Formação de Defeitos no Ferro Fundido

Prévia do material em texto

FORMAÇÃO DE DEFEITOS NO FERRO FUNDIDO
Aquiles S. de Oliveira, 21 de Novembro de 2014
Introdução
Fundido:
• Cavidade do molde
• Processo de fusão
• Vazamento
• Solidificação
• Desmoldagem
• Limpeza e acabamento
Vantagens:
• Formas complexas
• Furos e cavidades internas
• Grande variedade de ligas
• Tratamento do metal líquido
• Economia
Defeitos
Defeitos mais comuns:
• Bolhas de gás
• Pinholes
• Porosidades
• Penetração metálica
• Inclusões 
• Outros
Inclusão de escória Porosidade (rechupe)
Bolha de gás (CO) Penetração metálica
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Fundamentos
... Materiais granulados tendem a fazer
o oposto do que é exigido deles ...
“A falta de conhecimento sobre as
propriedades destes materiais é, de
acordo com muitos especialistas, a
razão porque 40% da energia usada
para o seu processamento é
desperdiçada”.
Fundamentos
• O que nos reserva o 
FUTURO ???
Gases - Introdução
Fonte: Diószegi, 2005 Fonte: UAB Casting Engineering Laboratory (CEL), 2005
Gases - Introdução
• Degradação do material ligante;
• Precipitação de gases durante a solidificação devido ao
decréscimo da solubilidade;
• O gás pode ser absorvido pelo metal líquido durante o
enchimento do molde;
• Os constituintes da escória podem reagir com os elementos de liga
no metal e formar produtos de reação gasosos.
Gases - Introdução
• Pinholes de hidrogênio
• Pinholes de nitrogênio
• Bolhas de gás (blowholes)
• Fissuras
• Monóxido de carbono (CO)
• Porosidades de escória
Gases - Pinholes
• Hidrogênio, Nitrogênio, CO;
• Revelados após a usinagem;
• Geralmente são pequenos;
• Forma arredondada;
• Revestimento de grafite;
Remédios:
• Baixos teores de Al e Ti;
• Controle da sucata de aço;
• Machos pintados à base de água
devem estar completamente curados e
secos.
Gases - Pinholes
Pinholes de Hidrogênio:
• Água e materiais orgânicos;
• Umidade do ar;
• Materiais de carga oxidados;
• Material do refratário úmido;
• Umidade no molde ou no macho;
• Ligante do macho.
Pinholes de Nitrogênio:
• Machos e moldes ligados com resina;
• Aditivos da areia;
• Colas, pinturas e revestimentos;
• Materiais de carga.
Gases - Pinholes
• Pinholes de monóxido de carbono (CO):
• Reação do carbono com o oxigênio:
 Escória líquida rica em óxido de 
ferro;
 CO2 reage com o ferro;
 Carbono reage com a água;
• Sem revestimento de grafita;
• Inclusões de escória de MnS;
Fonte: www.ikominerals.de
Gases – Bolhas de Gás
• Cavidades grandes;
• Normalmente tem formas 
irregulares;
• Paredes lisas;
• Revestimento de grafita;
• Alta turbulência durante o 
enchimento do molde;
• Alta pressão de gás no molde.
Fonte: www.ikominerals.de
Gases – Bolhas de Gás
• Projeto do fundido;
• Sistema de alimentação;
• Permeabilidade da areia;
• Tipo de sistema de resina;
• Extensão da cura e secagem;
• Temperatura de vazamento;
• Chapelins oxidados;
• Peneiras ou vents entupidos;
• Outros.
Gases – Fissuras
• Cavidades do tipo ‘trinca’;
• Frequentemente apresentam 
estruturas dendríticas;
• Excesso do nitrogênio é a principal
causa;
• O hidrogênio pode intensificar o 
defeito.
Fontes:
• Teor de nitrogênio alto;
• Alto teor de nitrogênio no 
ligante do macho;
• Má ventilação do macho.
Solubilidade dos Gases
1. Difusão do gás para a superfície;
2. Reação química na superfície;
3. Difusão de um ou mais produtos da 
reação longe da superfície;
H2(g) <-> 2H
[H] = KH
Fonte: Svensson et al, 1980
Solubilidade dos Gases
Influência dos elementos de liga sobre a solubilidade
Hidrogênio Nitrogênio
Solubilidade dos Gases
• A solubilidade do hidrogênio e do 
nitrogênio afetam um ao outro;
• O efeito acumulativo aumenta o risco 
para a porosidade;
Teor de Gases na Produção
• Métodos de fusão;
• Fundições diferentes; 
• Fornos diferentes;
• Longos períodos de tempo.
Teor de Gases na Produção
Hidrogênio:
• Pré-aquecimento;
• Tempo de espera (holding).
Nitrogênio:
• Método de fusão;
• Materiais de carga.
Teor de Gases na Produção
Oxigênio:
• Oxigênio dissolvido;
• Oxigênio encontrado em óxidos.
Teor de oxigênio total:
• Diferença entre os processos.
