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INFLUÊNCIA DA NUCLEAÇÃO SOBRE A FORMAÇÃO DA GRAFITA CHUNKY

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INFLUÊNCIA DA NUCLEAÇÃO SOBRE A FORMAÇÃO DA GRAFITA 
CHUNKY NO FERRO FUNDIDO NODULAR 
 
 Este artigo propõe um método para evitar a grafita chunky em ferros fundidos nodulares, além 
de discorrer sobre os motivos que levam à formação e os problemas que ela causa. 
 
 
Colocação do problema e objetivo. 
 
 Em 2005 a produção de fundidos de ferro, aço e ferro fundido maleável alcançou 
a arca de 4,2 milhões de toneladas somente na Alemanha, o equivalente a 6,6 milhões 
de euros comercializados. A participação do ferro fundido nodular foi de cerca de 1,5 
milhão de toneladas [3]. A proporção deste metal na produção global de fundidos 
permaneceu igual em relação a 2004, enquanto o desenvolvimento de construção leve 
aumentou. 
 O ferro fundido nodular é utilizado em muitas áreas da construção mecânica, de 
veículos e de motores, assim como nos setores nuclear, de energia e de meio ambiente. 
No caso particular das instalações de energia eólica, determinadas propriedades do 
fundido são muito valorizadas, considerando-se as potências constantemente crescentes 
e a exigência de construções leves. 
 Deste modo, as classes de ferro fundido nodular devem satisfazer as normas [4] 
e as condições de fornecimento competentes, em conformidade com o seu campo de 
aplicação. Além disso, as suas propriedades mecânicas e tecnológicas devem obedecer a 
requisitos mínimos definidos. 
 No ferro fundido nodular, o carbono (C) está presente predominantemente na 
forma de grafita esférica. Nas peças submetidas a longos tempos de solidificação e nas 
classes ligadas com teores de níquel (Ni) e/ou silício (Si) mais elevados, entretanto, é 
possível que ocorra a deformação da grafita independentemente dos processos de 
moldagem e de fundição. Uma característica deste tipo de degeneração da estrutura é a 
disposição celular da grafita finamente dividida, com uma superfície clivada. Ela é 
denominada grafita do tipo chunky. 
 As propriedades mecânicas do ferro fundido nodular são determinadas 
basicamente pela conformação da matriz e pela formação dos nódulos de grafita [5]. 
Uma formação perturbada destes últimos pode levar à deterioração das propriedades 
mecânicas do material, em função do aumento do efeito de entalhe. O alongamento à 
ruptura, a redução da área de ruptura, a energia de impacto em barras entalhadas e a 
resistência à tração diminuem nestes casos, enquanto o limite de elasticidade 0,2% reage 
de modo limitado. A grafita do tipo chunky é a que exerce maior influência sobre a 
resistência à fadiga sob esforços alternados. 
 Até o momento, ainda não era possível evitar a sua formação com segurança de 
processo. Em peças avulsas grandes, ela muitas vezes somente é visível na usinagem 
mecânica. Os componentes nos quais ela está presente são classificados em categorias 
que vão do tolerável ao refugado. Em muitos casos, a grafita chunky é apontada como o 
motivo da falha do componente somente depois que ela acontece. Nas amostras usuais 
de controle, como naquelas produzidas na forma de placas ou cunhas, fundidas em 
conjunto ou separadas da peça, a grafita chunky não é formada. Por este motivo, é 
necessário esclarecer os motivos e as correlações do seu aparecimento e, então, 
apresentar e testar as soluções para evitá-la. 
 
