a adição de nióbio em ferro fundido

Fundição e Serviço – Set. 2007p. 72 - 87

O autor é da Akers Sweden AB, da Suécia. O artigo Niobium in Cast Iron foi originalmente exposto no sompósio Internacional sobre Nióbio, ocorrido em 2001, em Orlando, na Flórida (EUA). Reprodução autorizada por Pascoal Bordignon, da Companhia Brasileira de Mewtalurgia e Mineração (CBMM). Tradução de antônio Augusto Gorni.

A ADIÇÃO DE NIÓBIO EM FERROS FUNDIDOS.

Este trabalho descreve o uso do nióbio em diferentes materiais usados na fabricação de cilindros de laminação, tendo como destaque o método para a produção de cilindros com camada coquilhada indefinida.

O uso de nióbio (Ni) em ferros fundidos é uma tecnologia relativamente nova em comparação com o uso desse elemento de liga nos aços. O simpósio internacional dobre nióbio, ocorrido em 1981, não registrou contribuições sobre este assunto.

Recentemente, foram desenvolvidas algumas importantes aplicações envolvendo o uso de nióbio em vários tipos de ferros fundido; algumas delas serão discutidas neste trabalho. Será descrito detalhadamente o uso do nióbio em alguns materiais diferentes usados na fabricação de cilindros de laminação, uma vez que este tipo de aplicação apresentou grande sucesso.

O método para produção de cilindros com camada coquilhada indefinida foi patenteado pela empresa sueca Alkers Sweden AB, em escala mundial.

O uso de nióbio em aços é uma tradição que já vem de muito tempo, mas na maioria dos casos ela é restrita aos usos de micro adições menores que 0,1%. Quando se trata de ferro fundido, como será discutido mais adiante, o uso de nióbio é mais bem descrito como sendo um caso de macro adições de até alguns pontos percentuais.

O uso de nióbio em ferro fundido é uma tecnologia relativamente nova. Uma busca na base de dados bibliográfica Metadex, usando-se como palavra-chave “nióbio e ferro fundido” revelou menos de 100 artigos técnicos, sendo que a maioria deles não era relevante ao tema.

Algumas das aplicações mais significativas até o momento destinaram-se à indústria automotiva, podendo-se citar cabeçotes de cilindros, anéis para pistões e breques para caminhões [1].

A capacidade do nióbio (da mesma forma como a maioria dos elementos presentes nos grupos 4 e 6 da tabela periódica) em formar carbonetos duros, discretos e estáveis (NbC) é muito importante para muitas aplicações nas quais se requer resistência ao desgaste. Em muitas delas é usado algum tipo de ferro fundido: branco, cinzento, nodular ou maleável.

O objetivo deste trabalho não é tentar fazer uma revisão completa sobre o uso do nióbio em todos os diferentes tipos de ferros fundidos. O foco principal será dado sobre algumas aplicações envolvendo resistência ao desgaste tais como cilindros para a laminação a quente de aços e ligas não-ferrosas, nos quais i uso do nióbio tem sido muito bem sucedido.


Características gerais.

Alguns trabalhos preliminares [2-6] descrevem vários aspectos relacionados à adição de pequenos teores de nióbio (menores do que 0,5%) a ferros fundidos. Foram observadas alterações pequenas na estabilidade da austenita na micro–dureza, no refino da estrutura grafítica, em precipitações muito pequenas de Nb (C, N), entre outras.

Algumas dessas interpretações foram mal-feitas ou mal entendidas, possivelmente devido à falta de técnica avançadas de medições, tais como microscópios de alta resolução. Houve, também, um entendimento incompleto sobre a termodinâmica básica por trás dos fenômenos.

Um exemplo desse fato pode ser visto em um trabalho recente [7], no qual se investigou a influência d adições de nióbio sobre as propriedades mecânicas de um ferro fundido cinzento. A interpretação do resultado indica que foram estudad0os os efeitos do nióbio sobre as propriedades mecânicas e seus mecanismos de endurecimento. Os resultados experimentais mostraram que o nióbio melhora as propriedades mecânicas do ferro fundido cinzento. A tabela 1 e as figuras 1 e 2 apresentam os dados numéricos obtidos.