Teor de Gases na Produção
Após o enchimento do molde
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Absorção de Gases
Absorção de Gases
• Investigar a relação entre o enchimento do molde e a 
absorção de gases;
• Comparar: simulação X realidade:
• Turbulência durante o enchimento;
• Permeabilidade;
• Ligantes (resinas).
Fonte: Orlenius et al, 2008
Absorção de Gases
Fonte: Orlenius et al, 2008
Absorção de Gases
Fonte: Orlenius et al, 2008
Velocidade de Enchimento
Absorção de Gases
• Enchimento Turbulento do Molde
Fonte: UAB Casting Engineering Laboratory (CEL), 2005
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Evolução de Gases nos Moldes e Machos
Volume e taxa de evolução de gases
Fonte: Orlenius et al, 2008
Evolução de Gases
• Taxa mais alta para o macho retangular
Geometria do macho:
• Mesmo volume;
• Mesma quantidade de resina
Fonte: Orlenius et al, 2008
Evolução de Gases
Tipo de Resina:
• Resina Inorgânica
• Resina Orgânica
• Quantidade de Resina
• Tempo de estocagem
• Temperatura
Fonte: Orlenius et al, 2008
Evolução de Gases
Revestimentos:
• Melhoram a superfície
• Silicato de Alumínio
• Zircônio
• Processo de Secagem
Fonte: Orlenius et al, 2008
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Inclusões - Areia
• Ocorre em posições muito
diferentes;
• Areia arrancada pelo jato de
metal;
• Em associação com CO e escória;
• Soprar cuidadosamente a
cavidade do molde;
• Evitar altas taxas de vazamento;
• Garantir compactação uniforme
do molde;
• Desintegração das bordas do
molde;
• Formação de crostas pela erosão
da areia.
Inclusões - Escória
• Forma irregular;
• Inclusões não-metálicas;
• Superfície superior do fundido.
Possíveis Causas:
• Teor de oxigênio da carga muito alto;
• Dissolução pobre do inoculante;
• Escorificação mau feita.
Inclusões - Escória
• Filtro;
• Projeto do sistema de
alimentação;
• Coletores de escória.
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Fundamentos
Fonte: Elmquist et al, 2008
Porosidade - Introdução
Defeitos de Porosidade:
• Rechupe aberto (macroporosidade);
• Rechupe fechado (porosidade de 
rechupe).
Geralmente:
• Contração líquida;
• Contração do estado líquido 
para o sólido;
• Contração sólida.
Fonte: Stefanescu, 2005
Ferro fundido
expansão da grafita
Porosidade - Introdução
Fatores que promovem a porosidade de rechupe:
• Natureza e propriedades da areia de moldagem;
• Composição do metal;
• Temperatura de vazamento;
• Grau de nucleação eutética do metal;• Modo de solidificação.
Como compensar a contração:
• Alimentação do metal;
• Expansão da grafita • Gás atmosférico;
• Gás dissolvido (hidrogênio, 
nitrogênio).
Porosidade - Introdução
• Diferentes tipos de porosidades;
• Relacionados a curva de resfriamento.
Fonte: Soivio, Elmquist, 2012
Porosidade - Introdução
Fonte: Elmquist, Adolfsson, Diószegi, 2008
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Caracterização de Defeitos
Caso: Cabeçote de cilindro
 Economia;
 Meio ambiente.
 Porosidade de rechupe;
 Aspectos característicos;
 Conhecimento sobre os mecanismos.
• Duas fundições;
• Dois projetos;
• Linha de produção;
• Com e sem porosidade.
Caracterização de Defeitos
Similaridades:
 Porosidade no fundido;
 Defeito superficial;
 Conexão de superfície –
porosidade.
 Penetrante através do fundido;
 Anexando certas unidades;
 Cristais primários?
Caracterização de Defeitos
Porosidade de rechupe
x
Penetração
• Fronteira entre a superfície e a 
porosidade;
• Camada de óxido – Ligação com a 
atmosfera;
• Nenhuma camada de grafita.
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Ponto Quente Migrante
• O calor é removido durante a solidificação;
• Diferentes condições de resfriamento em
diferentes partes;
• Temperatura inicial no fundido/molde;
• Região do fundido que solidifica por ultimo;
• Migra durante a solidificação;
• Depende da geometria;
• Remoção do calor;
• Pontos quentes Global/Local.
Ponto Quente Migrante
CH1 CH2
• Centro térmico na interface metal/molde;
• Ponto Quente Migrante.
Ponto Quente Migrante
Pontos Quentes Migrantes:
• Interface molde/peça fundida;
• Porosidade de rechupe;
• Expansão e penetração de metal.
• Geometria desenvolvida pela simulação;
• Posição final do ponto quente.
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Porosidade de rechupe
Desenvolvimento de um fundido que gera porosidade de rechupe
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Porosidade de rechupe
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Geometria geradora de porosidade
Ponto Quente Migrante
Solidificação
Solidificação do Ferro Fundido Cinzento
• Nucleação
• Crescimento
• Austenita primária
• Células eutéticas
Fonte: Elmquist et al, 2008
Solidificação
Macroestrutura:
• Dendritas colunares;
• Dendritas equiaxiais;
• Carbono equivalente.
