A ÇOS FUND IDOS: DO S: C l as s i f i c ação , el e l ab o r ação , d ef ei t o s e asp ect o s relac io n ad o s àflu id ez. ez .
Texto de apoio à disciplina de Siderurgia - 204054. Elaboração: Prof. Dr. Marcio Ferreira Hupalo Última revisão: março de 2009.
Ponta Grossa, maio de 2010.
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 2 2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FUNDIDOS .................................................... 6 2.1 Aços-carbono comuns (“plain carbon steels”) ......................................... 7 2.2 Aços de baixa liga (low-alloy steels) .......................................................... 8 2.3 Aços de alta liga (high-alloy steels) ............................................................ 10 2.4 Normas de classificação .............................................................................. 11 3. DIAGRAMA DE FASES FERRO-CARBONO.......................... ............. .......................... ........................ ........... 12 3.1 Reações de solidificação e resfriamento ................................................... 12 4. ASPECTOS GERAIS DA ELABORAÇÃO DE AÇOS FUNDIDOS ................. 17 4.1 Fusão em fornos elétricos a arco ............................................................... 17 4.2 Fusão em fornos de indução ....................................................................... 20 4.3 Prática de desoxidação ................................................................................ 22 4.4 Descarburação a argônio-oxigênio (Processo AOD) ................................ 24 4.5 Injeção de pós ou fios .................................................................................. 25 4.6 Prática de vazamento ................................................................................... 26 4.7 Sistema de canais ........................................................................................ 28 5. INCLUSÕES EM AÇOS FUNDIDOS ............................................................... 30 5.1 Tipos de inclusões ....................................................................................... 30 5.2 Físico-química das inclusões ...................................................................... 32 5.3 Controle de inclusões .................................................................................. 34 5.4 Principais tipos de inclusões nos aços fundidos ..................................... 39 6. FLUIDEZ DOS AÇOS ...................................................................................... 46 6.1 Conceito de fluidez e sua importância ....................................................... 46 6.2 Determinação da fluidez .............................................................................. 46 6.3 Efeito da composição química dos aços sobre a fluidez ......................... 48 6.4 Fluidez e temperatura de vazamento .......................................................... 49 6.5 Fluidez de aços e desoxidação ................................................................... 50 6.6 Desoxidação visando máxima fluidez ........................................................ 54 6.7 Desoxidação visando máxima fluidez em aços de alto cromo ................ 59 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ......................................................................... 60
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 2 2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FUNDIDOS .................................................... 6 2.1 Aços-carbono comuns (“plain carbon steels”) ......................................... 7 2.2 Aços de baixa liga (low-alloy steels) .......................................................... 8 2.3 Aços de alta liga (high-alloy steels) ............................................................ 10 2.4 Normas de classificação .............................................................................. 11 3. DIAGRAMA DE FASES FERRO-CARBONO.......................... ............. .......................... ........................ ........... 12 3.1 Reações de solidificação e resfriamento ................................................... 12 4. ASPECTOS GERAIS DA ELABORAÇÃO DE AÇOS FUNDIDOS ................. 17 4.1 Fusão em fornos elétricos a arco ............................................................... 17 4.2 Fusão em fornos de indução ....................................................................... 20 4.3 Prática de desoxidação ................................................................................ 22 4.4 Descarburação a argônio-oxigênio (Processo AOD) ................................ 24 4.5 Injeção de pós ou fios .................................................................................. 25 4.6 Prática de vazamento ................................................................................... 26 4.7 Sistema de canais ........................................................................................ 28 5. INCLUSÕES EM AÇOS FUNDIDOS ............................................................... 30 5.1 Tipos de inclusões ....................................................................................... 30 5.2 Físico-química das inclusões ...................................................................... 32 5.3 Controle de inclusões .................................................................................. 34 5.4 Principais tipos de inclusões nos aços fundidos ..................................... 39 6. FLUIDEZ DOS AÇOS ...................................................................................... 46 6.1 Conceito de fluidez e sua importância ....................................................... 46 6.2 Determinação da fluidez .............................................................................. 46 6.3 Efeito da composição química dos aços sobre a fluidez ......................... 48 6.4 Fluidez e temperatura de vazamento .......................................................... 49 6.5 Fluidez de aços e desoxidação ................................................................... 50 6.6 Desoxidação visando máxima fluidez ........................................................ 54 6.7 Desoxidação visando máxima fluidez em aços de alto cromo ................ 59 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ......................................................................... 60
1. INTRODUÇÃO Aço fundido é aquele que é geralmente vazado em moldes de areia ou metálicos, onde adquire a forma exata da cavidade do molde. Quando se trata de peças fundidas, os moldes conferem às mesmas suas formas praticamente definitivas, necessitando-se, eventualmente, de pequenas operações posteriores de acabamento por usinagem. No caso das peças fundidas de aço, o grande emprego da técnica de fundição deve-se à possibilidade de produção de peças com grande variedade de formas e dimensões, com razoável resistência mecânica e boa tenacidade, a um custo relativamente baixo. Sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, admite-se geralmente que o aço fundido seja de qualidade inferior ao trabalhado mecanicamente. Além disso, freqüentemente as peças fundidas apresentam defeitos superficiais e/ou internos, típicos dos processos de fundição. Portanto, ressalta-se a necessidade das peças fundidas em aço possuírem certos requisitos, tais como homogeneidade (sanidade interna em toda a extensão da peça), grãos com granulação fina e ausência de tensões internas. Fundidos em aço com sanidade interna elevada podem ser obtidos por meio do projeto adequado da peça e do molde, com canais convenientemente localizados e mediante a correta desoxidação do aço durante a operação de fusão. Já a granulação fina e ausência de tensões internas podem ser obtidas mediante a realização de operações de tratamento térmico, a fim de normalizar a textura excessivamente grosseira e dendrítica do aço fundido e eliminar as tensões internas originadas durante a solidificação do metal no interior do molde. Estas tensões podem causar empenamento e distorções das peças em serviço. O processo de refino de aços não visa exclusivamente à obtenção de propriedades específicas. Um correto processo de refino contribui fortemente para evitar a rejeição de peças fundidas. A qualidade das peças fundidas em aço, além de depender da seleção adequada da liga a ser empregada, depende também de um correto projeto, modelo, sistema de alimentação, qualidade do molde, rebarbação e tratamento térmico. O conceito de qualidade de uma peça fundida está relacionado com a adequabilidade para um determinado uso. Certos aspectos da qualidade podem ser quantitativamente medidos, enquanto outros
são apenas relativos. De uma maneira geral, a avaliação da qualidade de uma peça fundida depende dos seguintes critérios: i) Projeto: adequação a uma dada aplicação; ii) Precisão dimensional: tolerâncias; iii) Qualidade superficial: aparência, rugosidade, trincas, juntas frias, porosidades superficiais; iv) Propriedades mecânicas e físicas; v) Sanidade interna: porosidades, trincas internas, macroinclusões. Os problemas de qualidade associados às causas metalúrgicas, são muitas vezes resultantes do efeito de impurezas. Portanto, o refino dos aços visa primordialmente reduzir o nível de impurezas e controlar seu efeito. As fundições normalmente utilizam fornos elétricos a arco ou fornos de indução. O refino compreende as fases de eliminação e controle de impurezas. Os fornos elétricos a arco são eficientes para a remoção de impurezas, enquanto os fornos de indução são mais restritos ao seu controle. As principais impurezas são: fósforo, enxofre, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. No aço solidificado, esses elementos dissolvidos na matriz metálica, em solução sólida ou na forma de inclusões não-metálicas. Parte delas pode se separar como porosidades durante a solidificação. Na tabela 1.1 as principais impurezas nos aços e a forma em que elas se encontram.
Tabela 1.1 Principais impurezas e forma como se encontram no aço sólido. Impureza Porosidades Inclusões Solução Sólida Participa Fósforo Não participa Não participa totalmente Quase Enxofre Não participa Muito pouco totalidade Oxigênio Participa Participa Quase nada Participa Participa Participa Nitrogênio parcialmente parcialmente parcialmente Participa Participa Hidrogênio Não participa parcialmente parcialmente Como posteriormente será abordado, inclusões não-metálicas constituem descontinuidades no líquido ou no sólido, contribuindo para o aparecimento de problemas, tais como baixa ductilidade, baixa tenacidade, trincas de solidificação, redução de usinabilidade e redução de fluidez.
Outra questão de grande importância nos aços fundidos é o controle de porosidades. Estas podem ser resultantes de contração durante a solidificação (normalmente denominadas de micro-rechupes ou micro-porosidades) ou resultantes da evolução de gases durante a solidificação (denominadas bolhas ou “pinholes” ). Os micro-rechupes ocorrem com maior freqüência em ligas com
elevado intervalo de solidificação. À medida que aumenta o teor de carbono e os teores de certos elementos de liga nos aços, geralmente também aumenta o intervalo de solidificação. Como conseqüência, os aços com elevado teor de carbono apresentam maior intervalo de solidificação e maior tendência à formação de microrrechupes. Os microrrechupes são inerentes à composição do aço, enquanto as inclusões possuem efeito secundário. Para reduzir a ocorrência de microrechupes é necessário atuar sobre o sistema de alimentação da peça fundida, a fim de promover solidificação direcional. A redução da temperatura de vazamento do metal no molde também contribui para o refino da estrutura e redução do tamanho das micro-porosidades. Neste sentido, o devido controle das impurezas pode resultar em aumento da fluidez, o que permite vazar o metal em menor temperatura. Quanto aos gases, em princípio não existe distinção entre porosidades e “pinholes” , apesar de suas diferentes dimensões e localização na peça fundida.
Os “pinholes” , que geralmente ocorrem na superfície, podem ser considerados como fenômenos predominantemente exógenos, causados principalmente pelo molde, enquanto que porosidades no interior da peça são predominantemente fenômenos endógenos, causados pela composição (contaminação do aço). As porosidades devidas a gases são resultantes da diferença de solubilidade dos gases entre metal líquido e sólido. Durante a solidificação, em virtude da diferença de solubilidade entre o líquido e o sólido, ocorre progressiva concentração de gases no metal líquido, particularmente junto à frente de solidificação. Defeitos originados pela excessiva contração geralmente ocorrem em locais onde há excesso de massa de metal líquido. Estes pontos são chamados de pontos superaquecidos ( “hot spots” ), os quais constituem a última porção do metal a solidificar. Esses pontos geralmente se localizam em regiões tais como: intersecções ou junções de partes de secções com mudança abrupta de dimensões, em regiões de transição entre espessuras muito diferentes, em
concentrações isoladas de massas de metal (saliências e ressaltos), em cavidades profundas, entre outras. A prevenção destes tipos de defeitos reside na equalização das secções da peça durante a fase de projeto, de modo a produzir uma seqüência apropriada de solidificação. O conhecimento das técnicas de vazamento e moldagem também é de fundamental importância na obtenção de peças com boa sanidade interna e economicamente viáveis. Entre outros aspectos, merecem destaque a localização conveniente de canais de vazamento e alimentação, de modo a garantir maior homogeneidade ao fundido, evitando o aparecimento de defeitos associados à inclusões de areia, deslocamento de machos e vazios de contração, entre outros. Por fim, deve-se ter conhecimento das características fundamentais do aço, quando este esfria do estado líquido até a temperatura ambiente, são elas: baixa fluidez, contração elevada e pequena resistência à cerca de 1480ºC.
