sexta-feira, 23 de abril de 2010

CGI - Parte 5_Influência e efeito da grafita, perlita e nodularidade no CGI

Influência das grafitas

No ferro fundido cinzento, as grafitas por possuírem alta condutividade térmica, da ordem de aproximadamente 3-5 vezes maior que a do ferro puro, garante ao material uma boa condutividade térmica. Devido à orientação, proporcionam também uma excelente capacidade de amortecimento de vibrações. Isto se deve ao caminho que as ondas sonoras realizam ao se propagarem através do ferro, refletindo-se na superfície das grafitas e sendo enfraquecida pela sua transformação em calor. Deste modo, ao mesmo tempo em que se têm vantagens em razão da forma e orientação das grafitas na matriz, têm-se desvantagens com a redução da resistência mecânica, da ductilidade e da tenacidade do material. Isto é causado pelas descontinuidades provocadas na matriz pelos cantos agudos das grafitas, que agem como pontos de concentração de tensões e planos de propagação de trincas (DAWSON, 1993).
No ferro fundido nodular, as grafitas se apresentam na forma de nódulos, não gerando descontinuidades na matriz, o que ocasiona menor concentração de tensões. Esta disposição das grafitas confere ao material um aumento da sua resistência mecânica, ductilidade e tenacidade, em relação ao ferro cinzento. Como desvantagens, pode se citar: menor condutividade térmica da liga, em virtude das grafitas não se mostrarem interconectadas; menor capacidade de amortecimento e pior usinabilidade quando comparado com o ferro fundido cinzento e o CGI.
A fase da grafita no ferro fundido vermicular aparece na forma de verme ou de partículas vermiculares. Essas partículas são alongadas e orientadas aleatoriamente como no ferro fundido cinzento, porém são mais curtas, mais grossas, e de bordas arredondadas, o que confere propriedades superiores como: boa resistência mecânica, tenacidade e resistência a choques térmicos, amortecimento e condutividade térmica. A sua micro estrutura resulta em uma adesão mais forte entre a grafita e a matriz de ferro inibindo assim a iniciação e o crescimento de trincas e garantindo com isso propriedades mecânicas superiore. Além disso, observa-se que a superfície da grafita vermicular apresenta imperfeições, as quais aliadas à morfologia complexa (também conhecida como “coral”) resultam em adesão ainda mais forte com a matriz de ferro.
Na tabela 1 são apresentadas às propriedades mecânicas e físicas do ferro fundido vermicular, comparadas ao ferro fundido cinzento e nodular.










Tabela 1 - Propriedades mecânicas e físicas de ligas típicas de ferro fundido vermicular comparado com o cinzento e nodular
Na tabela 2 são apresentadas as composições químicas típicas para ligas de CGI com nodularidade de 0 a 20%. Segundo a Empresa Sintercast (2001), a especificação da composição química está ligada às propriedades mecânicas. Em outras palavras, ela será variável conforme a aplicação do produto e suas exigências.