Tabela 1 – Composição química e propriedades mecânicas de ferros fundidos ao Nb.

Corrida

Teor de elementos de liga (%) CE* (%) Sc

Propriedades mecânicasC Si Mn P S Nb b (Mpa) HB (Ag/(j . cm²)

1 3,43 2,13 0,89 0,09 0,045 0 4,17 0,96 203,4 199 3,82 3,47 2,10 1,06 0,12 0,037 0,077 4,22 0,98 220,4 204 -3 3,54 2,05 0,79 0,12 0,041 0,26 4,26 0,99 230,6 207 4,14 3,50 2,15 0,91 0,11 0,043 0,37 4,25 0,99 251,3 226 4,25 3,44 2,55 0,98 0,10 0,044 0,58 4,32 1,00 254,5 234 4,06 3,40 2,50 0,94 0,09 0,044 0,77 4,26 0,99 267,4 227 4,17 3,40 2,53 0,98 0,09 0,039 0,87 4,27 0,99 260,8 228 4,0

* Carbono equivalente -, CE = %C + 1/3 (%Si + %P).

Por outro lado, ao se plotar os valores de dureza como função do limite de resistência, consegue-se uma linha quase reta, conforme mostrado na figura 3. Essa constatação sugere que, para se estudar o efeito de um parâmetro, todos os demais teriam de ser mantidos constantes.

Fig. 1 – Limite de resistência em função do teor de nióbio Fig. 2 – Dureza em função do teor de nióbio.


Se, por exemplo, o aumento de dureza constatado naquele estudo pudesse ser explicado pelo fato de que o nióbio consome carbono antes da solidificação efetiva, isto, por sua vez, levaria à formação de menor quantidade de grafita e talvez de mais alguns carbonetos.

A conclusão dessa investigação está correta, mas o mecanismo não foi plenamente entendido ou explicado. O mesmo resultado talvez pudesse ter sido obtido se o teor de carbono do ferro fundido básico fosse abaixo proporcionalmente à oxidação do nióbio.

O foco principal de muito dos trabalhos anteriores de pesquisa aparentemente se mantinha paralelo ao uso do nióbio nos aços. Ou seja, foi estudado apenas o efeito de pequenas adições de nióbio sobre a estabilidade da austenita, o refino de grão, as propriedades mecânicas e aspectos similares.

Por outro lado, é interessante notar que há quarenta anos foi desenvolvida uma grande quantidade de trabalhos sobre ferros fundidos, mas cujas conclusões ainda foram extensivamente implantadas na prática atual da produção de ferros fundido resistentes ao desgaste. Isto pode ser explicado, até certo ponto, pelo fato de que o consumo de nióbio é muito maior no setor de aços, onde a pesquisa sempre foi mais intensa [8-24].

Caso uma quantidade alta o suficiente de nióbio (ou ferro-nióbio) for adicionada a um banho ferroso líquido com alto teor de carbono, como é o caso de um ferro fundido, ocorrerá a formação de partículas de NbC sob temperaturas relativamente altas. Estas partículas apresentam diversas propriedades que são importantes tanto para a produção como para o uso dessas ligas. Algumas dessas importantes propriedades do NbC estão mostrada na tabela2.

Tabela 2 – Algumas propriedades físicas do NbC [35].

Propriedades físicas Valores Comentários Outras unidadesDensidade, g/cc 7,6 7,82 g/cm² teórica 7,6 g/cc

Dureza Rockwell A 90 Sob temperatura ambiente 90Micro dureza Vickers 2400 2400

Estrutura cristalina Cúbica Estrutura do NaCl CúbicaTemperatura liquidus (°C) 3575 6,467°F

Portanto, como pode ser visto a partir dessa tabela, as partículas de NbC possuem: Densidade muito próxima a do ferro líquido. Dureza muito alta (e também sob altas temperaturas).

Fig. 3 – Dureza versus limite de resistência.


Além disso:

O NbC normalmente forma partículas discretas que se precipitam no ferro líquido, que se separam e não se incorporam à solidificação eutética.