2. CLASSIFICAÇÃO DOS AÇOS FUNDIDOS Os aços podem ser classificados pelo tipo de liga, composição química, nome comercial, aplicação e propriedades mecânicas. No diagrama esquemático da figura 2.1 são mostradas as principais classes de aços existentes, em função de seu nome comercial ou aplicação e em função de sua estrutura.
Figura 2.1. Classificação dos aços em função do nome comercial ou aplicação e em função da estrutura. Os aços podem ainda ser classificados em quatro tipos, de acordo com a prática empregada em sua desoxidação, ou, alternativamente, pela quantidade de gás desprendida durante a solidificação. Os quatro tipos são:
Aços acalmados: em que se verifica apenas um pequeno desprendimento de
gases durante a solidificação. Para se obter essa condição são adicionados elementos desoxidantes, principalmente silício e alumínio, além de titânio e zircônio;
Aços semi-acalmados: em que o desprendimento de gases é maior que nos
aços acalmados, mas menor que nos aços efervescentes e semi-desoxidados;
Aços efervescentes: nos quais não são utilizados elementos desoxidantes e,
por esse motivo, apresentam uma acentuada diferença de composição química ao longo da secção transversal e entre o fundo e o topo do molde (lingoteira), em função do grande desprendimento de gases durante o processo de solidificação; e
Aços semi-desoxidados: apresentam características semelhantes aos
efervescentes, mas em menor grau. Agentes desoxidantes podem ser eventualmente adicionados para controlar o desprendimento de gases durante a solidificação.
2.1 Aços-carbono comuns ( plain carbon s teels ) “
”
Aços-carbono contêm apenas carbono como principal elemento de liga. Outros elementos estão presentes em pequenas quantidades, incluindo aqueles adicionados para desoxidação. Os teores típicos de silício e manganês nos aços fundidos variam, respectivamente, entre 0,25 a 0,80% e 0,50 e 1,0%. Os aços carbono podem ser classificados de acordo com seu teor de carbono, em três grandes grupos, ilustrados na figura 2.1:
Aços baixo carbono: < 0,20%C;
Aços médio carbono: 0,20 < C < 0,50%; e
Aços alto carbono: > 0,50%C. Os aços de baixo teor de liga, abordados no item seguinte, apresentam,
além de carbono, um total de até 8% de outros elementos de liga. Aços fundidos contendo teores de um único elemento maiores do que os mostrados na tabela 2.1 são considerados aços de baixa liga.
Tabela 2.1. Teores máximos de elementos de liga permitidos para os açoscarbono comuns.
Elemento
Teores (% peso)
Manganês
1,0
Silício
0,80
Níquel
0,50
Cobre
0,50
Cromo
0,25
Molibdênio
0,10
Vanádio
0,05
Tungstênio
0,05
A desoxidação de aços-carbono e aços de baixa liga (isto é, o controle da quantidade de oxigênio) pode ser realizada pela adição de alumínio, titânio e zircônio. Destes, o alumínio é o mais freqüentemente utilizado, em função de sua alta eficiência e baixo custo. Os limites normais de enxofre e fósforo para os açoscarbono e de baixa liga são, respectivamente, de 0,06 e 0,05%.
2.2 Aços de baixa liga (low-alloy steels) Os aços de baixa liga contém outros elementos de liga além do carbono, em uma quantidade inferior a 8%. Aços fundidos contendo teores de elementos de liga maiores que os apresentados na tabela 2.1 são considerados de baixa liga. As composições químicas dos aços de baixa liga são caracterizadas, primariamente, por teores de carbono abaixo de 0,45%, e pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga visando a obtenção de determinadas propriedades, tais como resistência ao desgaste, resistência à corrosão e ao calor. Estes materiais são empregados quando os requisitos de resistência não podem ser atendidos pelos aços-carbono comuns. Aços de baixa liga normalmente possuem melhor tenacidade e temperabilidade que estes últimos.
i)
Aços carbono-manganês: aços fundidos contendo entre 1,0 e 1,75% de
manganês e 0,20 e 0,50% de carbono. Estes aços também são conhecidos como
aços médio manganês e são representados pela série AISI 1300 (1,60 a 1,90%Mn);
ii)
Aços manganês-molibdênio: similares aos aços de médio teor de
manganês, apresentando boa resistência em altas temperaturas, além de elevada temperabilidade. Existem duas classes gerais de aços manganês-molibdênio: a série 8000 (1,0 a 1,35% Mn; 0,10 a 0,30% Mo) e a série 8400 (1,35 a 1,75% Mn; 0,25 a 0,55% Mo). Em ambas as classes, o teor de carbono é normalmente fixado entre 0,20 e 0,35%;
iii)
Aços manganês-níquel-cromo-molibdênio: estes aços englobam a série
AISI 9500, utilizados em aplicações que demandam alta temperabilidade. Secções com até 130 mm podem ser temperadas e revenidas de modo a se obter uma estrutura totalmente martensítica. Os teores de elementos de liga variam na seguinte faixa: 1,30%
iv)
Aços níquel: estão entre os mais antigos aços de baixa liga. Apresentam
como principais características a boa ductilidade e a elevada resistência ao impacto. A série AISI 2300 contém teores de níquel variando entre 2,0 e 4,0%;
v)
Aços níquel-cromo-molibdênio: a adição de molibdênio aos aços níquel-
cromo aumenta de forma significativa a temperabilidade destes materiais, praticamente tornando os mesmos imunes à fragilização por têmpera. São aços particularmente adequados à produção de fundidos de secções espessas. Apresentam também elevada resistência em altas temperaturas;
vi)
Aços cromo-molibdênio: contêm em torno de 1,0% de cromo, que
promove aumento das propriedades em temperatura elevada. Os aços cromomolibdênio da série AISI 5100, contendo entre 0,70 e 1,10% de cromo) não são comuns na indústria de fundição, sendo aplicados apenas e fundidos especiais.
Uma classificação detalhada das diversas classes e composições químicas existentes pode ser encontrada nas Normas JIS e ASTM. Algumas características dos aços de baixa liga mais comuns são apresentadas na tabela 2.2 a seguir.
Tabela 2.2. Características dos aços de baixa liga mais comuns.
2.3 Aços de alta liga (high-alloy steels) Os aços fundidos de alta liga são aqueles que apresentam um total de elementos de liga maior que 8%. Estes aços são largamente utilizados em
aplicações que exigem resistência à corrosão em meio aquoso e para o serviço em contato com gases quentes e líquidos em elevada temperatura (> 650ºC). Estes materiais dividem-se em três grandes grupos: o dos aços de alta liga resistentes à corrosão (aços inoxidáveis), os aços resistentes ao calor (aços cromo, cromo-níquel e cromo-níquel-molibdênio) e os aços resistentes ao desgaste.
2.4 Normas de classificação As fundições, não raramente, recebem especificações e projetos de peças para serem fundidas baseadas em recomendações para ligas obtidas por processos de conformação mecânica, tais como laminação e forjamento. Isto se deve principalmente a dois fatores, o grande número de normas de classificação existentes e às especificações de projeto que em muitos casos indicam a mudança do processo de obtenção da peça sem alteração do processo de fabricação. As classificações mais utilizadas para os aços fundidos são aquelas baseadas em Normas ASTM e JIS.
3. DIAGRAMA DE FASES FERRO-CARBONO O objetivo do presente capítulo é realizar uma breve revisão sobre alguns conceitos fundamentais O diagrama de fases FeC apresenta informações importantes para a produção dos aços, mesmo não sendo estes ligas binárias. As principais informações que podem ser retiradas deste diagrama são as microestruturas prováveis de serem obtidas em condições de equilíbrio. Vale mencionar que existe uma íntima correlação entre a microestrutura e as propriedades mecânicas dos materiais. Assim sendo, o estudo das principais reações que ocorrem durante a solidificação e o resfriamento dos aços fundidos é muito importante para a correta obtenção e posterior tratamento térmico destes materiais. Antes da análise do diagrama Fe-C é conveniente revisar alguns pontos fundamentais sobre a alotropia (ou polimorfismo) do ferro. Acima de 1536ºC o ferro encontra-se no estado líquido. Na faixa de temperaturas entre 1536 e 1392ºC, o ferro apresenta-se em uma forma cúbica de corpo centrado (CCC), chamada ferro delta (Fe-). Entre 1392 e 911ºC, aproximadamente, os átomos encontram-se arranjados na forma cúbica de faces centradas (CFC), chamada de ferro gama (Fe-). Abaixo de 911ºC, a forma cristalográfica estável para o ferro é a cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como ferro alfa (Fe- ). A solubilidade de carbono no ferro varia em função da temperatura e da forma alotrópica (estrutura cristalina). O Fe- dissolve aproximadamente 0,08%C, enquanto o Fe- e o Fe- dissolvem, respectivamente, 2,0 e 0,02%C.
3.1 Reações de solidificação e resfriamento O diagrama Fe-C apresenta três reações principais, duas de solidificação e uma de resfriamento. A primeira reação de solidificação a ser considerada é a peritética (L +
),
caracterizada pela transformação da fase líquida e de Fe-
em Fe- (austenita, CFC). Esta reação é mostrada esquematicamente na figura 3.1. A reação peritética ocorre para uma faixa de teores de carbono entre 0,08 e 0,53%.
Figura 3.1. Representação esquemática da reação peritética no diagrama Fe-C. Outra reação de solidificação em ligas do sistema Fe-C é a eutética (L
+ Fe3C), pela qual a fase líquida se transforma em duas fases sólidas diferentes, a austenita (Fe-) e carboneto de ferro (cementita, Fe 3C). Vale lembrar que esta é a reação que ocorre segundo o diagrama Fe-C metaestável. A reação eutética pode ocorrer também no sistema estável, resultando em austenita e grafita. As linhas do diagrama Fe-C correspondentes à reação eutética metaestável são mostradas esquematicamente na figura 3.2. Observa-se que a faixa de teores de carbono em que ocorre a reação eutética varia entre 2,0 e 6,67%, aproximadamente.
Figura 3.2. Representação esquemática da reação eutética metaestável no diagrama Fe-C.
A terceira reação do diagrama Fe-C é a reação eutetóide (
+ Fe3C),
que ocorre durante o resfriamento e consiste na transformação da austenita em ferrita (Fe-) e carbonetos de ferro (Fe 3C). A reação eutetóide metaestável é representada esquematicamente na figura 3.3. A linha de reação eutetóide situase em uma faixa de teores de carbono entre 0,02 e 6,67%, aproximadamente. O diagrama de fases Fe-C metaestável, com seus pontos principais, é mostrado na figura 3.4.
Figura 3.3. Representação esquemática da reação eutetóide metaestável no diagrama Fe-C.
Figura 3.4. Diagrama de fases Fe-C metaestável.
