Ferros fundidos



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1.0. - INTRODUÇÃO
O presente relatório tem como objetivo abordar as principais atividades realizadas durante o período de estágio curricular entre meados de maio e inicio de setembro de 2006.

Serão abordados assuntos a respeito das principais ligas produzidas pela Granaço Fundição de Ligas Especiais Ltda, além de um estudo em particular a respeito do aço ASTM 148 Gr 150-86 que apresentava deficiências com relação a algumas propriedades mecânicas especificadas pelo cliente.

Foram feitos também trabalhos de rotina no laboratório, como análise metalográfica, ensaios de tração e de dureza (Brinell e Rockwell C), análise de composição química, elaboração de relatórios de qualidade interna, relatórios de reclamação de cliente e relatório de analise de peças de concorrentes, entre outras.

2.0. – Ferro Fundido Branco Alto Cromo
Ferros fundidos brancos alto cromo são empregados em situação de elevada abrasão e impacto. O cromo, além de ser um elemento estabilizador de austenita, altera a forma dos carbonetos, tornando o material resistente ao impacto e melhora a resistência a corrosão. Outros elementos de liga são adicionados ao ferro fundido branco para introduzir ou melhorar propriedades especificas para cada situação.

Nos ferros fundidos brancos comuns, a estrutura bruta de fusão é geralmente constituída de cementita e perlita. Assim, a adição de pequena quantidade de elemento de liga, a estrutura tende a apresentar carbonetos do tipo M3C e perlita fina. Com teores mais elevados de elemento de liga, a estrutura bruta geralmente é constituída de carbonetos M7C3 complexos, martensita e austenita. A adição de elementos de liga no ferro fundido branco se dá tanto na matriz metálica quanto nos carbonetos, o que pode influenciar diretamente nas propriedades mecânicas e físicas.



Sob condições de equilíbrio, ocorre a precipitação de carbonetos a partir da matriz austenítica até a temperatura próxima de 760ºC, abaixo do qual ocorre formação em ferrita e carbonetos. Porém, em condições de não-equilíbrio, como ocorre nos casos reais, a precipitação de carbonetos é limitada e a austenita se torna altamente saturada em carbonetos e cromo. Devido a essa supersaturação, desenvolve-se uma matriz austenítica com maior estabilidade dificultando a presença de transformações perlíticas e bainíticas.

2.1. – Descrição dos Elementos Químicos Presente no Ferro Fundido Branco Alto Cromo
2.1.1. Carbono – com a redução do teor de carbono, reduz a fração volumétrica de carbonetos e conseqüentemente aumenta a sua tenacidade e influi na resistência ao impacto. Além disso, há a relação %Cromo / %Carbono que tem um papel importante na temperabilidade do material. Quanto maior essa relação maior é a temperabilidade do ferro fundido branco alto cromo.

2.1.2. Níquel – esse elemento é um forte estabilizador de austenita. Tem a função de evitar a transformação da austenita em perlita durante o resfriamento. É o elemento mais eficaz no retardamento da formação da perlita.
2.1.3. Cromo – juntamente com o carbono, formam-se carbonetos do tipo M7C3 que se apresenta sob forma de uma rede descontínua, proporcionando maior tenacidade ao material.
2.1.4. Silício – um teor mínimo de silício se torna necessário para conferir fluidez ao metal e escória fluida. Além disso, está relacionado com a dureza do estado bruto de fusão. O silício tem a capacidade de reduzir o teor de carbono da austenita, porém em elevados teores tendem a promover a formação da perlita o que reduziria a dureza. Esse elemento também atua na forma do carboneto, refinando-o e tornando-o mais globular.
2.1.5. Manganês – o manganês é um elemento gamagênico, e assim como o níquel, dificulta a formação de perlita
2.1.6. Cobre – como o manganês e o níquel, dificultam a formação de perlita. É um elemento estabilizador de austenita, aumentando a temperabilidade do material. Além disso, pode ser utilizado para substituir o níquel.
2.1.7. Molibdênio – apresenta um alto potencial de temperabilidade.

2.2. – Processo de Fabricação
Elevados teores de carbono, associados a elevados teores de cromo, acabam sendo impossíveis a utilização fornos cubilô. Para o revestimento dos fornos são utilizados tipos de revestimento ácido, básico ou neutro. Apesar do rápido desgaste devido à escória contendo cromo, os refratários ácidos são os mais econômicos. A carga metálica normalmente é composta de diversos tipos de sucata e retornos de fundição. Para fornos de indução que apresentam elevada agitação, como os utilizados na Granaço Fundição de Ligas Especiais, são necessárias altas temperaturas de superaquecimento. Durante a desmoldagem, se a peça for desmoldada a temperaturas muito altas, pode criar alto nível de tensão residual e provocar fissuras na peça.

A principal característica das ligas de alto cromo no estado fundido é a tendência à formação de oxido de cromo nas superfícies em contato com o ar.




2.3. – Tratamentos Térmicos.
Os tratamentos térmicos têm como objetivo produzir, no ferro fundido branco alto cromo, matriz martensítica com elevada dureza, reduzir as tensões internas e a quantidade de austenita retida. Para isso são feitos tratamentos térmicos de recozimento, têmpera e revenido Para os ferros fundidos branco alto cromo, são utilizados na empresa Granaço, apenas os tratamentos de têmpera e revenido.

2.3.1. Têmpera

Consiste em manter a peça, durante um intervalo de tempo à temperatura de austenitização, que varia de acordo com a composição química e com a dureza que se deseja obter. Esse tipo de tratamento térmico permite a homogeneização parcial da microestrutura, além de ocorrer a precipitação de carbonetos secundários devido ao excesso de carbono e de elementos de liga dissolvidos na austenita. Devido à homogeneização e a precipitação de carbonetos secundários, a temperatura de inicio da transformação da martensita se eleva, o que facilita a transformação da austenita em martensita durante o resfriamento. Tanto as temperaturas de inicio e fim da transformação da martensita, quanto a dureza e a fração da matriz transformada são função do teor de carbono e de cromo que permanecem em solução na austenita e que por sua vez, depende da temperatura de austenitização e da velocidade de resfriamento.

