Adalberto Bierrenbach de Souza Santo.

Engenheiro metalurgista, mestre em engenharia metalurgia e doutor em

engenharia. Diretor da Metal Consult Ltda. Joinville (SC).

A UTILIZAO DE COBRE EM FERROS

FUNDIDOS NODULARES. Trabalho apresentado no Conaf 2007, sendo que seu autor Adalberto Bierrenbach de Souza

Santos foi agraciado com o Premio Destaque Tcnico do Setor Binio 2006/2007.

Neste trabalho de reviso da literatura, examinam-se os efeitos da adio de cobre na solidificao de

ferros fundidos nodulares.

Descreve-se o mecanismo de transformao da austenita, durante o resfriamento no estado slido, para

a formao de ferrita e perlita na matriz metlica, destacando-se a influencia do cobre nessa reao.

So mostradas recomendaes quanto utilizao de cobre como elemento de ligas para a fabricao

de ferros fundidos nodulares de diferentes classes.

Apresentam-se alguns resultados referentes aos efeitos de vrios teores de cobre na microestrutura e

propriedades mecnicas de ferros fundidos nodulares hipereutticos

1. Introduo.

A produo mundial de peas fundidas foi de 85,7 milhes de toneladas em 2005. Os ferros

fundidos so as ligas metlicas mais produzidas e corresponderam a pouco mais de 70% do total,

sendo 47,6% referentes a ferros fundidos cinzentos e 22,8% aos nodulares (1).

O Brasil foi o stimo produtor mundial de componentes em ferro fundido cinzento, em 2005,

correspondendo a 3,5% do total e o oitavo em nodular (3,2% da produo) (1).

Quase toda a produo mundial de pea de ferro fundidos nodulares apresenta microestrutura

constituda por grafita esferoidal, em geral, com um mnimo de 80% de ndulos dos tipos I e II

ASTM A 247 (24) e matriz metlica constituda por ferrita e/ou perlita. As propriedades mecnicas, principalmente as determinadas em ensaios de resistncia trao,

estabelecem as diferentes classes de ferros fundidos nodulares especificados nas normas tcnicas

internacionais (5). Essas propriedades dependem da microestrutura obtida, isto , da morfologia da

grafita, condicionada solidificao dessas ligas, e da matriz metlica, que decorrente dessa reao

e da transformao de fase da austenita no estado slido.

A fabricao de peas de ferro fundido nodulares no estado bruto de fuso depende de um

conjunto de variveis de processo, entre as quais as matrias-primas metlicas (69), a composio

qumica base, o histrico trmico, o grau de nucleao do metal lquido, os elementos de liga, os

processos e agentes para os tratamentos de nodulizao e inoculao (1017), a composio qumica

final das peas, a temperatura de vazamento, a velocidade de esfriamento (18) e as condies de

desmoldagem.

Efetua-se, em geral, a adio de elementos de liga de ferros fundidos nodulares para obter a

matriz metlica que resultar em valores de propriedades mecnicas que atendam s especificaes

dos componentes que so produzidos.

Os elementos de liga so utilizados para aumentar a porcentagem de perlita na matriz ou, ainda,

causar o refino desses microconstituinte, resultando em aumento da dureza e da resistncia mecnica,

ou para promover a formao de ferrita, diminudo a dureza e aumentando a ductilidade da liga (19).

Este trabalho tem o objetivo de apresentar uma reviso da literatura relativa aos principais

efeitos da utilizao de cobre em ferros fundidos nodulares, examinar as transformaes de fase de

solidificao e reao eutetide e verificar a influncia desse elemento na obteno das propriedades

mecnicas especificadas para as diferentes classes estabelecidas nas principais normas tcnicas.

2. Efeitos do cobre na solidificao de ferros fundidos nodulares.

O carbono equivalente define a seqncia de solidificao dos ferros fundidos nodulares,

evidenciando a importncia da composio qumica base.

Alm de carbono, silcio e fsforo, que sempre so considerados na determinao do carbono

equivalente, os elementos de liga tambm tm efeito na porcentagem de carbono correspondente ao

euttico.

O cobre solvel em ferros fundidos no metal at cerca de 3,5%. Com a adio de magnsio

para a fabricao de ferros fundidos nodulares a solubilidade desse elemento diminui, sendo possvel

observar a presena de glbulos de cobre formados na microestrutura, para concentraes a partir de

cerca de 1,5% (20).

Na solidificao de ferros fundidos o cobre, a exemplo de outros elementos grafitizantes, em

concentraes crescentes, destoca a porcentagem de carbono correspondente ao euttico para

menores teores (21, 22).

Elevando-se as concentraes de elementos que so promovedores da formao de carbonetos,

verifica-se que a porcentagem de carbono do euttico torna-se maior (21, 22).

Os ferros fundidos nodulares apresentam duas reaes eutticas. Para as composies

empregadas nas diversas aplicaes dessas ligas, em vrios segmentos industriais, a diferena entre

as temperaturas desses eutticos da ordem de 10C.

Aumentando-se a porcentagem de elementos grafitizantes, verifica-se o acrscimo do intervalo

entre as temperaturas dos eutticos.

