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Defeitos de Fundição Trincas

• Ricardo Fuoco

Gerente Geral de Tecnologia de Fundição

Metso Brasil Indústria e Comércio Ltda

Fone: (015) 2102-1212

Email: ricardo.fuoco@metso.com

Defeitos de Fundição - Trincas

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014

Índice

– 4.3 - Trincas • Trincas por sobrecarga

• Trincas de solidificação (“hot tear”);

• Trincas por fragilização de nitretos de Al

• Trincas de têmpera

• Trincas por fragilização do revenido

• Trincas por re-precipitação de carbonetos (aço Hadfield)

• Trincas por fase sigma (inox duplex e superduplex);

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014 2

Trincas

3 Defeitos de Fundição - Trincas

Trincas em peças fundidas

Observações importantes para classificação das causas das trincas:

1. Posição da trinca (o esforço que promoveu a ocorrência da trinca é perpendicular à direção de propagação);

2. Aspecto da superfície fraturada (marcas, cor, presença de “shear lip”, tipo de fratura);

3. Existência de outros defeitos na superfície da fratura;

TRINCAS POR SOBRECARGA

1. Trincas por sobrecarga Carga dinâmica (fadiga)

CARACTERÍSTICAS:

1. Superfície lisa;

2. Evolução radial (circunferencial);

3. Geralmente apresenta ”marcas de praia”;

4. Quando observada com grande aumento (acima de 500x) apresenta formação de estrias;

1. Trincas por sobrecarga Comportamento Dúctil

CARACTERÍSTICAS:

1. Superfície não brilhante;

2. Fratura da borda a 45° (“shear lip”);

3. Quando observada com grande aumento (acima de 300x) apresenta formação de alvéolos;

1. Trincas por sobrecarga Comportamento Dúctil

1. Trincas por sobrecarga Comportamento Frágil

CARACTERÍSTICAS:

1. Superfície brilhante;

2. Presença de “marcas de sargento” que apontam para o ponto de origem da trinca;

3. Quando observado com grande aumento (acima de 300x) apresenta formação de clivagens (material de baixa ductilidade);

TRINCAS DE SOLIDIFICAÇÃO (“hot tear”)

2. Trincas de Solidificação

CARACTERÍSTICAS:

1. Trincas sem ramificações, tipicamente em pontos quentes da peça;

2. Superfície de fratura escurecida, com evidências de estrutura dendrítica;

3. Trinca parcialmente fechada, com presença de sulfetos alinhados;

Ricardo Fuoco - Metso Minerals

• Exemplos em peças de aço inoxidável martensítico:

2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação

• Exemplos em peças de aço baixa liga:

• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de

colapso do macho:

Trinca interdendrítica

colapso do macho:

• Aspecto dendrítico característico de superfície de

trinca de solidificação em aço inoxidável martensítico:

2. Trincas de Solidificação Características metalográficas das trincas de solidificação

MECANISMO DE FORMAÇÃO:

Ocorrem durante a solidificação da peça fundida, particularmente quando a maior parte da peça já está solidificada, a menos dos pontos quentes.

As regiões sólidas sofrem contração com o resfriamento, tendendo a reduzir suas dimensões em direção aos machos. Como os machos são fabricados com misturas areia/resina de elevada resistência à quente, ocorre uma restrição à contração da peça.

Estes esforços internos da peça podem levar à fratura das regiões semi-sólidas (pontos quentes).

Com a ocorrência da trinca, pode haver um preenchimento parcial ou total da trinca com o metal líquido segregado (de final de solidificação) que apresenta elevados teores de fósforo e enxofre. Assim, a trinca re-enchida fica marcada na microestrutura por alinhamento de sulfetos.

A ocorrência de trincas de solidificação é mais comum em aços que apresentam solidificação do tipo pastosa como os aços ao carbono e baixa liga com teor de carbono entre 0,20 a 0,30%.

AÇÕES PARA REDUZIR A INCIDÊNCIA DO DEFEITO:

1. Diminuir a diferença entre tempos de solidificação da peça fundida (diminuir pontos quentes);

2. Diminuir a restrição à contração causada pelos machos utilizando de resinas de menor resistência à quente e maior colapsibilidade;

3. Diminuir a restrição à contração causada pelos machos promovendo o enfraquecimento da estrutura dos machos (alívios mecânicos, uso de partes em isopor, etc);

TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Nitretos de Al)

3. Trincas por nitretos de Al

CARACTERÍSTICAS:

1. Trincas sem ramificações;

2. Superfície de fratura extremamente lisa e marcada total ou parcialmente pela macroestrutura bruta de fundição (estrutura de austenita original);

3. Típica de peças de grande espessura;

3. Trincas por nitretos de AL Formação de nitretos de Al (fratura tipo “rock candy”)

Ataque superficial para avaliação da precipitação de AlN

ASTM A 703 - HCl em água (1:1)

3. Trincas por nitretos de Al Formação de nitretos de Al (fratura tipo “rock candy”)

As trincas do tipo “rock candy” são formadas pela segregação de nitretos de alumínio para os contornos de grãos originais de austenita.