O nióbio apresenta solubilidade muito baixa na austenita. Ele não influencia ou pertuba a distribuição de carbonetos/grafita no ferro fundido em níveis

significativos.

Todos esses fatos acima mencionados indicam a existência de um elemento, o qual – ao contrário, por exemplo, do cromo, do titânio, do zircônio e do tântalo – é muito adequado para ser adicionado como um elemento “inerte” ao ferro fundido.

As maiorias dos carbonetos dos outros elementos apresentam algumas propriedades muito diferentes em relação aos carbonetos de nióbio, tais como densidade, influência na distribuição de carbonetos/grafita e solubilidade na austenita.

Nióbio em ferros fundidos nodulares.

Conforme já foi mencionado, quando i nióbio (ou ferro-nióbio) é adicionado a um banho ferroso com alto carbono, ocorre a precipitação de partículas de NbC sob temperaturas muito mais altas do que a temperatura de liquidus nominal da liga base.

Esse fenômeno é quase similar a uma dissolução muito rápida do ferro-níóbio e tem sido descrito em vários trabalhos [25-32]. Este processo de dissolução tem de ser controlado para não causar aglomerações e perda de NbC para as escórias do forno e da panela, o que reduz o rendimento do nióbio adicionado.

Ferros fundido nodulares, que são usados na fabricação de cilindros para laminadores a quente e me outras aplicações que devam apresentar resistência a brasão, são geralmente do tipo mesclado (ou mosqueado), o que significa que eles contêm tanto grafita como carbonetos (Fe3C). Isto é feito para se assegurar uma suficiente resistência ao desgaste. Normalmente, há duas estratégias para se melhorar essa propriedade:

1) Aumento da dureza global com a elevação da fração de cementita: o material se torna mais sensível ao trincamento.

2) Aumento da quantidade total de carbonetos: risco de perturbar o equilíbrio grafita/carboneto.

Outras propriedades importantes são baixa adesão (normalmente, decorrente da proteção por oxidação superficial) e boa resistência ao trincamento (choque) térmico. A resistência ao trincamento térmico (TCR, themal crack resistance), que é uma espécie de processo de fadiga térmica, é função de uma série de parâmetros e pode ser descrita como sendo:

TCR x x E (1)

Onde: = coeficiente de expansão térmica = condutividade térmica = limite de resistênciaE = módulo de Young


Portanto, é óbvio que quaisquer mudanças químicas feitas num sistema de ligas para cilindro não deveria influenciar grandemente quaisquer das propriedades mencionadas acima. Um exemplo de microestrutura de um tipo de ferro fundido nodular usado em cilindros de trabalho para laminação a quente pode ser visto na figura 4.

São necessários procedimentos especiais de carregamento e fusão, bem como de fundição, para se assegurar uma boa distribuição de partículas de NbC ao longo da estrutura. Esta técnica patenteada tem sido usada pelo grupo Akers há vários anos com bons resultados nos laminadores. Alguns dados de produção e fomecimento de cilindros estáticos de ferro fundido nodular (nicra, do inglês nodular iron carbide reinforced Akers, ou ferro fundido nodular reforçado com carbonetos da Akers) podem ser visto na tabela 3.

Tabela 3 – Produção e fornecimentos anuais de cilindros de laminação feitos de ferro fundido nodular reforçado com carboneto, da Akers (nicra).

Ano Fundidos Fornecidos Reclamações1995 2 0 01996 2 2 01997 33 22 01998 53 49 41999 167 93 02001 114 82 6Total 567 485 10

A tabela 4 mostra alguns resultados de desempenho de cilindros feitos com nicra, em

comparação com os de ferro fundido nodular convencional com a mesma dureza global. Como se pode observar o aumento no desempenho varia consideravelmente, o que é norma para pequenos laminadores de seções, onde os registros das condições de operação e desempenho dos cilindros possuem qualidade variável

Fig. 4 Ferro fundido nodular usado como material para cilindro de laminação, contendo adições de nióbio e mostrando pequenas e discretas partículas de NbC homogeneamente distribuídas na sua estrutura.


Tabela 4 – Exemplos dos resultados do desempenho dos cilindros de laminação nicra verificados em diversas usinas.