Temperaturas muito altas durante a austenitização fazem com que os átomos de carbono tenham maior mobilidade, aumentando a estabilidade da austenita, porém tende a apresentar maior quantidade de austenita retida. Por outro lado, temperaturas baixas resultam em uma austenita com menor teor de carbono dissolvido, o que irá produzir uma martensita com menor dureza.

A precipitação dos carbonetos secundários é função da temperatura e inicia-se com a formação de carbonetos finos e dispersos. Com o aumento gradual da temperatura, a precipitação fica menos homogênea e assim há a tendência do coalescimento dos carbonetos.

O resfriamento da peça, assim como na Granaço Fundição de Ligas Especiais, é feito em ar forçado da temperatura de austenitização até a uma temperatura abaixo da faixa de transformação perlítica. Em alguns casos, pode-se utilizar óleo como meio de resfriamento.


2.3.2. Revenido
O revenido tem como objetivo promover o alívio de tensões residuais, além de aumentar a tenacidade do ferro fundido branco alto cromo.


2.3.3. Recozimento
É utilizado para melhorar a usinabilidade do ferro fundido branco. O recozimento não afeta os carbonetos primários, tão pouco o potencial para o endurecimento posterior. Assim os mesmos procedimentos utilizados para o endurecimento dos ferros fundidos brancos alto cromo bruto de fusão podem ser aplicados às peças recozidas
Abaixo, figura 1, temos a microestrutura de um ferro fundido branco alto cromo, temperado e revenido, produzido pela empresa Granaço Fundição de Ligas Especiais.


Austenita Retida



Matriz Martensítica




Carbonetos de Cromo



Figura 1 – Aumento 200X; Ataque Nital 2%.




3.0. - AÇO MANGANÊS

Esse aço conhecido também como aço hadfield, tem como principal característica a resistência ao desgaste.

O desgaste é um fenômeno que ocorre em peças em movimento, devido ao contato de superfícies, em que pelo menos uma delas se encontra em movimento. O resultado é a deformação gradual das peças ou a modificação de suas dimensões, até o momento que ela perde sua eficiência de trabalho, pois ocorre o deslocamento ou a retirada de partículas metálicas da superfície da peça.

O efeito de desgaste pode ocorrer de três maneiras.



  • Desgaste de metal contra metal;

  • Desgaste de metal contra um substrato não metálico;

  • Desgaste de metal contra um líquido ou um vapor.

Assim sendo, a resistência ao desgaste depende de alguns fatores. Do acabamento superficial das peças, que deve ser regular de modo a não apresentar microdepressões ou microprojeções para que não ocorra a retirada de partículas. Além disso, deve apresentar uma dureza tal que dificulte o inicio do desgaste. Também se deve levar em consideração a resistência mecânica e a tenacidade, que quanto mais elevadas, maior será a dificuldade das partículas serem retiradas pelo contato das superfícies. Outro fator a considerar é a estrutura metalográfica do material

Os requisitos citados acima são obtidos nos aços através da composição química, com a introdução de elementos de liga adequados, mediante a tratamentos térmicos ou termoquímicos apropriados, trabalhos mecânicos ou através de revestimentos superficiais.

Para o aço manganês austeníticos o melhor meio de se elevar a dureza é pelo encruamento, em que a austenita é pouco estável e quando colocados em serviço podem ser tornados martensíticos. As suas vantagens são o endurecimento superficial proporcionado pelo encruamento e a sua tenacidade.

Durante a solidificação da peça, a austenita não se transforma mesmo com velocidades de resfriamento muito lenta devido ao alto teor de manganês presente. No seu estado bruto de fusão, perlitas são encontradas nos contornos de grão, o que faz com que o material se apresenta mais frágil do que no estado temperado.

3.1. - Tratamentos Térmicos
3.1.1. - Têmpera
A estrutura bruta dos aços manganês apresenta carbonetos e outros produtos de transformações que conferem a fragilidade ao aço. As propriedades mecânicas adequadas são obtidas através de um tratamento de austenitização, a uma temperatura suficientemente alta para que ocorra a solubilização dos carbonetos. O resfriamento é feito em água e ao final o aço torna-se mais resistente, mais dúctil, além da resistência ao choque também se elevar. Deve-se lembrar que os aços manganês não são magnéticos.

3.2. - Aplicações

Esses aços têm grande aplicação na indústria de exploração de minérios, de perfurações de poços, ferroviária além de peças para britadores, moinhos de molas e etc.

Na figura 2 uma microestrutura de um aço manganês de matriz austenítica temperado fabricado pela empresa Granaço Fundição de Ligas Especiais.

Figura 2 – Aumento 200X; Ataque Nital 2%.




4.0. – ESTUDO DA LIGA ASTM 148 Gr 150-86
4.1. – Objetivo do Trabalho

O seguinte trabalho tem como objetivo buscar melhorias para a ASTM 148 Gr 150-86 que apresentava algumas deficiências com relação às propriedades mecânicas especificadas pelo cliente. Assim, alguns testes experimentais de tratamentos térmicos foram feitos para se conseguir o desejado.



4.2. – Procedimento Experimental

Para atender as especificações dos clientes, a empresa realiza tratamentos térmicos que garante a qualidade das peças produzidas. A liga de aço baixo carbono ASTM 148 Gr 150-86 passa por tratamentos térmicos de têmpera, utilizando água como meio de resfriamento e um posterior revenimento para alívio de tensões internas. Ao final do processo temos uma microestrutura martensítica revenida de alta dureza.

