perlita, significando que todas as amostras solidificaram pelo sistema estável, validando as temperaturas de TEM calculadas na Tabela 4. Em composição hipoeutética (CEde banho que visa a melhoria da distribuição da grafita. Através de duas amostras retiradas do mesmo lote, uma anterior e uma após o tratamento realizado, é nítida a melhora tanto nos dados da curva de resfriamento, quanto nas amostras de metalografia, obtendo assim um refino na qualidade do metal, passando de predominância de grafitas D, para predominâncias de grafitas A. . 5 CONCLUSÕES 5.1 Sugestões de trabalhos futuros Com o objetivo de estudar a solidificação de ligas comerciais de Ferro Fundido Cinzento com a utilização de Análise Térmica com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação as seguintes conclusões foram obtidas. As equações de Rosário (2012) podem ser utilizadas para prever os eutéticos TEE e TEM a partir da análise química, estas apresentaram uma diferença de 0,09% a 0,41% entre as TEE calculadas e TSE medidas na parte experimental. Quanto maior a recalescência maior o número de células eutéticas, pois maior vai ser o calor latente liberado e maior vai ser a temperatura atingida. Por ser um valor fácil de determinar a recalescência pode ser utilizada na previsão dos números de células eutéticas e propriedades mecânicas de lotes de ferros fundidos da mesma classe. A inoculação pode ser avaliada pela redução da recalescência em relação aos lotes sem inoculação. Como sugestões para continuidade do desenvolvimento desse trabalho, propõe-se um estudo sobre a quantidade necessária de inoculante para obtenção de grafita tipo A, assim como a eficácia relativa de diferentes tipos de inoculantes comerciais, para deste modo estabelecer uma quantidade ótima de dosagem para cada situação, desta forma proporcionando redução de custos e garantia de qualidade metalúrgica no produto final. 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Universidade de São Paulo. 2008.de grafita ................................................................................................. 38 2.3.3 Propriedades mecânicas ferros fundidos cinzentos ......................................... 43 2.4 Análise térmica .................................................................................................. 44 3 MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................... 50 3.1 Material utilizado e análise de composição química ...................................... 50 3.2 Procedimento de análise térmica .................................................................... 51 3.3 Procedimento de análise metalográfica .......................................................... 52 3.4 Determinação de dureza Brinell ....................................................................... 54 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 55 4.1 Composição química ........................................................................................ 55 4.2 Análise dos lotes hipoeutéticos ....................................................................... 55 4.3 Análise dos lotes hipereutéticos ..................................................................... 61 4.3 Análise do efeito da inoculação ....................................................................... 64 5 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 67 5.1 Sugestões de trabalhos futuros ....................................................................... 67 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 68 16 1 INTRODUÇÃO A fundição é um dos processos metalúrgicos mais antigos, polivalentes e que permite produção em larga escala. É amplamente utilizado na fabricação de peças semiacabadas com geometria complexa, apresentando um custo altamente competitivo em relação a outros métodos de produção. Devido a essas características, a fundição é um processo que envolve diversas variáveis e, consequentemente, requer inúmeros controles de qualidade. Esses controles são necessários para garantir que as propriedades finais das peças sejam alcançadas, ao mesmo tempo em que se mantém os custos de produção dentro do estimado, evitando desperdícios e refugos (LEGUTKO, 2018; BUCHANAN; GARDNER, 2019). Na fundição, existem diferentes classes de ligas que podem ser utilizadas para produzir uma ampla variedade de produtos. Cada classe possui requisitos específicos de controle de qualidade, devido às suas características estruturais. Portanto, ao trabalhar com diferentes ligas, é necessário avaliar suas particularidades específicas. O Ferro Fundido é o material mais comumente utilizado na fundição em larga escala (ABIFA, 2022). Trata-se de um material versátil que combina excelentes propriedades mecânicas e de fundição. O controle de qualidade na fusão durante a produção de ferro fundido desempenha um papel fundamental no sucesso da fabricação do material. Esse controle abrange a verificação da composição química do ferro fundido, a eficácia do processo de inoculação e a análise da morfologia da grafita presente no material. A Espectrometria de Emissão Óptica (OES), é amplamente utilizada como o método padrão da indústria para o controle da composição química durante o processo de fusão, entretanto esse método fornece informações exclusivamente sobre a composição química do material (BOONMEE; WORAKHUT, 2018). A análise térmica (AT) e interpretação das curvas de resfriamento tornou- se uma ferramenta importante no monitoramento da qualidade do ferro fundido. Inicialmente, as aplicações iniciais da AT eram focadas na rápida avaliação do carbono equivalente em ferro fundido ou do teor de silício em ligas de alumínio-silício. No entanto, avanços posteriores ampliaram a relevância desse método, permitindo a avaliação do efeito da composição química e das variações na taxa de resfriamento sobre o resultado da microestrutura de solidificação (STEFANESCU et al., 2020). 17 Existem vários tipos de Ferro Fundido disponíveis, tais como Ferro Fundido Cinzento, Ferro Fundido Nodular, Ferro Fundido Maleável e Ferro Fundido Branco. Cada tipo de ferro fundido possui propriedades únicas e é adequado para aplicações distintas, a maioria dos ferros fundidos que apresentam grafitas em sua microestrutura. As grafitas são concentrações de carbono que possuem tamanhos e formas distintas (FRANCKLIN, 2009). Essas grafitas se formam durante o processo de solidificação do metal. Elas são produzidas quando a liga utilizada na fundição contém materiais nucleantes em sua composição. Esses materiais reagem com o carbono presente no ferro, separando-o do metal líquido e concentrando-o em depósitos ao longo da microestrutura. O ferro fundido cinzento é caracterizado por ter grafitas em forma de veios lamelares. Já o ferro fundido nodular possui grafitas em forma de nódulos esferoidais. Por sua vez, o ferro fundido maleável é considerado um intermediário entre essas duas classes. O controle de qualidade os que apresentam maiores resultados mercadológicos são os feitos antes