Domínio do ferro fundido cinzento: Guia de tratamento térmico para especialistas

1. Recozimento

1. Recozimento por alívio de tensões

Para eliminar tensão residual na peça fundida, estabilizar o seu tamanho geométrico e reduzir ou eliminar a distorção após o corte, é necessário efetuar o recozimento de alívio de tensões na peça fundida.

Ver também:

• 10 tipos diferentes de processos de fundição
• O que é recozimento (7 tipos de processos de recozimento)

A composição do ferro fundido deve ser tida em conta ao determinar o processo de recozimento de alívio de tensões.

Quando a temperatura do ferro fundido cinzento excede 550 ℃, pode ocorrer grafitização e granulação de parte da cementita, causando uma redução na resistência e dureza.

A presença de elementos de liga pode aumentar a temperatura a que a cementite começa a decompor-se para cerca de 650 ℃.

Normalmente, a temperatura de recozimento de alívio de tensão para ferro fundido cinzento é 550 ℃, enquanto o ferro fundido cinzento de baixa liga é recozido a 600 ℃ e o ferro fundido cinzento de alta liga pode ser recozido a 650 ℃. A taxa de aquecimento é geralmente de 60 a 120 ℃ por hora.

O tempo de espera é determinado por factores como a temperatura de recozimento, o tamanho e a complexidade da peça fundida e os requisitos de alívio de tensões.

A figura seguinte ilustra a relação entre o tempo de espera e tensão residual a diferentes temperaturas de recozimento.

Fig. 2 Relação entre a temperatura e o tempo de recozimento e o resíduo tensão interna

a) Composição (fração mássica) (%): C 3,18, Si 2,13, Mn 0,70, S 0,125, P 0,73, Ni 1,03, Cr 2,33, Mo 0,65;

b) Composição (fração mássica) (%): C 3.12, Si 1.76, Mn 0.78, S 0.097, P 0.075, Ni 1.02, Cr 0.41, Mo 0.58;

c) Composição (fração mássica) (%): C 2.78, Si 1.77, Mn 0.55, S 0.135, P 0.069, Ni 0.36, Cr 0.10, Mo 0.33, Cu 0.46, V 0.04.

A velocidade de arrefecimento durante o recozimento de alívio de tensões das peças fundidas deve ser lenta para evitar o desenvolvimento de tensões secundárias. A taxa de arrefecimento é tipicamente controlada a uma taxa de 20 a 40 ℃ por hora, e a temperatura deve ser arrefecida para menos de 150 a 200 ℃ antes de permitir o arrefecimento do ar.

A tabela seguinte mostra as especificações de recozimento para alívio de tensões para alguns materiais cinzentos peças fundidas de ferro:

Tabela 3 Especificação de recozimento para alívio de tensões para fundição cinzenta peças fundidas de ferro

2. Recozimento de grafitização

O objetivo do recozimento de grafitização para peças fundidas de ferro cinzento é reduzir a sua dureza, melhorar a sua maquinabilidade e aumentar a sua plasticidade e tenacidade. Se a peça fundida não contiver cementita eutéctica ou tiver apenas uma pequena quantidade, pode ser efectuado o recozimento de grafitização a baixa temperatura. No entanto, se a quantidade de cementita eutéctica for substancial, é necessário o recozimento de grafitização a alta temperatura.

(1) Recozimento de grafitização a baixa temperatura.

O processo de grafitização e granulação da cementita eutectoide no ferro fundido cinzento ocorrerá quando o material for recozido a baixas temperaturas. Este processo resultará numa redução da dureza e num aumento da plasticidade.

O recozimento de grafitização a baixa temperatura do ferro fundido cinzento envolve o aquecimento da peça fundida a uma temperatura ligeiramente inferior ao limite inferior de A_C1mantendo-o a esta temperatura durante um determinado período de tempo para decompor a cementite eutectóide, e arrefecendo-o depois no forno.

A curva do processo é a seguinte:

Fig. 4 Curva do processo de recozimento por grafitização a baixa temperatura do ferro fundido cinzento

(2) Recozimento de grafitização a alta temperatura.

O processo de recozimento de grafitização a alta temperatura do ferro fundido cinzento envolve o aquecimento do material a uma temperatura acima do limite superior de A_C1. Este processo decompõe a cementita livre no ferro fundido em austenite e grafite. O material é então mantido a esta temperatura durante um determinado período de tempo e arrefecido de uma forma específica, dependendo da estrutura da matriz desejada.

Se for desejada uma matriz de ferrite com elevada plasticidade e tenacidade, a especificação do processo e o método de arrefecimento são os seguintes:

Fig. 5 Processo de recozimento de grafitização a alta temperatura da matriz de ferrite

Se se pretender obter uma estrutura de matriz de perlite com elevada resistência e boa resistência ao desgaste, a especificação do processo e o método de arrefecimento podem ser efectuados de acordo com a Figura 6, como se segue:

Fig. 6 Processo de recozimento de grafitização a alta temperatura da matriz de perlite

2. Normalização

O objetivo da normalização do ferro fundido cinzento é melhorar a sua força, dureza e resistência ao desgaste, ou servir como um tratamento térmico preliminar para a têmpera superficial e para melhorar a estrutura da matriz.