Através dos ensaios de tração percebeu-se que a liga não se encontrava de acordo com o especificado pelo cliente. Seu limite de resistência assim como o limite de escoamento se apresentava abaixo do mínimo exigido. As análises de composição química e de dureza se encontravam de acordo com o especificado, porém sua microestrutura apresentava pequenos pontos brancos na matriz martensítica como pode ser vista na figura 3. Assim, trabalhou-se com a hipótese de que esses pequenos pontos brancos poderiam ser pontos de ferritas presente devido a uma deficiência no tratamento térmico.


Figura 3 – Aumento 200X; Ataque Nital 2%
Para o experimento foram utilizados quatro corpos de prova para teste em laboratório e outros dois corpos de prova foram levados ao forno de tratamento térmico para que ao final do experimento pudéssemos confrontar os resultados.

No laboratório foi utilizado forno tipo mufla de potência máxima de 1200 W, para tratamentos térmicos. Dos quatro corpos de prova, um foi normalizado a 925ºC com um tempo de patamar de 90 minutos. Em seguida foram levados os quatro corpos de prova novamente ao forno mufla para serem temperados a 925ºC com um tempo de patamar de 90 minutos. O meio de resfriamento utilizado foi a água.

Posteriormente os quatro corpos de prova foram revenidos a 600ºC. O corpo de prova que foi normalizado permaneceu por um tempo de patamar de 90 minutos. Os outros três corpos de prova permaneceram por 90, 150 e 210 minutos.

A taxa de aquecimento utilizado foi de aproximadamente 250ºC/hora e para o controle da temperatura foi utilizado um termopar tipo K.

Os corpos de prova levados ao forno de tratamento passaram por uma normalização a 925ºC com um tempo de patamar de 180 minutos. Posteriormente realizou-se uma têmpera a 925ºC com um tempo de patamar de 240 minutos, utilizando água como meio de resfriamento. Em seguida foi feito um revenimento a 600ºC para os dois corpos de prova, porém, um com o tempo de patamar de 240 minutos e o outro com um tempo de patamar de 180 minutos.

Ao final do experimento foram feitos análises de composição química através de um espectrômetro óptico, dureza em escala Brinell com esfera de aço de 2.5mm e uma carga aplicável de 3000 kgf. Foram feitos também análises metalográficas com o auxílio de um microscópio óptico. As lixas utilizadas para esse fim foram de 100, 320 e 600 mesh e para o polimento usou-se pasta de diamante de 3 m. O ataque químico foi feito com nital 2%.

O processo de tratamento térmico utilizado na empresa para o aço liga ASTM 148 Gr 150-86 são o de têmpera e revenido apenas.

4.3. – Descrição dos Elementos Presentes no Aço Liga ASTM 148 Gr 150-86
4.3.1. Carbono – O carbono é o elemento que mais influi nas propriedades dos aços de baixa, média e alta resistência. É o elemento de maior temperabilidade. Em altas quantidades apresenta péssima soldabilidade, devido a formação de carbonetos Fe3C e martensita no estado temperado, ambos os constituintes duros e frágeis.

A dureza máxima obtida num aço temperado, isto é 100% martensítica, é governada pelo teor de carbono e não pelo teor de elemento de liga. Os elementos de liga apenas intensificam, diminuem ou neutralizam o efeito do carbono.

Esse elemento é o que tem maior efeito na temperabilidade, especialmente quando está na presença de elementos de liga, a fim de se atingir a máxima dureza. Porém, quanto maior o teor de carbono, mais se aumenta a fragilidade do material. Além disso, com a dureza aumentada, aumenta-se também a resistência ao desbaste e assim, a usinabilidade e o trabalho mecânico a frio se tornam mais difíceis.

Geralmente, a maneira mais barata de se aumentar a temperabilidade, para um aço com uma determinada porcentagem de carbono, é aumentar o teor de manganês.


4.3.2. Manganês – Quando dissolvidos na ferrita aumenta bastante a sua dureza e resistência mecânica, reduzindo bem pouco a sua ductilidade. Quando dissolvidos na austenita, ele a estabiliza, aumentando sua temperabilidade. Esse elemento tem a tendência um pouco maior do que o ferro para formar carbonetos.

Sua função principal é combinar-se com o enxofre, formando sulfeto de manganês (MnS), impedindo assim que se forme o sulfeto de ferro (FeS), que fragiliza o aço, principalmente a temperaturas mais altas. Já o sulfeto de manganês não contribui para tal efeito.

O manganês quando em teores mais alto tem a capacidade de refinar o grão da perlita, devido à diminuição da temperatura da transformação da austenita, aumentando a tenacidade do aço carbono. Além disso, diminui a velocidade de resfriamento crítica para a transformação de produtos como a bainita durante o resfriamento para a têmpera.

No revenimento, esse elemento se comporta de maneira semelhante ao carbono, porém reduz a velocidade de amolecimento da estrutura temperada. Como elemento de liga, oferece a martensita revenida uma dureza maior do que se estivesse em teores residuais, para um mesmo tempo e temperatura de revenimento. Confere também boas propriedades ao impacto, fazendo a temperatura de transição dúctil-frágil do aço diminuir.

Nos aços para fundição, ele aumenta a fluidez.

O manganês atenua ou até elimina o envelhecimento causado pelo nitrogênio, por retardar a precipitação de nitretos. Por fim, contribui para o aumento da resistência à corrosão.


4.3.3. Silício – Promove a grafitização, porém apenas em teores mais altos. O silício tende a decompor a cementita em carbono livre. Tem também a capacidade de diminuir o campo da fase ferro γ.