de executar o processo de fundição, conhecido como controle de qualidade pré-produção. Esse tipo de controle é importante para garantir que os materiais utilizados na fundição estejam de acordo com as especificações técnicas, e em casos de não conformidade, após a obtenção das características do metal líquido, é possível realizar ajustes corretivos antes do processo de vazamento (BOONMEE; WORAKHUT, 2018). Mitigando assim as chances de que a peça a ser produzida não alcance as necessidades de desempenho requeridas. O que dá a essas classes de ferro fundido suas propriedades distintas é majoritariamente a morfologia de suas grafitas, e uma variável muito importante em seu processamento é o grau de nucleação que o banho de metal liquido apresenta. A medida de nucleação da carga é um indicativo direto de quão propensa o material está a precipitação de grafitas e por suas vezes qual será o formato e tamanho delas na microestrutura estrutura final do item fundido, garantido assim as propriedades mecânicas desejadas (STEFANESCU, 2015). Neste trabalho foi estudado as aplicações da análise térmica no processo produtivo do ferro fundido cinzento. Esta técnica é uma ferramenta poderosa, pois permite o controle do processo de solidificação, também ajuda a identificar problemas que possam ocorrer durante o processo de fundição, como a formação de defeitos na peça fundida, além de prever a microestrutura resultante e possíveis variações. 18 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo geral Este trabalho tem como objetivo estudar a solidificação de ligas comerciais de Ferro Fundido Cinzento com a utilização de Análise Térmica com ênfase no grau de recalescência e sua relação com a microestrutura obtida antes da inoculação. 1.1.2 Objetivos específicos Para se atingir o objetivo geral proposto se destacam os seguintes objetivos específicos: (i) obter dados da curva de resfriamento de diferentes amostras por meio de equipamento industriais de análise térmica, para comparar os dados experimentais com calculados; (ii) realizar ensaios metalográficos nas diferentes amostras e quantificar a microestrutura obtida quanto número de células eutéticas e sua correlação com a dureza do material (iii) avaliar a efetividade da inoculação na mudança de distribuição morfológica da grafita e seu impacto sobre a recalescência 1.2 Justificativa Em algumas situações, mesmo quando a composição química dos lotes de ferro cinzento está dentro das faixas especificadas, pode ocorrer uma tendência à formação de ferro branco em partes da matriz. Essa ocorrência se deveao fato de a carga utilizada apresentar um grau inadequado de nucleação para a formação de ferro cinzento. Essa situação destaca a necessidade de práticas complementares de controle de qualidade metalúrgica, uma vez que a análise química por meio de espectrometria muitas vezes se mostra insuficiente para avaliar adequadamente os fenômenos físico-químicos envolvidos na solidificação do metal. Ao recorrer a essas abordagens complementares, é possível obter uma avaliação mais abrangente e precisa dos fenômenos físico-químicos da solidificação do ferro fundido cinzento. Isso contribui para um melhor entendimento das propriedades do material e auxilia na identificação de possíveis desvios ou problemas no processo de fabricação. Assim, o controle de qualidade metalúrgica se torna mais 19 eficiente, garantindo a produção de ferro fundido cinzento com as propriedades desejadas e a qualidade necessária para as aplicações industriais. A implementação da analise térmica como controle de qualidade possibilita a correção do grau de nucleação da carga por meio de procedimentos como a inoculação, tendo em vista essa possibilidade este trabalho contribuirá para validação do controle de qualidade por analise térmica no processo produtivo da Fersul Manufaturados de Ferro LTDA. Empresa do setor de fundição localizada no município de Pato Branco, PR. 20 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Ferro fundido O limite de solubilidade do carbono na solução sólida de ferro γ (Austenita) é de 2,11%. Esse valor é amplamente utilizado como uma separação teórica entre os principais produtos siderúrgicos. Por exemplo, materiais com teores de carbono abaixo desse limite são classificados como aço, enquanto aqueles com teores de carbono acima são classificados como ferro fundido (OLIVEIRA, 2009). A descoberta do ferro fundido foi por volta do ano de 500 DC e em 1388 DC há relatos da sua comercialização. Essa liga tem sido a mais utilizada em aplicações rotineiras, com aplicações diversas nos setores metais mecânico pois oferecem custos de produção relativamente baixos, propriedades mecânicas satisfatórias e além de boa resistência a corrosão em altas temperaturas (FRANCKLIN, 2009). Por definição, os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas que contém teores de carbono acima de 2,11%p; na prática, no entanto, a maioria das ligas comercias de ferros fundidos contém entre 3,0% e 4,5%p C, além de outros elementos. O diagrama de fases ferro-carbono, revela que as ligas nessa faixa de composições tornam-se completamente líquidas em temperaturas entre aproximadamente 1150 °C e 1300 ºC, o que é uma temperatura relativamente baixa se comparada a temperatura de fusão de aços. Essa é a principal característica que torna essas ligas apropriadas para fundição, pois são fundidas com considerável facilidade. Além disso, alguns ferros fundidos são muito frágeis, e a fundição é a técnica de fabricação mais conveniente (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Como o ferro fundido possui um percentual de carbono acima do limite de solubilidade, ele não pode ser retido somente em solução sólida, o excedente encontrasse segregado da matriz de forma livre em sua microestrutura, podendo solidificar na forma de carboneto formando a Cementita (Fe3C) ou agrupar e assumir diversos formatos e geometrias, esses agrupamentos são denominados grafitas. A morfologia das grafitas é principal fator que determina suas características e propriedades mecânicas. Ferros fundidos são divididos em classes, onde a característica em comum é a grafita de mesmo formato em todas as ligas pertencentes a denominada classe. 