A especificação para o processo de normalização de ferro fundido cinzento é mostrado na figura abaixo:

Normalmente, a peça fundida é aquecida até ao limite superior de A_C1que se situa entre 30°C e 50°C. Isto faz com que a estrutura original se transforme em austenite.

Após um período de espera, a peça fundida é arrefecida pelo ar (ver figura a abaixo).

Para peças fundidas complexas ou com formas importantes, o recozimento é necessário após a normalização para eliminar qualquer tensão interna.

Se a estrutura original do ferro fundido tiver cementite livre em excesso, deve ser aquecida até ao limite superior de A_C1que se situa entre 50°C e 100°C, para eliminar a cementita livre através da grafitização a alta temperatura (ver Figura b).

A figura abaixo ilustra o impacto da temperatura de aquecimento na dureza do ferro fundido após a normalização.

Dentro da gama de temperaturas de normalização, a dureza do ferro fundido aumenta com o aumento da temperatura.

Como tal, para obter uma elevada dureza e resistência ao desgaste no ferro fundido normalizado, pode ser selecionada uma temperatura de aquecimento mais elevada dentro da gama de temperaturas de normalização.

Fig. 8 Efeito da temperatura de normalização na dureza do ferro fundido cinzento

Nota: O conteúdo dos elementos na figura é expresso em fração mássica (%).

A taxa de arrefecimento após a normalização afecta a quantidade de ferrite precipitada e, por conseguinte, a dureza.

Quanto maior for a taxa de arrefecimento, menor será a quantidade de ferrite precipitada, resultando numa maior dureza.

Assim, a velocidade de arrefecimento pode ser controlada (por exemplo, através de arrefecimento por ar, água ou névoa de arrefecimento) para alcançar o ajuste desejado da dureza do ferro fundido.

3. Têmpera e revenido

1. Resfriamento

O processo de têmpera para ferro fundido envolve o aquecimento da fundição a uma temperatura do limite superior AC1 mais 30-50 ℃, normalmente entre 850 ℃ -900 ℃, para transformar sua estrutura em austenita. A fundição é então mantida a esta temperatura para aumentar a solubilidade do carbono na austenita antes da têmpera. Têmpera em óleo é normalmente utilizado para este processo.

Ver também:

• 10 tipos de métodos de arrefecimento no processo de tratamento térmico

Eis a versão revista:

Peças fundidas com formas complexas ou tamanhos grandes devem ser aquecidos lentamente para evitar rachaduras devido ao aquecimento desigual. Se necessário, pré-aquecê-los a 500-650 ℃ também pode ajudar a evitar rachaduras.

A Tabela 8.1 mostra o efeito da temperatura de aquecimento de têmpera na dureza do ferro fundido. A composição química do ferro fundido indicada no quadro anterior pode ser consultada no Quadro 8.2.

O aumento da temperatura de austenitização resulta numa maior dureza após a têmpera. No entanto, temperaturas de austenitização mais elevadas também aumentam o risco de deformação e fissuração do ferro fundido, bem como produzem mais austenite retidao que reduz a dureza.

A figura 9 ilustra o efeito do tempo de espera na dureza.

Tabela 8.1 Efeito da temperatura de austenitização na dureza do ferro fundido cinzento após o fogo (coceira de óleo)

Tabela 8.2 Composição química (fração mássica) (%) de vários ferros fundidos

• TC - total teor de carbono.
• CC - a quantidade de carbono ligado.

Fig. 9 Efeito da estrutura original da matriz metálica do ferro fundido na dureza após têmpera a 840 ° C para diferentes tempos de espera

A composição química (fração mássica) deste ferro fundido cinzento é a seguinte 3.34% C, 2.22% Si, 0.7% Mn, 0.11% P, e 0.1% S.

A temperabilidade do ferro fundido cinzento é influenciada por factores como o tamanho, a forma e a distribuição da grafite, a composição química e o tamanho do grão de austenite.

A grafite no ferro fundido diminui a sua condutividade térmica, reduzindo assim a sua temperabilidade. Quanto maior for a quantidade de grafite grosseira presente, mais pronunciado se torna este efeito.

2. Têmpera

O impacto da temperatura de revenimento nas propriedades mecânicas do ferro fundido pode ser observado na Figura 10 abaixo.

Para evitar a grafitização, a temperatura de revenimento deve geralmente ser mantida abaixo de 550 ℃, e o tempo de espera para o revenimento deve ser calculado como t = [espessura da fundição (mm) / 25] + 1 (h).

Fig. 10 Efeito da temperatura de têmpera sobre dureza e resistência de ferro fundido temperado