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  • 55 Congresso Anual da ABM

    Adalberto Bierrenbach de Souza Santos Membro da ABM, Engenheiro Metalrgico, Mestre em Engenharia Metalrgica

    e Doutor em engenharia. Diretor da Metal Consult Ltda., Joinville (SC).

    EFEITOS DA COMPOSIO QUMICA NA PRODUO DE FERRO FUNDIDO NODULARES.

    Trabalho a ser apresentado no 55 Congresso anual da Associao Brasileira de Metalurgia e Materiais ABM, 16 a 20 de Julho de 2000, Rio de

    Janeiro (RJ).

    RESUMO. So apresentadas as influncias da composio qumica para a fabricao de componentes

    em ferros fundidos nodulares. Mencionam-se os intervalos de concentrao de elementos nodulizantes (magnsio, crio e

    clcio) geralmente recomendados para a obteno de grafita de forma exclusivamente esferoidal na microestrutura.

    Examinam-se os efeitos do carbono equivalente, teores de carbono, silcio, mangans, fsforo, oxignio e enxofre. Descrevem-se tambm as influncias de elementos deletrios (Pb, Bi, As, Te e Ti), citando-se os teores a partir dos quais seu efeito prejudicial tem sido constatado.

    1. INTRODUO.

    Os ferros fundidos nodulares constituem-se em materiais de engenharia empregados em

    muitas aplicaes diferentes, nos vrios segmentos da indstria. A produo dessas ligas corresponde ao segundo maior volume de peas fundidas em todo

    o mundo (cerca de 13.000.000 t / ano), sendo apenas superado pelos ferros fundidos cinzentos (1). A modificao do mecanismo de crescimento lamelar para a forma esferoidal da grafita

    durante a solidificao de ferros fundidos obtida industrialmente com o tratamento de nodularizao.

    As variveis que se referem a esse tratamento, e que correspondem temperatura, tipo, quantidade e granulometria do agente e aos diferentes processos de tratamento do metal lquido que podem ser utilizados em escala industrial foram examinadas em trabalhos anteriores (26).

    O objetivo deste trabalho o de apresentar os efeitos da composio qumica para a fabricao de ferros fundidos nodulares.

    2 . OBTENO DE GRAFITA ESFEROIDAL EM FERROS FUNDIDOS. O crescimento esferoidal da grafita no estado bruto de fuso em ferros fundidos pode se

    obtido por vrias maneiras diferentes, sendo a mais utilizada em escala industrial a de adio controlada de magnsio, na forma metlica de ligas ou ainda produtos nodulizantes. Uma parcela muito pequena de produo mundial de ferros fundidos nodulares fabricada empregando-se ligas que contm crio e outros metais do grupo das terras raras, ou ainda clcio, que tambm atuam como elementos nodulizantes.

  • 55 Congresso Anual da ABM

    Os teores residuais de elementos nodulizantes necessrios para a obteno de ferros fundidos nodulares devem se situar em intervalos mais ou menos bem definidos, embora outras variveis de processo com a velocidade de esfriamento, o carbono equivalente, a porcentagem de enxofre do metal base, o grau de nucleao do metal lquido e os prprios teores residuais de outros elementos nodulizantes (notadamente terras raras e clcio) possam tambm exercer efeito importante, principalmente no sentido de diminuir a concentrao mnima necessria de magnsio (7).

    As concentraes residuais de magnsio devem se situar entre 0,030 e 0,050% (7). Para percentagens superiores a essa faixa aumenta a tendncia a formao de carbono euttico na estrutura e de grafita spiky, que um tipo de grafita degenerada em relao esferoidal. Se o teor residual de magnsio for insuficiente para a obteno de grafita nodular, ocorrer a formao de grafita degenerada na estrutura, por exemplo, ndulos irregulares, grafita compacta ou lamelar.

    Utilzando-se ligas a base de terras raras, o intervalo de porcentagens residuais de crio para a fabricao de ferros fundidos nodulares seria de 0,02 a 0,04% (8). Concentraes mais elevadas podem causar a ocorrncia de carbonetos eutticos e de grafita explodida, enquanto teores insuficientes podem resultar na formao de grafita degenerada.

    No caso de se empregar agentes a base de clcio, os teores finais devem estar no intervalo 0,02 0,04%. A tendncia formao de carbonetos eutticos com a utilizao desse elemento nodulizante muito menor que a verificada com magnsio ou terras raras, enquanto concentraes inferiores ao intervalo citado podem causar ocorrncia de formas degeneradas de grafita na microestrutura (9).

    Alm, desses, outros elementos como ltio, bismuto, selnio, brio, estrncio, zinco, escndio, enxofre, alumnio, silcio e telrio (10) podem tambm promover o crescimento esferoidal da grafita em ferros fundidos. A adio desses demais elementos geralmente s promove a formao de grafita nodular na microestrutura sob condies especificas, no sendo, portanto eficiente no largo espectro de situaes que so observadas na produo industrial.

    Deve-se destacar ainda que tambm possvel obter grafita esferoidal em ligas FeCSi sem que se efetue a adio de elementos nodulizantes, por exemplo, realizando fuso sob vcuo, tanto de ligas Fe-C-Si, como de ferros fundidos comerciais (10), ou ainda empregando-se elevada velocidade de esfriamento em materiais com at 0,008% S (11).