Tabela 2 - Intervalos típicos de composição química do ferro fundido vermicular para nodularidade de 0 a 20% (SINTERCAST, 2001).
Efeitos da forma da grafita
As grafitas lamelares apresentam superfícies com poucas irregularidades, quando comparadas às grafitas vermiculares e promovem o início de fratura e sua propagação, fazendo que o ferro fundido cinzento se torne frágil. Já a morfologia do ferro fundido vermicular não permite a clivagem e nem a propagação de trincas. O início da fratura no ferro fundido vermicular se dá na interface da grafita vermicular com a matriz metálica. Este é um dos principais fatores para um maior desgaste da ferramenta de corte na usinagem do CGI. Porém, esta característica auxilia na maior resistência mecânica e maior tenacidade do CGI.
Grafitas na forma nodular sempre estarão presentes na estrutura do ferro fundido vermicular. Com isto a resistência mecânica e a tenacidade aumentam. Por outro lado, a fundição, usinabilidade e condutividade térmica serão prejudicad. Sendo assim a microestrutura deve ser cuidadosamente especificada conforme exigência de desempenho do produto final e custos de produção.
Efeitos da Perlita
Os ferros fundidos são formados por partículas de grafita em uma matriz ferrítica ou perlítica. Durante a solidificação o material passa por uma faixa de temperatura na qual se encontra sob a forma austenítica. Abaixo de 725°C o material se transforma em ferrita ou perlita. Se a velocidade de resfriamento é lenta o suficiente e as condições químicas são favoráveis, os átomos de carbono saem da matriz para formar grafitas e a matriz se torna preferencialmente ferrítica. Entretanto, se os átomos não conseguirem sair da matriz ocorrerá à formação de perlita. A perlita é constituída por uma estrutura lamelar alternada entre ferrita e cementita (Fe3C). Essas lamelas de Fe3C reforçam a matriz tornando-as mais dura e resistente. A razão perlita/ferrita é outro fator determinante na resistência mecânica do material. Um aumento de 15% para a razão de 95% de perlita no ferro fundido vermicular mantendo as demais variáveis inalteradas, induz a um aumento de tensão de limite de resistência de 300 Mpa para 480 Mpa refletindo na usinagem.

Blocos de motor em ferro fundido vermicular contendo 70% de perlita em sua matriz possuem a mesma dureza de um bloco em ferro fundido cinzento 100% perlítico (DAWSON et al., 1999).
A maior ou menor quantidade de perlita influencia a usinabilidade do ferro fundido, fato este estudado por Dawson através de fresamento (DAWSON, 2002) do ferro vermicular contendo de 50 a 95% de perlita em sua matriz. Os resultados mostraram que, em geral, a vida da ferramenta no fresamento cresce com o aumento do conteúdo de perlita. Isto, provavelmente, porque os elementos perlitizantes propiciam boa deformação e fácil clivagem e formação do cavaco em cortes interrompidos.
Nodularidade
Basicamente a forma da grafita, o teor de carbono e a perlita nos ferros fundidos tem sido de fundamental importância para determinar as propriedades mecânicas e físicas dos fundidos. As propriedades do CGI diminuem cerca de 20-25% com o aparecimento da grafita lamelar na estrutura e aumentam gradualmente quando a nodularidade excede 20%. Com o excesso de nodularidade, a condutividade térmica e usinabilidade são reduzidas e também o processo de fundição se torna mais difícil.
A microestrutura dos ferros fundidos é influenciada pela velocidade de resfriamento, observando-se maiores porcentagem de nódulos em seções que resfriam rapidamente. Em peças complexas como bloco e cabeçotes, as velocidades de resfriamento de diferentes partes das peças dependem não só das espessuras de paredes, como também do modo como o metal preenche a peça.
Para a maioria dos blocos, as velocidades de resfriamento das paredes com espessuras a partir de cinco milímetros são suficientemente baixas para manter a taxa de nodularidade dentro da faixa de 0% a 20%. Espessuras menores, que resultam nodularidades na faixa de 30 a 50%, geralmente ficam restritas a paredes externas, aletas, não sendo prejudicial à fundibilidade ou ao desempenho (ANDRADE, 2005).
Referência bibliográfica:
=> ANDRADE, Cássio Luiz F. Análise da furação do ferro fundido vermicular com brocas de metal-duro com canais retos revestidas com TiN e TiAlN. 2005. 170 p. Tese (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.
=> DAWSON, Dr. Steve. Compacted graphite iron: Mechanical and physical properties for engine design – Technical Publication, 1999.
=> DAWSON, Dr. Steve. Practical applications for compacted graphite iron. In: Compacted graphite iron - Machining Workshop, 5., 2002. Darmstadt. Anais… Darmstadt: PTW - Institute of Production and Machine Tools, 2002.
=> SINTERCAST AB. Practical applications for compacted graphite iron. Technical Publications. Sintercast Darmstadt PTW 2001.
até a próxima
Msc. Sander Gabaldo