Usinas Aumento de desempenho (%)A 100B 40C 50D 30E 20F 35G 10

Nióbio em ferro fundido branco.

Uma grande quantidade de estudos já foi feita na área de ferros fundidos brancos contendo nióbio [33-45], especialmente no tocante às características de desgaste (Loper e outros [32] e Peev e outros[43]).

Alguns resultados podem ser resumidos como se segue:

1) O aumento no teor de nióbio proporciona melhor resistência ao desgaste, mas algumas investigações mostraram um desempenho ao desgaste mínimo em alguns casos, sem que fosse dada uma explicação adequada para isto.

2) A solubilidade do NbC na matriz é baixa.3) O nióbio pode ajudar a elevar as propriedades da matriz, caso não forem usados altos teores de

outros elementos de liga.

Ogi e outros [37] e Matsubara e outros [38] publicaram alguns excelentes trabalhos descrevendo os padrões de solidificação em sistema multicomponentes de Fe-C-Cr-Nb. Estes trabalhos, entre outros aspectos, descrevem algumas estratégicas interessantes relacionadas à inoculação com titânio para se controlar a morfologia do NbC.

Em outro trabalho [33], é avaliado o uso do nióbio como substituto do molibdênio em ferro fundido brancos. Foi feita uma análise do comportamento estrutural e mecânico em uma comparação com alguns componentes fundidos usados em moinhos produzidos em escala comercial. Neste caso específico, ligas com 10%, 15% e 20% de cromo foram fundidas em moldes de areia e caracterizadas tanto do ponto de vista estrutural (identificação do componente, distribuição e morfologia) como mecânico (micro dureza, dureza e resistência a abrasão). Foi verificado que houve modificações significativas da microestrutura das ligas em função do uso de nióbio e do boro – nióbio.

Um dos resultados mais importantes mostrou que uma adição de 0,5% de nióbio ao invés de 1,5% de molibdênio promoveu igual resistência ao desgaste, indicando que esta substituição é tecnicamente viável.

A Akers já vem usando o nióbio há muitos anos como elemento adicional, para promover a formação de carbonetos em ferros fundidos de alto cromo usados na fabricação de cilindros (cicra, do inglês chromium iron carbide reinforced Akers, ou ferro fundido reforçado com cromo, da Akers).

Este procedimento gera uma quantidade adicional de carbonetos, a qual corresponde à real, quantidade de adição de nióbio. Isto significa que, se for adicionado 4% de nióbio, a quantidade total de carbonetos (M7C3 + MC) é aumentada em torno de 4%. Estes tipos de cilindros são normalmente produzidos por técnicas de fundição centrífuga (spin casting), onde, portanto, a densidade de precipitados preliminares é crítica.


Problemas específicos para a fundição centrífuga.

Um dos fatores limitantes no processo de fundição centrífuga é a severa restrição que a força centrífuga impõe à seleção dos elementos de liga. A diferença de densidade entre o líquido e as partículas de precipitado leva ao movimento da partícula para fora, se esta for mais densa que o líquido. A velocidade desse movimento (V) pode ser muito alta.

De acordo com a Lei de Stockes:

V = 2gr² 9 (2)

Onde:

R = raio da partícula = diferença de densidade entre a partícula e o meio que a circunda = viscosidade dinâmica.

Na fundição centrífuga, o valor normal da força centrífuga é de aproximadamente 150 g. Portanto a equação 2 sugere que qualquer movimento de uma partícula será 150 vezes mais rápido do que a separação sob gravidade em um sistema estático.

Dependendo da real densidade do precipitado, este movimento será em direção à porção externa ou à interna do material que constitui a casca durante a fundição centrifuga, Este processo de separação é conhecido como macros segregação ou sedimentação e, a maioria dos casos, está relacionada a diferenças de densidade. Um esquema desse processo pode ser visto na figura 5, a qual mostra o padrão de solidificação dendritica, em combinação com algumas partículas cúbicas precipitadas.

Estratégia para contrabalançar problemas com a fundição centrífuga.

O problema descrito acima relacionado com a fundição centrífuga e com a precipitação de partículas sólidas num líquido com densidade diferente pode ser reduzido por meio das seguintes estratégias propostas:

Fig. 5 – Ilustração esquemática da solidificação que ocorre num molde de fundição centrífuga.