Adies de cobre causam aumento da temperatura do euttico estvel e diminuio da

correspondente ao metaestvel (2124), tendo assim influncia similar ao silcio, alumnio, nquel e

cobalto. O fsforo, que tambm grafitizante, tem um efeito diferente, uma vez que diminui essas

duas temperaturas (21, 22).

O silcio e o alumnio so os elementos grafitizantes mais eficientes quanto ao acrscimo que

promovem no intervalo entre as temperaturas dos eutticos.

O cobre e o carbono tm influncia semelhante, enquanto cobalto, fsforo e nquel, nessa

ordem, so menos efetivos (21, 22).

O acrscimo da porcentagem de elementos promovedores da formao de carbonetos causa

diminuio do intervalo entre as temperaturas dos eutticos estvel e metaestvel (2124).

A obteno de grafita nodular em condies industriais de produo depende principalmente

dos teores residuais de elementos nodulizantes (Mg, Ce e outros metais do grupo das terras raras e Ca) (2527).

Nas situaes em que no ocorre a formao do euttico contendo alto teor de fsforo (steadita) (2834) nos ferros fundidos nodulares, a transformao de fase lquido-slido completa-se com a reao

euttica, que pode se verificar de acordo com os sistemas estvel e / ou metaestvel.

Na grande maioria de aplicaes de peas em ferro fundidos nodulares o objetivo que o

processo de solidificao se complete de acordo com o sistema estvel (1013, 15, 17, 35) formando-se,

portanto, austenita e grafita na reao euttica.

Para componentes com espessura de at cerca de 40 a 50 mm geralmente so utilizadas

composies eutticas ou hipereutticas, enquanto, para sees mais espessas, o carbono equivalente

deve ser menor ou igual a 4,20%, para se evitar a ocorrncia do defeito de flotao de grafita (29, 31, 32,

33, 34, 3640) e diminuir a tendncia a drosses (4145).

A reao euttica estvel nos ferros fundidos nodulares inicia-se com certo super-resfriamento

abaixo da temperatura do euttico, formando-se inicialmente a grafita, fase mais difcil de ser

nucleada (46, 47) que posteriormente envolvida por um invlucro de austenita, como foi claramente

mostrada por Weterfall, Fredriksson e Hilert (48).

O euttico estvel de ferros fundidos nodulares , portanto, divorciado, e a maior parte do

crescimento da grafita esferoidal durante a solidificao ocorre por difuso de carbono, do lquido

para a grafita, atravs de invlucro austenita.

O super-resfriamento durante a reao euttica depende do nmero de ncleos e da velocidade

de esfriamento (5, 11, 49, 50).

A partir da formao da austenita nas clulas eutticas, o crescimento da grafita nessas ligas

prossegue por difuso de carbono, do lquido para a grafita atravs da austenita, embora tenham sido

propostos outros modelos, como o de formao de clulas muito maiores, que seriam compostas por

vrios ndulos e austenita (51, 52), que apresentariam crescimento dendrtico (5356).

Durante a reao euttica estvel o cobre concentra-se na austenita das clulas, como tambm

ocorre com silcio, alumnio, nquel e cobalto (57, 58), enquanto o fsforo e os elementos promovedores

da formao de carbonetos so rejeitados para o lquido residual (5761).

Exames de microssonda eletrnica mostraram ainda que a concentrao de cobre ao redor dos

ndulos de grafita maior que na periferia das clulas eutticas (20).

Nas situaes em que ocorre o aumento do super-resfriamento para a reao euttica, a

temperatura do lquido residual pode tornar-se inferior a do euttico metaestvel (austenita +

carbonetos), tendo-se, assim, a possibilidade de formao desse produto de transformao de fase (22,

29, 32, 33, 46, 47, 61-66).

A inoculao e a velocidade de esfriamento tambm tm influncia na solidificao e, portanto,

na microestrutura e propriedades mecnicas de ferros fundidos nodulares.

Na solidificao, o aumento da eficincia da inoculao resulta em acrscimo o nmero de

partculas de grafita, obtm-se ndulos mais perfeito e diminui a tendncia formao de carbonetos

eutticos na microestrutura (1013).

O acrscimo da velocidade de esfriamento, que depende da espessura da seo da pea, da

temperatura de vazamento e da velocidade de extrao de calor pelo molde (5, 67), causa aumento do

super-resfriamento para a solidificao e, conseqentemente, resulta em maior nmero de ndulos e

menor dimetro mdio das partculas de grafita (49, 50, 61, 68).

A velocidade de esfriamento na solidificao tem ainda efeito na segregao, tanto dos

elementos que constituem a composio base, como dos elementos de liga (22, 69).

3. Efeitos do cobre na transformao eutetide em ferros fundidos.

3. 1. Regio da reao eutetide no diagrama de equilbrio.

A estrutura dos ferros fundidos nodulares ao se completar a solidificao constituda por

grafita esferoidal, austenita e incluses, desde que no tenha ocorrido a formao de carbonetos

eutticos e/ou steadita. A austenita possui um teor relativamente elevado de carbono e apresenta

sempre heterogeneidade de composio, e virtude da segregao que se verifica durante a

solidificao.

A seo do diagrama ternrio, mostrada na figura 1, corresponde ao resfriamento, sendo a

temperatura AT referente ai incio de nucleao da ferrita (eutetide estvel) partir da austenita e a

temperatura AT ao incio de formao de perlita (eutetide metaestvel).

