O ferro fundido nodular austenítico-ferrítico ou ferrro nodular austemperado (ADI) é um material extremamente interessante para os projetistas, devido às suas propriedades mecânicas[1, 2].

A alta resistência à tração deste material (entre 800 e 1.400 N/mm2), o seu elevado alongamento à ruptura (de até 10%), a sua boa resistência ao desgaste e propriedade de amortecimento possibilitam a otimização de componentes manufaturados em ferro fundido nodular, assim como a substituição de peças forjadas de aço e a sua utilização em novas aplicações[2-5].

Fig. 1 - Tampa dianteira fundida em ADI, destinada a um motor diesel com dez cilindros da Volkswagen

Fig. 2 – Matriz da microestrutura do ferro fundido nodular austemperado

Em virtude destas propriedades de alta resistência específica, o ferro fundido nodular austemperado assume uma importância crescente no que diz respeito à redução do peso dos fundidos, apesar da ascensão dos metais leves, materiais plásticos e compósitos [2]. Estas propriedades extraordinárias do ADI estão baseadas na matriz metálica composta de ferrita acicular e austenita estabilizada, com alto teor de carbono (figura 2)[6-8].

As propriedades mecânicas de resistência e alongamento à ruptura do ADI (ADI 900 ou ADI 1200) são ajustadas via tratamento

Fig. 3 – Influência do tipo de material sobre o mecanismo de desgaste e o tempo de vida útil da ferramenta (KT: profundidade da cratera; VBmáx: largura máxima da marca de desgaste; vc : velocidade de corte; f: avanço; ap : profundidade do corte; r: ângulo de ajuste; 0: ângulo livre; s: ângulo de inclinação; ferramenta: MCLNR 2525M 12; geometria da lâmina de corte: CNMA 120408)

térmico específico, após o processo de fundição, que consiste em uma austenitização, seguida de ausferritização. No entanto, apesar destas propriedades extraordinárias, este material deve transpor uma barreira bastante difícil: a usinagem mecânica pós tratamento térmico[4,9,10].

A usinagem mecânica do ferro fundido já foi pesquisada em numerosos estudos, os quais focaram basicamente os ferros fundidos cinzentos, vermiculares e nodulares comuns não submetidos ao tratamento térmico e com matriz microestrutural ferrítica, perlítica ou ferrítica-perlítica.

Em resumo, vale o princípio de que a usinagem mecânica destes materiais depende fortemente da quantidade e da forma da grafita.

A incorporação da grafita possibilita reduzir o atrito entre a ferramenta e a peça de trabalho. No entanto, neste caso a matriz da microestrutura

Fig. 4 – Influência da lubrificação de refrigeração sobre o tempo de vida útil da ferramenta de torneamento (rotação ao longo do perímetro externo) do ferro fundido nodular EN-GJS-700-2, do ADI 900 e do ADI 1200

metálica é interrompida, o que resulta em cavacos com formas mais favoráveis, em comparação com o aço, e em forças médias de usinagem mais baixas. A usinabilidade também é fortemente influenciada pela matriz da microestrutura metálica[11-17].

Estes conhecimentos relativos à usinabilidade, entretanto, são transferidos com restrições para o ferro fundido com microestrutura de matriz austenítica-ferrítica. A microestrutura ausferrítica não pode ser comparada com aquela dos ferros fundidos tradicionais.

O ADI é caracterizado por uma usinabilidade difícil[18-21]. A usinagem destes materiais antes do tratamento térmico seria uma solução otimizada, considerando-se a sua microestrutura geralmente ferrítica ou perlítica. No entanto, em virtude do tratamento

 

Fig. 5 – Influência do níquel e do molibdênio sobre o tempo de vida útil da ferramenta, em função da espessura de parede da peça de trabalho

 

térmico subsequente, seria difícil obter as tolerâncias e qualidades superficiais exigidas do componente acabado. Adicionalmente, os custos de fabricação seriam maiores, em razão da cadeia de processo mais dispendiosa.