Em teores usados para acalmar o aço, o silício contribui para aumentar a tenacidade. Em aços doces promove o crescimento de grão. Já para os aços médio e alto teor de carbono, ele diminui o teor de carbono no eutetóide.

O aumento do teor de silício exige temperaturas mais altas de austenitização. Tem moderada eficácia na temperabilidade do aço.

Acima de teores comuns em aço carbono, produz aumento de dureza no aço revenido, devido ao aumento da resistência da ferrita, quando a ferrita contém carbonetos.

O silício aumenta a fluidez dos aços para fundição e melhora a resistência à fragilização pelo hidrogênio. No entanto, esse elemento diminui a usinabilidade do aço. Contribui também para o aumento da resistência a corrosão em ambientes alcalinos.
4.3.4. Cromo – É um elemento que forma carbonetos estáveis e muito duros no aço. Tem uma maior tendência de formar carbonetos que o manganês. Com a percentagem baixa de carbono, os aços contendo cromo são dúcteis, porém, com o aumento do teor de carbono, eles se tornam muito duros devido a grande presença de carbonetos de cromo. Esses carbonetos, sendo muito duros, conferem aos aços alta resistência ao desgaste e grande capacidade de corte. Os carbonetos de cromo são de difícil dissolução na austenita.

O cromo sozinho é fraco refinador de grão da austenita.

No revenimento, o cromo torna menos intenso o amolecimento do aço. Além disso, provoca o endurecimento secundário sem perder a tenacidade. Esse fato é devido à substituição de carbonetos de ferro pelos carbonetos de cromo. O cromo é importante para se conseguir a formação da bainita nos aços de alta resistência e baixa liga. Ele também evita a grafitização, deixando a estrutura esferoidizada.

Durante o resfriamento da têmpera, o cromo reduz a tendência de formação de trincas, além disso, melhora a resistência do aço à fragilização pelo hidrogênio.

O principal efeito do cromo é de aumentar a resistência à corrosão e à oxidação e aumenta também as propriedades mecânicas de resistência.
4.3.5. Níquel – não tem a tendência de formar carbonetos, ele fica em solução sólida no aço fazendo diminuir a temperatura de transição da austenita em ferrita. Em aços baixo carbono, o níquel evita a formação de cementita nos contornos de grão de aços normalizados, contribuindo para o aumento da ductilidade. Quando o teor de carbono é alto, ele melhora a soldabilidade dos aços.

O níquel promove o aumento da resistência à fadiga em aço médio e alto carbono.

Assim como o manganês, o níquel abaixa a temperatura do eutetóide, permitindo assim temperaturas mais baixas de aquecimento na região austenítica. Apresenta moderado aumento na temperabilidade e tende a reter a austenita quando o teor de carbono é alto, não deixando a austenita se transformar por completo em martensita durante a têmpera.

O níquel sozinho quase não altera a forma das curvas dos diagramas de transformação isotérmica dos aços médio e alto carbono.

Esse elemento aumenta a tenacidade mesmo a baixas temperaturas nos aços e diminui a fragilidade ao revenido de aços com teores mais altos de manganês. O níquel combinado com o cobre forma uma liga de alto ponto de fusão.

Finalmente, o níquel melhora a fluidez dos aços para fundição.


4.3.6. Molibdênio – Esse elemento é formador de carbonetos, podendo ficar dissolvidos nos carbonetos de ferro ou formar um carboneto complexo. Porém, o molibdênio pode ficar em solução sólida na ferrita. Ele é um elemento de liga que aumenta a temperabilidade do aço, mas não é eficiente para refinar o grão da austenita.

Nos aços baixo carbono recozidos, o molibdênio aumenta a resistência mecânica e a sua dureza. Para pequenas quantidades de molibdênio e enxofre, não se forma carbonetos e todo o molibdênio fica dissolvido na ferrita, aumentando a resistência dos aços recozidos. Para teores mais altos desse elemento ocorre o endurecimento por envelhecimento da ferrita. Nesses aços baixo carbono, o molibdênio tem grande efeito na transformação da austenita em ferrita e perlita, mas com um efeito bem menor sobre a transformação da bainita.

Já nos aços médio e alto carbono se forma carbonetos que retardam a velocidade de nucleação e crescimento da perlita. Esses carbonetos têm o efeito de aumentar o espaçamento interlamelar da perlita.

Os carbonetos complexos de molibdênio são de difícil solubilização na austenita, exigindo assim tempos mais longos.

No revenimento, ele retarda muito o amolecimento da martensita nos aços médio e alto carbono. Com o aumento do teor de molibdênio pode ocorrer um endurecimento secundário até mesmo nos aços baixo carbono. Porém acarreta perda da ductilidade e tenacidade.

Nos aços que também contém cromo, obtém-se boa resistência devido ao precipitado Mo2C ou Fe-Mo-C. Além disso, pode ocorrer também o endurecimento secundário para esse tipo de aço.

Para aços com molibdênio, exige-se temperaturas mais altas de revenimento.

Nos aços baixa liga, ele minimiza o efeito de fragilização do revenido. Sua função é realçada quando estão presentes cromo ou cromo-níquel ou nos aços ao manganês.

Molibdênio é o elemento de liga mais eficaz para aumentar a resistência e a dureza do aço a altas temperaturas. Juntamente com o cromo, ele é útil para minimizar o ataque do aço pelo hidrogênio a temperaturas elevadas, devido à presença de carboneto de molibdênio e de cromo.
4.3.7. Cobre – Confere ao aço resistência à corrosão atmosférica, quando em porcentagem pequena. Para teores mais altos, ele aumenta a fluidez do dos aços fundidos, alem de elevar a resistência mecânica da ferrita, sem interferir na ductilidade dos aços recozidos, normalizados ou de baixo carbono endurecido por precipitação, principalmente em aços trabalhados mecanicamente. Esse elemento não influi de maneira significativa na temperabilidade dos aços, apenas se apresentar em teores mais altos. Ele também retarda o amolecimento pelo revenido.