A análise de seqüências de solidificação e resfriamento é bastante útil ao entendimento das microestruturas resultantes da solidificação das ligas Fe-C. No caso do presente texto, a atenção será voltada para os aços, que possuem geralmente teores de carbono inferior a 2%, ou, mais precisamente, não apresentam reação eutética. A seguir serão realizadas três análises de resfriamento, com auxílio de uma parte do diagrama de fases Fe-C, mostrada na figura 3.5. As composições químicas escolhidas são representadas pelas linhas verticais R, S e T, respectivamente para ligas com 0,8; 0,18 e 1,0% de carbono.
Figura 3.5. Parte do diagrama de fases Fe-C metaestável. No caso da liga de composição eutetóide (0,8%C) – linha R – o ponto A caracteriza-se pela presença de fase líquida. No ponto B, sobre a linha liquidus, inicia-se a solidificação e a nucleação da austenita (Fe- ). Após a nucleação, a austenita cresce, assumindo a forma dendrítica. No ponto C tem-se a presença das fases líquida e austenita. O ponto D, sobre a linha solidus, marca o término
da solidificação. No ponto E, a aproximadamente 723ºC + (variação infinitesimal de temperatura) a liga é constituída apenas por austenita. Logo abaixo do ponto eutetóide (723ºC - ) observa-se a presença das fases ferrita e carbonetos ( + Fe3C), que juntos formam o microconstituinte conhecido como perlita. A liga de composição eutetóide apresenta, então, microestrutura 100% perlítica à temperatura ambiente. A liga com 0,18%C, cuja seqüência de resfriamento é representada pela linha S, apresenta, no ponto C (1493ºC + ), a fase líquida e fase Fe- . No ponto E (1493ºC - ) observa-se que ocorreu total transformação em austenita (Fe- ). Esta transformação se dá por meio da reação peritética, ilustrada na figura 3.1. Quando se atinge o ponto F, parte da austenita começa a se transformar em ferrita. No ponto G, pouco antes da reação eutetóide, observa-se a presença de ferrita (Fe-) e austenita (Fe- ). Ao cruzar a linha de reação eutetóide, a austenita transforma-se em ferrita e cementita. Portanto, a microestrutura de aços de composição hipoeutetóide (C < 0,8%) é caracterizada pela presença de ferrita (pró-eutetóide) e perlita. De maneira análoga, pode-se realizar a análise de resfriamento da liga com aproximadamente 1,0% de carbono, que possui composição hipereutetóide. A seqüência de resfriamento desta liga é dada pela linha T. Da mesma forma que na liga de composição eutetóide, o ponto B representa o início da solidificação e formação da austenita. Esta fase co-existe com a fase líquida até o ponto D, onde termina a solidificação da liga. No ponto E a austenita começa a se transformar em cementita, processo que ocorre até o ponto F (723ºC + ). Já no ponto H (723ºC - ), após a linha de reação eutetóide (ponto G), a liga é constituída de ferrita e cementita. Portanto, a microestrutura de aços de composição hipereutetóide (C > 0,8%) é caracterizada pela presença de cementita (próeutetóide) e perlita.
4. ASPECTOS GERAIS DA ELABORAÇÃO DE AÇOS FUNDIDOS Uma grande diferença entre a prática de fusão utilizada nas fundições de aço e nas siderúrgicas é a temperatura de vazamento mais elevada nos aços fundidos, de modo a garantir fluidez suficiente ao metal líquido. Os produtores de lingotes para laminação não possuem grandes preocupações em relação à fluidez, pois o enchimento das lingoteiras é consideravelmente mais simples do que o dos moldes utilizados para obtenção de peças com geometrias complexas. Os fornos de fusão utilizados nas fundições de aço são semelhantes aos utilizados na obtenção de lingotes, exceto pelo menor tamanho e menor capacidade. Embora os equipamentos sejam os mesmos, o processo de fusão é geralmente diferente. Lingotes podem ser produzidos a partir de aços efervescentes, semi-acalmados, acalmados ou semi-desoxidados. Para a produção de peças fundidas são empregados apenas aços totalmente acalmados. O método de produção de aços acalmados para peças fundidas difere do ut ilizado para obtenção de componentes trabalhados, em função dos requisitos de fluidez. Entretanto, as etapas principais de produção de aços acalmados em uma fundição são as mesmas que as realizadas na obtenção de lingotes. Fundições que possuem acesso a sucata de qualidade, sem a necessidade de redução dos teores de enxofre e fósforo dos aços fundidos, geralmente preferem utilizar fornos com refratários de sílica (ácidos). Já fundições que não acesso a sucata com baixos teores de fósforo e enxofre, normalmente utilizam fornos com refratários de magnesita e dolomita (básicos). As composições químicas de certos aços, como os austeníticos com elevados teores de manganês, requerem a utilização de refratários básicos.
4.1 Fusão em fornos elétricos a arco O forno elétrico a arco consiste essencialmente de um recipiente de metal coberto por refratários. Esta configuração forma uma câmara de fusão, cujo interior possui formato de uma bacia. Uma vista em corte, mostrando os principais componentes de um forno a arco direto é apresentada na figura 4.1. Três eletrodos de grafite ou carbono conduzem a eletricidade para o interior do forno. O aço, seja no estado líquido ou sólido, é o condutor da corrente elétrica que flui
entre os eletrodos. O metal é fundido por arcos que partem dos eletrodos em direção à carga metálica. A fusão ocorre tanto por ação direta dos arcos de corrente, quanto por calor radiante vindo das paredes e do topo do forno. Os eletrodos são controlados automaticamente, de modo a manter estável um arco elétrico de comprimento adequado.
Figura 4.1. Vista em corte de um forno a arco elétrico direto. Na fusão a arco elétrico utilizando refratários ácidos, o interior do forno é recoberto com sílica ou um particulado de quartzo, muito fino e duro, conhecido como “ganister” . O forno é carregado com sucata selecionada, com baixo teor de fósforo e enxofre, já que no processo ácido não é possível eliminar estes elementos. Aproximadamente 40% da carga consistem de sucata de fundição (canais de enchimento e alimentação). A boa prática consiste em carregar primeiro as peças pequenas, de modo a formar uma massa compacta no forno, propiciando melhor condução de corrente elétrica. A porção mais pesada da carga é colocada sobre as peças menores que formaram a base. Por último carrega-se a parte mais leve da carga. A carga deve ser fundida o mais rápido possível. Pequenas quantidades de areia e carbonato de cálcio (CaCO 3 - “limestone” ) são ocasionalmente
adicionadas ao banho durante a etapa de fusão, de modo a formar uma camada fina e consistente de escória para proteger o banho. Uma vez terminada a fusão, o oxigênio é utilizado como agente oxidante, para introduzir um excesso de oxigênio no banho. O óxido de ferro reage com o silício e o manganês, produzindo óxidos e silicatos na escória. Após a oxidação da maior parte do silício e do manganês, o banho começa a ferver. A efervescência é sinal de eliminação de carbono. Isto resulta da interação entre o carbono dissolvido no banho e o oxigênio livre, dando origem a bolhas de monóxido de carbono (CO). Na etapa oxidante da prática de fusão a escória é rica em óxido de ferro. À medida que o carbono é eliminado do ferro líquido, o conteúdo de óxido de ferro da escória diminui. A escória final contém aproximadamente 55 a 60% de SiO 2, 12 a 16% de MnO, 4 a 6% de Al 2O3, 7 a 10% de CaO e 12 a 20% de FeO. O teor de carbono é reduzido para aproximadamente 0,20 a 0,25% durante a fase de efervescência intensa. A efervescência do banho é interrompida pela adição de carbono na forma de ferro-carbono, com baixos teores de enxofre e fósforo. Desoxidantes adicionais, como ferro-manganês e ferro-silício, são então adicionados ao banho. Em seguida o metal é transferido para a panela de vazamento, onde uma pequena quantidade de alumínio é adicionada como desoxidante final. Na fusão a arco elétrico utilizando refratários básicos, o interior do forno é recoberto com magnesita ou dolomita. A carga é freqüentemente composta por sucata de aço e retorno de fundição. Durante o período de fusão, também são utilizadas pequenas quantidades de CaCO 3 para proteção do banho. Logo após o término da fusão adiciona-se minério de ferro ao banho. A escória presente tornase altamente oxidante, de modo a retirar o excesso de fósforo do banho. Logo após a fusão completa de toda a carga de aço, a primeira escória deve ser retirada (no caso de uma dupla escorificação ser necessária), e uma nova escória, composta por carbonato de cálcio e areia é adicionada. Assim que a segunda escória é fundida, a corrente do forno é reduzida e é feita a pulverização de coque, carbono ou ferro-silício, ou uma combinação destes , por sobre a superfície do banho. Esta etapa de operação do forno é conhecida como período de refino ( “refining period” ), cujos objetivos são a redução dos óxidos de ferro e manganês presentes na escória e a formação de uma escória de carbeto de cálcio, que é essencial para a remoção do enxofre do metal líquido. A composição aproximada da escória de refino é fornecida pela tabela 4.1.
Ajustes no teor de carbono são realizados por meio da adição de lingotes de ferro com baixo teor de fósforo. Após o controle de temperatura do banho e adição de ferro-silício e ferro-manganês, o forno é fechado. O alumínio é adicionado na panela de vazamento para a desoxidação final do banho.
Tabela 4.1. Composição química da escória de refino. Elemento
Teores (% peso)
CaO
45-55
SiO2
15-20
FeO
0,5-1,5
CaF
5-15
4.2 Fusão em fornos de indução O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética. Faraday estudou este fenômeno e concluiu que num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético variável, surge uma força eletromagnética, que é tanto maior quanto maior for a variação do fluxo, como demonstrado pela equação 4.1:
e
t
(4.1)
Para que a variação do fluxo no tempo seja grande é preciso que o fluxo seja elevado e/ou que o tempo de variação ( Δt ) seja pequeno. Esta última condição corresponde a uma freqüência elevada. Sendo muito usado para fusão de materiais condutores, formam-se nestes materiais correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metálicas), que produzem grande elevação de temperatura. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o fenômeno de histerese, que contribui para o aumento de temperatura. O forno consiste basicamente num transformador, em que o primário é serpentina de cobre refrigerada a água, e o secundário é a carga metálica. Dentro da carcaça do forno é colocada a serpentina de cobre. Tijolos refratários são posicionados no fundo da carcaça, e o espaço entre eles e a serpentina de cobre
é preenchido com refratário granulado. A câmara de f usão geralmente consiste de um cadinho refratário ou um recipiente metálico em forma de concha e recoberto com refratário. O diagrama esquemático de um forno de indução típico é mostrado na figura 4.2.
Figura 4.2. Corte transversal de um forno de indução, mostrando a serpentina de indução de cobre refrigerada a água e outros componentes estruturais. O processo de fusão consiste em carregar o forno com sucata de aço e então aplicar uma corrente de alta freqüência pela espiral primária, que induz uma corrente secundária bastante intensa na carga metálica. Esta corrente secundária aquece o forno até temperatura desejada. Assim que uma piscina de metal líquido é formada, o mesmo começa a ser agitado com grande intensidade, o que aumenta a velocidade de fusão do resto da carga. A fusão em fornos de indução é rápida, havendo apenas uma leve perda dos elementos de mais fácil oxidação. Uma vez completada a fusão, a temperatura de superaquecimento é atingida e o metal pode ser desoxidado e vazado. Na maioria dos fornos de indução, não se costuma realizar a fusão sob a proteção de uma camada de escória, em função da grande agitação do banho, que torna difícil a manutenção de uma cobertura de escória sobre o metal.