Desta forma, uma usinagem antes e após o tratamento térmico revela-se pouco racional, por motivos econômicos e logísticos. Por este motivo, a tendência é a fabricação da peça bruta o mais próximo possível do contorno final e a execução da usinagem mecânica na peça já tratada termicamente[21].

A matriz ausferrítica muito fina do ADI também resulta em uma forte alteração da sua usinabilidade. Esta falta de conhecimentos em relação à usinagem mecânica deste material foi subestimada por muito tempo, o que levou à adoção de estratégias convencionais em sua usinagem, as quais na maioria vezes não foram comprovadas na prática[21].

Um projeto conduzido pela Associação de Pesquisa para Tecnologia de Fundição, da Alemanha, examinou as influências do material e do ferramental sobre a usinabilidade do ferro fundido nodular austemperado. Os resultados obtidos são relatados a seguir.

A usinagem (torneamento) do ADI

A matriz austenítica-ferrítica do ferro fundido nodular austemperado, que determina as suas propriedades mecânicas, pode ser ajustada pela temperatura de ausferritização.

Influência da resistência do material sobre a usinabilidade

A usinabilidade de um ADI 900 dúctil, ou seja, de um ferro fundido nodular ausferritizado em temperaturas elevadas, foi comparada com o torneamento de desbaste longitudinal do ADI 1200 de alta resistência, que foi envelhecido em temperaturas baixas. O ferro fundido nodular E N- GJ S- 00-2, sem tratamento térmico e com matriz perlítica, foi usinado como material de referência.

Os mecanismos de desgaste resultantes na usinagem a seco destes materiais foram analisados e os tempos de vida útil da ferramenta foram, em seguida, comparados.

Os ensaios foram realizados com pastilhas de corte negativas (β = 90°) de metal duro (WC-Co) do tipo HC-betaK20, revestidos com Ti(C, N)/Al . Foi utilizado 23um ângulo de corte efetivo de -6°, o qual é composto pelos ângulos de inclinação e de corte da ferramenta (figura 3).

Na usinagem do ferro fundido com matriz perlítica (E N-GJ S-700), a abrasão provocou um desgaste de flanco, que limitou o tempo de vida útil da ferramenta. Durante a usinagem do ADI 900, também ocorreu um desgaste por craterização profunda na proximidade da aresta de corte, assim como um desgaste de flanco provocado pela abrasão, o que aumentou significativamente o perigo de quebra da aresta de corte[7] .

Na usinagem do ADI 1200, foram observadas exfoliações do revestimento em dois terços da largura de contato da pastilha de corte. Estas exfoliações determinam o tempo de vida útil da ferramenta, devido à exposição do substrato de metal duro neste ponto, já que o ponto de partida para a quebra da aresta de corte se encontra neste local. A redução da velocidade de corte impediu a ocorrência destas exfoliações, mas também levaram a um desgaste de flanco e também a um desgaste por craterização na proximidade da aresta de corte.

A velocidade de corte exerce uma influência extremamente alta sobre o tempo de vida útil da ferramenta utilizada na usinagem do ferro fundido com matriz austenítica-perlítica[7, 21]. Com a utilização de uma emulsão como material de resfriamento e lubrificação, foi possível aumentar significativamente as velocidades de corte no torneamento de desbaste longitudinal.

A figura 4 ilustra a influência do lubrificante refrigerador, da velocidade de corte e da resistência do material sobre o tempo de vida útil da ferramenta.

O lubrificante refrigerador tem importância significativa sobre a usinagem do ferro fundido nodular austemperado, a qual aumenta de modo desproporcional com a elevação da resistência da matriz da microestrutura.

Na usinagem do ADI 1200, isso pode levar a um possível aumento de 33% do volume de cavaco por unidade de tempo, devido ao aumento da velocidade de corte, em comparação com a usinagem a seco. Outra consequência é o aumento de mais de 100% do tempo de vida útil da ferramenta, em condições constantes de corte.