O aumento da resistência à corrosão atmosférica é devido à formação de uma crosta mais aderente na superfície do metal, oferecendo a proteção para o mesmo.

Aços de baixa liga podem conter além do cobre, outros elementos como cromo e fósforo, cromo e níquel ou com molibdênio, aumentando desse modo ainda mais a resistência à corrosão atmosférica.

O cobre não prejudica as características de estampabilidade, todavia prejudica a qualidade superficial dos aços.


4.3.8. Fósforo – Não é considerado um elemento de liga, apesar de estar presente nos aços como elemento residual. É um estabilizador de ferrita, endurecendo-a bastante, por estar em solução nela em aços de baixo carbono. Isso faz com que o aço fique fragilizado.

O fósforo tem a ação muito fraca no que se refere a temperabilidade da austenita, alem de aumentar a possibilidade de fragilização ao revenido. Essa fragilização é devido a formação excessiva de fosfeto de ferro.


4.3.9. Alumínio – O alumínio é utilizado como desoxidante, desgaseificante, refinador de grão, mas sua principal função é de acalmar os aços de baixo teor de carbono. Tem também grande capacidade de endurecer a ferrita, por entrar em solução sólida nela. Usando o alumínio para desoxidar, o aço terá a tendência de ficar com os grãos finos pela distribuição de muito fina de Al2O3, que age como núcleos que promove esse refino de grãos.

Quando dissolvido na austenita, ele aumenta de maneira moderada a temperabilidade do aço. Tem a capacidade de refinar tanto o grão da ferrita como da austenita devido a formação e a precipitação de óxidos e nitretos de alumínio, que impedem o crescimento do grão, dificultando dessa maneira a fragilização do aço. Além disso, ele evita a formação de poros em peças fundidas.

Aços acalmados com alumínio não envelhecem e é mais dúctil e mais tenazes que aços não acalmados.
4.3.10. Enxofre – Está presente nos aços como elemento residual. É considerado um elemento prejudicial às propriedades mecânicas do aço, pois pode ocasionar tanto fragilidade a quente como também a frio, isto é, baixa resistência ao impacto, baixa ductilidade e baixa resistência a fadiga, devido a formação de sulfeto de ferro, localizados nos contornos de grão da ferrita e da perlita.

O processo de dessulfuração do aço é feita pelo manganês, que forma o sulfeto de manganês. Esse sulfeto possui baixo ponto de fusão e grande plasticidade, eliminando o sulfeto de ferro. O cálcio e os elementos do grupo das terras raras tem a características de dessulfuração, além de serem desoxidantes.

O enxofre promove a melhoria da usinabilidade e é deixado um certo teor de enxofre livre melhorando a estampabilidade do aço.

Confere também um ligeiro aumento na resistência à corrosão dos aços em ambientes ácidos, porém diminui a soldabilidade e prejudica a qualidade superficial do aço por apresentar alta segregação quando na forma livre.


4.4. – Tratamentos Térmicos
Tratamento térmico é um conjunto de operações de aquecimento do aço, sob condições controladas de temperatura, tempo, atmosfera e velocidade de resfriamento, com o objetivo de alterar ou conferir propriedades esses materiais.

As propriedades dos aços dependem da sua microestrutura. Os tratamentos térmicos modificam essa microestrutura, resultando em alterações em suas propriedades. Entretanto, normalmente a melhora de uma ou mais propriedades, conseguidas com tratamentos térmicos, acarreta em prejuízo de outras.

Os fatores que influenciam nos tratamentos térmicos são aquecimento, tempo de permanência no forno, temperatura, resfriamento e atmosfera no interior do forno.

Para o aço liga ASTM 148 Gr 150-86 são feitos pela empresa apenas tratamentos térmicos de têmpera e revenido.



4.4.1. Normalização
Esse tipo de tratamento térmico consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguida de resfriamento ao ar. A normalização tem como objetivo refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido. Além disso, é utilizado como tratamento anterior à têmpera e ao revenido, justamente por obter microestrutura mais uniforme.

Para o estudo em questão, dos quatro corpos de prova que foram tratados termicamente na mufla, apenas um passou pelo tratamento de normalização. Este permaneceu a 925oC com um tempo de patamar de 90 minutos. A taxa utilizada foi de 250oC/hora.

Já para o corpos de prova tratados no forno de tratamento térmico, foi utilizada uma temperatura de 925oC, porém com um tempo de patamar de 180 minutos para ambos os corpos de prova.

4.4.2. Têmpera
Consiste no aquecimento do aço até sua temperatura de austenitização, seguido de um resfriamento brusco. Os meios de resfriamento dependem da capacidade do material de se endurecer, da forma e dimensões da peça, pois o objetivo desse tratamento é obter a microestrutura martensítica. Os líquidos mais comuns, utilizados para o resfriamento são a água, salmoura, óleo e soluções aquosas poliméricas. Além disso, podem ser usados também meios gasosos como o ar e gases inertes, isto é, que não reagem com a peça a ser tratada.

Uma vez que o objetivo é obter a martensita, isso acarreta em aumento da dureza e da resistência a tração. Como conseqüência disso temos a redução da ductilidade, da tenacidade e a formação de tensões internas.

Desse modo, um fator importante a ser considerado é a dimensão da peça, pois diferentes secções uma mesma peça ocasiona diferença de resfriamento. além disso a velocidade de resfriamento deve ser tal que ao final do processo não ocorra estrutura mista que prejudique as propriedades desejadas.