1) Alterar a densidade do líquido de forma que fique mais próxima da densidade da partícula, adicionando-se elementos de liga.

2) Alteração da densidade das partículas com a adição de outros elementos de liga formadores de carbonetos, de forma a promover a formação de um carboneto modificado.

3) Controle das temperaturas de precipitação as partículas por meio de um projeto de liga, diminuindo a segregação (tempo para a separação).

Inicialmente, os especialistas da Akers adotaram a estratégia 3, que consiste em se controlar a temperatura sob a qual as partículas se precipitam, evitando, consequentemente, a macrossegregação tanto quanto possível.

Isto significa que as partículas que possuam densidade próxima à do líquido propriamente dito têm sua formação promovida a temperaturas relativamente altas, enquanto que as partículas que forem muito mais pesadas ou leves do que o banho fundido deve ser formado sob temperaturas muito menores. Dessa forma, há equilíbrio entre as temperaturas de formação e as densidades dos compostos individuais.

Produção e fornecimento de cilindros feitos com cicra.

Os dados de produção e fornecimento de cilindros de trabalho, incluindo as reclamações, podem ser vistos na tabela 5. Uma descrição mais detalhada de diversos fornecimentos pode ser observada na tabela 6.

Tabela 5 – Produção e fornecimentos de cilindros de laminação feitos com ferro fundido com cromo reforçado com carbonetos, da Akers (cicra)

Ano Fundidos Fornecidos Reclamações1998 4 4 4199 16 8 0200 25 32 0200 42 26 1

Total 87 70 1

Tabela 6 – Fornecimentos de cilindros de laminação cicra.

Cliente Nº. de cilindros Dimensão (mm)CSC 14 775x1730DLL 2 714x1880

Hoogovens 14 759x2235Lianwern 6 750x2027

Port Talbot 2 714x2537Sahaviriya 4 705x1725

Sidmar 14 746x2040Sidmar 10 746x2536

Yieh Loong 4 730x2030Total de cilindros 70

Os resultados do desempenho da resistência ao desgaste, medida em toneladas por milímetro (t produto laminado/mm consumido de material do cilindro) variam entre 10% a 30%, em função das condições operacionais específicas do laminador.


Nióbio em ferros fundidos mesclados.

Um ferro fundido contendo teor de nióbio suficientemente alto deve ser considerado como sendo um ferro fundido mesclado (mosqueado). Esse tipo de material contém carbonetos como grafita. Sua fase carboneto, observada quando esta definição foi criada, era a cementita (Fe3C).

No caso de materiais para cilindros de laminação, o ferro fundido mesclado genuíno possuiu uma camada coquilhada indefinida (IC, indefinite chill). Este nome se origina do fato de que este material não apresenta uma “profundidade de camada coquilhada” definida quando submetido a ensaios para a sua medição. Trata-se de um ferro fundido cinzento ligado, cuja composição química nominal pode ser vista na tabela 7.

Tabela 7 – Análise nominal de material com camada coquilhada indefinida para cilindros de laminação.

%C %Si %Mn %Cr %Ni3,5 0,8 0,8 2,0 4,5

A maior produtividade de muitos laminadores modernos e os requisitos mais severos de qualidade sobre o produto laminado resultou num aumento das demandas feitas sobre os materiais para cilindros de laminação.

A introdução dos cilindros de aço rápido nas primeiras cadeiras de laminação de tiras a quente proporcionou um importante aumento de desempenho, que deu origem à necessidade de melhorar os cilindros com camada coquilhada indefinida, usados nas últimas cadeiras.

No início da década de 1990 foi iniciado, no Grupo Akers, o desenvolvimento de material com camada coquilhada indefinida reforçado com carbonetos [46-47]. Seu objetivo era alcançar uma maior resistência ao desgaste, com a adição de elementos de liga formadores de carbonetos, sem que houvesse a perda das propriedades favoráveis já existentes no material original.

Este novo material se encontra hoje protegido por um pedido de patente em escala mundial e foi batizado de micra (do inglês modified indefinite chill roll Akers, ou cilindro de ferro fundido modificado com camada coquilhada indefinida, da akers).