    Outra constatao refere-se formao de ndulos de grafita em regies de elevada concentrao de silcio que se formam em ligas hipoeutticas ou hipereutticos, sendo esse efeito favorecido por elevadas velocidades de esfriamento (12).

    Empregando-se matrias-primas de alta pureza e altas velocidades de esfriamento obteve-se tambm grafita esferoidal sem se efetuar a adio de nodulizantes (13).

    A grafita nodular pode ainda ser obtida no estado bruto de fuso sem que seja necessrio efetuar adio de elementos nodulizantes em aos grafticos, que so ligas com at cerca de 1,8% de carbono (1416).

    3. EFEITO DO CARBONO EQUIVALENTE.

    Para a fabricao de peas em ferro fundido nodular geralmente se recomenda o emprego

    de ligas de composio euttica ou hipereuttica, com carbono equivalente situado entre 4,3 e 4,7% (1718).

    Os teores de carbono mais freqentemente empregados situam-se entre 3,5 e 3,8% e os de silcio entre 2,1 e 2,8%. Nessas condies obtm-se geralmente ndulos de grafita mais perfeitos

  • 55 Congresso Anual da ABM

    (tipo VI classificao ABNT NBR 6593), com menor tendncia formao de carbonetos eutticos na estrutura.

    A especificao do material e a velocidade de esfriamento da pea em cada aplicao especfica so os principais fatores considerados para se definir o carbono equivalente e os teores de carbono e silcio.

    Em peas de seo fina (espessura de at cerca de 10 mm) a principal dificuldade consiste em se evitar a ocorrncia de carbonetos eutticos na microestrutura, como mostra a figura 1.

    .

    Figura 1 Ocorrncia de carbonetos eutticos em peas de seo

    fina em ferro fundido nodular. Nital, 100 X (7).

    Para a produo desses componentes devem-se empregar ligas hipereutticas (CE de 4,4 a 4,7%), com teores de silcio maiores que 2,4%, geralmente sendo o carbono equivalente tanto mais elevado quando maior for tendncia formao de carbonetos eutticos. Portanto, como recomendao geral, o carbono equivalente deve ser tanto mais elevado, quanto maior a velocidade de esfriamento, isto , para peas em que a mnima espessura de seo da ordem de 3 a 7 mm, devem ser utilizados ferros fundidos nodulares com carbono equivalente maior ou igual a 4,6%, enquanto no caso de componentes entre cerca de 7 e 10 mm possvel empregar menores carbono equivalente, por exemplo de 4,4 a 4,6%.

    Para peas com seo espessas, que poderiam ser caracterizados como as que possuem mxima espessura superior a cerca de 50 mm, os problemas mais crticos so (19): Flutuao de grafita (2022); Degenerescncia da grafita esferoidal (19, 23, 24); Segregao de elementos da composio base e de liga (P, Mn, Cr, Sn, Cr, V, W) e ainda

    de elementos deletrios (Ti, As, Pb, Bi, Sb, Te) (19, 22). Ocorrncia de carbonetos eutticos devido segregao de elementos que promovem sua

    formao (19, 2225). A figura 2 mostra problema de origem metalrgica que pode ocorrer na microestrutura de

    sees espessas em ferro fundido nodular.

  • 55 Congresso Anual da ABM

    Figura 2 Ocorrncia de grafita degenerada (ndulos irregulares) em pea

    de seo espessa em ferro fundido nodular. Nital, 100 X (26).

    As composies empregadas para a fabricao dessas peas devem ser prximas ao euttico (4,2< CE < 4,4) com porcentagens mais elevadas de silcio (2,5 < % Si < 2,8) e menores teores de carbono, para se evitar a flutuao de grafita (7, 22, 25). Tambm nesse caso geralmente so utilizadas composies com carbono equivalentes tanto menores quanto menor a velocidade de esfriamento, por exemplo, 4,3 < CE < 4,4, para componentes com 50 a 120 mm de espessura mxima de seo enquanto para peas em que a velocidade de solidificao ainda menor devem-se utilizar ligas hipoeutticas.

    preciso considerar ainda que a utilizao de ligas com carbono equivalente maior ou igual a 4,6% pode causar a ocorrncia de flotao de grafita (23, 27, 29), as vezes constatada mesmo em sees no muito espessa, por exemplo da ordem de 25 a 30 mm.

    Outro aspecto a ser observado refere-se tendncia formao de drosses, que maior em ligas hipereutticas (2631), destacando-se que os drosses do tipo II, que se apresentam na forma de estrias, geralmente esto associados a ndulos de grafitas explodidas, decorrentes de flotao (29, 31, 32 34).

    No que se refere s especificaes das peas a serem produzidas, devem-se utilizar menores carbono equivalentes, por exemplo, 4,3 a 4,5%, para materiais de mais elevadas resistncia (classe 600-03 e 700-02), enquanto os componentes que devem atender as classes de maior ductilidade (420-12 ou 450-12) geralmente so fabricados com carbono equivalente entre 4,4 e 4,7%.

    preciso destacar mais uma vez que devem se sempre consideradas em conjunto as caractersticas referentes a