A martensita caracteriza-se por apresentar elevada dureza e apresentar tensões internas consideráveis. Essas tensões de origem térmica são devido as diferentes secções da peça, fazendo com que esta resfrie de maneira não uniforme.

No trabalho sobre o aço ASTM 148 Gr 150-86, para os quatro corpos de prova, realizou-se o tratamento de têmpera com uma temperatura de 925oC e o tempo de patamar de 90 minutos e uma taxa de 250oC/hora aproximadamente.

Já para o corpos de prova temperados no forno de tratamento térmico utilizou-se uma temperatura de 925oC e um tempo de patamar de 240 minutos.

Para todos os corpos de prova foram utilizados como meio de resfriamento a água.

4.4.3. Revenido
Esse tratamento térmico normalmente é feito após a têmpera. Tem como objetivo aliviar ou remover as tensões internas que estão presentes em excesso, corrigir a dureza e diminuir a fragilidade, aumentando assim a ductilidade e a resistência ao choque.

Basicamente, as transformações ocorridas durante o tratamento de revenido podem ser divididas em cinco etapas. Primeiramente ocorre a precipitação de carbonetos épsilon, seguida da decomposição da austenita retida em bainita. Em seguida forma-se ferrita e cementita e, posteriormente, o crescimento do microconstituinte cementita. Por fim, temos o endurecimento secundário do aço. Todas as etapas citadas têm a sua faixa de temperatura que varia de acordo com tipo de aço a ser revenido.

Para o estudo do aço ASTM 148 Gr 150-86, dos quatro corpos de prova revenidos na mufla dois (um apenas temperado e o outro normalizado e temperado) permaneceram à 600ºC com um tempo de patamar de 90 minutos. Os outros dois corpos de prova ficaram à 600ºC, um com o tempo de patamar de 150 minutos e o outro com um tempo de patamar de 210 minutos. Todos a uma taxa de 250ºC/hora aproximadamente.

Para o corpos de prova levados ao forno de tratamento térmico, um permaneceu com um tempo de patamar de 240 minutos à 600ºC e o outro com a mesma temperatura, mas com um tempo de patamar de 180 minutos. Todos os corpos de prova foram resfriados ao ar.



4.5. – Análises dos Resultados
Como descrito anteriormente a foram feitos análises de composição química, dureza, metalografia e ensaios tração.

4.5.1 Análise de Composição Química
Os elementos presente no aço liga ASTM 148 Gr150-86 são, além do carbono, o manganês, níquel, cobre, silício, cromo, molibdênio, alumínio, fósforo e enxofre. As características e propriedades de cada elemento já foram discutidas anteriormente.

Assim cada corpo de prova passou por uma análise de composição química através de um espectrômetro de emissão óptica.


Tabela 1 –Análise do teor de carbono do aço liga ASTM 148 Gr 150-86.


De acordo com as análises de composição química os corpos de prova se encontraram dentro da faixa especificada. O tratamento térmico não alterou a composição do aço em questão, isto é, não houve descarbonetação suficiente ou alguma outra alteração na composição química que deslocasse algum elemento para fora da faixa exigida.



4.5.2. Análise de Dureza
A dureza do aço depende acima de tudo de sua microestrutura. Sabe-se que o aumento da temperatura de revenimento ou o aumento no tempo de permanência faz com que o aço diminua a sua dureza. A faixa exigida para o aço ASTM 148 Gr 150-86 é de 241 a 311 HB (dureza Brinell).

Os corpos de prova colocados no forno de tratamento térmico, apresentou uma dureza de 293 HB e 321 HB, respectivamente para os de 240 e 180 minutos de tempo de patamar. Observa-se que aquele que permaneceu a 180 minutos de tempo de patamar, ultrapassou o limite máximo da faixa de trabalho.

Já para os quatro corpos de prova tratados na mufla estão representados na tabela 2.

Tabela 2 – Dureza dos corpos de prova ASTM 148 Gr 150-86 tratados termicamente na mufla.




 

Dureza (HB)

Normalizado/Revenido 90 minutos

269

Revenido 90 minutos

277

Revenido 150 minutos

248

Revenido 210 minutos

235

O corpo de prova que permaneceu por um tempo de patamar de 210 minutos durante o revenido mostrou-se abaixo da faixa trabalhada pela empresa. Porém os outros corpos de prova se encontraram dentro da faixa. A dureza do corpo de prova com 150 minutos de revenimento mostrou-se bem próximo do mínimo especificado.



4.5.3 Análise do Ensaio de Tração
Para o ensaio de tração foi utilizadas uma velocidade de 2,5mm/minuto com uma carga máxima suportada de 15000 kgf e um alongamento máximo de 20 mm. Os corpos de prova apresentavam as dimensões conforme a norma ASTM A-370.

Para o aço liga ASTM 148 Gr 150-86, os corpos de prova de ensaio de tração, devem apresentar no mínimo, os resultados conforme a tabela 3.


Tabela 3 – Resultados mínimos exigidos para o aço liga ASTM 148 Gr 150-86



Limite Resistência

Alongamento

Limite Escoamento

Redução de Área

827 Mpa

14%

690 Mpa

30%

Os resultados podem ser observados na tabela 4.


Tabela 4 – Resultados do ensaio de tração

 

 

Limite Resistência

Alongamento

Limite Escoamento

Redução de Área

Forno Mufla

Normalizado/Revenido 90 minutos


865,3 Mpa

16,30%

730,5 Mpa

42,24%

Revenido 90 minutos

799,7 Mpa

21,46%

687,6 Mpa

44,95%

Revenido 150 minutos

758,3 Mpa

19,76%

641,9 Mpa

48,81%

Revenido 210 minutos

736,0 Mpa

20,58%

606,0 Mpa

40,35%

Forno Tratamento Térmico

Normalizado/Revenido 240 minutos

757,6 Mpa

25,38%

612,5 Mpa

48,16%

Normalizado/Revenido 180 minutos

997,9 Mpa

13,64%

791,3 Mpa

39,16%

De acordo com os resultados apenas o corpo de prova previamente normalizados no forno mufla que passou por um revenimento de 180 minutos alcançou o especificado. Já o corpo de prova, levado ao forno de tratamento térmico, normalizado e, revenido com um tempo de patamar de 180 minutos, chegou muito próximo do mínimo exigido. Este foi reprovado devido ao seu alongamento não alcançar os 14% mínimo exigido.