A maior ocorrência deste fenômeno é observada em aços fundidos com elevados teores de alumínio e de nitrogênio residual não fixados, associado a peças grossas (que apresentam pequena velocidade de solidificação).

Quanto menores forem as velocidades de resfriamento, maiores serão os grãos de austenita e maior será a segregação de nitretos de alumínio.

A formação da trinca ocorre com o material “fragilizado” pela segregação de nitretos de alumínio, associado a tensões internas, geralmente oriundas de tratamentos de têmpera e revenimento em baixa temperatura (típico em aços de alta resistência)

fragilização

1. Diminuir o teor de alumínio residual;

2. Promover a fixação do nitrogênio na forma de nitretos estáveis através da adição de Ti ou Zr;

3. Aumentar a velocidade de resfriamento de peças grossas através do uso de materiais de moldagem com maior coeficiente de transmissão de calor (areias de zirconita e cromita);

TRINCAS DE TÊMPERA (aço ao carbono e baixa liga)

4. Trincas de Tempera

CARACTERÍSTICAS:

1. Trincas com ramificações;

2. Ocorrem perpendicularmente à superfície da peça, não alcançando a região central da peça;

3. Trinca pode ser recoberta por óxido (escurecida), caso a peça receba tratamento de revenimento;

4. Trinca é do tipo frágil e com propagação intergranular;

• A distorção provocada no reticulado CFC da austenita para formar o reticulado TCC da martensita é maior quanto maior for o teor de carbono.

• A variação volumétrica que acompanha a transformação austenita martensita é da ordem de 3 a 6% e é sempre acompanhada por tensões residuais.

4. Trincas de Tempera Trincas de tempera

Camada inicial de

martensita Camada sub-

superficial austenítica t

4. Trincas de Tempera Efeito do teor de C na deformação da martensita

(tendência a trinca de tempera)

• A gênese das trincas de têmpera pode ser resumida em:

– forma-se uma camada inicial de martensita;

– com a resfriamento, as camadas de austenita sub-superficiais sofrem a transformação martensítica com um atraso em relação a camada inicial;

– estas transformações posteriores (com expansão volumétrica) impõem tensões de tração sobre a camada inicial, que pode resultar em trincas, se estas tensões ultrapassarem o limite de resistência.

4. Trincas de Tempera Mecanismo de formação de trincas de tempera

4. Trincas de Tempera Severidade de diferentes meios de têmpera

Água + sal

Água + polímero

Óleo rápido

Óleo lento

severidade

de tempera

4. Trincas de Tempera Aspecto da superfície de fratura de trincas de tempera

Trinca de tempera

200 x 800 x

Reduzir a eficiência de extração de calor do meio de têmpera para peças de grande espessura de aços ao carbono e baixa liga (água aditivada com polímeros ou óleo são os meios de têmpera mais indicados);

Reduzir o teor de carbono dos aços;

Proceder ao tratamento de revenimento imediatamente após o resfriamento da têmpera;

Utilizar temperaturas de revenimento que efetivamente reduzam as tensões internas promovidas pela têmpera (atenção para as temperaturas de fragilização);

Estufas de revenimento que trabalham em baixas temperaturas exigem uma enérgica circulação de ar para garantir a homogeneidade de temperatura;

TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Revenido em aços ao carbono e baixa liga)

5. Trincas por Fragilização do Revenido Dureza em aço baixa liga temperado em função da temperatura de

revenimento

5. Trincas por Fragilização do Revenido Curvas de revenimento de aços com diferentes teores de C

5. Trincas por Fragilização do

Revenido Efeito do revenimento nas propriedades mecânicas

dos aços

5. Trincas por Fragilização do Revenido Estágios do revenimento

• Estágio I (entre 100 e 200°C) – Alívio de tensões e formação de clusters de C (nas discordâncias)

• Estágio II (entre 200 e 300°C) – Transformação da austenita retida em ferrita + cementita, além da precipitação de carbonetos de transição (épsilon).