A próxima seção resume o desenvolvimento de cilindros reforçados com carbonetos feitos pelo Grupo Akers e dá exemplos do aumento de desempenho observado em diferentes laminadores.

Cilindros de laminação reforçados com micra.

O objetivo deste desenvolvimento foi a principio, melhorar a resistência ao desgaste do material com camada coquilhada indefinida, de forma a atender às características de desempenho dos cilindros de laminação feitos com aços – ferramenta, os quais estão substituindo pouco a pouco os cilindros de alto cromo nas primeiras cadeiras dos trens de laminação de tiras a quente. Isto deve ser feito sem perturbar o equilíbrio de carbonetos/grafita na microestrutura ou alterar significativamente a composição da matriz da liga base.


Objetivo.

Aplicações.

O primeiro objetivo do projeto foi o atendimento às necessidades da laminação de tiras a quente. Contudo, o trabalho de desenvolvimento posterior e os resultados dos testes industriais mostraram que também havia potencial para outras aplicações. Isto é discutido em outras seções deste trabalho.

Aplicabilidade e segurança.

O objetivo foi desenvolver um cilindro de laminação que, ao contrário dos feitos de aços-ferramenta, fosse mais fácil de ser usado no laminador e não envolvesse riscos adicionais.

Desempenho.

Dados provenientes de resultados preliminares permitiram que se definisse como meta do projeto uma melhoria média de 30% no rendimento do cilindro de laminação, medido em t/mm.

Revisão da metalurgia.

Foi descoberta na década de 1930, que a introdução de grafita finamente dispersa no ferro fundido branco reduziu substancialmente o rompimento dos cilindros, apesar da introdução de uma casca exterior mais macia.

A presença de grafita na camada de trabalho melhorou grandemente a capacidade do cilindro em suportar os choques térmicos associados com a laminação a quente. A grafita também reduziu a fricção entre o cilindro e a tira, portanto diminuindo as tensões aplicadas aos laminados e reduzindo grandemente o risco de colamento da tira ao cilindro.

Foram feitos consideráveis esforços em escala mundial para desenvolver cilindros de laminação que não se soldassem à tira que está sendo laminado e que apresentassem melhor resistência à abrasão do que os cilindros com camada coquilhada indefinida,

O aumento da proporção de carbonetos geralmente incorre numa redução na quantidade de grafita da liga. Foram feitas numerosas tentativas para desenvolver ligas contendo combinações de elementos de liga que são fortes formadores de carbonetos, tais como os que são usados em aços-ferramenta e aços rápidos, para substituir as composições usadas nos cilindros com camada coquilhada indefinida.

Contudo, estas ligas com alta fração de carbonetos e baixa fração de grafita demonstraram ser inadequadas para as aplicações que requerem cilindros com camada coquilhada, devido à tendência que apresentaram a se soldarem ao material que está sendo laminado e iniciar trincas induzidas por pressão, de forma muito similar ao observado nos cilindros feitos com ferro fundido branco com camada coquilhada.

Por falta de uma alternativa melhor, os cilindros com este tipo de camada continuaram sendo empregados nas últimas cadeiras dos laminadores de tiras a quente modernos. O uso de elementos de liga, que são fortes formadores de carbonetos, foi limitado a adições relativamente pequenas, geral mente de molibdênio, para se altera a estrutura da matriz, ou a adições extremamente pequenas de magnésio, para se controlar o formato da grafita.


Uma característica essencial dos cilindros com camadas coquilhadas indefinidas é o balanço entre elementos de liga, tais como carbono, nitrogênio e silício, os quais promovem a formação de grafita, e elementos formadores de carbonetos, tais como o cromo.

As formações de uma liga contendo um equilíbrio adequado de grafita e carbonetos requerem um controle extremamente cuidadoso das matérias-primas para fusão, condições de fusão controladas rigorosamente, controle rígido da composição e técnicas de inoculação para se obter o tipo e a distribuição desejados de grafita.