O teor de carbono da austenita

corresponde ao eutetide em ferros fundidos

nodulares, sob condies de equilbrio, da

ordem de 0,65% a 0,70% (70). Dessa forma,

durante o esfriamento no estado slido, o

carbono rejeitado pela austenita desde o final

da reao euttica at o incio da transformao

eutetide, ou ento a austenita evidencia

supersaturao em carbono (71).

A solubilidade do carbono na austenita no

resfriamento no estado slido decresce com a

diminuio da temperatura, como se observa na

figura 1, ocorrendo, portanto, grafitizao, at

que seja atingida a temperatura do euttico

estvel (AT).

A diminuio da concentrao de carbono da austenita ocorre com a precipitao desse

elemento nas partculas de grafita j existentes entre os pontos A e B do diagrama mostrado na figura

1 e causa o aumento da espessura dessas partculas. A porcentagem de carbono que precipitada

nessa etapa de esfriamento corresponde cerca de 1% (72).

No resfriamento abaixo da temperatura AT verifica-se a precipitao adicional de carbono nos

ndulos de grafita, de acordo com a linha BC, at atingir a temperatura A1, para qual, sob condies

de equilbrio, toda a austenita se transforma m ferrita e grafita. por essa razo que se pode obter

matriz constituda exclusivamente por ferrita para baixas velocidades de esfriamento, situao que

corresponde a peas mais espessa, em que as condies de extrao de calor pelo molde so mais

prximas ao equilbrio.

As temperaturas crticas AT e A1 e o intervalo entre essas temperaturas so modificados pela

adio de elementos ao sistema Fe C Si. O carbono praticamente no tem influncia no intervalo entre as temperaturas AT e A1 (73, 74),

porque em ferros fundidos comerciais h sempre excesso de grafita presente. Outros elementos que

praticamente no tem efeito nas temperaturas dos eutetides so molibdnio, vandio e estanho (72, 74).

A figura 2 uma representao esquemtica do efeito do cobre nas temperaturas dos eutetides

estvel e metaestvel.

Figura 1 Representao esquemtica

de seo do diagrama Fe C 2% Si (72).

Figura 2 Representao esquemtica do efeito de teores crescentes de cobre

nas temperaturas dos eutetides estvel

e metaestvel em ferros fundidos (74).

O feito quantitativo do acrscimo da concentrao de cobre na diminuio das temperaturas de

transformao eutetide estvel e metaestvel para duas concentraes diferentes d mangans (0,01%

e 0,42%), mostrado na figura 3.

Verifica-se, na figura 4, que a temperatura de transformao eutetide diminui com o acrscimo

da concentrao de cobre.

Figura 3 Variao das temperaturas dos eutetides estvel e metaestvel em ferros fundidos

nodular com cerca de 3,6% C e 2,2% Si, para 0,01% e 0,42% Mn, em funo do teor de cobre (75).

Figura 4 Curvas de esfriamento para ferros fundidos nodulares com

3,7 C e 2,4% Si, para diferentes

teores de cobre (75).

3. 2. Caractersticas da transformao eutetide em ferros fundidos nodulares.

As reaes eutetides estvel e metaestvel em ferros fundidos nodulares ocorrem em

intervalos de temperatura que podem se sobrepor parcialmente, devido heterogeneidade de

composio da austenita, decorrente da segregao que se verifica durante a solidificao.

A transformao da austenita no estado slido tambm depende da inoculao e da velocidade

de esfriamento.

A influncia da adio de compostos grafitizantes a de promover o acrscimo da frao d

ferrita na matriz (10, 7678). Durante o resfriamento no estado slido as distncias para a difuso do

carbono na austenita diminuem com o aumento do nmero de ndulos, tendo-se m menor teor de

carbono na austenita nas regies prximas s partculas de grafita que resultar na formao de

maiores fraes de ferrita na matriz (42, 49, 50, 79, 80).

No estado slido o efeito do acrscimo da velocidade de esfriamento em ferro fundido

nodulares de aumentar a quantidade de perlita formada na reao eutetide. O tempo de

desmoldagem , portanto, uma varivel de processo que pode ser utilizada para controlar a matriz

metlica obtida (74).

As reaes eutetides em ferros fundidos so competitivas e constitui-se em processos

controlados por difuso de carbono, sendo as distncias envolvidas para a formao de ferrita muito

maiores que as correspondentes a perlita.

Em componentes produzidos industrialmente, como mencionado, o teor de carbono da austenita

da ordem de 0,65%, enquanto o correspondente a ferrita menor que 0,02% (70).

Desta forma, a formao de ferrita livre na microestrutura de ferros fundidos nodulares s se

verifica para baixos teores de carbono na austenita.

Se a transformao da austenita no tiver se completado antes que seja atingida a temperatura

do eutetide metaestvel (A1), tm se condies para ocorrer i incio da formao da perlita, que

cresce competitivamente com a ferrita.

A formao de ferrita depende ainda da velocidade de difuso do carbono na matriz. Para uma

dada temperatura, a velocidade de difuso do carbono na ferrita cerca de dez vezes maior que na

austenita, sendo, portanto, a difuso do carbono na austenita a etapa que controla a cintica da

transformao (70).

