Analise termica-parte3.pdf00000000000000

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1. ANÁLISE TÉRMICA DE SOLIDIFICAÇÃO
NA PRODUÇÃO DE FERROS FUNDIDOS
Metalurgia Física
PROF. JEAN CHAVES ARAÚJO [email protected] (37) 9 9982 3271
PARTE 3
ITAÚNA 12 a 15/09/2023

2. METALURGIA FÍSICA:
•Histórico térmico do banho.
•Nível de agitação.
•Tempo de manutenção do metal no estado líquido.
•Composição química.
•Componentes de carga.
•Composição química da MP e sequência de carregamento.
•Característica química do inoculante.
•Tipo de forno.
Recapitulando:
GRAU DE NUCLEAÇÃO

3. Controle de processo:





Pouquíssimas empresas fazem o controle do grau de nucleação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
METALURGIA FÍSICA:

4. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

5. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

6. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

7. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

8. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

9. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Elevado grau de nucleação Baixo grau de nucleação
Propriedades mecânicas
Usinabilidade
Propriedades mecânicas
Usinabilidade

10. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Elevado grau de nucleação Baixo grau de nucleação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Nodularidade
Propriedades mecânicas
Nodularidade
Propriedades mecânicas

11. Controle de processo:





METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

12. Controle de processo:



METALURGIA FÍSICA:
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

13. Controle de processo:





Material obtido da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
METALURGIA FÍSICA:

14. METALURGIA DE PROCESSO

Elaboração da liga: É um dos pontos mais importantes de processo de fabricação
de uma peça fundida. A composição química e velocidade de resfriamento
sofreram forte influência se não houver controles rígidos durante a elaboração:
Grau de agitação do banho
Sobreaquecimento do banho
Limpeza do banho
Tratamentos metalúrgicos

15. METALURGIA DE PROCESSO
Sobreaquecimento do banho: o objetivo
é destruir núcleos instáveis do metal
líquido tornando-o mais homogêneo.
1460 a 1510°C: FF cinzentos : 5 a 15
minutos.

16. METALURGIA DE PROCESSO
Seleção da carga: heterogeneidades, cargas oxidadas e pintadas (projeção de
metal líquido).
Carregamento do forno, fusão da carga, primeiros controles do metal líquido
(temperatura e composição química), tratamentos e adições (correções da
composição química), segundo controle do metal líquido (temperatura e
composição química) e vazamento do molde.
Tratamentos de elaboração:
Inoculação (garantir a formação da grafita) - Nodulização (garantir grafita nodular)
Desoxidação (reduzir teor de oxigênio)
Dessulfuração (reduzir teor de enxofre)
Recarburação ou carburação (aumentar o teor de carbono)

17. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
a) Carbono:
Liga hipoeutética Liga hipereutética
Cinzento: 2,9 a 3,8 % C em peso
Nodular: 3,3 a 3,8 % C em peso

18. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
a) Carbono:
Heterogeneidade da carga: Elevado nucleante.

19. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
b) Silício:
•Elemento ferritizante e ação benéfica na nucleação.
Cinzento:1,2 a 2,8% de Si em peso
Nodular: 1,8 a 2,8% de Si em peso

20. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
c) Silício:
Fonte: Professor Guido, Warmling. 2015 . UNISOCIESC. Curso de Pós-Graduação de Engenharia de Fundição. Disciplina: Metalurgia do Ferro Fundido Cinzento.
ESTUDO DE CASO

21. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
c) Enxofre:
•Reduz a tensão superficial do líquido e a energia de interface entre o líquido e a
grafita.

Energia de interface Favorece a nucleação.
Aumenta a atividade e diminui a solubilidade do C no líquido
Metal base:
Cinzento: 0,08 a 0,12% S
Nodular: 0,012 a 0,018%

22. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
c) Enxofre:

Última região a se solidificar. (Enriquecida de elementos que têm a
tendência de se alojar no líquido, como é o caso do S).
Grafita precisa de muito carbono pra crescer
Primeira parte a se solidificar.
Crescimento da grafita: alongado e direcional!

23. METALURGIA FÍSICA:
Nucleação da grafita:
•Controle da % S (Sulfetos): Espectrômetro.
•Controle da % O (Óxidos): Sem controle.
Oxigênio residual pode variar com:
•Composição da carga.
•Picos de temperatura nos fornos.
•Nível de agitação dos banhos.
•Tempos de permanências do metal nos fornos.
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
c) Enxofre:

24. METALURGIA FÍSICA:
Influência dos elementos base no grau de nucleação:
d) Manganês (Enxofre):

•Reação eutética:
Estabilizador de carbonetos.
Segrega.
Aloja no líquido
•Neutralizador do S:
% Mn = (1,72% x % S) + K
1,72 = relação do peso atômico entre o manganês (55 g) e o enxofre (32 g).
coef. segurança (K)= 0,3 garantir a nucleação com MnS / 0,75 perlita fina / 0,80 a 1,2 impedir ferrita livre em peças espessas.
Relação boa para nucleação FC
Mn/S = 4 a 6
Exemplo: 0,4 Mn/0,08 S = 5 ok
(Antônio George)