Esta relação foi inibida pelo uso de elementos de liga, os quais deslocam o equilíbrio grafita/carbonetos a favor da formação de carbonetos. Portanto, ao longo das últimas décadas, o uso de elementos de liga foi inibido pela insuperável necessidade de se manter grafita livre na estrutura coquilhada deste tipo de cilindro.

Uma outra característica importante é a solubilidade de vários elementos formadores de carbonetos na austenita. Alguns deles possuem alta solubilidade e, portanto, influenciam as propriedades da matriz.

Uma ferramenta muito útil para o projeto de ligas é o Therno-Calc, um programa de computador para cálculos termodinâmicos. Este programa permite a determinação de “diagrama de fase” e o cálculo das respectivas temperaturas de liquidus e de solidus. A figura 6 mostra um exemplo do cálculo de uma liga básica com camada coquilhada indefinida, modificada com um elemento de liga X.

Como pode ser visto nessa figura, pode-se propor que o efeito do elemento X sobre a temperatura de liquidus real suja traduzido na forma de uma função do teor de C muito maior do que o da “real” liga base. Com a combinação de certos elementos de liga é possível estudar a formação de carbonetos complexos e suas temperaturas de precipitação.

Fig. 6 – Diagrama de fases calculado pelo programa Thermo-Calc.


Microestruturas.

Exemplos da microestruras de materiais com camada coquilhada indefinida e reforçados com carbonetos são mostrados na figura 7, As estruturas apresentam constituintes normais, tais como grafita, cementita e uma matriz martensítica/bainítica, mais carbonetos adicionais. As duas micrografias mostradas na figura 7 mostram dois tipos diferentes de cilindros de ferro fundido modificado com micra.

A morfologia da grafita presente neste material foi alterada em comparação com o material convencional com camada coquilhada indefinida. A grafita apresenta aspecto mais nodular. A figura 8 mostra as diferenças na morfologia da grafita.

Esta combinação de elementos específicos formadores de carbonetos e uma mudança na estrutura da grafita proporcionam menor desgaste, sem alterar as propriedades mecânicas ou a resistência à formação de trincas térmicas.

Fig. 7 – Alguns exemplos da microestrutura de material com camada coquilhada indefinida reforçado com carbonetos.

Fig. 8 – Morfologia da grafita dos materiais com camada coquilhada indefinida reforçada com carboneto e convencional.


Produção e fornecimento de micra.

A produção destes cilindros de ferro fundido modificado com camada coquilhada indefinida (micra) requer mudanças e ajustes nas etapas de manufatura. Alguns exemplos são:

1) Procedimento de carregamento e fusão para a completa dissolução das adições formadoras de carbonetos e para evitar a aglomeração dos carbonetos preliminares já presentes no forno.

2) Procedimento de remoção de escória para evitar a contaminação dos carbonetos preliminares.3) Procedimento de fundição para evitar o entupimento das válvulas e a distribuição não-uniforme

de precipitados, devido a padrões irregulares de fluxo do metal.4) Seqüência de tratamento térmico para facilitar a usinagem.5) Procedimentos de usinagem para melhorar o desempenho do corte.

Desde 1995, cerca de 1900 cilindros foram fornecidos pela fábrica da Akers na Suécia., conforme os dados mostrados na tabela 8.

Tabela 8 – Fornecimentos de cilindros de ferro fundido, modificado com camada coquilhada identificada, da Akers (micra).

Ano Fundidos Fornecidos Reclamações1995 16 4 01996 34 38 01997 82 63 71998 147 119 41999 333 296 112000 397 388 82001 334 287 9Total 1343 1195 39

Desempenho nos laminadores de tiras a quente convencionais e Steckel.

Ao longo do curso deste desenvolvimento, já foram fornecidos, conforme relatado acima cerca de 1900 cilindros a várias usinas siderúrgicas, para uso inclusive em laminadores Steckel. Alguns resultados destes testes estão mostrados na tabela 9.

Tabela 9 – Resultados de desempenhos obtidos com cilindros de laminação micra em diversos laminadores de tiras a quentes e Steckel.