• Estágio III (entre 300 e 650°C) – transformação de carbonetos de transição e da martensita de baixo carbono em ferrita + cementita. Até cerca de 400°C os carbonetos são alinhados e fragilizam o aço (fragilidade azul). Acima desta temperatura os carbonetos sofrem esferoidização.

• OBS - entre 400 e 500°C – Precipitação de impurezas (P, Sb, As, Sn) facilita a decoesão de contornos de grãos de austenita (fragilidade reversível).

5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade azul

• Entre 300 e 400°C a precipitação de carbonetos alinhados causa uma fragilização da martensita revenida

350°C

5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade azul

• Entre 300 e 400°C a precipitação de carbonetos alinhados causa uma fragilização da martensita revenida

5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade reversível

• Fragilização reversível entre 400 e 500°C pela segregação de impurezas (P, As, Sn e Sb) em contornos de grãos de austenita.

• Esta fragilização pode ser eliminada por um novo tratamento de revenimento a temperaturas superiores a 550°C.

• A presença de Mo minimiza este mecanismo.

• Recomenda-se resfriar rápido as peças após revenimento.

5. Trincas por Fragilização do Revenido

CARACTERÍSTICAS:

1. Superfície brilhante;

2. Presença de “marcas de sargento” que apontam para o ponto de origem da trinca;

3. Quando observado com grande aumento (acima de 300x) apresenta fratura parcialmente intergranular (alguns contornos de grãos fragilizados);

1. Entre 250 e 400°C - Precipitação de carbonetos em contornos de agulhas de martensita;

2. Entre 400 e 500°C - Precipitação de P, As, Sb, Sn em contornos de grãos de austenita (reversível e a cinética de precipitação pode ser reduzida com Mo);

Evitar revenimento na zona de fragilização, ou seja, baixas temperaturas (<230°C) ou altas temperaturas (>550°C);

Reduzir a presença de impurezas como P, As, Sb, Sn e utilizar adições de Mo;

5. Trincas por Fragilização do Revenido Procedimentos para Fabricação de Aços de Alta Resistência

Mecânica

1. Selecionar aço com cerca de 0,20%C, têmpera em água, seguido de revenimento a 230°C por vários dias - RISCO PRINCIPAL - quebras devido ao pouco alívio de tensões durante o revenimento (dureza típica ~400HB);

2. Selecionar aço com cerca de 0,30%C, têmpera em água, seguido de revenimento a 600°C por algumas horas - RISCO PRINCIPAL - ocorrência de trincas de têmpera (dureza típica ~350HB);

TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield)

6. Trincas por re-precipitação de carbonetos em aço Hadfield

Bruto de fundição

250x 500x

Após tratamento térmico de solubilização

Após tratamento térmico de solubilização inadequado

Re-precipitação de carbonetos durante o resfriamento em água após

solubilização a 1060°C devido à falta de temperabilidade. e) 25mm e f)

Efeito da cobertura de contornos de grãos por carbonetos na resistência ao impacto

Efeito da profundidade na re-precipitação de carbonetos

interface

surface interface

7 mm 50 mm

Curva de resfriamento (água) para 120mm de espessura

Re-precipitação de

carbonetos

Tempo para re-

precipitação

QUENCHING PERFORMANCE OF THICK MANTLES

carbide

reprecipitation zone

Efeito da presença de Cr

Efeito da presença do Mo

TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Fase sigma em inox duplex e superduplex)

7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex

Transformações de fase no estado sólido

Fragilização

R corrosão

• Devido à precipitação de fases intermetálicas (carbonetos, fase sigma e fase alfa linha) durante a solidificação e resfriamento no molde, os aços duplex apresentam fragilidade no estado bruto de fundição.

• Além da fragilização, a decomposição da ferrita delta em fase sigma + austenita parece estar associada à expansões volumétricas, levando à formação de trincas.

• A técnica mais comum para previnir ou minimizar a ocorrência destas trincas é a desmoldagem a quente das peças seguida de resfriamento rápido em água.

Trincas típicas

7. Trincas por precipitação de fase sigma em inox duplex e superduplex Microestrutura bruta de

fundição

100x 100x

Tratamento de solubilização

• O tratamento térmico de solubilização é utilizado para promover a dissolução dos precipitados indesejáveis e ajustar a relação entre ferrita e austenita na microestrutura. Este tratamento é feito em torno de 1100°C seguido de resfriamento brusco em água, de modo a prevenir novas precipitações de fases durante o resfriamento.

• Para peças muito espessas são esperadas precipitações de fases nas regiões de maior massa.

Microestrutura bruta de fundição (a) e após solubilização (b)

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