21 O nome de algumas classes reflete a geometria da grafita, outros aspectos físicos peculiares como a coloração da superfície de fratura e até propriedades mecânicas apresentadas por ela, além disso cada liga dentro das diversas classe oferece características e propriedades especificas (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). A Figura 1 um apresenta as principais divisões e classificações dos produtos siderúrgicos. A seguir se apresenta as principais características de cada classe de ferro fundido com exceção do ferro cinzento que por ser o foco deste trabalho será abordado com maiores detalhes em uma seção específica. Figura 1- Classificações de ligas ferrosas Fonte: Adaptado de Callister (2007) O ferro fundido nodular possui grafita em nódulos, ou seja, com formato esférico, para isso é adicionada momentos antes de seu vazamento, uma pequena quantidade de liga nodularizante a base de magnésio e ou cério, bismuto... esta por sua vez reage com o metal liquido, fazendo com que as grafitas se formem no formato mencionado e como pode ser observado na Figura 2(a). A depender da composição química da liga ou seu tratamento térmico a matriz predominante pode ser ferrita ou 22 perlita, de modo geral esta classe possui um conjunto de propriedades mecânicas bastante diferente das demais, sendo equiparáveis as do aço e algumas das aplicações típicas desse material é em válvulas, virabrequins, corpos de válvulas, engrenagens, braços de acionamento (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Igual ao ferro dúctil e ao cinzento o ferro fundido vermicular também exibe grafitas em sua microestrutura, o formato de sua grafita em particular se assemelha a um verme e representa um meio termo entre as em formato lamelar e as nodulares, onde algumas de suas grafitas estão de fato em formato nodular, mas estas não podem representar a maioria e sua população deve ser inferior a 20% do total de grafitas, assim como as grafitas em forma de vermes não podem exibir arrestas vivas, o arranjo final desejado podemos observar na Figura 2(b) (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Como o principal fator que define as propriedades mecânicas dos ferros fundidos que possuem grafitas é o formato delas, no ferro vermicular não é diferente, onde por ser um formato intermediário estas se encontram em um faixa intermediaria nas maiorias dos casos. Os limites de resistência a esforços do são comparáveis as aos dos ferros dúcteis e maleáveis e maiores que os dos cinzentos, o grau de ductilidade apresentado pelo ferro vermicular é intermediário entre o cinzento e o dúctil, estas propriedades sendo muito alteradas conforme se altera o grau de modularidade das grafitas (MASCHKE; JONULEIT, 2013). O processo de produção do ferro fundido vermicular é mais complexo pois o controle das reações deve ser mais preciso, igualmente ao dúctil é adicionada liga nodularizante ao metal liquido, mas em proporções que não seja produzido uma predominância de grafitas nodulares, nem que o desvanecimento (fading) seja tanto a ponto de gerar arrestas vivas como no cinzento. Ao alcançar a microestrutura desejada o ferro vermicular apresenta características vantajosas em relação aos outros tios de ferro fundido, como a maior condutividade térmica, maior resistência a choque térmicos e menor oxidação em temperaturas elevadas, e por conta delas as aplicações dessa classe contam com blocos de motores diesel, distribuidores de exaustão e discos de freios para trens de alta velocidade. Nos ferros fundidos brancos, a maior parte do carbono está presente na forma de carboneto de ferro (Fe3C), conhecido como Cementita, o que resulta em uma superfície de fratura clara característica dessa classe de ferro fundido. A Cementita é um composto químico com fórmula Fe₃C e possui uma estrutura cristalina 23 ortorrômbica. Ela é encontrada em ferros e aços fundidos, sendo extremamente frágil e dura, com uma dureza superior a 840 HV. Devido às altas quantidades de Cementita, as propriedades do ferro fundido branco são caracterizadas por alta dureza e resistência ao desgaste. No entanto, como consequência dessa combinação de propriedades, ele também é altamente frágil, o que impossibilita sua usinagem. Portanto, as aplicaçõesdo ferro fundido branco são restritas a situações que demandam uma superfície muito dura e resistente à abrasão, dispensando a ductilidade. Um exemplo comum de aplicação é o uso em rolos de laminação (CALLISTER; RETHWISCH, 2012). Nos ferros fundidos de baixo teor de silício (inferior a 1%), todo o carbono presente na liga solidifica-se na forma de Cementita em regiões com taxas de resfriamento elevadas. Quando a peça fabricada possui uma espessura reduzida, toda a sua microestrutura será composta por ferro fundido branco, como ilustrado na Figura 2(c). À medida que a espessura da peça aumenta, a taxa de resfriamento diminui, o que favorece a formação de grafita. Consequentemente, seções mais espessas podem apresentar apenas uma camada superficial de ferro fundido branco, enquanto o núcleo será composto por ferro fundido cinzento. Geralmente o ferro fundido branco é usado também com função de intermediário na produção de ferro fundido maleável, que possui uma resistência relativa elevada e apresenta uma ductilidade ou maleabilidade relevante. Para a ferro maleável ser produzido é preciso realizar o aquecimento das peças de ferro branco já solidificado em temperatura de 800°C a 900 °C em um período de tempo considerável, (CALLISTER; RETHWISCH, 2012) este aquecimento causa a decomposição da Cementita e gera grafitas em formatos aglomerados ou rosetas, a Figura 2(d) é uma fotomicrografia de um ferro fundido maleável ferrítico. Perceba que a microestrutura gerada possui semelhanças com a do ferro dúctil ou nodular, o que é responsável por propriedades mecânicas semelhantes. 24 Fonte: Callister e Rethwisch (2012). Como apresentado cada classe de ferro fundido preenche requisitos específicos e tem suas aplicações determinadas, assim como cada processo de produção acarreta em custo de materiais distintos, dessa forma as classes mais Figura 2 – Classes de ferro fundido 25 utilizadas são os ferros cinzento e nodular, por exibirem menor custo de produção e grandes volumes de aplicações. 2.2 O ponto eutético diagrama Fe-C De todas as ligas existes possivelmente as mais importantes são as formadas por ferro e carbono, tanto o aço quanto o ferro fundido são hoje os principais materiais em todo sociedade tecnologicamente avançada e por mais que avanços venham acontecendo e novos materiais mais eficiente apareçam a todo momento como substitutos, ainda irá demorar décadas para que estes sejam produzidos em uma escala e preço plausível a ponto de tornar-se as ligas de ferro e carbono obsoletas, se é que isso irá acontecer. Dada a importância que essas ligas têm em nossa sociedade, é mais que necessário termos conhecimentos de suas características e peculiaridades, para dessa forma dominarmos cada vez seu processamento e utilização. Uma das principais ferramentas para interpretar a transformações ocorridas nessas ligas é o diagrama ferro-carbono apresentado na Figura 3 (a). Nele podemos observar as fases presentes em determinadas regiões sempre em função da porcentagem de carbono presente na liga (eixo x) e da temperatura (eixo y). O digrama de fases ferro-carbono pode ser caracterizado em duas macro regiões, a primeira conhecida como Fe - Fe3C, também conhecida como região rica em ferro, comtempla toda região das ligas de aço e ferro fundido até o limite de porcentagem de carbono corresponde a composição da Cementita (Fe3C), e a segunda Fe3C – C que vai da formação de 100% Cementita ao limite de grafita pura (100% carbono). Como mencionado a na região rica em ferro ficam localizadas todas as ligas de aço e ferro