Os corpos de prova apenas temperados e revenidos (tempo de patamar de 90, 150 e 210 minutos) não alcançaram o limite de resistência nem o limite de escoamento mínimo, apesar de seus alongamentos e reduções de área estarem acima do estabelecido. O mesmo ocorreu para o corpo de prova revenido no forno de tratamento térmico com o tempo de patamar de 240 minutos.

Os corpos de prova tratados na mufla com tempo de patamar de 150, 210 minutos e aquele tratado no forno de tratamento térmico com tempo de patamar de 240 minutos apresentaram fatura do tipo dúctil se comparado com o restante dos corpos de prova.



4.5.4 Análise Metalográfica
As propriedades mecânicas dos aços são determinadas pela suas microestruturas. Para se conseguir a microestrutura desejada e conseqüentemente as propriedades mecânicas adequadas devem-se levar em conta alguns fatores. Esses fatores são, o tratamento térmico, a composição química, velocidade de resfriamento, tanto durante a solidificação quando no resfriamento no processo de têmpera, entre outros.

Após a solidificação da peça, forma-se perlita de caráter grosseiro. Sua microestrutura é formada de lamelas de ferrita e perlita. As propriedades mecânicas variam entre as propriedades mecânicas da ferrita e da perlita.

A transformação da austenita em perlita inicia-se nos contornos de grão, onde há maior energia nos átomos que constitui o aço, assim como nas periferias dos defeitos. Já a ferrita origina-se na zona crítica durante o resfriamento. Possui um aspecto grosseiro. Caracteriza-se por ser muito dúctil. Apresenta baixa dureza e baixa resistência mecânica. A estrutura cristalina é do tipo CCC, cúbica de corpo centrado e a sua nucleação acontece nos contornos de grão da austenita.

O carboneto de ferro Fe3C, conhecido como cementita, é muito dura. Apresenta baixa ductilidade e é muito frágil. Sua estrutura é do tipo ortorrômbica e sua origem é devido à precipitação de carbono a partir da máxima solubilidade do ferro gama e alfa.

Após o tratamento térmico, o aço liga em estudo, apresenta uma microestrutura martensítica. Essa microestrutura é metaestável, formado através da decomposição da austenita, devido ao resfriamento rápido no tratamento térmico de têmpera em que há a supersaturação de carbono no ferro alfa. Sua estrutura é tetragonal de corpo centrado e a sua dureza é muito alta.

Para a análise microestrutural foram utilizadas lixas 100, 320 e 600 mesh. Na etapa de polimento foi necessário o uso de uma politriz e uma pasta de diamante de 3m. O ataque foi feito com nital 2% e para a análise propriamente dita, foi utilizado um microscópio óptico com capacidade de aumento máximo de 600 vezes.

Na figura 4 estão as microestruturas do aço liga ASTM 148 Gr 150-86 com seus respectivos tempos de patamar


Normalizado / Revenido 90 minutos

Forno Mufla



Revenido 90 minutos

Forno Mufla



Revenido 150 minutos

Forno Mufla












Revenido 210 minutos

Forno Mufla



Normalizado / Revenido 240 minutos

Forno de Tratamento Térmico



Normalizado / Revenido 180 minutos

Forno de Tratamento Térmico












Figura 4 – Microestrutura do aço ASTM 148 Gr 150-86 com seus respectivos tempos de patamar de revenimento.
Pode-se observar que as microestruturas dos corpos de prova Normalizado / Revenido 90 minutos-forno mufla e Normalizado / Revenido 180 minutos-forno de tratamento térmico apresentaram as microestruturas mais uniformes se comparado com as outras amostras.

Os restantes das amostras apresentaram precipitação de ferrita exagerada (pontos mais claros) na matriz martensítica, como pode ser observado.



4.6. – Conclusão dos Resultados
Pode perceber que através dos resultados, um tratamento térmico de normalização faz com que a microestrutura martensítica fique mais homogênea, apesar de que, dos três corpos de prova normalizados apenas um chegou aos requisitos exigidos de composição química, análise metalográfica, dureza e ensaio de tração.

Os corpos de prova que não passaram por uma normalização prévia foram reprovados em algumas das análises feitas pela empresa, principalmente no que diz respeito ao ensaio de tração.

Já os corpos de prova normalizados, porém reprovados, chegaram próximo do mínimo especificado nos ensaios em que eles foram reprovados.


5.0. – CONCLUSÃO

O estágio mostrou-se de grande importância para o aprendizado, principalmente no que diz respeito à área de fundição de aços e ferros fundidos ligados. Os trabalhos de rotina foram de grande auxilio para o entendimento de como cada elemento químico presente atua nos aços e ferros fundidos.

Em várias oportunidades pode-se conciliar o conhecimento teórico com as atividades exercidas durante esse período. O contato com diversas áreas dentro da empresa mostrou-se útil. O conhecimento de como funciona uma empresa de fundição foi também de grande importância.

A Granaço Fundição de Ligas Especiais LTDA disponibilizou toda a ajuda necessária para que o estágio pudesse ser de ótimo proveito.