A velocidade de difuso de carbono na austenita diminui com o decrscimo da temperatura e

com a presena de elementos de ligas na composio dos ferros fundidos.

Ao se iniciar a formao de ferrita, a ocorrncia desse micro-constituinte exerce uma espcie de

barreira entre a austenita e a grafita, de modo que a formao adicional da ferrita passe a depender da

difuso de carbono da austenita para a grafita, atravs da camada de ferrita presente.

Evidentemente, em decorrncia da segregao dos elementos que constituem a composio

base e dos elementos de liga, a formao da ferrita livre a partir da austenita depende da composio

dessa fase junto aos ndulos de grafita.

Deve-se considerar ainda que a austenita geralmente se encontra super-saturada em relao ao

teor de carbono do equilbrio, o que indica a necessidade de que ocorra difuso ainda mais intensa de

carbono na austenita para verificar a formao de ferrita na transformao eutetide.

A formao de perlita favorecida pela presena de elementos de liga que exercem um ou mais

dos seguintes efeitos (70):

Aumentar a temperatura do eutetide metaestvel; Causar diminuio da velocidade de difuso do carbono na ausenta; Aumentar a concentrao de carbono na austenita, isto , a supersaturao de carbono nessa fase; Dificultar a deposio de carbono nas partculas de grafita.

A formao do eutetide metaestvel depende de teor mais elevado de carbono na austenita.

Nas condies de esfriamento que se verificam industrialmente tem-se supersaturao de carbono na

austenita, que tanto maior quanto mais elevada, forem as velocidades de esfriamento (70).

Para obter perlita na matriz de ferros fundidos nodulares, evidentemente, necessrio que haja

presena de austenita na microestrutura durante o intervalo entre as temperaturas dos eutetides

estvel e metaestvel, isto , na regio de coexistncia entre austenita, ferrita e grafita do diagrama Fe

C Si. Durante o esfriamento, sob condies de no-equilbrio, necessrio que se tenha presena de

austenita quando a temperatura passa a ser menor que A1. A formao de ferrita a partir da austenita

pode tambm ocorrer a temperaturas inferiores a A1, nas situaes em que se tm menores

velocidades de esfriamento.

A presena de austenita na matriz entre AT e A1 depende, principalmente, do teor de carbono

dissolvido nessa fase. A tendncia a se manter austenita retida entre essas temperaturas aumenta

quando se tm condies que dificultam a difuso do carbono, favorveis, portanto, para a obteno

de perlita na microestrutura, como o caso de elevadas velocidades de esfriamento e da presena de

partculas de grafita mais distantes entre si.

Por outro lado, para baixas velocidades de extrao de calor e tendo-se partculas de grafita

mais prximas entre si, como se verifica quando o mero de ndulos elevado, estabelecem-se

condies que favorecem a formao de ferrita livre. Para menores velocidades de esfriamento h

mais tempo para a difuso do carbono, enquanto, para partculas de grafita mais prximas entre si, as

distncias de difuso so menores.

3. 3. Formao e crescimento de ferrita e perlita na reao eutetide.

As microestruturas de ferros fundidos nodulares muitas vezes mostram a presena de reas de

ferrita livre ao redor dos ndulos de grafita. A formao de ferrita pode se verificar tanto pela

transformao direta da austenita como pela decomposio da perlita.

A transformao da austenita um processo controlado por difuso de carbono, ocorrendo a

formao e o crescimento inicial da ferrita na forma de um envoltrio esfrico em torno da grafita

nodular (71).

A formao de perlita inicia-se nos contornos de gro da austenita, principalmente e regies

intercelular, em virtude dos teores mais elevados dos elementos que esto presentes nessas regies,

devido segregao que se verifica na solidificao.

A perlita pode tambm se nuclear em incluses e na interface austenita/grafita (71). As colnias

de perlita crescem na forma de hemisfrios ou esferas, para frente ou lateralmente na austenita,

competindo com a ferrita, at que tenha e completado a transformao da austenita nos gros (71).

Nas microestruturas de ferros fundidos nodulares em que h presena de perlita verifica-se a

existncia d muita colnias, com diferentes espaamentos interlamelares. As reas de perlita com

maior espaamento interlamelar so as que se nuclearam inicialmente, correspondendo aos menores

super-resfriamentos. Com a diminuio da temperatura firmam-se ento colnias de perlita com

menor espaamento.

O acrscimo da velocidade de esfriamento no estado slido promove diminuio do

espaamento entre a ferrita e o carboneto na estrutura da perlita. O espaamento interlamelar da

perlita formada em ferros nodulares, para uma dada velocidade de esfriamento, depender ainda dos

efeitos dos elementos nas temperaturas de transformao.

O cobre promove o refino da perlita em ferros fundidos (21), de modo semelhante ao nquel,

sendo, nesse aspecto, menos eficiente que o mangans.

O efeito da velocidade de esfriamento na transformao da austenita fica evidenciado na

observao das curvas de transformao contnuas (diagramas TTT).

Para elevadas velocidades de esfriamento a regio do diagrama correspondente a ferrita no

alcanada, no sendo assim possvel formao de ferrita livre. Para menores velocidades de

esfriamento, a transformao da austenita inicia-se com a formao de ferrita, completando-se com a

formao de perlita.

