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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: [email protected]

Defeitos de Fundição - Trincas

Ricardo Fuoco - Metso Minerals 2014

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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;

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TRINCAS POR SOBRECARGA

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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;

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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;

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1. Trincas por sobrecarga Comportamento Dúctil

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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);

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TRINCAS DE SOLIDIFICAÇÃO (“hot tear”)

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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;

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Ricardo Fuoco - Metso Minerals

2014

• Exemplos em peças de aço inoxidável martensítico:

2. Trincas de Solidificação Características das trincas de solidificação

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2014

• Exemplos em peças de aço baixa liga:


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2014

• Exemplos em peças de aço trincadas por falta de

colapso do macho:


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2014


colapso do macho:


Trinca interdendrítica

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2014


colapso do macho:


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2014


colapso do macho:


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2014

• Aspecto dendrítico característico de superfície de

trinca de solidificação em aço inoxidável martensítico:

2. Trincas de Solidificação Características metalográficas das trincas de solidificação

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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.

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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.

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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%.

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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);

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TRINCAS POR FRAGILIZAÇÃO (Nitretos de Al)

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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;

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

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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”)

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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).

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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)

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Com

fragilização

Sem

fragilização

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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);

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TRINCAS DE TÊMPERA (aço ao carbono e baixa liga)

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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;

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• 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

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2014

Camada inicial de

martensita Camada sub-

superficial austenítica t


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

(tendência a trinca de tempera)

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• 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

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

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4. Trincas de Tempera Severidade de diferentes meios de têmpera

Água + sal

Água

Água + polímero

Óleo rápido

Óleo lento

Menor

severidade

de tempera

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2014

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

Trinca de tempera

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2014


Trinca de tempera

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2014

200 x 800 x


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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;

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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;

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

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

revenimento

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

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5. Trincas por Fragilização do

Revenido Efeito do revenimento nas propriedades mecânicas

dos aços

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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).

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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

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5. Trincas por Fragilização do Revenido Fragilidade azul

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

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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.

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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);

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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);

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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;

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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);

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

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

Bruto de fundição

250x 500x

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Após tratamento térmico de solubilização

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Após tratamento térmico de solubilização inadequado

420x

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Re-precipitação de carbonetos durante o resfriamento em água após

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

75mm.

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

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Efeito da profundidade na re-precipitação de carbonetos

interface

200X

surface interface

500X

7 mm 50 mm

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Curva de resfriamento (água) para 120mm de espessura

Re-precipitação de

carbonetos

Tempo para re-

precipitação

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QUENCHING PERFORMANCE OF THICK MANTLES

carbide

reprecipitation zone

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Efeito da presença de Cr

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Efeito da presença do Mo

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

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

Transformações de fase no estado sólido

Fragilização

R corrosão

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• 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.

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Trincas típicas

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Trincas típicas

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Trincas típicas

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

fundição

100x 100x

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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.

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

+

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