fundido existentes, portanto, ela que possui a maior importância cientifica (ROLLO, 2015). Como neste trabalho será estudado o ferro fundido, região especifica que abordaremos é a do ponto eutético exibida na Figura 3(b), em uma reação de solidificação eutética um liquido transformasse em duas fases solidas diferentes isotermicamente, no sistema ferro carbono o ponto eutético localizasse em uma composição de aproximadamente 4,3% de carbono. Os ferros fundidos são ligas que possuem dois pontos eutéticos, relacionados a duas temperaturas de equilíbrio: o eutético estável e o eutético 26 metaestável. Durante o processo de solidificação, quando a temperatura cruza a linha do eutético estável, a fase líquida se transforma em Austenita + grafita. Por outro lado, se a temperatura durante a solidificação ultrapassar a linha do eutético metaestável, as fases formadas serão Austenita + Cementita (PIESKE, 1980), resultando no ferro fundido branco. A representação dos dois eutéticos do ferro fundido é feita na Figura 3(b), onde as linhas tracejadas representam a o mecanismo de transformação estável e as linhas continuas representam as transformações de fase pelos mecanismos metaestáveis, a perceptíveis diferenças entre as temperaturas e porcentagem de carbono das duas. Figura 3 – a) Diagramas Fe-C estável e metaestável b) Pontos eutéticos Fonte: Rosário (2012) 27 Vale ressaltar que os valores expressos no diagrama da Figura 3(b) não são consensuais na literatura existindo diversos estudiosos do assunto propondo diferentes valores de porcentagem de carbono para o ponto eutético assim como temperaturas de transformação estável e metaestável (STUEWE, 2008). As faixas de temperaturas expostas correspondem a uma liga binária Fe-C, a diferença de apenas 7°C entre os dois eutéticos, como podemos ver com mais detalhes na Figura 3(b), propicia a transformação pelo sistema metaestável, entretanto, para ligas comercias sempre existiram outros elementos adicionados com a função de alterar as características de solidificação e possibilitar que o material final atinja as propriedades desejadas. 2.2.1 O eutético estável A solidificação dos ferros fundidos é comumente interpretada considerando a competição entre os eutéticos, o eutético estável é a transformação do metal liquido em Austenita (y) e grafita, representa um exemplo clássico de um eutético do tipo facetado/não facetado, onde a grafita, como fase facetada, possui dificuldade significativa de nucleação e crescimento. Nesse caso, a grafita desempenha um papel crucial no processo de superresfriamento para a nucleação e crescimento do eutético estável (FUOCO et al., 2000). As faixas de temperatura para que a transformação ocorra pelo mecanismo eutético estável são alteradas pela adição de elementos na liga, a adição de elementos de liga em proporções corretas facilita o processo de fundição, pois melhoram características de solidificação assim aumentando as resistências a tração, ao desgaste, a tenacidade e não prejudicam a usinabilidade e a tendência a precipitação de Cementita (ROSÁRIO, 2012). O silício é o elemento de liga mais importante nos ferros fundidos comuns contendo grafita, normalmente presente em teores de aproximadamente 2% em peso. Essas adições são feitas para melhorar a fluidez do metal líquido e evitar a formação de carbonetos eutéticos durante o processo de solidificação, expandido cerca de 35°C a diferenças das temperaturas do estável para o metaestável (PIESKE, 1974), na Figura 4 podemos notar a alteração causada pela adição de silício. 28 Fonte: Pieske (1974) Os ferros fundidos comerciais são, essencialmente, ligas ternárias de Fe- C-Si. Quando adicionado às ligas de ferro cinzento, o silício atua como um agente grafitizante, ou seja, auxilia na nucleação e formação de grafitas, permitindo que a liga solidifique pelo sistema estável. Além do silício fosforo também tem função grafitizante da solidificação do ferro fundido, mas apesar desta característica benéfica na solidificação de ferros com grafita, concentrações acima de 0,06% do elemento ultrapassa seu limite de solubilidade no liquido e é fortemente rejeitado na solidificação formando a steadita, esta estruturaformada nas regiões de encontros das células eutética eleva a dureza e diminuiu a resistência a tração, por esses motivos deletérios o fosforo é encarado como elemento deletério em ligas de ferro com grafitas (ABBASI, 2006). Como ligas comerciais são formadas por diversos elementos, sejam eles adicionados intencionalmente como no caso do silício, ou em porcentagem residual controlados como no caso do fosforo, o diagrama de fases exato de cada liga seria em formatos ternários com seções como o exemplo da Figura 5, ou até mesmo diagramas quaternários. Figura 4 – Influência do Silício nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 29 Fonte: Chiaverini (1988). No entanto, o diagrama Fe-C-Si pode ser comparado ao diagrama Fe-C por meio do conceito de Carbono Equivalente (CEQ), que combina em uma única medida os elementos presentes na liga que exercem influência significativa no percentual de carbono da composição do ponto eutético estável (PEISKE, 1974). Para calcular o carbono equivalente existem fórmulas detalhadas (equação 1), onde são englobados maior quantidade de elementos, mas para uso geral a formula seguinte é a que comtempla os mais significativos. Equação 1. Calculo do carbono equivalente. 𝐶𝐶𝐶𝐶 = %𝐶𝐶 + %𝑆𝑆𝑆𝑆 3 + %𝑃𝑃 3 … … … … . (1) A partir dos resultados do cálculo acima podemos classificar os ferros fundidos em ligas em hipoeutéticas (Ceq 4,3%). Figura 5 – Secção vertical do sistema Fe-C-Si a um teor constante de 2% de Si, em hachurado área com as três fases 30 2.2.2 O eutético metaestável O eutético metaestável, embora também seja do tipo facetado/não facetado, tem uma cinética de crescimento mais rápida em comparação ao eutético estável. Assim, à medida que a velocidade de solidificação aumenta, a reação do eutético estável é suprimida e a liga solidifica de acordo com a reação de equilíbrio do eutético metaestável (CABEZAS et al., 2000). Como citado anteriormente outros elementos de liga podem ser adicionados no metal, contribuindo para a grafitização do material, entretanto alguns elementos podem deixar a solidificação da liga muito mais rápida e por consequência mais instável. Merchant (1964), ao revisar a teoria de solidificação dos ferros fundidos, descreve a formação dos eutéticos estável e metaestável com base nas curvas de resfriamento. Isso permite explicar a transição das microestruturas dos ferros fundidos cinzentos a brancos com o aumento da velocidade de resfriamento medido pelas curvas. Por exemplo quando adicionado 1,1% de cromo além do silício padrão da liga, o intervalo de TEE a TEM se reduz para 14 °C, com o elemento atuando como estabilizador de carbonetos e induzindo a formação de Cementita, como podemos observar na Figura 6. Fonte: Pieske (1974) Figura 6 – Influência do Cromo nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 31 Na Figura 