A influncia do cobre e da maioria dos elementos de liga perlitizantes a de deslocar as curvas

de esfriamento contnuo para a direita (maiores tempos de transformao) e para menores

temperaturas. Dessa forma, atravs da adio de elementos perlitizantes, mesmo para menores

velocidades de esfriamentos, possvel diminuir e at evitar completamente a formao de reas de

ferrita livre na microestrutura (21).

3. 4. Seqncia da transformao eutetide em ferros fundidos nodulares.

A seqncia de reao eutetide em ferros fundidos nodulares foi examinada em alguns

trabalhos (8183).

A cintica de transformao de fase para um ferro fundido nodular com 3,6% C e 2,2% Si foi

estudada acompanhando-se a seqncia de transformao isotrmica para diferentes temperaturas (83).

Para temperaturas de transformao entre 750C e 722C constatou-se que a austenita se

transformava completamente em ferrita e grafita, no ocorrendo, portanto a formao do eutetide

metaestvel (83). Para temperaturas inferiores a 722C observou-se que o envoltrio de ferrita em

torno da grafita deixava de sr contnuo, havendo formao de perlita, ocorrendo, portanto, as duas

reaes eutetides (83).

Lalich e Loper (82) estudaram os efeitos de elementos de liga na cintica de transformao da

austenita em ferros fundidos nodulares com 4,45% a 4,55% de CE e 0,3% Mn, utilizando diferentes

teores de cobre e de outros perlitizantes.

A tcnica experimental consistiu na realizao de tmpera em gua de amostras

correspondentes a diferentes tempos transcorridos aps ter-se atingido, o resfriamento, a temperatura

de 760C, que correspondia, de acordo com a curva de esfriamento determinada por anlise trmica,

ao incio da reao eutetide (82).

A figura 5 mostra o procedimento experimental

utilizado para realizar as vrias experincias de tmpera

realizadas nesse trabalho (82).

O procedimento adotado, relativo obteno de

amostra para tempos crescentes, possibilitou acompanhar a

seqncia da transformao, correspondente a diferentes

instantes da recalescncia registrada na curva de

resfriamento.

Nos exames metalogrficos desses corpos-de-prova

foram determinadas as porcentagens de austenita residual,

ferrita e perlita formadas, verificando-se, ainda, as regies

em que havia se iniciado a formao desses dois

microconstituintes (82). As experincias relativas ao efeito de

cobre foram realizadas, alm do material base, para as

concentraes de 0,33%, 0,50% e 1,0% (82), sendo os

resultados na figura 6.

Figura 5 Representao esquemtica da tcnica de Tmpera utilizada para

examinar a transformao eutetide de

ferros fundidos nodulares (82).

Os resultados da figura 6 mostram que o crescimento da ferrita prosseguiu durante o intervalo

de tempo considerado nessa experincia, ocorrendo, portanto, simultaneamente ao crescimento da

perlita at que a transformao tivesse se completado, porm com menor velocidade (82).

Outro aspecto a destacar o de que a velocidade de crescimento da ferrita diminui com o tempo

transcorrido na temperatura de 760C, enquanto o crescimento da perlita se verifica com maior

velocidade (82).

Examinando-se o conjunto desses resultados, referentes a amostras temperadas com diferentes

tempos transcorridos aps ter-se atingido a temperatura de 760C verifica-se, para um dado tempo de

manuteno temperatura, que aumentando o teor de cobre diminui a quantidade de austenita retida,

aumenta a porcentagem de perlita e decresce a de ferrita.

Dessa forma, o acrscimo da

concentrao de cobre retarda a

transformao da austenita para ferrita,

ocorrendo o incio da formao de

perlita tambm para maiores tempos

transcorridos, o que uma evidncia

que o cobre diminui a velocidade de

difuso do carbono, que controla o

processo de crescimento do envoltrio

de ferrita, por favorecer a transformao

metaestvel.

Na produo de peas de ferros

fundidos nodulares em escala industrial

as condies so de esfriamento

contnuo, sendo, portanto importante

verificar a seqncia de transformao

da austenita para essa situao.

Assim, foram utilizados dois

ferros fundidos nodulares comerciais,

hipereutticos, sendo um material com

matriz quase totalmente ferrtica (liga F),

e o outro completamente perltico (liga

P), contendo mangans, cobre e cromo (81).

O estudo consistiu na utilizao de

vrios corpos-de-prova que foram

submetidos a aquecimento a 900C e

manuteno a essa temperatura por 1

hora, tendo-se um temopar em cada

amostra, de modo a possibilitar a

determinao da curva de resfriamento

por anlise trmica.

Os corpos-de-prova foram esfriados a partir de 900C, com duas diferentes velocidades, at

temperaturas preestabelecidas, quando ento se efetuava a tmpera em gua, para verificar o estgio

da transformao (81).

Examinando as microestruturas correspondentes as amostras temperadas a partir do trmino da

reao eutetide, esses autores (81) verificaram, tanto para a liga em que a matriz inicial era

predominantemente ferrtica como para o material totalmente perltico, que o acrscimo da

Figura 6 Variao das porcentagens de austenita, ferrita e perlita com o tempo a

760C para ferro fundido nodular

hipereuttico contendo diferentes teores

de cobre (82).

velocidade de resfriamento promovia diminuio da porcentagem de ferrita e aumento da quantidade

de perlita.