Entretanto, esta cobertura não é necessária, pois a oxidação neste caso é pequena. O forno de indução é especialmente valioso em função de sua flexibilidade de operação, particularmente na produção de pequenos lotes de aços ligados. Este tipo de forno também é adequado para a fundição de aços baixo carbono, pelo fato de não haver incorporação de carbono ao banho a partir dos eletrodos, o que pode ocorrer em fornos de fusão a arco. A capacidade dos fornos de indução utilizados nas fundições de aço varia na faixa de 14 kg a 22 t, mas a maioria dos equipamentos possui capacidade entre 45 e 4500 kg.
4.3 Prática de desoxidação A prática de fusão adequada e, em menor grau da importância, o tratamento térmico adequado, pode limitar o conteúdo de gases nos aços fundidos a níveis aceitáveis, independente do tipo de equipamento utilizado. A falha no controle dos níveis de oxigênio, hidrogênio e nitrogênio, pode resultar na presença de porosidades na peça fundida, com conseqüentemente redução de ductilidade. O teor de gases é ajustado durante a etapa de introdução de oxigênio. Após o término da fusão da carga e ajuste de temperatura para a faixa de 1510 a 1540ºC, o oxigênio é introduzido no metal líquido. O oxigênio combina com o carbono dissolvido no aço, formando bolhas de monóxido de carbono. À medida que as bolhas se formam, o hidrogênio e nitrogênio dissolvidos são capturados pelas mesmas, de maneira similar à que o oxigênio encontra caminho de saída nas bolhas formadas na água fervente. Desta forma, as bolhas de gases contaminantes são extraídas do banho. O teor normal de hidrogênio em aços fundidos em meio ácido varia na faixa de 2 a 4 ppm (parte por milhão). O hidrogênio resultante da prática em meio básico é ligeiramente mais elevado. Tratamentos térmicos de austenitização e revenimento auxiliam na redução posterior dos teores de hidrogênio dissolvido, principalmente em peças com secções de espessuras médias. Entretanto, estes tratamentos não são suficientes no caso de fundidos de grandes espessuras. A alternativa mais adequada é a desoxidação do metal sob vácuo, particularmente
no vazamento de peças grandes que estarão submetidas a cargas cíclicas e, conseqüentemente, ao fenômeno de fadiga. Os níveis de nitrogênio mais baixos são obtidos pela fusão em fornos abertos, seja em meio ácido ou básico. O teor de nitrogênio de aços fundidos em fornos a arco elétrico varia na faixa entre 3 e 10 ppm. O objetivo primordial da etapa de desoxidação é prevenir o surgimento de “pinholes” (cavidades com paredes lisas e brilhantes), devido a formação de
monóxido de carbono durante a solidificação do fundido. Maiores detalhes sobre as características e causas de “pinholes” e “blowholes” em aços fundidos serão abordados adiante. O teor máximo de oxigênio recomendável para prevenção de porosidades é de 100 ppm. O silício e o manganês são desoxidantes de média eficiência; eles são adicionados ao banho para parar a efervescência do carbono e ajustar a composição química do fundido. As adições manganês e silício são limitadas, respectivamente, a teores máximos de 0,6 e 0,8% (em peso), em função de outros efeitos destes elementos de liga na composição dos aços. Estes teores são insuficientes para prevenir a formação de “pinholes” . O alumínio é o desoxidante suplementar mais comum, mais eficiente e mais utilizado na prevenção de porosidades. Pequenas adições, da ordem de 0,01% (em peso) são suficientes para evitar a formação de “pinholes” . O alumínio é normalmente adicionado no forno, na proporção de 0,10% (em peso), com uma recuperação de 30 a 50% e um teor final de 0,03 a 0,05%. Esta quantidade é complementada por uma posterior adição de desoxidante na panela de vazamento, que pode ser alumínio ou cálcio, bário, silício, manganês, terras raras, titânio ou zircônio. A presença de uma quantidade adicional de desoxidantes, em relação à requerida para a prevenção de porosidades, é necessária para o controle do formato das inclusões. Entretanto, teores excessivos destes elementos podem causar fragilização nos contornos de grão e impurezas na peça fundida (“dirty metal” – metal sujo). A adição de desoxidantes na panela de vazamento é normalmente feita na proporção de 1 a 3 kg por tonelada. Os elementos desoxidantes mais comuns, em ordem decrescente de eficiência, são: zircônio, alumínio, titânio, silício, carbono e manganês. As variáveis envolvidas no controle de formato das inclusões são abordadas no presente texto, no item “Inclusões em aços fundidos”.
4.4 Descarburação a argônio-oxigênio (Processo AOD) Algumas fundições de grande porte possuem unidades de descarburação a argônio-oxigênio (AOD), que possibilitam a utilização das vantagens do processo de fusão vácuo. Estas unidades assemelham-se muito aos antigos conversores Bessemer , com a presença de flanges nas laterais inferiores para a injeção de
argônio ou nitrogênio e oxigênio. A ilustração esquemática de uma unidade AOD é mostrada na figura 4.3.
Figura 4.3. Ilustração esquemática de uma unidade AOD. Os conversores AOD são unidades de processamento que devem ser carregadas com metal líquido, proveniente de fornos a arco ou de indução. Até 20% de carga sólida pode ser adicionada à unidade AOD. Entretanto, a carga sólida geralmente perfaz menos de 20% do total, sendo constituída de ferro-ligas. A injeção contínua de gases causa uma violenta agitação do banho, promovendo uma íntima mistura do metal líquido com a escória, o que permite a redução dos teores de enxofre a valores menores que 0,005% (5 ppm). Os conteúdos de gases aproximam-se dos valores obtidos na fusão a vácuo, podendo ser até menores. A diluição do oxigênio com gás inerte (argônio ou nitrogênio) favorece a completa reação entre carbono e oxigênio, em favor da oxidação do ferro e de
outros elementos oxidáveis, notavelmente o cromo nos aços inoxidáveis. Entretanto, maiores quantidades recuperadas de cromo, a partir de ferro-ligas de cromo com alto teor de carbono e menor custo, podem ser obtidas quando comparadas com aquelas encontradas nas práticas de fusão com fornos a arco elétrico. Unidades AOD são largamente empregadas na produção de aços fundidos de alta liga (> 8%), particularmente das classes que são propensas à apresentar defeitos gerados pela formação de gases. Peças com grande espessura de parede, fundidas em aços-carbono comuns e de baixa liga, estão sujeitos à fragilização por hidrogênio, sendo processados com sucesso nestas unidades.
4.5 Injeção de pós ou fios A injeção de pós ou fios de metais reativos (cálcio, magnésio ou terras raras) no aço líquido, com a finalidade de reduzir o teor de enxofre (dessulfuração), é um processo que surgiu como inovação no final da década de 80. Níveis muito baixos de enxofre (< 0,005%) podem ser obtidos por meio desta técnica. O processo de injeção de pós ou fios é mostrado esquematicamente na figura 4.4.
Figura 4.4. Diagramas esquemáticos mostrando os processos de injeção para dessulfuração do aço: (a) injeção de pós; e (b) injeção de fios. O princípio básico da dessulfuração por metais reativos é a combinação do enxofre presente no metal líquido com os mesmos. Pelo fato dos metais reativos possuírem alto caráter desoxidante, faz-se necessário a presença de um baixo
teor de oxigênio no aço líquido antes do início do processo de injeção. Do contrário, os metais reativos irão combinar com o oxigênio e não com o enxofre. O alumínio é utilizado para a obtenção dos níveis de oxigênio necessários à etapa de dessulfuração. É também necessária a presença de escória para a aglutinação do enxofre removido pelos metais reativos. Se a escória não estiver presente, o sulfeto metálico será novamente oxidado e retornará ao banho líquido. Nos itens seguintes serão discutidos aspectos relacionados ao vazamento, sistemas de canais e massalotes.
4.6 Prática de vazamento Os aços fundidos geralmente são vazados a partir de dois tipos principais de panelas: as de vazamento pela parte inferior ( “bottom- pour ladle” ) e as panelas do tipo “sifonadas”. As capacidades destas panelas geralmente variam entre 45
kg e 36 t. As panelas do tipo “bottom-pour ladle” possuem uma abertura na parte inferior , na qual existe um bocal refratário. Uma barra circular (“stopper”), suspensa dentro da panela, é a responsável pela liberação e interrupção do fluxo de metal líquido. Na posição mostrada no diagrama esquemático da figura 4.5, o fluxo de metal encontra-se interrompido. O acionamento do “stopper” é feito manualmente por um sistema do tipo trava deslizante ( “slide and rack” ). O vazamento pelo fundo é mais adequado para grandes fundidos, em função da dificuldade de controle do fluxo de metal em panelas de grandes dimensões. Além disso, as panelas de vazamento pelo fundo fornecem metal mais limpo ao molde, pois inclusões e escória flutuam devido à menor densidade, reduzindo a possibilidade de passagem de partículas não-metálicas para o interior do molde. Por outro lado, é praticamente impossível realizar o vazamento de pequenos moldes a partir deste tipo de panela. A frente de pressão criada pelo metal existente no interior da panela, faz com que o metal seja vazado muito rapidamente. Os moldes de areia não possuem resistência suficiente para resistir ao ataque de uma grande quantidade de metal líquido. Além disso, em função do pequeno tempo para enchimento de moldes pequenos, a panela teria que ser aberta e fechada muitas vezes, o que acarretaria vazamento e perda de metal líquido. Entretanto, bocais especiais já foram desenvolvidos com o objetivo de minimizar este fenômeno.
Figura 4.5. Diagrama esquemático de uma panela de vazar pelo fundo. Embora as panelas de vazar pelo fundo possam ser projetadas em menor escala, para o vazamento de peças menores, isto é praticamente desnecessário, em função da capacidade semelhante que a panela bico de chaleira possui em fornecer metal limpo ao molde.
Figura 4.6. Desenho esquemático de uma típica panela sifonada, utilizada para o vazamento de peças fundidas de pequenas e médias dimensões. As panelas sifonadas, ilustradas na figura 4.6, incorporam uma parede cerâmica, ou anteparo, que separa a bacia da bica de corrida. O anteparo se estende em aproximadamente 4/5 da altura da panela, chegando próximo ao fundo. À medida que a panela é virada, o metal líquido escoa do fundo da panela para o bico de vazamento. Pelo fato do metal provir das regiões do fundo da
panela, encontra-se livre de inclusões e pedaços de refratário que foram erodidos, embora ainda possa incorporar materiais estranhos na região da calha e no bico de vazamento. O projeto de panelas sifonadas de vários tamanhos é de fácil execução, sendo capaz de atender uma ampla gama de tamanhos de fundidos, que se encontram abaixo do tamanho mínimo atendido por panelas de vazar pelo fundo.