25. METALURGIA FÍSICA:
Tratamentos no metal líquido:
Sobreaquecimento

26. METALURGIA FÍSICA:
Tratamentos no metal líquido:
Sobreaquecimento

27. Promover a Formação da Grafita OBJETIVO PRINCIPAL
Solidificação – Sistema ESTÁVEL
METALURGIA FÍSICA:
•Distribuir homogeneamente as grafitas.
•Elevar o número de células eutéticas ou nódulos por mm².
•Diminuir o Super-resfriamento.
•Evitar a formação de carbonetos.
•Promover mudanças físico-química no metal líquido.
Tratamentos no metal líquido:
Inoculação:

28. Mecanismo da Inoculação

Super resfriamento e inoculação

O ferro fundido cinzento solidifica-se
conforme o diagrama abaixo
METALURGIA FÍSICA:

29. METALURGIA FÍSICA:
Tratamentos no metal líquido:
Inoculação:
•Inoculantes: Fe-50 a 75% Si + Al + Ca + Sr + Ba+ Mn + Ce + La + ...



•Forma óxidos: MgO, SiO2, Al2O3, CaO, CeO, ....
•Forma sulfetos: MgS, CaS, BaS, MnS, CeS LaS, ...

Inoculantes potencializam a formação de núcleos (áreas ricas em silício), mas somente se
houver óxidos (O) e sulfetos (S) em abundância no metal líquido.

NUCLEAÇÃO DA GRAFITA

30. METALURGIA FÍSICA:
Tratamentos no metal líquido:
Inoculação:

Compostos que poderiam atuar como pontos de nucleação::
Nucleantes
Silicatos
São impedidos de atuar eficientemente por causa de uma barreira de energia interfacial existente entre o composto e o
carbono. Arranjo atômico diferente do carbono

31. Fonte: Antônio George, 2019.
TEORIA SOBRE O MECANISMO DE INOCULAÇÃO:
... explica que ele se dá através da criação e melhoramento dos pontos de
nucleação do ferro fundido.
METALURGIA FÍSICA:

32. Fonte: Antônio George, 2019.
TEORIA SOBRE O MECANISMO DE INOCULAÇÃO:
... explica que ele se dá através da criação e melhoramento dos pontos de
nucleação do ferro fundido.
METALURGIA FÍSICA:

33. Tratamentos no metal líquido:
Inoculação:
Problemas com excesso de nucleação:
•Maior número de células eutéticas.
•Nucleação da grafita lamelar (Expansão).
•Líquido é incompressível (Esforço sobre o molde).
Maior Dilatação das paredes do molde.
Maior volume da cavidade.


METALURGIA FÍSICA:

34. METALURGIA FÍSICA:

Fonte: The Influence of Final Inoculation on the Metallurgical Quality of Nodular Cast Iron .2021
R. Dwulat , K. Janerka , K. Grzesiak
5° ESTUDO DE CASO:

35. Tratamentos no metal líquido:
Nodulização:


NODULIZAÇÃO
Promover a ESFEROIDIZAÇÃO
da Grafita
Teor residual de magnésio
0,03 a 0,06%
O QUE É ADICIONADO? Composto sólido
granulado contendo elementos que promovam o
aumento da tensão superficial do banho.
METALURGIA FÍSICA:

36. METALURGIA FÍSICA:

37. Tratamentos no metal líquido:
Nodulização:
Os parâmetros de qualidade definem três exigências:




Número de nódulos por unidade de área.
Grau de nodularidade.
Tamanho dos nódulos.
METALURGIA FÍSICA:

38. Tratamentos no metal líquido:
Nodulização:





0,06340
0,05500
0,05230
0,05110
0,04890
0,04840
0,04770
0,04680
0,04500
0,05200
0,05900
0,06600
03:17 06:40 07:34 08:30 09:00 12:00 13:00 14:00
Teor residual de Mg

Tempo (minutos)
TEMPO DE FADING
METALURGIA FÍSICA:

39. METALURGIA FÍSICA:

40. Elementos PREJUDICIAIS à nodulização da grafita.
% Pb (chumbo) ≥ 20 ppm (0,002%)
% Bi (bismuto) ≥ 30 ppm (0,003%)
% As (arsênio) ≥ 30 ppm (0,003%)
% Te (telúrio) ≥ 40 ppm (0,004%)
% Sb (antimônio) ≥ 50 ppm (0,005%)
% Ti (titânio) ≥ 500 ppm (0,05%)
Fonte: Efeitos da Composição Química na Produção de Ferro Fundido Nodulares. Adalberto Bierrenbach de Souza Santos. 2000.
METALURGIA FÍSICA:

41. TÉCNICAS PARA AVALIAR
O GRAU DE NUCLEAÇÃO
E NODULIZAÇÃO

42. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:





METALURGIA FÍSICA:
Avaliação do Grau de
Nucleação
Cunha de coquilhamento – ABNT 6846
Metalografia – ASTM A 247 e procedimento
para determinação de célula eutética
Análise Térmica de Solidificação

43. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Cunha de coquilhamento: ABNT NBR 6846





METALURGIA FÍSICA:
Baixo grau de
nucleação
Alto grau de
nucleação

44. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
METALURGIA FÍSICA:
Grafitização: formação de grafitas,
Nucleação: formação de núcleos para
posteriormente formação homogênea de
grafitas.
A cunha mostra variações de grafitas em
função da velocidade de resfriamento.
Apenas o aspecto escuro do prova não é
possível controlar efetivamente
nucleação.
Fonte: Dados Italterm.