 
Estado do conhecimento 
 
 As divergências da forma esférica ideal da grafita podem ser toleradas em 
grande parte, sem ocasionar uma deterioração notável das propriedades mecânicas do 
material. Somente as formas vermiculares ou lamelares de grafita, que agem como 
entalhes internos, reduzem a resistência à tração e o alongamento à ruptura na aplicação 
da carga estática, da mesma forma que a grafita chunky. O limite de escoamento 0,2%, 
por sua vez, sofre poucas alterações. 
 De acordo com estudos de W. Baer, G. Push e T. Brecht [6], componentes de ferro 
fundido nodular GJS-400 com paredes grossas e sem grafita do tipo chunky apresentam 
resistência à tração de até 387 N/mm², limite de escoamento 0,2% de 280 N/mm², 
alongamento à ruptura de 25% e redução da área de ruptura de 24%. No caso da 
presença da grafita chunky na estrutura, a resistência à tração é reduzida para 246 
N/mm², o limite de elasticidade 0,2% permanece em torno de 243 N/mm², o 
alongamento é reduzido para 3% e a área de ruptura cai para 1%. A diminuição da 
tenacidade à ruptura tem uma importância decisiva, pois causa o deslocamento do 
tamanho crítico das fendas, que provocam a ruptura por fragilidade. 
 A grafita chunky exerce uma grande influência sobre a resistência à fadiga sob 
esforços alternados. Conforme os estudos de H. Kaufmann, a resistência à fadiga do 
ferro fundido nodular GJS-400 é reduzida em cerca de 30 a 50% na presença deste tipo 
de grafita [7, 8], em função do tipo de carga, enquanto a tenacidade à ruptura diminui 
45%. Com base no cálculo da solicitação no local da grafita chunky, a peça pode ser 
classificada de tolerável a refugada. 
 O tamanho dos nódulos do ferro fundido nodular aumenta no caso de um 
resfriamento lento e de uma espessura de parede crescente, enquanto a sua quantidade 
por unidade de superfície é reduzida. Nesta área, muitas vezes a grafita chunky se faz 
presente, devido à degeneração da grafita. 
 Na referência bibliográfica 9, há um resumo a respeito da formação deste tipo de 
grafita e da sua influência sobre as propriedades mecânicas, assim como informações 
sobre como eliminá-la. De acordo com a referência bibliográfica 10, as condições de 
ocorrência da grafita chunky são as seguintes: 
 
 Teores elevados de silício, cobre, níquel, cálcio e cério. 
 A influência do níquel é bastante grande, de modo que a formação da grafita 
chunky ocorre já em seções transversais delgadas do ferro fundido nodular 
austenítico. 
 O aumento do carbono equivalente para teores superiores a 4,1% aparentemente 
favorece a sua formação. 
 O cálcio presente no ferro silício contribui para a formação da grafita chunky 
quando adicionado muito tarde no processo de fusão. 
 A densidade de nódulos nas zonas onde esta grafita está presente sempre é pequena, 
mesmo com o tratamento de inoculação, aparentemente por causa da baixa 
velocidade de resfriamento das peças com espessura de parede grossa. 
 A grafita chunky foi encontrada no centro de peças deste tipo, quando os materiais 
de carga apresentavam um teor muito pequeno de elementos residuais, apesar da 
adição de mischmetal de cério. 
 
 
 
 
Os resultados dos mecanismos de formação da grafita chunky são vários: 
 
1) A alteração da energia interfacial, em consequência do acúmulo de cálcio na 
superfície dos nódulos, faz com que o seu mecanismo de crescimento seja alterado 
[11]. 
 
2) Perturbação ou destruição local do envoltório de austenita ao redor dos nódulos 
primários, em razão de turbulências térmicas no banho fundido residual [12]. 
 
3) Rompimento dos nódulos grosseiros por causa de tensões internas elevadas [13]. 
 
4) Quando a densidade dos germes de nucleação é aumentada por meio de um 
tratamento de inoculação efetivo [5, 14-16], é possível evitar a formação da 
grafita do tipo chunky. 
 
5) Crescimento da grafita em forma de língua, provavelmente por causa de mecanismo 
de segregação [17]. 
 
6) Forte crescimento da grafita na forma de ramificações depois da nucleação, em 
razão das micro-segregações [18]. 
 
7) O motivo para a formação da grafita chunky é a baixa densidade de nódulos no 
banho fundido. Os poucos nódulos existentes apresentam um envoltório de 
austenita espesso. Para o crescimento desimpedido de nódulos, é necessário aplicar 
um forte super-resfriamento [19]. 
 
8) Com a introdução de oxigênio dissolvido, é possível evitar a ocorrência de grafita 
chunky, devido ao aumento dos germes heterogêneos. Este tipo de grafita sempre 
ocorre no ferro fundido nodular com paredes grossas, quando a curva tempo x 
temperatura indica um super-resfriamento de 5 a 10°C [16]. 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Plaquetas que cresceram umas sobre as outras em camadas da grafita chunky. 
 Uma característica