Em geral, a formação de desgaste do lado da face de corte foi suprimida com o emprego da emulsão como material de resfriamento e lubrificação, de modo que a abrasão no flanco definiu o final do tempo de vida útil. Mesmo assim, houve um forte aumento das temperaturas na ferramenta com a elevação do desgaste, o que provocou um amolecimento do metal duro e a consequente deformação plástica da aresta de corte, com o quebra cavaco sob a ação das forças de usinagem.

A deformação plástica da aresta de corte de metal duro, devido ao aumento da temperatura de usinagem, em função do desgaste crescente, foi identificada como um mecanismo de falha decisivo. Portanto, estes estudos mostraram a necessidade de uma aresta de corte estável para o torneamento de desbaste do ferro fundido nodular austemperado, que seja capaz de suportar as altas solicitações termomecânicas.

Influência da espessura de parede sobre o tempo de vida útil da ferramenta

Com o aumento da espessura máxima de parede do componente produzido em ferro fundido nodular austemperado, é necessário elevar o tempo de permanência no banho de sal e, consequentemente, os teores dos elementos de liga (níquel e molibdênio).

Estes dois elementos aumentam a janela de processo do tratamento térmico, pois retardam a ocorrência de componentes indesejados na estrutura: a bainita e a perlita.

No entanto, o molibdênio também provoca a formação de carbonetos, contrariamente ao níquel, e exerce uma influência negativa sobre a usinabilidade, no caso de espessuras de parede grossas[22, 23]. Para a quantificação desta influência, foi realizada a fundição e o tratamento térmico de eixos ocos de ADI 900 (espessuras de parede 20 e 30 mm) e de eixos maciços (espessura de parede 60 e 90 mm e comprimento de 300 mm), com teores de molibdênio e níquel adaptados.

No caso da espessura de parede do eixo oco de 20 mm (diâmetro externo de 200 mm, diâmetro interno de 160 mm e 300 mm de comprimento), não foi necessário acrescentar níquel ou molibdênio para se alcançar uma estrutura homogênea (tempo de permanência no banho de sal: 50 min).

Com a espessura de parede de 30 mm (diâmetro externo de 200 mm e diâmetro interno de 140 e 300 mm de comprimento), a influência do molibdênio e do níquel foi examinada separadamente em duas variações de liga (tempo de permanência no banho de sal: 90 m).

Nos componentes com espessura de parede de 60 e 90 mm, foram examinadas três composições diferentes, com tempos de permanência no banho de sal de 130 e 170 min. Na primeira variante, foi acrescentado apenas níquel, enquanto na segunda foi adicionado apenas molibdênio. Já a terceira variante recebeu tanto níquel como molibdênio.

Em operações de torneamento longitudinais, foi analisado o tempo de vida útil médio da ferramenta e a sua dispersão, já que ela constitui um fator de avaliação importante em virtude das dispersões típicas do tempo de vida útil do ferro fundido. Os resultados destes estudos estão na figura 5.

Nos ensaios de torneamento de desbaste longitudinal, foi possível demonstrar que a dispersão do tempo de vida útil da ferramenta é duplicada a partir de um teor de molibdênio superior a 0,3%. Com um teor um pouco maior (0,4%), foi constatada uma queda do tempo médio de vida útil da ferramenta superior a 4 min, com uma dispersão simultânea dos valores acima do dobro.

Os ensaios foram realizados na usinagem a seco, com materiais de corte de metal duro do tipo K20 revestidos com Ti(C,N)/Al23 e um ângulo de corte efetivo de -6°. As pastilhas de corte usadas apresentaram um desgaste por craterização profundo na proximidade da aresta de corte, o qual é típico da usinagem a seco.

No caso de teores maiores de molibdênio (superiores a 0,3%), foi constatada uma quebra da aresta de corte, que não foi observada com baixos teores de níquel. Uma quebra da aresta de corte deste tipo pode ser explicada pela presença de carbonetos de molibdênio.