Laminadores de tiras a quente convencionais e Steckel

Aumento de desempenho (%)

Laminadores de tiras a quente convencionais e Steckel

Aumento de desempenho

A 22 E 42B 30 F 35C 35 G 25D 55 H 37

Nela, os resultados em geral foram muito bons e em alguns casos observou-se uma melhoria superior a 50%. As características mais atraentes deste novo tipo de cilindro é que não é necessário


implantar condições operacionais para que ele apresente bom desempenho. Isto representa um enorme contraste com o que se observa durante o uso de cilindros de aços rápidos, os quais normalmente requerem condições operacionais especiais.

A melhoria no desempenho pode ser atribuída ao fato de que esses cilindros requerem menores graus de retificação do que os convencionais com camada coquilhada indeferida.

Em certos casos, houve problemas iniciais relacionados com o fato de que em algumas usinas adotava-se uma prática padronizada de retificação, que teve de ser alterada. Outra característica registrada em vários laminadores foi a opinião de que, aparentemente, os novos cilindros micra são menos sensíveis a danos causados por sucateamentos e paralisações inesperadas mos laminadores e incidentes similares.

Nos laminadores Steckel, ao contrario do observado nos laminadores de tiras a quente convencionais, o beneficio do uso dos novos cilindros micra está possivelmente associado ao aumento da duração das campanhas.

Aparentem a resistência ao desgaste desses cilindros é extremamente boa nos laminadores Steckel, por alguma razão ainda não inteiramente explicada. A figura 9 mostra um exemplo de desempenho observado neste laminador, em comparação com um cilindro convencional de camada coquilhada indefinida, proveniente de duas fontes diferentes.

Desempenho dos cilindros micra em laminadores de chapas grossas.

Os cilindros micra usados em laminadores de chapas grossas apresentam alguns bons resultados. Eles indicaram uma melhora de desempenho de pelo menos 20%, medido na forma de toneladas de chapas por milímetro de desgaste (t/mm) ou comprimento em quilometro de chapas por milímetros de desgaste (km/mm).

Conclusão do ponto de vista da aplicação.

Os novos cilindros de ferro fundido modificado com camada coquilhada indefinida (micra), fabricados pela Akers, da Suécia, representam cerca de 50% da produção, total da empresa.

Fig. 9 – Desempenho dos cilindros de laminação num laminador Steckel.


As antigas afirmações sobre a melhoria no desempenho e na resistência contra incidentes nos laminadores continuam válidas.

Uma segunda geração de cilindros micra encontra-se em desenvolvimento e já cem sendo testada em alguns laminadores.

Conclusões gerais.

O propósito deste trabalho foi fazer uma revisão sobre o uso do nióbio em ferros fundidos. É impossível cobrir completamente estes tópicos, apesar dos desenvolvimentos neste campo não terem sido tão grande quanto o foi para o uso de nióbio em aços.

As investigações iniciais sobre a aplicação de nióbio em ferros fundidos tiveram seu foco sobre todas as propriedades deste material (resistente à fluência, soldagem, corrosão), de forma similar aos aços. Publicações recentes parecem estar sendo orientados para as indústrias usuárias e as aplicações específicas.

O nióbio é usado, a princípio, para aumentar a resistência ao desgaste, este fato foi descrito neste trabalho para diversos tipos de ferros fundidos. Sem dúvida, trata-se de uma grande aplicação para o futuro. As indústrias de mineração, plataformas marítimas, automotivas, usinas siderúrgicas e produtoras de metais não-ferrosos são apenas algumas das indústrias que deveriam se beneficiar mais desse esforço de pesquisa e tecnologia.

O autor deste trabalho acredita firmemente que o uso de nióbio nos ferros fundidos possui um potencial enorme no futuro. Este desenvolvimento ainda se encontra numa fase muito inicial e ainda há uma grande quantidade de trabalhos a ser feita.

A indústria de fundição e seus clientes não são diferentes em relação a outros ramos industriais no que tange à forte resistência contra o uso de novas ligas e materiais, métodos de produção e aplicações de produtos.

O trabalho conjunto dos setores de pesquisa e desenvolvimento, produção, vendas e marketing devem ser capazes de convencer os clientes de que eles se beneficiarão muito de ferros fundido de todos os tipos ligados ao nióbio.

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a adição de nióbio em ferro fundido

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