Foi tambm constatado, para uma dada velocidade de esfriamento, que as quantidades de

perlita presentes na estrutura foram maiores, como era de se esperar, na liga contendo maiores

porcentagens de mangans, cobre e cromo (81).

A transformao da austenita iniciava-se em temperaturas mais elevadas para a liga F, com a

formao de alguns gros de ferrita constituindo um envoltrio em torno dos ndulos de grafita,

prosseguia com o crescimento da ferrita, enquanto a formao de perlita s a partir de menores

temperaturas. A perlita comeou a se formar nas interfaces austenita / ferrita, que apresentaram maior

porcentagem desse micro-constituinte que nos contornos de gro de austenita. Constatou-se ainda, a

partir do incio da formao de perlita, que sua velocidade de crescimento era muito maior que a da

ferrita (81).

Para que se tenha uma avaliao quantitativa das temperaturas de formao dos produtos de

transformao da austenita para essa liga F verificou-se, a partir das curvas de esfriamento e dos

exames metalogrficos, que a formao de ferrita se iniciava a partir de 778C e a de perlita a partir

de 744C, completando-se a reao a 720C (81).

Esses autores realizaram tambm experincias de tmpera para a liga P, com matriz

inicialmente constituda por perlita, tendo verificado que a transformao da austenita nesse material

iniciava-se a uma temperatura menor, tambm com a formao de gros de ferrita junto aos ndulos

de grafita, seguindo-se o crescimento desses envoltrios (81). Com a diminuio da temperatura de

tmpera, observou-se o incio da formao de perlita, os contornos de gro de austenita.

Para temperaturas ainda menores verificou-se que a perlita tambm se apresentava, em menor

parcela, na interface austenita/ferrita, observando-se que o crescimento das reas de ferrita livre

prosseguiu ao longo de toda a transformao de fase d austenita, portanto simultaneamente

formao e ao crescimento da perlita, prosseguiu at o final da reao (1). A velocidade de

crescimento da perlita nessas experincias, foi cerca de 4 vezes maior que a da ferrita (81).

Para a liga P, examinando as curvas de resfriamento e os resultados das microestruturas

correspondentes a diferentes temperaturas de tmperas, verificou-se que a reao eutetide estvel se

iniciava a 750C, constatando-se presena de perlita na amostra temperada a 743C, enquanto para

718C a transformao da austenita j havia se completado (81).

Comparando-se os resultados das duas sries verifica-se que os elementos perlitizantes

presentes na liga P (mangans, cobre e cromo) retardaram a formao de ferrita, diminuram a

temperatura de incio de formao desse micro-constituinte e aumentaram a velocidade de

crescimento da perlita (81).

4. Efeito do cobre na microestrutura e propriedades mecnicas.

O cobre tem efeito grafitizante na solidificao de ferros fundidos nodulares, diminuindo

ligeiramente a tendncia de carbonetos eutticos na estrutura.

Esse elemento praticamente no tem influncia na forma da grafita obtida na fabricao de

componentes em ferro fundido nodular.

Na figura 7 mostrado o efeito do cobre na porcentagem de perlita presente na matriz metlica

para ferros fundidos nodulares com 3,7% a 3,8% C e 2,8% a 3,0% Si.

Aumentando-se a concentrao de cobre obtm-se quantidade crescente de perlita na matriz (20,

74, 8187) como mostrado na figura 7 e na figura 8, que ilustra ainda a influncia da velocidade de

esfriamento.

O cobre um forte perlitizante porque estabiliza a austenita, diminui o coeficiente de difuso

do carbono (82), aumenta a solubilidade do carbono nessa fase (82) e dificulta a deposio de carbono

nas partculas de grafita durante o esfriamento.

Na fabricao de peas de ferros fundidos nodulares ferrticos no estado bruto de fuso

importante limitar os teores de cobre aos residuais contidos na sucata de ao utilizada (em geral,

menores que 0,05%), embora algumas empresas operem com limites mais elevados.

Na produo de ferros fundidos

nodulares utilizam o cobre como elemento de

liga, a definio do teor necessrio para obter

as propriedades mecnicas especificadas para

uma dada pea depende tambm do carbono

equivalente, da eficincia da inoculao e da

velocidade de esfriamento. Como indicao

inicial, para a obteno de materiais com

matriz ferrtica perltica so geralmente necessrios teores da ordem de 0,10% a 0,30% (20, 74).

Nas aplicaes em que se requer matriz

perltica ferrtica, as concentraes se situam, aproximadamente, entre 0,30 e 0,50 a 0,60%,

enquanto teores mais elevados so geralmente

necessrios para se obter mais de 80% de perlita na

matriz (20, 74).

O aumento da porcentagem de cobre em ferros

fundido nodulares com matriz constituda de ferrita

e perlita resulta em acrscimo da dureza, como se

observa na figura 9, dos limites de resistncia

trao e de escamento e em diminuio do

alongamento (74), devido ao acrscimo da

porcentagem de perlita na matriz metlica.