Influência da casca superficial do fundido sobre a usinabilidade do ADI

Nos componentes fundidos, existe uma crosta que deve ser removida na operação de desbaste. Isso tem importância enorme, especialmente no

 

Fig. 6 – Influência da casca superficial da peça fundida sobre as forças de usinagem e as formas de desgaste

caso do ferro fundido nodular austemperado, já que a operação de desbaste pode ser realizada antes do tratamento térmico, no material “macio”. O acabamento do componente com as dimensões finais é efetuada depois do tratamento térmico.

A influência da casca superficial da peça fundida sobre a usinabilidade foi examinada em ensaios de torneamento de desbaste longitudinal.

Nestes testes, o desgaste foi distribuído sobre uma área maior da aresta de corte. Isso pode ser atribuído à profundidade de corte oscilante, que ocorre em função das tolerâncias dimensionas da peça durante a sua usinagem (figura 6).

No desbaste longitudinal com as pastilhas de corte do tipo HC-K20 (γ = -1°) revestidas com Ti(C,N)/Al23, effficou evidente que era possível alcançar um desgaste de flanco comparável com aquele obtido na usinagem da matriz austenítica ferrítica com um resfriamento por inundação com emulsão.

Fig. 7 – Usinagem da casca da peça fundida em ADI, em operações de torneamento de desbaste

Na usinagem da casca superficial do fundido, foi observada ainda uma erosão maior na aresta de corte, tendo sido medidas oscilações maiores das forças de usinagem. As trincas múltiplas no final do trecho de contato, que foram identificadas nas pastilhas rotativas, podem ser atribuídas à carga térmica alternada, em virtude da profundidade de corte oscilante.

Com a variação específica dos materiais de corte de metal duro revestidos, foi possível aumentar os tempos de vida útil da ferramenta. Na figura 7, os tempos de torneamento de desbaste da casca superficial e da estrutura do núcleo são comparados.

Nos estudos relativos à influência da casca superficial da peça, foi constatada a possibilidade de se diminuir a tendência à erosão com a utilização de pastilhas de corte de metal duro do tipo K20, no lugar de pastilhas do tipo K15. Esta alteração resultou em um tempo de vida útil maior da ferramenta.

Conclusões

Na usinagem mecânica do ferro fundido nodular austemperado, a solicitação térmica das ferramentas é de suma importância, em razão da maior resistência deste material. Desta forma, o transporte de calor da zona de usinagem deve ser aprimorado.

As pastilhas com um maior ângulo de corte melhoram a usinagem do ADI, pois o calor da usinagem pode ser dissipado melhor através do substrato de metal duro. Além disso, a resistência contra a deformação plástica da aresta de corte aumenta.

O emprego de emulsão para a lubrificação e o uso de resfriamento durante a usinagem do ferro fundido nodular austemperado também é altamente recomendável, já que as velocidades de corte aplicáveis podem ser aumentadas em 50%.

No tratamento térmico, os elementos de liga níquel e molibdênio retardam a ocorrência de componentes indesejados na estrutura e possibilitam o ajuste da matriz da microestrutura austenítica-ferrítica em seções transversais mais espessas.

Nos ensaios realizados, um teor de molibdênio superior a 0,3% duplicou a dispersão do tempo de vida útil da ferramenta, enquanto teores superiores a 0,4% resultaram na queda do tempo médio de vida útil da ferramenta em mais de 4 min, com uma dispersão simultânea dos valores acima do dobro.

A influência constatada da casca superficial do fundido sobre o desgaste de flanco foi pequena, em comparação com a usinagem da estrutura do núcleo.

No entanto, na usinagem da casca superficial da peça, o perigo de erosão da aresta de corte e da ocorrência de trincas múltiplas aumentou. Consequentemente, é necessário utilizar materiais de corte mais tenazes, com um maior ângulo de corte para a usinagem da casca superficial da peça, em comparação com a usinagem da estrutura do núcleo.