45. Fonte: Professor Guido, Warmling. 2015 . UNISOCIESC. Curso de Pós-Graduação de Engenharia de Fundição. Disciplina: Metalurgia do Ferro Fundido Cinzento.
Cunha de coquilhamento
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Cunha de coquilhamento: ABNT NBR 6846





METALURGIA FÍSICA:

46. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Cunha de coquilhamento: ABNT NBR 6846





METALURGIA FÍSICA:

47. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Metalografia: ASTM A247





METALURGIA FÍSICA:
CLASSIFICAÇÃO DO TIPO:
Tipo I – Esferoidal regular.
Tipo II – Esferoidal irregular.
Tipo III – Em nódulos.
Tipo IV – Vermicular (compacta).
Tipo V – Spiky ou Crab.
Tipo VI – Explodida.
Tipo VII – Lamelar.

48. TIPO A TIPO B
TIPO C
TIPO D
TIPO E
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Metalografia: ASTM A247
METALURGIA FÍSICA:

49. Técnicas de avaliar o grau de nucleação
METALURGIA FÍSICA:
Fonte: Apresentação Italterm.

50. Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Metalografia: ASTM A247





METALURGIA FÍSICA:

51. GRAU DE NODULARIZAÇÃO E NÚMERO DE NÓDULOS por mm²
Classificação da grafita ASTM A247
METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Metalografia: ASTM A247

52. FERRO FUNDIDO CINZENTO FERRO FUNDIDO NODULAR
Célula eutética Número de nódulos por mm²
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Metalografia: ASTM A247
METALURGIA FÍSICA:

53. METALURGIA FÍSICA:
Fonte: HERAEUS ELECTRO NITE. Disponível em: https://www.heraeus.com/media/media/hen/media_hen/products_hen/iron/thermal_analysis_of_cast_iron.pdf

Diagrama de
Equilíbrio
Curva de análise
térmica de
solidificação
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação

54. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação

55. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
4,3

56. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação

57. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Liquidus
Solidus

58. METALURGIA FÍSICA:
1° Patamar: Início da nucleação das dendritas
de austenita
Super-resfriamento
Recalescência:
Temperatura se eleva devido a liberação de
calor (CALOR LATENTE).
Início do
crescimento
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação

59. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação

60. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

61. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

62. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

63. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.

64. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Controle do metal base
TSE=1118°C
TRE=1121°C
ΔT=36°C
RECALESCÊNCIA=3°C

65. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Controle do metal base
TSE=1130°C
TRE=1139°C
ΔT=23°C
RECALESCÊNCIA=9°C

66. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Controle do metal base
TSE=1140°C
TRE=1149°C
ΔT=14°C
RECALESCÊNCIA=9°C

67. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Controle do metal base
TSE=1148°C
TRE=1152°C
ΔT=6°C
RECALESCÊNCIA=4°C

68. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Referência da apresentação Ricardo Fuoco e Antônio George. 2020.
Controle do metal final

69. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL BASE (NODULAR) COMPOSIÇÃO QUÍMICA E OBTER O TS = (TEMPERATURA EUTÉTICA METAESTÁVEL)

70. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL TRATADO (NODULAR)

71. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL BASE (CINZENTO)

72. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL TRATADO (CINZENTO)

73. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL TRATADO (CINZENTO)
EXEMPLO: METAL BASE (CINZENTO)

74. METALURGIA FÍSICA:
EXEMPLO: METAL BASE (CINZENTO)
6° ESTUDO DE CASO:

75. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: CINZENTO/MESCLADO – BAIXA NUCLEAÇÃO = TSE BAIXO
EXEMPLO: CINZENTO – BOA NUCLEAÇÃO = TSE NORMAL

76. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
EXEMPLO: METAL BASE (CINZENTO) – EPIC -ELKEM

77. METALURGIA FÍSICA:
Técnicas de avaliar o grau de nucleação:
•Análise térmica de solidificação
Controle do metal final
Fonte: Apresentação Italterm.

78. METALURGIA FÍSICA:
EXERCÍCIO 3 – AVALIAR A CURVA
DE UM METAL BASE PARA FERRO
FUNDIDO NODULAR E TOMAR
AS AÇÕES NECESSÁRIAS.

79. METALURGIA FÍSICA:
EXERCÍCIO 4 – AVALIAR A CURVA
DE UM METAL BASE PARA FERRO
FUNDIDO CINZENTO E TOMAR
AS AÇÕES NECESSÁRIAS.

80. METALURGIA FÍSICA:
EXERCÍCIO 5 – O QUE OCORRERÁ
SE LIBERAR O METAL PARA
VAZAMENTO COM A
APRESENTAÇÃO DOS DADOS DA
CURVA APRESENTADA?