Por fim, o estudo sobre o aço liga ASTM 148 Gr 150-86 foi de vital importância para por em prática o conhecimento a respeito de tratamentos térmicos.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1 – CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. ABM – Associação Brasileira de Metais 7a ed, São Paulo 2002.
2 – COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. Editora Edgar Blutcher LTDA. 3a ed. São Paulo 1975.
3 – SOUZA, Ségio Augusto. Composição Química dos Aços. Editora Edgar Blutcher LTDA. 1ª ed. São Paulo 2001.
4 – MELO, Guilherme Henrique Teixeira de. Ferros Fundidos Brancos Ligados – Metalurgia, Processo e Aplicação. SENAI, Minas Gerais 2001.
5 – www.granaco.com.br
6 – www.infomet.com.br

ANEXO A
Histórico
A Granaço Fundição Ltda, é uma empresa com tecnologia moderna, fundada em 1993, para oferecer novos padrões de qualidade e produtividade, atendendo as demandas de um mercado cada vez mais exigente e competitivo.
Destaca-se no mercado por oferecer fundidos em ligas especiais que englobam ferros e aços resistentes à abrasão, ao impacto, ao calor, à corrosão e outros para construção mecânica com boa usinabilidade.
A empresa objetiva atender os mercados de mineração, cimento, metalurgia, máquinas e equipamentos, químico, petroquímico, cerâmico, ferroviário, entre outros.
Dispõe de linha própria de produtos voltados para empresas que utilizam em seu processo produtivo moinhos de martelos, barras, rolos, desenvolvendo peças de reposição, com engenharia própria, que proporcionam as melhores alternativas de custo benefício ao usuário. São atendidas as empresas de corretivos de solo, fertilizantes, cal, argamassas, cerâmicas e outras do gênero.
Instalações

Suas instalações estão localizadas no Distrito Industrial de Joinville, em ampla área, próxima a rodovias federais e estaduais, dispondo de toda a infra-estrutura de transportes, energia, água e esgoto. Construída em conformidade com os regulamentos e normas ambientais e padrões de segurança no âmbito municipal, estadual e federal.


Processo Produtivo

O lay-out da fundição foi projetado por empresa especializada de acordo com um fluxo de operações que otimizam o processo produtivo. O sistema de produção é composto de fornos de fusão por indução e processos de moldagem e macharia em areia verde, cold box e hot box.Os sistemas de moldagem são mecanizados e controlados por CLP e são providos de equipamentos anti-poluição.


Laboratório

A qualidade dos produtos fabricados pela Granaço é assegurada por controles em cada fase do processo, dimensionados para atender as exigências de qualidade cada vez maiores do mercado. Os controles são realizados por espectrometria ótica, microscopia, ensaios mecânicos, destrutivos, não destrutivos, metrológicos, análise de materiais de processo e de matéria prima.

Dispõe dos seguintes equipamentos:

- Espectrômetro de emissão ótica


- Microscópio metalográfico com câmara digital
- Durômetros de bancada e portátil
- Partículas magnéticas
- Máquina de tração
- Mesa de traçagens
- Equipamentos de medição
- Laboratório de areia
Engenharia de Processos

A fabricação de cada produto é precedida de uma criteriosa análise para definição do processo e planejamento de tratamentos térmicos. Compreende orçamentação, projeto de ferramentais, sistemas de alimentação, seleção de matérias primas, especificação dos materiais de processo, controles a serem implementados nas diversas fases tais como: temperaturas de vazamento, análises químicas, análises que compreendem a preparação de areia, execução de lotes pilotos e outros.


Dispomos de um moderno Software de desenho em três dimensões, utilizado para desenvolvimento de novos projetos, com geometrias alternativas, projetos de ferramentais, entre outros.
Política da Qualidade

Prioridade na política da empresa, a qualidade deixou de ser um departamento para se tornar uma atitude entre todos os setores e o pessoal envolvido, pois para se tornar uma empresa competitiva foi necessário que cada etapa do processo produtivo fosse cuidadosamente controlada, a fim de evitar retrabalho e desperdício de material e mão de obra. A perfeita integração dos setores com o objetivo da qualidade total é decorrência de investimentos em treinamento de pessoal e equipamentos de ponta, necessários para atender as exigências internacionais e a satisfação dos clientes. A filosofia da empresa é: A qualidade não é controlada, é produzida.


LIGAS ESPECIAIS
Ferros Fundidos Resistentes a Abrasão
São ligas constituídas de matriz martensítica, cuja principal característica é a grande resistência ao desgaste, combinada com impactos moderados. Existe variada gama de composições químicas que são tratadas termicamente e produzidas sob condições estritamente controladas durante o processo. Amplamente utilizadas em corpos de bomba, placas de desgaste, revestimentos, rolos de moagem, etc. As ligas com alto teor de Cr são indicadas especialmente para aplicações que sofram simultaneamente ataque por corrosão e abrasão.
Aços ao Manganês
Tratados termicamente, apresentam microestrutura austenítica.São aços com alto teor de Mn, produzidos de acordo com a especificação ASTM A128. Sua principal característica é a resistência ao impacto, aliada à resistência ao desgaste por encruamento. Tem como área de aplicação a mineração, britagem, moagem, vias férreas, construção, etc. Os aços ao manganês não são magnéticos e podem ser fabricados com adições de Cr, Ni e Mo, aumentando-se, desta forma, o limite de escoamento e resistência aos efeitos do calor.
Aços Carbono Ligados
São aços ligados ao Cr, Ni, Mo e Mn, que podem ser fabricados nos estados normalizado, temperado, cementado, recozido e revenido. Apresentam boa ductilidade, soldabilidade e usinabilidade. Quando tratados termicamente, os aços ligados poderão obter alta resistência ao desgaste. São destinados a Indústrias de Construção Mecânica, Terraplanagem, Britagem e Moagem, entre outras.










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