Fonte: Elmquist et al, 2008
Microstrutura:
• Espaçamento dos braços da 
dendrita (SDAS);
• Fração de austenita;
• Tamanho da célula eutética.
Porosidade e Macroestrutura
Similaridades:
• Porosidade de contração;
• Defeitos superficiais;
• Rede penetrante;
• Contato com a atmosfera.
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Porosidade e Macroestrutura
Austempera direta após solidificação (DAAS):
• Dendritas equiaxiais;
• Dendritas colunares;
• Rede penetrante;
• Carbono equivalente.
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
 Zona colunar;
 Zona colunar anormal;
 Carbono equivalente similar.
Porosidade e Macroestrutura
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Porosidade entre os cristais primários
Porosidade e Macroestrutura
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Formação de rechupe
• Ponto quente;
• Migração;
• Última região de solidificação;
• Zona colunar fraca
• Gás atmosférico;
• Porosidade de contração;
• Defeito superficial.
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Penetração - Introdução
 A penetração metálica é uma condição do fundido resultante de reações 
na interface metal/molde:
• Física;
• Mecânica;
• Termo-química.
“A penetração metálica é definida como a condição na qual o
metal fundido entra nos espaços (poros) do molde e macho
além do ponto médio da camada superficial dos grãos de
areia”.
Penetração - Introdução
 Quatro mecanismos básicos:
• Mecânica (estado líquido);
• Químico;
• Estado gasoso (vapor);
• Penetração por explosão.
 O metal líquido exerce:
• Pressão estática;
• Pressão dinâmica;
• Pressão devido à expansão.
Fonte: Draper and Gaindhar, 1977 Fonte: Stefanescu, 2008
Penetração - Introdução
 Geralmente ocorre em locais onde a areia é mais quente (machos, seções côncavas) 
e de mais baixa densidade;
 Baixa tensão superficial;
 Alto teor de P, Si ou Mn;
 Pressão dinâmica ou estática do metal elevada;
 Temperatura alta da areia e do metal;
 Areia muito grossa ou misturada insuficiente;
 Condutividade térmica da areia muito baixa;
 Baixa qualidade de lavagem ou enegrecimento (grafite) do molde.
(AFS International Atlas de defeitos de fundição)
Penetração - Introdução
• Somente removida por extensa rebarbação e esmerilhamento;
• As vezes é tão severo que não é economicamente viável
retrabalhar os fundidos sendo por isso sucateados;
• Desgaste da ferramenta.
(Fonte: Levelink and Julien, 1973)
Penetração - Introdução
Fonte: Diószegi and Dugic, 2007
Penetração de Metal por Expansão
Estudo de case – Cabeçote de cilindro:
• Rechupe – sem Penetração
• Sem rechupe – Penetração
• O ponto quente migrante também está relacionado aos
problemas de penetração.
 Porosidade de contração x Penetração
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Penetração de Metal por Expansão
• Geometria geradora de penetração de metal.
Fonte: Elmquist, Diószegi, 2008
Penetração de Metal por Expansão
• Peça fundida de teste.
Zona Equiaxial
Zona ColunarFonte: Diószegi and Dugic, 2007
Penetração de Metal por Expansão
• As mudanças volumétricas causam um excesso ou uma deficiência na
fusão.
• Ponto quente na interface metal/molde – a região mais fraca.
Fonte: Diószegi and Dugic, 2007
Penetração de Metal por Expansão
Fonte: Diószegi and Dugic, 2007
Penetração de Metal por Expansão
Fonte: Diószegi and Dugic, 2007
Fundamentos
1. Defeitos associados à gases:
• Absorção de gás
• Evolução de gás
2. Inclusões
3. Porosidades (rechupe):
• Caracterização do defeito 
• Migração de pontos quentes 
• Austenita primária
4. Penetração metálica
• Austenita primária
5. Outros problemas de qualidade
6. Resumo 
Outros Problemas
• Tensões residuais;
• Histórico anterior do material;
• Segregação;
• Grafita degenerada.
fonte: Soivio, Elmquist, 2011 Fonte: Elmquist
O Que Nos Reserva o Futuro
 Inspeção/detecção:
• A maioria dos problemas nunca chegam ao cliente;
 Pesquisa;
 Controle de processo / análise térmica;
 Simulação de fundição;
 Otimização:
• Muitos dos problemas podem ser resolvidos ou 
minimizados com uma combinação de controle de 
processo e otimização de projeto do componente bem 
como do sistema de alimentação.
Futuro
 sustentabilidade:
• Análise de ciclo de vida;
• A influência dos defeitos;
 Fundido mais próximo possível da forma final;
• Minimiza a necessidade de usinagem;
 Materiais de ferro fundido de alto desempenho;
 Materiaisde elevada resitência;
 Menor variação nas propriedades.
Resumo
Fundição:
• Cavidade do molde;
• Processo de fusão;
• Vazamento;
• Solidificação;
• Desmoldagem;
• Limpeza e acabamento.
Vantagens:
• Formas complexas;
• Furos e cavidades interiores;
• Grande variedade de ligas;
• Tratamento do metal líquido;
• Economia.
OBRIGADO PELA 
ATENÇÃO!