7, é possível observar a tendência de como os principais elementos afetam o intervalo de solidificação entre o sistema estável e o metaestável, seja aumentando, diminuindo ou deslocando a faixa. Fonte: Rosário (2012) 2.3 Ferro fundido cinzento O ferro fundido em questão possui carbono livre em sua microestrutura, apresentando grafitas agrupadas em veios lamelares. Esses veios são formados devido ao processo de nucleação heterogênea durante a solidificação do metal. Essa precipitação resulta em uma considerável expansão de volume, o que permite minimizar ou até mesmo eliminar a necessidade do uso de Massalotes e outros alimentadores no molde do material. Possui também uma temperatura de fusão reduzida em relação a outros metais ferrosos, que aliado à sua excelente fluidez permite uma temperatura de processamento e vazamento baixa além da confecção de peças em geometrias complexas. Por haver uma grande variedade de ligas de ferros cinzento com grande amplitude de propriedades mecânicas algumas classificações formam criadas para caracterizar certas ligas. A norma A48 da American Society for Testing and Materials (ASTM) é utilizada para classificar os ferros fundidos cinzentos de acordo com sua Figura 7 – Influência dos principais elementos de liga nas temperaturas de equilíbrio eutético em ferros fundidos 32 resistência mecânica. Na Tabela 1, são listadas as classes correspondentes, em que os números de 20 a 40 indicam os limites de resistência à tração em ksi (1000 lb/pol²). Tabela 1 – Equivalência de propriedades mecânicas mínimas aproximadas de alguns ferros fundidos cinzentos- ASTM A448 e SAE J431 Classe Faixa de dureza Brinell Estrutura da Matriz Limite de Resistência à Tração ASTM – SAE Mpa Ksi ASTM 20 SAE G1800 120 a 187 Ferrita + Perlita 137-123 20-18 ASTM 25 SAE G2500 170 a 229 Ferrita + Perlita 169 25 ASTM 30 SAE G3000 187 a 241 Perlita 204 30 ASTM 35 SAE G3500 207 a 255 Perlita 244 35 ASTM 40 SAE G4000 217 a 269 Perlita 273 40 Fonte: Adaptado de ASTM A48/A 48M-2003 e SAE J431-1996 Segundo Chiaverini (1988) as características dos ferros fundidos cinzentos tornam esse material de grande importância para indústria automobilística. Por essa razão a SAE, por intermédio da especificação J431, elaborou sua classificação desses materiais onde suas principais aplicações são: Tabela 2 – Principais aplicações de Ferros fundidos Cinzentos Classe Aplicações G1800 Peças fundidas miscelâneas (no estado fundido ou recozido, onde a resistência mecânica não é um fator primordial) G2500 Pequenos blocos de cilindro, cabeçotes de cilindro, cilindros resfriados a ar, pistões, discos de embreagem, carcaças de bombas de óleo, caixas de transmissão, caixas de engrenagens, tambores de freio para serviço leve; também para tambores de freio e discos de embreagem para serviço moderado, onde o alto teor de carbono minimiza o efeito desfavorável do calor; G3000 Blocos de cilindro de automóveis e motores diesel, cabeçotes de cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de tratores para serviço médio G3500 Blocos de motores diesel, blocos e cabeças de cilindro de caminhões e tratores, volantes pesados, caixas de transmissão de tratores, caixas de engrenagens pesadas; também para tambores de freio e discos de embreagem para serviço pesado, onde se exige altas resistência mecânica e à fadiga térmica G4000 Peças fundidas para motores diesel, camisas de cilindro, cilindros, pistões e eixos de comando de válvulas Fonte: Adaptado de SAE J431-1996 33 2.3.1 Solidificação ferros fundidos cinzentos A solidificação do ferro fundido cinzento é basicamente um processo de nucleação e crescimento das fases Austenita, grafita e Cementita. O processo é termicamente ativado e é necessário o resfriamento em relação da temperatura de equilíbrio para que os primeiros núcleos sejam formados, e possam em um determinado tempo atingir o tamanho crítico e crescer, dando sequência a transformação de fase (SANTOS; BRANCO, 1989). Na solidificação de qualquer ferro fundido a área em que formação de grafita acontece é representada a partir de dois patamares de temperatura no Diagrama de equilíbrio Fe-C, a Temperatura do Eutético Estável (TEE) que no diagrama binário é representada pela linha de 1152°C, e a Temperatura do Eutético metaestável (TME) representada pela linha de 1146°C (NASCIMENTO; SANTANA, 2016). A diferença de temperatura entre o começo da formação da grafita e a do eutético estável é chamada superresfriamento, para que os núcleos de atinjam o tamanho crítico e a matriz do ferro fundido seja composta de Austenita e grafita, sem a precipitação de carbonetos de Cementita (ferro branco) após a transformação eutética é aconselhável que a temperatura não ultrapasse a linha do eutético metaestável. Com o superresfriamentose mantendo acima do ponto metaestável, os patamares em que a em que as precipitações de grafitas ocorrem durante a solidificação são de suma importância, dependendo dos níveis diferentes tipos de grafitas iram se formar assim conferindo ou não grande parte das propriedades mecânicas esperadas da liga. Alguns fatores são fundamentais as para a correta solidificação dos ferros fundidos cinzentos, como: velocidade de resfriamento, composição química, e grau de nucleação. Como por exemplo, Rosario (2012) denota que a forma lamelar da grafita é modificada pelo enxofre e oxigênio, estes são elementos tenso-ativos que não permitem que o carbono se ancore no plano basal, forçando assim o crescimento na direção do plano prismático tornando a grafita lamelar. A morfologia da grafita do ferro fundido cinzento está dividida em cinco classes de acordo com a Norma ASTM A 247, A, B, C, D e E, essas morfologias originam-se do processo de solidificação, em função de fatores já citados acima e diretamente dependente do grau de superresfriamento envolvido como mostra a Figura 8, onde é demostrado o tipo de grafita obtida em cada patamar de superresfriamento. 34 Fonte: Fuoco et al. (2003) Também é relevante mencionar as classificações das grafitas com base em sua composição química. A grafita tipo C é considerada uma grafita primária, o que indica uma liga hipereutética, enquanto as grafitas A, B, D e E são classificadas como grafitas eutéticas. A morfologia desses tipos de grafita é ilustrada na Figura 9. A grafita tipo “A” é a mais amplamente distribuída e uniforme, resultando em uma distribuição mais homogênea. Na grafita tipo “B”, pode-se observar uma grafita fina no núcleo, cercada por grafitas maiores, caracterizando uma distribuição heterogênea. Na grafita tipo “D”, existem regiões sem grafita que consistem em dendritas de Austenita, indicando uma liga hipoeutética. (©/TR 945-2:2011) De acordo com Fuoco (2004), os fatores mencionados desempenham um papel fundamental na formação, crescimento e arranjo das grafitas, resultando em propriedades, composições e aplicações completamente distintas. Figura 8 – Curvas de resfriamento típicas para os tipos de grafita 35 Figura 9 -Tipos de grafita de ferro fundido cinzento Fonte: ASTM (1988) Um dos conceitos fundamentais para compreender as diversas microestruturas que podem se formar na solidificação do ferro fundido é o diagrama de fases acopladas ou acoplamento de crescimento cooperativo, conforme descrito por Stefanescu (2015). A zona acoplada é uma faixa de temperaturas (abaixo da temperatura eutética) e composições em que as fases que compõem o eutético podem crescer a partir do banho a velocidades semelhantes, como explicado por Elliot (1988). A Figura 10 ilustra os dois tipos de zonas acopladas presentes em sistemas metálicos. Para o caso do ferro fundido com grafitas os dois principais componentes possuem pontos de fusão diferentes, portanto a zona acoplada correspondente é a da Figura 10b, nomeada zona acoplada assimétrica. Está possui um deslocamento quando comparada a da Figura 10ª, nomeada zona acoplada simétrica. 