Adies de cobre superiores s necessrias para obter matriz perltica em ferros fundidos

nodulares nos estados brutos de fuso causam fragilizao do material. O limite de escoamento e a

dureza continuam a aumentar, mas o limite de resistncia trao e o alongamento diminuem.

Figura 8 Efeito de diferentes teores de cobre na porcentagem de perlita presente na matriz de

ferros fundidos nodulares com 3,6 3,8% C e 2,4 2,6% Si corpos-de-prova cilndricos com

12,5,25,37,5 e 50 mm de dimetro (75).

Figura 7 Variao da porcentagem de perlita presente na matriz de ferros fundidos nodulares

hipereutticos com 3,7% a 3,8% C e 2,8% a 3,0

Si, para corpos de prova obtidos de blocos em

Y de 25 mm de espessura (20).

O aumento da concentrao de cobre causa acrscimo da temperatura de transio dctil frgil (88, 89) e diminuio no valor mximo de resistncia ao impacto para temperatura em que a

fratura dctil em nodulares recozidos (74).

Em ferros fundidos nodulares normalizados, teores crescentes de cobre de at cerca de 1,0%

resultam em aumento do limite de resistncia trao do limite de escoamento e da dureza, com

pequeno efeito na diminuio do alongamento.

O cobre tambm utilizado como elemento de ligas em ferros fundidos nodulares temperados e

revenidos e nos austemperados, principalmente por sua influncia na temperabilidade, deslocando as

curvas de transformao de fase direita. A influncia desse elemento menor que a de molibdnio

e a de nquel (90). Em nodulares temperados e revenidos os teores empregados so, em geral, de at

1,0% enquanto para os austemperados so da ordem de 0,3% a 0,7% sendo normalmente utilizado

em combinao com molibdnio.

5. Utilizao de cobre como elemento de ligas para a produo de ferros fundidos nodulares de

diferentes classes.

Em trabalho anterior (74) foram realizadas sries de experincias na Fundio da Schulz S.A.,

em Joinville (SC) com objetivo de avaliar a influncia do aumento do teor de cobre na microestrutura

e propriedades mecnicas de ferros fundidos nodulares.

Os resultados das anlises qumicas dos ferros fundidos nodulares obtidos nas experincias

realizadas so apresentados na tabela 1.

Tabela 1 Resultados das anlises qumicas das experincias realizadas (74).

Experincia C (%) Si (%) Mn (%) Cu (%) Mg (%) P (%) S (%)

1 3,63 2,63 0,13 0,05 0,040 0,04 0,008

2 3,65 2,55 0,12 0,23 0,038 0,04 0,011

3 3,64 2,60 0,13 0,37 0,035 0,03 0,012

4 3,61 2,58 0,13 0,58 0,036 0,04 0,010

5 3,65 2,49 0,13 0,76 0,037 0,03 0,011

Figura 9 Variao da dureza Brinell (HB) com o teor de cobre para ferros

fundidos nodulares hipereutticos com

3,7% 3,8% C e 2,8% a 3,0% Si. Corpos-

de-prova obtidos de blocos em Y de 25

mm de espessura (20).

Foram vazados blocos em Y de 25 mm de espessuras, realizando-se a desmoldagem aps

quatro horas do vazamento.

Os eixos metalogrficos foram efetuados os corpos-de-prova de trao que foram retirados dos

blocos em Y, verificando-se as formas de grafita presente na microestrutura e a constituio da

matriz metlica, avaliando-se as porcentagens de ferrita e perlita, por comparao com micrografias

de referncia.

Na tabela so mostrados os resultados dos exames metalogrfico e dos ensaios de trao

realizados em corpos-de-prova retirados dos blocos em Y. Os resultados das avaliaes de

microestrutura evidenciam que teores crescentes de cobre causaram aumento da frao de perlita na

matriz, o que confirma o efeito desse elemento, que diminui as temperaturas dos eutetides,

concentra-se na interface austenita/grafita, atuando como barreira para a difuso do carbono, e

diminui o coeficiente de difuso do carbono na austenita (72, 81, 82).

Tabela 2 Resultados da avaliao da porcentagem de perlita presente na matriz de resistncia trao (LRT), limite convencional de escoamento 0,2% (LE) e alongamento (A) para as experincias

realizadas (74).

Experincia Elemento de liga Perlita (%) LRT (MPa) LE (MPa) A (%)

1 0,05 % Cu 10 20 442 305 19,4

2 0,23 % Cu 30 40 495 335 17,2

3 0,37 % Cu 45 55 572 370 14,8

4 0,58 % Cu 70 80 660 412 10,5

5 0,76 % Cu 85 95 781 453 6,8

Foram obtidos matizes predominantes ferrticas para porcentagens de cobre de at 0,23%

enquanto para concentraes mais elevadas que 0,58% de cobre resultam microestruturas com maior

frao de perlita na matriz.

As figuras 10 a 12 mostram os valores de propriedades mecnicas trao (74). Observa-se na

figura 10 que o acrscimo do teor de cobre de 0,05% para 0,76% causou elevao do limite de

resistncia superior a 75%, obtendo-se 660 MPa para 0,58% e mais de 780 MPa para 0,76% de cobre.

Figura 10 Variao do limite de resistncia trao com o teor de

cobre (74).