4.7 Sistema de canais Um sistema de canais adequado para o vazamento de aços e outros metais em moldes de areia é aquele que preenche o molde da forma mais rápida possível, sem desenvolver grande turbulência. É essencial que o molde seja cheio rapidamente, pois calor é irradiado para as paredes e para a parte superior do molde, enquanto o metal entra nas cavidades do molde. Esta grande quantidade de calor pode destruir o ligante usado na moldagem da areia, causando colapso do molde antes que o metal preencha o seu interior e passe a dar o suporte necessário para o mesmo. A turbulência, por sua vez, quebra o fluxo de metal, expondo uma maior área superficial de metal líquido, propiciando a formação de óxidos que sobem ao topo da cavidade do molde. Este fenômeno pode resultar na formação de uma superfície rugosa ou em inclusões no interior da peça fundida. Além disso, a turbulência pode causar erosão das paredes do molde. As partículas erodidas também flutuam para a parte superior da cavidade do molde. A boa prática de vazamento prevê que o vazador direcione o fluxo de metal para o copo de vazamento na parte superior do molde, controlando a taxa de vazamento de modo que o mesmo permaneça cheio durante todo o ciclo. A abertura no fundo do copo é posicionada diretamente sobre o canal de entrada (“sprue” ), ou canal de vazamento, que é ligado ao um fundo mais largo, reduzindo o diâmetro do fluxo descendente de metal. A forma cônica previne que o fluxo descole das paredes do canal e arraste ar para o sistema de canais. O fluxo de metal atinge o cadinho ( “well” ) no fundo do canal de entrada e a direção de fluxo muda de vertical para horizontal, com o metal fluindo pelos canais de alimentação (“runners” ) e distribuição (“ ingates” ) e, então, para o corpo da peça fundida. Um
sistema de canais que incorpora estes elementos, permitindo um bom fluxo de metal para o interior do molde, é mostrado na figura 4.7.
Figura 4.7. Sistema de canais que permite bom fluxo de metal para o interior do molde. O fluxo de metal adequado ao preenchimento do molde é obtido pela correta proporção entre a área de secção transversal do estrangulamento do canal de entrada ( “choke” ) e todos os canais de alimentação que derivam do canal de entrada, assim como dos canais de distribuição. Observa-se que no sistema mostrado na figura 4.7, os canais de alimentação e distribuição são curvos em todos os lugares onde o fluxo de metal muda de direção. Esta geometria reduz a turbulência no fluxo de metal e minimiza a erosão das paredes do molde. Notar também a presença de extensão no canal de alimentação, que permite a retenção do primeiro metal que entra no molde, provavelmente aquele contendo a maior quantidade de inclusões e óxidos.
5. INCLUSÕES EM AÇOS FUNDIDOS Inclusões podem ser definidas como fases não-metálicas, e às vezes intermetálicas, distribuídas em uma matriz metálica. Em ligas ferrosas, as inclusões são constituídas geralmente por óxidos, sulfetos e nitretos, além de seus respectivos compostos complexos. Em quase todas as situações, considerase a presença de inclusões como fator de degradação das propriedades de ligas fundidas. Por exemplo, as propriedades mecânicas de um componente podem ser severamente afetadas pela presença de inclusões, que agem como pontos de concentração de tensões e nucleadoras de trincas. Cabe ressaltar que não existe padrão para mensurar o efeito das inclusões sobre as propriedades de um componente fundido. Entretanto, algumas propriedades mecânicas são mais sensíveis à presença de inclusões do que outras. Alongamento e redução em área são geralmente afetados mais significativamente do que o limite de resistência à tração. Por esse motivo, a ductilidade é comumente utilizada como índice de controle de qualidade de fundidos. A presença de porosidade devida à gases ou contração por oclusão também afeta as propriedades mecânicas. Portanto, a perda de propriedades que é medida em um ensaio de tração é resultado de uma combinação de defeitos. As inclusões constituem uma única, mas importante fonte de degradação das propriedades mecânicas dos componentes fundidos.
5.1 Tipos de inclusões As inclusões podem ser classificadas, essencialmente, em dois tipos principais: i)
Exógenas: resultantes de causas externas;
ii)
Endógenas: aquelas inerentes ao processo de tratamento do metal líquido.
i)
Inclusões exógenas: escória, drosses, materiais do molde aprisionados e
refratários são exemplos de inclusões que podem ser classificadas como exógenas. Na maioria dos casos estas inclusões são macroscópicas e visíveis à olho nu na superfície do fundido. Quando o fundido é seccionado, elas podem
aparecer também abaixo da superfície externa, no caso de não terem tido tempo suficiente para flutuar ou decantar, de acordo com a diferença de densidade em relação ao metal líquido.
ii)
Inclusões endógenas: incluem sulfetos, nitretos e óxidos derivados da
reação entre o metal líquido e o local ambiente. Algumas inclusões são geralmente muito pequenas e requerem análise em microscópio para permitir sua identificação. Estes tipos de inclusões normalmente apresentam-se distribuídas uniformemente na microestrutura. Entretanto, existem casos de distribuição de inclusões em contornos de grão (vide figura 5.1), que são particularmente nocivas às propriedades mecânicas.
Figura 5.1. Inclusões endógenas do tipo II em aço carbono com 0,25%C. Notar a disposição preferencial nos contornos de grão. Existem casos em que inclusões endógenas, tais como óxidos, podem reagir com os materiais do molde para produzir uma variedade de outras inclusões exógenas, que não surgiriam na ausência dos óxidos endógenos. A fim de se evitar definir as inclusões estritamente como exógenas ou endógenas, um grande número de pesquisadores prefere catalogar todas as inclusões como macroinclusões ou microinclusões. Estas definições também são utilizadas para descrever o efeito das inclusões nas propriedades mecânicas.
5.2 Físico-química das inclusões Os diagramas de fase, as relações termoquímicas e as taxas de reação podem ser considerados ferramentas para o entendimento adequado dos mecanismos de formação das inclusões.
i)
Equilíbrio de fases: os diagramas de fase são mapas que mostram a
ocorrência das fases sob condições de equilíbrio. Vale mencionar que uma condição de equilíbrio só é obtida após longos períodos de tempo. Esta certamente não é a condição observada em fundição, na qual mesmo um resfriamento moderado pode inibir o equilíbrio entre fases. Por exemplo, no sistema Fe-O, mostrado na figura 5.2, a wustita (FeO) produzida em altas temperaturas deveria se transformar em ferrita (Fe- ) e magnetita (Fe3O4) a 560ºC. Entretanto, o ferro apresenta grandes quantidades de FeO retido à temperatura ambiente.
Figura 5.2. Diagrama de fases ferro-oxigênio.
Uma limitação adicional é que elementos puros raramente existem no processo de fundição, e mais do que duas espécies químicas estão geralmente presentes. No diagrama da figura 5.2, o oxigênio é um dos componentes, enquanto o ar (20% O) é provavelmente a fonte de oxidação do metal líquido durante a fusão. Além disso, um aço fundido irá conter carbono e outros elementos, tais como silício e alumínio, que terão maior afinidade pelo oxigênio que o ferro. Assim sendo, os diagramas de fases constituem uma ferramenta para o entendimento de muitos fenômenos, mas o equilíbrio previsto para a formação de inclusões pode nem sempre ser observado nos fundidos resfriados sob condições de não-equilíbrio.
ii)
Termoquímica: qualquer reação química ocorre se os produtos estiverem
em um estado de menor energia que os reagentes. A medida de energia é normalmente dada pela energia livre. Valores de energia livre podem ser obtidos diretamente de numerosas fontes, ou podem ser calculadas a partir de dados de entalpia, entropia e capacidade calorífica. Um equilíbrio é então estabelecido entre os produtos e os reagentes, de modo que uma pequena quantidade remanescente de reagentes indica uma reação mais ou menos completa. Como exemplo pode-se assumir que o ferro puro no estado líquido contém oxigênio dissolvido a 1600ºC. Se uma pequena quantidade de alumínio for adicionada ao banho, ocorrerá a seguinte reação: 2 Al + 3 O
Al2O3 (s)
(5.1)
Onde o (s) que indica que a alumina (Al 2O3) é sólida a 1600ºC. Vale lembrar que o ponto de fusão da alumina é de 2072ºC. Para que a reação (5.1) ocorra é necessário que a troca de energia livre padrão a 1600ºC seja negativa. Entretanto, a quantidade de cada componente na reação é também importante, e a atividade química de cada espécie deve ser conhecida. Se uma quantidade excessiva de alumínio for adicionada ao banho, uma parte deste irá reagir estequiometricamente com o oxigênio, enquanto o alumínio remanescente entrará em solução sólida ou reagirá com outros elementos. No exemplo anterior, a Al 2O3 produzida é insolúvel no ferro líquido e pode resultar em inclusões aprisionadas na peça fundida após a solidificação. É
possível, então, calcular a troca de energia livre envolvida na formação de vários tipos de inclusão. Sua estabilidade relativa é ditada pelo menor valor de energia livre. No exemplo mencionado acima não ocorre a formação de óxido de ferro (Fe2O3), porque a Al 2O3 possui um menor valor de energia livre de formação. De fato, o óxido de ferro pode ser reduzido pelo alumínio, formando alumina.
5.3 Controle de inclusões A discussão elaborada no item anterior sugere uma série de meios práticos para controle da ocorrência de inclusões em qualquer metal fundido. Qualquer método de controle pode ser catalogado como químico, mecânico ou uma combinação de ambos. As técnicas mais comuns são discutidas a seguir.
i)
Controle químico: embora o controle químico de uma liga seja óbvio, a
composição química nem sempre pode ser modificada para o controle das inclusões. A composição química de uma liga pode ser inerentemente reativa com o ambiente em que está sendo processada. Por exemplo, a presença de magnésio é requerida para a produção de ferros fundidos nodulares. Neste caso, a propensão para a formação de inclusões é maior que observada para a mesma composição química de um ferro fundido cinzento. De maneira similar, a existência de inclusões é aceitável, pois as alternativas que se apresentam podem ser piores. O alumínio adicionado aos aços pode resultar na formação de inclusões de Al 2O3, mas a falta de desoxidação resultante da não utilização do alumínio porosidades devidas a gases (“gas holes” ), que possuem maior impacto negativo sobre as propriedades mecânicas. Entretanto, isso não implica no fato de que, se uma pequena adição de elemento desoxidante é boa, então a adição de uma maior quantidade é ainda melhor. O fósforo adicionado a ligas de cobre atua como um eficaz desoxidante, mas em excesso este elemento pode ser extremamente agressivo, reagindo com os materiais dos moldes comumente utilizados na fusão destas ligas.
ii)
Interface metal/molde e controle de refratários: outra variável química
que pode levar ao aparecimento de inclusões é aquela relacionada aos materiais
dos moldes e refratários. O diagrama de fases SiO 2-Al2O3 é mostrado na figura 5.3. Pode-se observar que a temperatura solidus aumenta com a quantidade de Al2O3. Mesmo que um refratário seja utilizado bem abaixo da temperatura solidus, uma grande quantidade de Al 2O3 continua sendo mais desejável, pois neste caso tem-se a presença de Al 2O3 + mulita, ao invés de SiO 2 + mulita, que aparecem para teores de Al2O3 menores que 72%. Isto se deve ao fato da sílica (SiO 2) possuir menor estabilidade termoquímica que a alumina (Al 2O3), o que faz com que os metais líquidos ou óxidos reajam mais rapidamente com a sílica.