36 A solidificação dos ferros fundidos com grafita é um processo que envolve principalmente a nucleação e o crescimento de fases. A nucleação ocorre quando partículas energeticamente estáveis são formadas por ativação térmica. À medida que essas partículas atingem um tamanho crítico, elas crescem e dão origem às fases presentes, que incluem a Austenita, a grafita e a Cementita. Esse processo de nucleação e crescimento é essencial para a formação da microestrutura característica dos ferros fundidos com grafita (SANTOS, 1989). A nucleação da grafita nos ferros fundidos requer um superresfriamento em relação à TEE para que os primeiros núcleos se formem. Por outro lado, as dendritas de Austenita são mais facilmente formadas devido às melhores condições de cristalização que favorecem a nucleação de cada fase. A Austenita, por ter uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas, é mais regular e isotrópica em comparação com o sistema hexagonal da grafita. Essas diferenças estruturais influenciam a forma como as fases se nucleiam e se desenvolvem durante o processo de solidificação dos ferros fundidos (NETO,1985). Na solidificação de uma liga eutética, ao cruzar a linha do eutético estável inicialmente a fase que precipita é a de dendritas primárias de Austenita, isso porque a liga se encontra fora da zona acoplada e a estrutura CCC da Austenita prevalece até a temperatura de superresfriamento, ponto 1, da representação da Figura 11, com Figura 10 – Diagrama (a) zona acoplada simétrica (b) zona acoplada assimétrica Fonte: Cabezas (2005) 37 essas dendritas primarias possuem menor teor de carbono que a liga, este é expulso para o metal liquido e elevando o seu teor de tal forma que a solidificação entra na zona acoplada, ponto 2, a solidificação nessa possibilita a formação do eutético, e como resultado final desse interações pode se observar conforme ilustrado na Figura 11 abaixo da zona acoplada, dendritas primárias de Austenita e células eutéticas. Nas solidificações de liga hipoeutética e hipereutéticas ocorre precipitações de grafitas além das de dendritas e células eutéticas, as hipoeutéticas Figura 12(a) ocorrem na ordem dendritas (ponto 1), grafitas (ponto 2), células eutéticas (ponto 3), enquanto que nas hipereutéticas Figura 12(b) a ordem é grafitas (ponto 1), dendritas (ponto 2) e células eutéticas (ponto 3). Vale ressaltar que as posições dos pontos apresentados nas Figuras são hipotéticas, pois as suas localizações são fortemente dependentes da composição química, condições de resfriamento e número de núcleos contidos do banho. Figura 11– Solidificação de uma liga eutética Fonte: Cabezas (2005) 38 Fonte: Cabrezas (2005) Essas são as principais diferenças das características da curva de resfriamento quanto a sua composição química, como pode ser observado diferentes composições, tanto eutética, hipoeutética e hipereutética geram diferentes mecanismos de solidificação impactando na microestrutura final. 2.3.2 Tipos de grafita A grafita do tipo A é caracterizada por ser fina, com distribuição aleatória e uniforme. Em geral, as lamelas de grafita lamelar com arestas vivas podem atuar como fragilizantes, causando efeito de entalhe no material. No entanto, esse efeito tende a ser menor quando a grafita é do tipo A. Por essa razão, é o tipo de grafita preferido para uso em peças que requerem resistência mecânica. Na Figura 13, podemos observar a natureza ramificada e interconectada das lamelas. A formação da grafita tipo A pode ser realizada através da inoculação, que consiste na adição de partículas de elementos nucleantes de grafita no banho líquido metálico durante a formação do ferro fundido cinzento. Isso é feito com o objetivo de Figura 12– Solidificação (a) Liga hipoeutética (b) Liga hipereutética 39 reduzir o superresfriamento e promover a formação da estrutura de grafita tipo A, através da introdução de núcleos estáveis (NASCIMENTO; SANTANA, 2016). Figura 13– Características da grafita tipo A Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafita tipo B é formada com moderado superresfriamento, normalmente encontra sobre toda superfície da peça fundida que fica m contato com o molde, também conhecida como reação metal molde. A Grafita tipo B pode ser caracterizada como uma grafita mista, apresentando grafitas tipo D no seu centro e grafitas tipo “A” em suas partes externas, exibindo um agrupamento em forma de roseta. A solidificação do ferro fundido com grafita é caracterizada pela nucleação em áreas de alta velocidade de extração de calor. Quanto maior a velocidade de extração de calor, menorserá o tamanho da grafita, o que explica a presença das grafitas do tipo “D” na região central. A solidificação de várias dessas grafitas no centro libera calor, reduzindo o superresfriamento e alterando a cinética de crescimento. Isso 40 resulta na formação de grafitas do tipo “A” com veios alongados, dispostas radialmente em relação ao centro, conforme ilustrado na Figura 14 (a). Na Figura 14 (b) podemos observar podemos ver uma microscopia evidenciando as grafitas tipo “D” formadas no centro a célula eutética, assim como na Figura 14 (c) podemos observar as grafitas tipo “A” distribuídas nos contornos. Na Figura 14 (d) é ilustrado a deposição de carbono na interface da grafita tipo “D” localizado ao centro, ela ocorre devida a pequena distancia de difusão, essa deposição acaba tornando a matriz do centro da grafita totalmente ferrítica, por após a difusão facilitada não há carbono o suficiente na fase para torna-la perlitica. Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) As grafitas do tipo C podem ocorrer em ligas hipoeutéticas quando há partículas de grafita não dissolvidas durante a fusão. Nesses casos, ocorre a hereditariedade (CABEZAS, 2005). No entanto, esses casos são menos comuns, sendo as grafitas do tipo C características do ferro fundido hipereutético. Em ligas hipereutéticas, as grafitas do tipo C podem ser as primeiras a se formarem, devido à baixa velocidade de extração de calor. Isso resulta em menos Figura 14– Características da grafita tipo B 41 núcleos e menor frequência de ramificação, levando à formação de grafitas mais grosseiras. Durante a solidificação dessas grafitas primárias, ocorre a liberação de calor, resultando em um superresfriamento reduzido, o que, por sua vez, dá origem às grafitas eutéticas do tipo A. Figura 15– Características da grafita tipo C Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafitas tipo C assumem o formato de lamelas grosseiras quando presente em seções espessas, conforme podemos observar na Figura 15ª e 15b, e de forma distinta assume as formas de estrelas quando em seções de espessura reduzida (Figuras 15c e 15d).. A grafita do tipo D é caracterizada pela solidificação de finas lamelas de grafita em alto grau de superresfriamento, que delineiam os contornos da Austenita primária em ligas hipoeutéticas, como ilustrado na Figura 16a. Na Figura 16b, pode- se observar alguns vales onde a matriz foi corroída, o que indica o caráter hipoeutético da liga, embora sua composição seja muito próxima da liga eutética, com um teor de carbono equivalente entre 4,0% e 4,3%. Dessa forma, a grafita do tipo D pode ser 42 classificada como grafitas interdendríticas sem orientação preferencial, com sua orientação aleatória evidenciada na Figura 16c. Figura 16– Características da grafita tipo D. Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) Grafitas tipo D são típicas de banhos com inoculação muito deficiente, devido seu alto grau de superresfriamento sua solidificação ocorre preste a cruzar o limite da temperatura metaestável, essas características aliadas à sua resistência mecânica reduzida em relação a grafitas do tipo A, fazem com que essas grafitas sejam consideradas desfavorável. De mesma forma que as grafitas de tipo D, as grafitas do tipo E são formadas a partir de um alto superresfriamento, e possuem o formato interdendritico, como diferencial elas apesentam a orientação preferencial imposta pelas dendritas de Austenita primária, caracterizando-se assim por uma forma extrema de grafita tipo D. Grafitas tipo E são uma distribuição característica de banhos fortemente hipoeutéticos, com carbono equivalente abaixo de 4,0%, apresentam espessuras médias ou baixas e são bastante alinhadas como exibido na Figura 17. 43 Fonte: Alloy Phase Diagram (1992) 2.3.3 Propriedades mecânicas ferros fundidos cinzentos Para obtenção das melhores propriedades mecânicas nos ferros fundidos cinzentos sempre é buscado a obtenção de grafitas tipo A, para alcançar esse resultado diversas técnicas e tratamentos são realizados para melhorar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Um dos principais e indispensáveis tratamentos é a inoculação do banho. A inoculação consiste na adição de substâncias ou partículas de nucleação no metal líquido, com o objetivo de aumentar a nucleação e formação de células eutéticas, onde ocorrerá a formação das grafitas. Com a inoculação, é possível aumentar o número de núcleos heterogêneos presentes no metal líquido, o que resulta em uma maior nucleação das grafitas. Esse processo diminui o superresfriamento e contribui para a obtenção de uma microestrutura mais refinada e uniforme, com um maior número de grafitas do tipo A distribuídas de maneira homogênea. Essa melhoria na microestrutura proporcionada pela inoculação resulta em uma série de benefícios nas propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. A presença de grafitas do tipo A, que são finas e uniformes, confere uma maior resistência mecânica, uma melhor ductilidade e uma maior resistência à fadiga. Além disso, a presença de grafitas tipo A reduz a tendência de trincas e falhas estruturais, Figura 17– Características da grafita tipo E 44 contribuindo para a integridade e durabilidade das peças fabricadas com esse material. Dessa forma, a inoculação é uma técnica fundamental na produção de ferros fundidos cinzentos, pois desempenha um papel crucial na obtenção das melhores propriedades mecânicas, através da formação controlada de grafitas tipo A na microestrutura. 2.4 Análise térmica Um dos principais controles usados durante a fabricação do ferro fundido é o da composição química do banho, onde os parâmetros mais importantes a serem avaliados do ponto de vista da solidificação é o percentual de carbono equivalente (%CE), o de carbono (%C), e o de silício (%Si) (SILVA, 2007). A composição química modifica o comportamento cinético da solidificação por influenciar tanto a velocidade de nucleação como a velocidade de crescimento das células eutéticas com elementos grafitizantes em geral tendendo a aumentar a velocidade de nucleação (STUEWE, 2008). Dada a sua grande influência é de extrema importância que a análise química seja realizada para obtenção de um ferro fundido de qualidade, atualmente ela pode ser executada de duas maneiras: por espectrometria óptica ou via analise térmica (SILVA, 2007). A análise química utilizando espectrometria óptica é reconhecida como um método altamente preciso para determinar a composição química de um banho líquido. Esse método oferece resultados abrangentes que incluem todos os principais componentes presentes no banho, proporcionando uma análise completa. No entanto, é importante mencionar algumas desvantagens associadas a esse método. Para realizar a análise, é necessário que a amostra seja solidificada como ferro fundido branco (Fe γ + Fe3C), a fim de viabilizar a análise adequada. Isso requer um tempo considerável para a preparação da amostra, que envolve etapas como lixamento ou retificação. Além disso, o tempo total necessário para obter a amostra, enviá-la ao laboratório, realizar a preparação e, por fim, realizar a análise em si, geralmente leva em média cerca de 5 minutos. É importante levar em consideração esse tempo 45 adicional ao avaliar a eficiência e a rapidez do processo de análise química por espectrometria óptica. Já a análise química através da análise térmica é bastante rápida e precisa, mas também apresenta algumas desvantagens, como por exemplo, os resultados de percentuais são obtidos com base nas temperaturas de início de solidificação e fusão, portanto só quantifica os principais elementos da solidificação (%CE, %C, %Si), assim não sendo adequada para o controle do processo como um todo. A maioria das fundições de ferros fundidos utiliza a composiçãoquímica como o principal método de controle do banho metálico. No entanto, é importante destacar que, durante a solidificação do ferro fundido, ocorrem diversas mudanças de fases (FUOCO; CABEZAS, 2004). O uso exclusivo da análise química é adequado quando se trata de um processo altamente confiável, com produção em série de peças com pouca variação de espessura e matéria-prima. No entanto, em situações em que essas condições não são atendidas, é aconselhável buscar um controle adicional, como o controle de nucleação. Esse tipo de teste auxilia na determinação da quantidade adequada de inoculante necessária para preparar o material antes do vazamento (MORREIRA, SD1). Entre os métodos conhecidos para realizar esse controle, destaca-se a análise da cunha. Por muito tempo, o teste de