O limite convencional de escoamento aumentou de 305 MPa, para 0,5% de cobre, para 453

MPa para 0,76% ultrapassando 350 MPa para 0,37% de cobre e 400 MPa a partir de 0,58%, como

evidencia a figura 11. Os valores de alongamento, mostrados na figura 12, diminuram de 19,6% para

6,8% com o aumento da porcentagem de cobre de 0,05% para 0,76%, tendo-se mais de 6,0% para

0,76%, e alongamento superior a 12% para teores de cobre de at 0,37%.

Aumentando-se a concentrao de cobre, conforme se observa nos resultados apresentados nas

figuras 10 a 12, ocorre acrscimo dos limites de resistncia e de escoamento e diminuio do

alongamento, em decorrncia do aumento da porcentagem de perlita presente na microestrutura.

Comparam-se, a seguir, os resultados de propriedades mecnicas trao obtida com os valores

mnimos estabelecidos nas Normas ABNT NBR 6918 (1981), Europia EN 1563 (1997), que

coincide com as normas DIN, BS, NF e UNI, ASTM A 536-84 (1993) e SAE 5434 (1986).

Para o teor residual de 0,05% de cobre os valores de propriedades mecnicas trao atendem

s especificaes das classes FE 36017 e FE 42012 ABNT, EN GJS 400 18 e EN GJS 400 15 EN, 60 40 18 ASTM e D400 (D4018) SAE.

Os valores de propriedades mecnicas estabelecidas para as classes FE 38017 e FE 42012

ABNT, EN GJS 400 18 e EN GJS 400 15 EN, 65 45 12 ASTM e D450 (D4512) SAE foram atendidos para a concentrao residual de 0,23% de cobre.

Para 0,37% de cobre os valores de propriedades mecnicas obtidos atendem s classes FE

50007 ABNT, EN GJS 450 10 e EN GJS 500 7 EN, 65 45 12 ASTM e D500 (D50006) SAE.

Figura 11 Variao do limite de escoamento 0,2% (LE) com o teor

de cobre (74).

Figura 12 Variao do alongamento (A) com o teor

residual de cobre (G2) (74).

Os valores de propriedades mecnicas estabelecidas para as classes FE 50007 e FE 60002

ABNT, EN GJS 450 10, EN GJS 500 7 e EN GJS 600 3 EN, 80 55 06 ASTM e D500 (D5006) SAE foram atendidos para 0,58% de cobre.

Para 0,78% de cobre os valores de propriedades mecnicas obtidos atendem s classes FE

60002 e FE 70002 ABNT, EN-GJS-600-3 e EN-GJS-700-2 EN, 80-55-06 ASTM e D500 (D5006),

D550 (D5504) e D700 (D7003) SAE.

Esses resultados de propriedades mecnicas trao, obtidos para ferros fundidos nodulares

com 3,61% a 3,65% C, 2,49 a 2,63% Si, cerca de 0,12% Mn evidenciam a possibilidade de produzir

ferros fundidos nodulares correspondentes a quase todas as classes estabelecidas nas principais

normas tcnicas internacionais utilizando adies controladas de cobre.

6. Consideraes finais.

Destacam-se os seguintes aspectos principais em relao aos efeitos de cobre em ferros

fundidos nodulares:

1. Na solidificao esse elemento grafitizante, no interfere na formao de grafita esferoidal e concentra-se na austenita do euttico.

2. Na transformao eutetide o cobre um forte perlitizante, estabiliza a austenita, aumenta a solubilidade do carbono nesta fase e promove o refino da perlita.

3. Aumentando o teor de cobre em ferros fundidos nodulares verifica-se que a porcentagem de carbono correspondente ao euttico deslocada para menores concentraes, ocorre aumento da

temperatura do euttico estvel e diminuio da correspondente ao metaestvel, reduzem-se s

temperaturas dos eutetides estvel e metaestvel e fica retardada a transformao da austenita

para ferrita e tambm para perlita.

4. O acrscimo da porcentagem desse elemento em materiais ferrticos perlticos resulta em aumento da dureza, do limite de resistncia trao e do limite de escoamento, e em diminuio

do alongamento e da resistncia ao impacto.

5. As concentraes geralmente recomendadas so: Nodulares ferrticos perlticos e predominantemente perlticos 0,1% a 0,8% de cobre. Nodulares normalizados 0,2 a 1,0% de cobre. Nodulares temperados e revenidos 1,0% de cobre mx., e Nodulares austemperados 0,3 a 0,7% de cobre.

6. Os resultados das experincias efetuados para ferros fundidos nodulares com 4,5% CE (3,6 3,7% C e 2,5 2,6% Si), com cerca de 0,12% Mn, referentes a teores residuais de 0,05% a 0,76% de cobre evidenciaram acrscimo da frao de perlita presente na matriz resultando em variao

gradativa das propriedades mecnicas.

7. possvel utilizar cobre como nico elemento de liga para obter ferros fundidos nodulares de praticamente todas as diferentes classes estabelecidas nas normas tcnicas ABNT, EN, SAE e

ASTM, para a composio final avaliada (3,61% a 3,65% C, 2,49% a 2,63% Si e cerca de 0,12%

Mn).

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ABIFA Fundio & Matria Primas. Ano XI / Fevereiro de 2008.

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