Figura 5.3. Diagrama de fases SiO2-Al2O3. Temperaturas mais elevadas e tempos de espera ( “holding times” ) mais longos aumentam a possibilidade de reação e produção de inclusões associadas ao desgaste e à erosão do refratário. Portanto, o superaquecimento do metal líquido, especialmente por longos períodos de tempo, deve ser evitado. O lascamento da superfície do refratário também pode ocasionar erosão e surgimento de inclusões exógenas. Pequenas lascas de ferrugem podem ser consideradas como óxido de ferro hidratado, que quando aquecidas e desidratadas, podem formar óxidos complexos com os refratários.
Estas observações podem ser aplicadas também às reações entre os materiais do molde e o metal líquido. Este fenômeno não deve ser confundido com a penetração de metal, na qual o metal líquido simplesmente preenche os vazios existentes entre os grãos do material do molde. Entretanto, a solução para os diferentes problemas pode ser a mesma, ou seja, a pintura do molde. Neste caso, a pintura preenche os vazios entre os grãos de areia, isolando o material do molde do contato com o metal líquido e com óxidos agressivos. Vale mencionar também que tempos de solidificação muito longos aumentam a possibilidade de reação metal/molde e, conseqüentemente, de formação de inclusões.
iii)
Técnicas de separação: para a separação das inclusões pode-se optar
entre a remoção antes do vazamento do metal líquido no molde, ou o uso de um sistema de remoção como parte componente do molde. Os métodos de separação utilizando o sistema de canais serão discutidos no próximo item. Em ambos os casos, o controle das inclusões é basicamente mecânico. Métodos externos podem incluir a simples utilização de uma escumadeira para a remoção de escória ou drosses antes do vazamento do metal. Uma chaleira na forma de concha pode ser utilizada eficazmente para a decantação de metal limpo abaixo da camada flutuante de escória e drosses. Telas ou peneiras têm sido usadas nos canais de ataque para filtrar as inclusões. Em geral, filtros metálicos apresentam tendência à incorporação de elementos de liga no metal vazado e são difíceis de separar no retorno da carga. Atualmente existe uma ampla gama de filtros de espuma cerâmica, com tamanhos de poro consistentes e integridade estrutural.
iv)
Métodos de separação no sistema de canais: diversos métodos de
separação no sistema de canais têm sido desenvolvidos para solucionar problema de inclusões em fundidos. Se inclusões exógenas escaparem da concha durante a etapa de limpeza superficial do banho, o sistema de canais deve ser capaz de remover tais inclusões na bacia de vazamento ou no interior dos canais de alimentação e ataque. Muito freqüentemente, uma bacia de vazamento é projetada para não encher facilmente ou permanecer cheia, e inclusões que podem flutuar são forçadas para o interior das cavidades do molde. Mudanças de direção nos canais
podem ser utilizadas para coletar as inclusões e garantir a entrada de metal limpo na cavidade do molde propriamente dito. Além disso, os canais de alimentação podem possuir extensões sem saída ( “dead -end” ), para coletar o primeiro metal a entrar no molde, que apresenta a maior probabilidade de conter escória ou drosses. Sistemas de canais pressurizados são comumente indicados para prevenir a entrada de ar que pode causar a formação de inclusões durante a operação de vazamento. Está é uma técnica importante no caso de metais ou ligas que apresentam grande tendência à formação de inclusões por um fenômeno chamado de oxidação secundária.
v)
Controle do formato das inclusões: como descrito anteriormente, as
propriedades mecânicas de um fundido são afetadas pela presença de inclusões, com uma degradação mais pronunciada em aplicações sensíveis à taxa de deformação. Por exemplo, uma inclusão localizada na superfície de um componente fundido submetido a cargas cíclicas pode se tornar em uma fonte de nucleação de uma trinca de fadiga. A aproximação mais conservativa em projeto é determinar o tamanho da menor inclusão que pode estar presente na superfície, sem que haja necessidade de rejeição da peça fundida. Sem considerar variações no tamanho ou na continuidade das inclusões, o formato esférico (menor concentração de microtensões) é menos nocivo que os formatos angulares. Inclusões localizadas abaixo da superfície exibem o mesmo tipo de comportamento em relação à forma das inclusões, mas são mais importantes na fase de propagação das trincas do que na etapa de nucleação. Como demonstrado na figura 5.4, o tratamento de aços com cálcio promove maior vida em fadiga (cargas cíclicas) devido à modificação do formato das inclusões. Embora os dados da figura 5.4 refiram-se a um aço de construção mecânica laminado, resultados similares podem ser esperados para um aço fundido, onde se encontra também uma forte anisotropia devido à solidificação direcional. A vantagem das inclusões com formato esférico é bastante destacada quando se analisa dados provenientes de ensaios de impacto (Charpy, V-notch) realizados em aços de construção mecânica (vide figura 5.5). Fractografias
obtidas pela técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostram uma pronunciada diferença no modo de deformação com a modificação do formato das inclusões (figura 5.6). Observa-se que a ductilidade local aumenta nas adjacências das inclusões com formato esférico.
Figura 5.4. Dados de vida em fadiga axial para um aço da classe ASTM A516 nas condições sem tratamento e tratado com cálcio.
Figura 5.5. Dados de ensaios de impacto (Charpy, V-notch) para várias classes de aços com e sem tratamento com cálcio.
Os resultados apresentados sugerem que, se as inclusões ocorrem e não podem ser completamente removidas, o formato esférico é o que menos degrada as propriedades mecânicas de um componente fundido. No entanto, o controle de formato das inclusões é uma técnica aplicada apenas aos componentes de maior responsabilidade, onde os custos adicionais são justificados. O princípio básico desta técnica é a modificação da tensão superficial entre a inclusão e o metal líquido, pela adição de elementos de liga na composição química.
Figura 5.6. Fractografias mostrando o efeito do tratamento com cálcio na morfologia da fratura de um aço da classe ASTM A633C: ( a) aço não tratado, com inclusões de sulfeto de manganês do tipo II, mostrando evidências de fratura frágil; (b) aço tratado com cálcio, com inclusões esféricas e fratura dúctil.
5.4 Principais tipos de inclusões nos aços fundidos Nos itens anteriores foram abordadas algumas aplicações para minimização da presença de inclusões ou mudança no formato das mesmas. Por exemplo, podem-se adicionar agentes modificadores da viscosidade de escórias e drosses, a fim de facilitar a remoção destas antes do vazamento. A seguir serão abordados os principais tipos de inclusões que podem ocorrer nos aços, assim como exemplos de tratamento que podem ser utilizados para a remoção dos mesmos.
i)
Óxidos: a quantidade de carbono no ferro controla a quantidade de
oxigênio dissolvido, como mostrado na figura 5.7. A curva mostrada foi calculada a partir de dados termoquímicos para diferentes relações de CO/CO 2. Pontos experimentais geralmente situam-se acima da curva teórica, mas a relação entre carbono e oxigênio permanece a mesma. Baixos teores de carbono em solução resultam em teores mais elevados de oxigênio dissolvido.
Figura 5.7. Equilíbrio entre carbono e oxigênio a 1600ºC. A solubilidade sólida do oxigênio no ferro é baixa e durante a solidificação este é rejeitado para o líquido remanescente, onde pode reagir com o carbono e formar o gás monóxido de carbono (CO), resultando em porosidades. Embora este fenômeno seja aceitável em lingotes de aço, onde a porosidade é eliminada pelo processamento subseqüente, o oxigênio dissolvido nos aços fundidos é reduzido pela adição de alumínio ou silício. Os óxidos resultantes são insolúveis e podem formam inclusões. Em função da alumina (Al 2O3) apresentar menor energia livre de formação que a sílica (SiO 2), o alumínio é um desoxidante mais eficaz que o silício. Isto é ilustrado pelo gráfico da figura 5.8, que mostra curvas de equilíbrio entre FeO e alumínio e silício dissolvidos no metal líquido. O teor de FeO é um indicativo da quantidade de oxigênio dissolvido no aço, onde este oxigênio pode também ser reduzido pelo carbono, como demonstrado pela figura 5.7. Quando o teor de carbono atinge um determinado valor, o oxigênio pode então ser reduzido pelo alumínio ou silício, permanecendo em baixos teores, pois as energias livres para
a formação de SiO 2 e Al2O3 são menores que aquelas para a formação de CO e CO2, para uma determinada temperatura de reação. Uma vez formados os óxidos, a taxa de remoção de inclusões depende, entre outros fatores, da nucleação de partículas, seu crescimento, aglomeração final e subida até a superfície. Embora exista uma grande diferença de densidade entre as partículas sólidas e o metal líquido, a simples aplicação da Lei de Stokes é difícil. O problema é dinâmico e influenciado pela presença de outras espécies de inclusões endógenas e exógenas. Além disso, a gravidade atua de maneira diferente em diferentes inclusões enquanto mantém-se o metal tratado em espera. O vazamento ao ar consiste em uma oportunidade para o metal se reoxidar, além disso, deve-se considerar o efeito das correntes de convecção térmica durante a solidificação. Portanto, não deve ser surpresa a presença de inclusões que ficaram aprisionadas na peça fundida.
Figura 5.8. Equilíbrio entre FeO e alumínio e silício dissolvidos. ii)
Sulfetos: o enxofre é um elemento comumente presente nos aços e seu
teor é controlado pela natureza do processo de refino de escória no forno. Em geral, à medida que o processo se torna mais redutor (isto é, o teor de oxigênio se torne mais baixo) e a escória mais básica, menores serão os teores de enxofre presentes. Já que o teor de enxofre não pode ser reduzido a zero, é pratica comum a adição de manganês, de modo a produzir sulfetos de manganês (MnS), que são inclusões mais desejáveis que os sulfetos de ferro (FeS), que possuem
ponto de fusão mais baixo. As inclusões resultantes, apesar de normalmente identificadas como sulfetos de manganês, podem apresentar diferentes formatos e distribuições, dependendo da presença de outros elementos químicos e do processo de desoxidação utilizado.
Figura 5.9. Representação esquemática dos diversos tipos de inclusões encontradas nos aços: (a) Tipo I – silicatos globulares e óxidos (sem desoxidação por alumínio); (b) sulfetos eutéticos contínuos e Al 2O3 nos contornos de grão (pequenas adições de alumínio); (c) sulfetos irregulares e Al 2O3 (grandes adições de alumínio).
iii)
Inclusões complexas: os vários elementos presentes na composição
química dos aços competem termodinamicamente para formar compostos com o
oxigênio e o enxofre. Além disso, teores de elementos de liga acima dos necessários para formar compostos modificam a tensão superficial das inclusões resultantes. O formato e distribuição das inclusões também variarão, dependendo das condições anteriormente citadas. Historicamente as inclusões têm sido classificadas em três tipos gerais, ilustrados na figura 5.9. As inclusões do tipo II (figura 5.9b) têm se mostrado particularmente nocivas às propriedades mecânicas. O argumento principal tem sido o de que o enxofre, o oxigênio e os desoxidantes possuem efeitos combinados na definição do tipo de inclusões formadas.