cunha foi amplamente utilizado na análise do ferro fundido cinzento e desempenhava um papel fundamental na avaliação do grau de nucleação desse material. Com esse teste simples e prático, é possível prever a forma da grafita em diferentes espessuras das peças a serem fundidas. O teste de cunha consiste em verter uma determinada quantidade de metal líquido em um molde com formato de cunha. Devido à geometria do molde, a velocidade de extração de calor varia, ou seja, a parte inferior da cunha resfria mais rapidamente do que a parte superior, criando diferentes taxas de resfriamento. Após a solidificação, é realizada uma inspeção visual para avaliar a altura do coquilhamento na cunha, o que fornece uma representação do grau de nucleação do banho metálico. No entanto, é importante mencionar que, apesar de ser um teste simples e de baixo custo, o teste de cunha está se tornando cada vez menos utilizado como técnica padrão em linhas de produção. Isso ocorre devido ao fato de que a análise da cunha não fornece um valor exato e depende principalmente do bom senso e do 1 Sem data 46 conhecimento prático para sua realização. Portanto, outras abordagens mais precisas e confiáveis estão sendo desenvolvidas e adotadas para o controle de nucleação em fundições de ferros fundidos. A análise térmica eutética já possui um grande histórico de pesquisas, surgindo em meados da década e 1960 para medição do carbono equivalente contido na liga, na década seguinte vários autores publicaram estudos sobre a relação da curva de solidificação com a microestrutura resultante e a eficácia da inoculação. Também nessa década a Ford desenvolveu o “Ceq cooling curve computer” para a plotagem da curva. A técnica baseia-se na e interpretação das curvas de resfriamento obtidas de uma amostra do banho metálico, vazada num cartucho contendo um termopar no seu centro geométrico onde um equipamento gera a curva de temperatura versus tempo. Dessa curva são retirados dados como superresfriamento a recalescência onde certos patamares tendem a gerar determinadas grafitas e por consequência algumas propriedades físicas distintas. Dessa forma quando implementada no processo produtivo desempenha um papel importante no controle de qualidade do banho metálico pois permite estimar a microestrutura a se formar antes do metal ser retirado do forno e vazado, possibilitando assim sua exata correção do banho via inoculação ou desnucleação. Todos os processos da solidificação do ferro fundido podem ser monitorados por curvas de análise térmica. Basicamente os ferros fundidos solidificam-se em dois processos consecutivos, solidificação de fase primária e solidificação de microconstituinte eutético, em ferros hipoeutéticos a fase primária corresponde a Austenita e em hipereutéticos corresponde a grafita. Todavia para maioria das aplicações é preferível trabalhar com composições hipoeutéticas pois quando se tem uma liga hipereutética ó obtida uma grafita primária muito grosseira, diminuindo assim a resistência do material (ROSARIO, 2012). Tanto em liga hipoeutética e hipereutética em ambas as fases, sua solidificação ocorre por nucleação e crescimento. Curvas de resfriamento típicas de 3 classes de ferro fundido estão representadas na Figura 18, nela podemos observar o primeiro patamar, que corresponde a temperatura de nucleação das dendritas de Austenita, e em seguida o decaimento da temperatura e a precipitação de grafitas exibem curvas características de cada tipo de grafita, como é demostra do para 47 grafitas lamelares de cinzento (LG), grafitas compactas de vermicular (CG) e grafitas esferoidal de nodular (SG). Fonte: Stefanescu (2015) Para obtenção das curvas de arrefecimento são utilizados equipamentos industriais como o apresentado na Figura 19. Estes equipamentos são dotados de software de processamento que registra além das temperaturas durante a solidificação de uma amostra de ferro fundido, também informações complementares e calcula parâmetros da condição metalúrgica do banho fundido, para isso se faz necessário definir uma Temperatura De Eutético Estável (TEE) usada com referencial. Figura 18 – Curva de resfriamento característica de 3 classes de ferro fundido 48 Figura 19 – Equipamento Carbomax Delta utilizado em aplicações industriais. Fonte: Italterm (2023) Para gerar a entrada de dados no equipamento, são usados alguns acessórios, o metal é vazado em sensores no formato de capsulas quic-cup, são sensores descartáveis desenvolvidos para o processo de análise térmica de ferros fundidos cinzentos, nodulares e vermiculares. Confeccionados em areia Shell e em seu centro possuem um termopar tipo K, como é demostrado na Figura 20(a). Este sensor é montado sobre um receptáculo que faz contato elétrico com o termopar, e através de cabos o receptáculo envia os sinais elétricos para o equipamento de leitura, como demostrado na Figura 20(b). Fonte: Italterm (2023) Figura 20 – Capsulas ITALCARB K e receptáculo para alojamento e comunicação 49 Para realizar uma análise química correta via equipamentos que registam temperaturas é necessário utilizar os sensores com porções de Telúrio e enxofre em seu fundo, assim quando a amostra de metal liquido é vazada na capsula, ocorre a adição desses elementos específicos fazendo com que a liga solidifique exclusivamente no sistema metaestável e dessa forma gerando uma curva de arrefecimento propicia para a determinação da composição química da liga. Em ambas as situações a retirada de amostras de metal liquido é feita por meio de uma concha especial exemplificada na Figura 21(a), fabricada em fibra cerâmica, para que a troca de calor seja minimizada, devido à sua baixa condutividade térmica, permite também que a temperatura do metal seja mantida por mais tempo, possibilitando análises que de maior tempo de enchimento (Figura 21 (b)), além não contaminar a amostra retirada por ter um baixo nível de aderência e boa estabilidade em altas temperaturas, se mantendo integra e sem liberar resíduos nas amostras. A utilização do equipamento pela empresa onde este trabalho foi desenvolvido é exclusivamente em seu modo de avaliação de microestrutura, onde os sensores utilizados não possuem nenhum elemento a ser diluído na amostra durante seu vazamento, dessa forma não alterando a microestrutura da amostra. Figura 21 – Curva de resfriamento característica de uma liga hipoeutética Fonte: Italterm (2023) 50 3 MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo são apresentados os métodos empregados no desenvolvimento deste estudo. São descritos os materiais utilizados, os procedimentos para análise de composição química, para análise térmica, metalografia por microscopia ótica e dureza Brinell. 3.1 Material utilizado e análise de composição química Neste estudo, o material analisado consiste em ferro base das ligas de ferro fundido cinzento hipereutéticas SAE G1800 e hipoeutéticas SAE G2500 e SAE G3000. O ferro base é a denominação que o material recebe quando está
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