Figura 5.10. Efeito combinado do alumínio e do enxofre na ductilidade e resistência ao impacto de aços carbono nas condições bruto de fundição e normalizado.
Estes efeitos podem ser observados na figura 5.10, que ressalta também a redução de propriedades sensíveis à estrutura, tais como a ductilidade e resistência ao impacto. Os pontos de mínimo mostrados nas curvas são geralmente atribuídos à formação de inclusões do tipo II. O controle de formato das inclusões torna-se um fator importante quando propriedades como tenacidade, resistência ao impacto e resistência à fadiga precisam ser maximizadas. Adições de cálcio e magnésio podem ser utilizadas com sucesso para controlar o formato das inclusões, isto é, produzir inclusões mais próximas ao formato esférico. É digno de menção que tanto o magnésio quanto o cálcio formam sulfetos e óxidos estáveis, o que é comprovado por suas energias livres de formação.
iv)
Nitretos: assim como existentes elementos que preferencialmente formam
óxidos ou sulfetos, existem diferenças de energia livre para a formação dos nitretos. Estes elementos controlam a quantidade de nitrogênio que pode ser dissolvido tanto na fase líquida como na fase sólida. Por exemplo, vanádio e manganês aumentam a solubilidade do nitrogênio, enquanto carbono e fósforo tendem a diminuir a solubilidade deste elemento. O efeito do alumínio na solubilidade do nitrogênio tem sido extensivamente estudado, e um critério envolvendo a precipitação de nitretos de alumínio foi desenvolvido. A precipitação deste composto em função dos teores de alumínio e nitrogênio é mostrada no gráfico da figura 5.11.
Figura 5.11. Precipitação isotérmica de nitretos de alumínio. Composições à direita ou acima de qualquer das isotermas resulta em precipitação.
v)
Inclusões exógenas: numerosos exemplos de inclusões exógenas
ocorrem nos aços fundidos, em função da reação do metal líquido com o ambiente em que é processado. Alguns destes exemplos são considerados a seguir. Em um aço acalmado ao alumínio, teores residuais deste elemento permanecem em solução. Se o metal líquido entra em contato com um refratário que contém SiO 2 livre, o alumínio presente pode reduzir o mesmo, em função da menor energia livre para formação de Al 2O3. O refratário erodido ou parcialmente dissolvido se transforma em uma fonte de inclusões, assim como o Al 2O3 formado. Os controles rigorosos da composição química do refratário e da prática de vazamento auxiliam a minimizar esse problema. Reações similares podem ocorrer na interface metal/molde, onde o primeiro equilíbrio de importância se dá entre ferro-oxigênio-silício. Quando as condições são oxidantes, o FeO encontra-se presente, e a forma correspondente para o silício é SiO 2. O diagrama de fases FeO-SiO 2 é mostrado na figura 5.12. A observação mais importante a respeito deste diagrama é a formação de fases com baixo ponto de fusão à medida que o teor de FeO aumenta.
Figura 5.12. Diagrama FeO-SiO2.
6. FLUIDEZ DOS AÇOS Neste capítulo são discutidos o conceito de fluidez e os efeitos da composição química, da temperatura de vazamento e do processo de desoxidação dos aços.
6.1 Conceito de fluidez e sua importância A fluidez é um termo utilizado a longo tempo, apesar de não haver ainda uma definição aceita dessa característica. Sob o ponto de vista de fundição a fluidez é a capacidade que um metal possui de fluir livremente num molde e fornecer uma perfeita reprodução do modelo. Do ponto de vista físico a fluidez, que é o inverso da viscosidade, é uma propriedade fundamental de um líquido. A capacidade de um metal preencher os detalhes de um molde depende de uma série de fatores, sendo a fluidez apenas um deles. Por essa razão, diferentes autores têm utilizados diferentes termos para definir essa capacidade dos metais líquidos, dentre outros: “running quality” (qualidade de corrimento), “running capacity” (capacidade de corrimento), “runnability” (escoabilidade) e “castability” (fundibilidade).
Do ponto de vista do fundidor, a fluidez de um metal ou liga é de suma importância. A prática mostra que uma das formas de aumentar a fluidez, visando conseguir melhor preenchimento de detalhes, é a elevação da temperatura de vazamento. Porém, este acréscimo de temperatura é bastante indesejável, pois acarreta problemas como: maior tendência à absorção de gases pelo metal líquido, maior tendência à reação entre o metal, o refratário do forno e o material do molde, maior consumo de energia, pior qualidade superficial da peça fundida, maior tendência ao desenvolvimento de trincas de solidificação e estrutura grosseira da peça fundida.
6.2 Determinação da fluidez Quando um metal líquido é vazado, ele flui através da cavidade do molde, como resultado de sua pressão hidrostática. Inúmeros fatores opõem-se a esse fluxo, entre eles a natureza do molde, as características do metal, a temperatura e
a técnica de vazamento. Portevin e Sebastian propuseram a seguinte formulação matemática (equação 6.1) para exprimir a fluidez do metal em termos de distância percorrida em uma cavidade de secção constante:
I
C p T v T s
T s
T m
C s T s
T m
(6.1)
onde: I = distância percorrida pelo metal; e = fatores dependentes da natureza do molde e
metal;
Cp = calor específico do metal líquido; = densidade do metal líquido;
Tv = temperatura de vazamento; Ts = temperatura de solidificação do metal; Tm = temperatura do molde; Cs = calor latente de solidificação do metal. A correlação entre os resultados obtidos e a formulação matemática mostra grande dispersão. Na realidade, as variáveis de importância têm efeito marcante sobre a distância percorrida por um metal em um canal, podendo-se agrupá-las em três categorias principais:
i) variáveis inerentes ao metal: composição temperatura de vazamento e presença de filmes e partículas de óxidos;
ii) variáveis do molde: formato e área da secção transversal do canal, material de moldagem, rugosidade superficial e disposição do sistema de alimentação;
iii) elemento humano: influi na maneira como o metal é vazado no molde, durante ensaios e durante a prática. Diversos ensaios já foram propostos para avaliar a fluidez de metais líquidos. Seu desenvolvimento tem sido no sentido de eliminar as variáveis ocasionais, a fim de se obter resultados reprodutíveis. A maior parte dos métodos empregados encontra-se dentro de uma das seguintes categorias: em espiral, em molde com canal reto, em molde com canal em U, vazamento através de válvula
calibrada e viscosímetro de amortecimento. A viscosidade do aço líquido, por exemplo, pode ser determinada em um viscosímetro, onde os resultados são baseados no decréscimo de amortecimento de vibração torcional de um cadinho contendo metal líquido. Uma vez padronizado o tipo de ensaio e eliminadas as causas de dispersões, podem ser corretamente determinados os principais fatores que influem sobre a fluidez de metais e ligas. Evans classificou, em ordem de importância, os seguintes fatores relacionados com as propriedades físicas de um metal: tensão superficial, temperatura de solidificação, viscosidade, calor específico, intervalo de solidificação, morfologia de cristalização, condutibilidade térmica e presença de óxidos. Estes fatores podem ser englobados em três grupos: constituição das ligas, temperatura de vazamento e processo de desoxidação; abordados individualmente a seguir.
6.3 Efeito da composição química dos aços sobre a fluidez A distância percorrida pelo metal líquido numa cavidade é afetada pela maneira como a liga se solidifica. Ligas com grande intervalo de solidificação formam dendritas ramificadas que bloqueiam o fluxo de líquido, por formar uma rede no interior da cavidade. Nas ligas de menor intervalo de solidificação é formado, junto às paredes do molde, um filme sólido que não perturba de forma tão pronunciada a fluidez. Nos aços, o fundidor tem poucas possibilidades de modificar a composição química, pois a mesma é fixada sob a forma de características mecânicas a serem obtidas. Todavia, segundo Mal , o carbono tem pouca influência sobre a fluidez, diminuindo dos aços extra-doces (0,08%C) até o até aços de médio carbono (0,3%C) e voltando a se elevar para aços de alto teor de carbono (>0,6%C), conforme ilustrado pelo gráfico da figura 6.1. Em aços de baixa liga, os elementos como o manganês, silício, níquel e cobre, têm influência benéfica sobre a fluidez; sendo que esta influência é maior para menores temperaturas de vazamento. O cromo praticamente não influi na fluidez, enquanto o vanádio causa ligeira diminuição da mesma. Mais importante é o efeito do alumínio, não como elemento de liga, mas por sua capacidade de formar filmes de óxidos e inclusões suspensas.
Figura 6.1. Influência do teor de carbono sobre a fluidez de aços contendo 0,73% de manganês e 0,36% de silício. Kasatkin e co-autores estabeleceram valores quantitativos para o efeito da
variação de alguns elementos em aços de baixa liga. Considerando um aço com 0,25%C, 3,3 a 4,3%Ni, 0,4 a 1,0%Mo, 0 a 1,3%Cu, 0,1 a 0,2%V e 0 a 1,2% Cr; a variação destes elementos. Os autores deste trabalho observaram que a variação dentro desses limites resulta nas seguintes modificações na fluidez do aço, expressa em termos de comprimento de espiral: o níquel produz uma variação positiva de 14%, enquanto que molibdênio, cromo e cobre produzem variações negativas de 8, 16 e 6%, respectivamente. Apesar da discrepância entre o trabalho e Kasatkin e outros autores, a variação de fluidez resultante da modificação de composição química dos aços pode ser considerada pequena em comparação com aquela resultante da modificação na temperatura de vazamento e presença de óxidos em suspensão.
6.4 Fluidez e temperatura de vazamento A temperatura possui influência marcante sobre a fluidez dos metais líquidos e a equação (6.1), apresentada no item 6.2, indica que seu efeito é direto. No caso dos ferros fundidos, o efeito favorável da temperatura pode ser observado tanto de forma direta como indireta pela ação autodesoxidante da
temperatura elevada. À medida que a temperatura aumenta, o carbono passa a ter efeito primordial como desoxidante, eliminando partículas de óxido em suspensão e aumentando continuamente a fluidez dos ferros fundidos. No caso dos aços, ao contrário, o aumento da temperatura não se reflete diretamente em aumento proporcional de fluidez. As reações físico-químicas existentes alteram a formação de óxidos e podem modificar fundamentalmente a fluidez dos aços.
6.5 Fluidez de aços e desoxidação Há cerca de 60 anos atrás, grande parte das peças de aço moldadas eram provenientes de metal produzido em fornos com revestimento ácido (à base de sílica), onde o aço era desoxidado principalmente pelo silício, sendo dada pouca atenção à fluidez. Quando o alumínio passou a ser utilizado mais intensamente, foi verificado que os aços assim desoxidados apresentavam baixa fluidez. No instante em que o aço líquido recebe a adição de um desoxidante, são formadas partículas de óxidos suspensas no metal líquido, correspondentes à natureza do desoxidante utilizado. A composição e propriedades destas partículas guardam estreita relação com a seqüência de desoxidação utilizada. Essas partículas, denominadas de inclusões endógenas, não separadas facilmente do metal líquido, podendo alterar as características físicas do aço líquido. O método clássico do ensaio de fluidez consiste no vazamento do aço líquido num molde com canal estreito. Os resultados experimentais obtidos pela desoxidação do aço com magnésio, alumínio e silício foram descritos por Ershov e Bychev . Em cada um desses casos o produto da desoxidação é constituído, respectivamente, de inclusões de magnésia (MgO), de alumina (Al 2O3) e de sílica (SiO2). Os resultados experimentais mostram redução de fluidez medida pelo decréscimo da distância percorrida pelo metal, de até 9%. O efeito mais intenso é o de inclusões de MgO, seguido pelo de inclusões de Al 2O3, tendo as inclusões de SiO2 menor influência. Na figura 6.2 são apresentados os resultados obtidos, podendo ser observado que o decréscimo de fluidez é maior para maiores quantidades de inclusões. A diminuição da fluidez está associada à presença de partículas sólidas constituídas pelas inclusões de óxidos. O efeito mais marcante verificado com as inclusões de MgO e Al 2O3 está relacionado com sua maior tendência à orientação. A sílica, apesar de estar no estado sólido a 1600ºC, não
possui estrutura cristalina definida, consistindo basicamente de um líquido superresfriado, o qual tem menor efeito sobre a fluidez.
Figura 6.2. Efeito da quantidade e tipo de inclusão sobre o decréscimo de fluidez no ferro a 1600ºC. A fluidez está relacionada com a distância percorrida pelo metal em um tubo de quartzo. Pesquisas realizadas por Lilleqvist mostram que aços contendo teores de manganês mais elevados possuem maior fluidez do que aços com baixos teores deste elemento, conforme pode ser verificado na figura 6.3. Na realidade, quando a relação Mn/Si é alta, as inclusões formadas são constituídas de silicato de manganês líquido, enquanto que para baixas relações Mn/Si as inclusões formadas são constituídas de sílica sólida. Seguindo o raciocínio lógico, aços contendo inclusões líquidas têm melhor fluidez do que aços contendo inclusões sólidas. Ershov e Gavilin pesquisaram a variação da viscosidade do aço líquido por
meio de um dispositivo que mede o amortecimento de vibrações torcionais. De acordo com esses autores, o erro na medida da viscosidade não excede 5%. Por meio desse ensaio foi determinada a variação da viscosidade de um aço limpo resultante da introdução de partículas sólidas de magnésia, zircônia, alumina e sílica. Os resultados experimentais são mostrados nas figuras 6.4 e 6.5.
Figura 6.3. Efeito do teor de manganês sobre a fluidez do aço baixo carbono contendo 0,30%Si.
Figura 6.4. Efeito do tipo de inclusão sobre a viscosidade de aços para rolamentos. A quantidade de inclusões é considerada constante, de 0,01%. O acréscimo de temperatura naturalmente resulta num decréscimo de viscosidade. Na figura 6.4 pode-se observar que é necessário um superaquecimento de no mínimo 80ºC para neutralizar o efeito das inclusões de SiO2, que, segundo o ensaio utilizado, têm menor efeito sobre a viscosidade. No caso de partículas de MgO, que possuem efeito mais marcante sobre a fluidez, há necessidade de superaquecer o aço em aproximadamente 200ºC para neutralizar o efeito das inclusões. A diferença de comportamento entre as inclusões está
relacionada com sua forma, quantidade, tamanho e estrutura cristalina, as quais podem influenciar as forças de atrito interno em líquidos heterogêneos.
Figura 6.5. Efeito da quantidade de inclusões sobre a viscosidade de aços para rolamentos a 1600ºC. Farrel e Hilty , com auxílio de um arranjo simulando transferência de metal
líquido no processo de lingotamento contínuo, estudaram o efeito de diferentes desoxidantes sobre a fluidez dos aços, relacionada com a taxa de vazão de metal através de um orifício calibrado. Foi pesquisado o efeito da desoxidação por alumínio, silício, silício mais manganês, cério, titânio e zircônio, e os resultados experimentais são mostrados na figura 6.6. A diminuição da fluidez está associada com o depósito das partículas de óxido formadas no orifício, resultando em um estreitamento da passagem. Somente as partículas de óxido refratário podem acumular no orifício, bloqueando a passagem do líquido. A desoxidação por silício e manganês, na proporção preconizada pelos autores, resulta na formação de silicato de manganês, líquidas na temperatura de fusão do aço, não sendo observado decréscimo de fluidez para o aço assim desoxidado. No caso dos demais desoxidantes utilizados, as partículas de óxido formadas se
encontram no estado sólido na temperatura de fusão do aço, ocorrendo uma diminuição da fluidez.
Figura 6.6. Efeito da desoxidação sobre a quantidade de aço vazado através de uma válvula calibrada. Composição: 0,4%C, 0,28% Si e 0,81%Mn. Embora os efeitos relativos das inclusões sejam diferentes para os diversos estudos realizados, os resultados experimentais mostram que as partículas sólidas exercem influência deletéria sobre a fluidez dos aços.
6.6 Desoxidação visando máxima fluidez Independentemente da técnica de ensaio, os resultados experimentais e a prática industrial mostram que inclusões sólidas de óxidos prejudicam fortemente a fluidez de metais. Para minimizar esse efeito há necessidade de aumentar substancialmente a temperatura de vazamento, o que traz inúmeras desvantagens. As inclusões sólidas na temperatura de fusão do aço surgem quando são utilizados como desoxidantes o alumínio, silício, zircônio, titânio, magnésio e metais de terras raras (“mish-metal” ). Para não haver decréscimo de fluidez, o
produto da desoxidação deverá ser líquido. Isso pode ser obtido por meio da desoxidação feita pela combinação de manganês e silício, de acordo com as proporções mostradas na figura 6.7. No entanto, considerando o teor de manganês presente na maior parte dos aços, a quantidade de silício a ser adicionada não seria suficiente para uma desoxidação satisfatória. Como conseqüência, o aço tem a tendência a desenvolver porosidades durante a solidificação, o que é inadmissível em peças fundidas. Há, portanto, a necessidade de emprego de um elemento com maior poder de desoxidação, neste caso o alumínio. A desoxidação por alumínio leva à formação de inclusões refratárias que prejudicam a fluidez. Este problema pode ser minimizado pela eliminação das inclusões de alumina e/ou modificação da morfologia das mesmas.
Figura 6.7. Diagrama de equilíbrio Si-Mn-O no ferro líquido a 1600ºC, com curvas de isoatividade de oxigênio. A separação das inclusões no aço é feita por decantação, e a velocidade de ascensão é dada pela Lei de Stokes: 2
V
2 gr
l 9
s
(6.2)
onde: V = velocidade de ascensão das inclusões; g = aceleração da gravidade; r = raio da inclusão; l = densidade do aço líquido; s = densidade da inclusão; = viscosidade do aço líquido.
A equação (6.2) ressalta que o fator mais importante para o cálculo da velocidade de ascensão de uma partícula é o raio da inclusão. As dimensões de alumina possuem dimensão reduzida, o que faz com que sua velocidade de decantação seja muito pequena. Como conseqüência, há necessidade de prolongado tempo de repouso do metal líquido após a adição de alumínio, o que é impraticável. Uma das formas de acelerar a remoção de partículas é a insuflação de argônio no interior do aço líquido, cuja influência sobre a fluidez do aço é mostrada na figura 6.8. A técnica de borbulhamento consiste na insuflação de argônio com reduzida vazão, por meio de plugue poroso.
Figura 6.8. Efeito do borbulhamento por argônio sobre a fluidez de aço contendo 12,5%Cr, 0,5%Mn e 0,5%Si.
Outra solução é a modificação da morfologia das inclusões de alumina. Resultados experimentais mostram que a adição de cálcio em aços previamente desoxidados por alumínio, transforma as inclusões de alumina em aluminato de cálcio. No diagrama da figura 6.9 pode-se observar que é necessário um teor mínimo de cálcio para que as inclusões resultantes da combinação da desoxidação por cálcio e alumínio sejam líquidas a 1600ºC. Os resultados experimentais mostrados na figura 6.10 confirmam essa hipótese.
Figura 6.9. Diagrama de fase CaO-Al 2O3.
Figura 6.10. Modificação de inclusões de alumina pela adição de cálcio.
A adição de quantidade conveniente de cálcio na forma de Ca-Si restabelece a fluidez do aço pela transformação de inclusões de alumina em aluminato de cálcio, que são maiores e tendem a flotar com maior velocidade. Além disso, estas inclusões são líquidas na temperatura de fusão do aço, não perturbando a fluidez. Estas observações podem ser comprovadas pelos resultados experimentais apresentados no gráfico da figura 6.11. Novamente, o restabelecimento da fluidez do aço está relacionado com uma mínima quantidade de cálcio, que é função da quantidade de alumínio existente.
Figura 6.11. Efeito do teor de cálcio sobre a fluidez de um aço contendo 0,05%Al. A quantidade de cálcio a ser adicionada no aço desoxidado pelo alumínio depende da forma de adição de cálcio e da técnica utilizada. Uma das formas de adição mais utilizadas é como liga Ca-Si ou Ca-Si-Mn. Nas ligas à base de silício o cálcio tem baixa tensão de vapor, o que melhora seu rendimento. O Ca-Si ou Ca-Si-Mn deve ser adicionado progressivamente durante o vazamento em panela. A prática demonstra que no caso dos aços comuns é suficiente a adição de Ca-Si na faixa entre 0,15 a 0,40% (em peso), para a obtenção de máxima fluidez. A quantidade correta depende do estado de oxidação do aço e do teor residual de alumínio.
1.7 Desoxidação visando máxima fluidez em aços de alto cromo Os aços inoxidáveis e refratários, em função do alto teor de cromo, têm a tendência a apresentar baixa fluidez. De fato, o elevado teor de cromo leva à formação de inclusões de cromita, com temperatura de fusão em torno de 2265ºC. Na desoxidação de aços inoxidáveis, a utilização de grandes quantidades de alumínio pode resultar na formação de inclusões complexas, de difícil eliminação ou modificação. A técnica correta consiste na utilização de pequenas quantidades de alumínio e complementação com cálcio. Em princípio, a utilização apenas do cálcio como desoxidante deveria ser satisfatória. No entanto, o cálcio apresenta baixa solubilidade na grande maioria dos aços inoxidáveis, com exceção dos austeníticos, com elevado teor de níquel. O níquel aumenta a solubilidade do cálcio no aço líquido; sendo possível desoxidar aços inoxidáveis austeníticos por meio da adição de apenas Ca-Si ou Ca-Si-Mn. Resultados experimentais mostram que a adição de Ca-Si em aços inoxidáveis austeníticos elaborados em fornos de indução é acompanhada de sensível acréscimo de fluidez, como demonstrado pelo gráfico da figura 6.12. Observa-se que a máxima fluidez é obtida com adições entre 0,6 e 0,8% de CaSi. Neste caso, a adição de Ca-Si não costuma diminuir a quantidade das inclusões; o que permite concluir que o aumento da fluidez está associado à modificação da morfologia das inclusões.
Figura 6.12. Efeito da desoxidação por Ca-Si sobre a fluidez de aço AISI-HH, contendo 26%Cr e 12%Ni.
