A fabricação do ferro fundido vermicular

Este trabalho aborda as vantagens e algumas aplicações do ferro fundido vermicular, dando ênfase à sua produção por meio da combinação de um pré-condicionamento e tratamento com arame com baixo teor de magnésio. Também são feitas comparações entre o FoFo vermicular e os ferros fundidos nodular e cinzento.


Werner Maschke e Manfred Jonuleit são da ASK Chemicals Metallurgy, da Alemanha. O artigo Herstellung von Gusseisen mit Vermiculargraphi foi originalmente publicado na revista Giesserei no 100, de 2013, págs. 98 a 104. Repro dução autorizada p elo editor. Tradução de Themistocles Rodrigues Júnior.

Data: 03/07/2017

Edição: FS Maio 2017 - Ano - 27 No 293

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Fig. 1 Estrutura do ferro fundido vermicularnodular, conforme a ISO 16112 com diferentes porcentagens de grafita

O desenvolvimento do ferro fundido vermicular (GJV) aconteceu simultaneamente ao do ferro fundido nodular (GJS). Isso porque o FoFo vermicular surgiu como uma forma indesejada da grafita ao se fabricar o FoFo nodular.
A sua importância para a produção de componentes resistentes à temperatura e à fadiga térmica, no entanto, só se tornou evidente mais tarde.
As vantagens práticas do ferro fundido vermicular, cujas propriedades situam-se entre as do ferro fundido nodular e do cinzento, logo foram reconhecidas.
Ao se comparar o FoFo vermicular com o nodular, temos um coeficiente de dilatação mais baixo, uma maior condutividade térmica, melhor comportamento à fadiga térmica, um módulo de elasticidade mais baixo, menor tendência à distorção em temperaturas elevadas, melhor capacidade de amortecimento e boa fundibilidade.
A sua confrontação com o ferro fundido cinzento revela uma menor dependência das propriedades da espessura de parede, menor tendência à oxidação com um crescimento menor em altas temperaturas, maior resistência sem elementos de liga, maior ductilidade e tenacidade.
Desta maneira, o ferro fundido vermicular é especialmente indicado para a fundição de peças submetidas a temperaturas elevadas e também a alterações da temperatura.
Nesse sentido, destacam-se blocos de motor, coletores dos gases de descarga e turboalimentadores, discos de embreagem, discos de freio, peças hidráulicas, panelas de escória e moldes para vidro.
Trabalhar com o ferro fundido vermicular, entretanto, requer altos requisitos das fundições.

Processo de fabricação do FoFo vermicular

Uma condição fundamental para a produção de peças em ferro fundido vermicular é a con servação de parâmetros uniformes em todos os passos do processo, desde a análise do ferro base até o vazamento.

Fig. 2 -Influência do titânio sobre o ferro fundido vermicular

O estado atual da técnica de fabricação do FoFo vermicular compreende as seguintes variantes:

Propriedades mecânicas do FoFo vermicular

Fig.3 Estação de tratamento com arame, parafabricação de ferro fundido vermicular

Da mesma forma que o ferro fundido nodular, os valores mecânicos da versão vermicular também podem ser determinados a partir de corpos de prova fundidos separadamente, em conjunto ou que foram extraídos do componente.
A tabela 1 mostra as propriedades mecânicas exigidas no memorando VDG, enquanto a tabela 2 reúne os valores característicos da norma ISO 16112.
Os dados relativos à dureza Brinell HB são semelhantes na norma e no memorando, mas pequenas diferenças nas outras propriedades devem ser consideradas.
Em relação à formação da grafita, é necessário cumprir principalmente as exigências dos clientes. Em princípio, não deve haver qualquer grafita lamelar.
Segundo a norma ISO, são exigidos 80% de grafita vermicular (forma da grafita III) e são admissíveis 20% de grafita nodular (forma da grafita V e VI). Porém, outras proporções, como por exemplo 90/10 ou 60/40 também podem constar das especificações de fornecimento.
Geralmente, a proporção na formação da grafita é especificada pelo cliente.
A ausência de grafita lamelar é um fator decisivo em todos os tipos de ferro fundido vermicular.
A figura 1 apresenta as estruturas do ferro fundido vermicular conforme a ISO 16112, evidenciando a formação da grafita com diferentes porcentagens de grafita vermicular e nodular.
Os fornecedores de ferro fundido vermicular devem observar que a avaliação da grafita só é realizada em micrografias não atacadas.
Em relação à estrutura da matriz metálica do ferro fundido vermicular GJV-300, é possível basear-se principalmente na matriz ferrítica.
No ferro fundido vermicular GJV350 existe uma estrutura ferrítico-perlítica, enquanto as versões GJV-400, GJV450 e GJV-500 apresentam principalmente estrutura perlítica.

Aspectos da fabricação de fundidos com arame de núcleo e material de enchimento

Teores de enxofre e titânio

O teor de enxofre assume um papel decisivo no ajuste da análise inicial. O mais indicado para o ferro fundido vermicular são valores de 0,010% a 0,012% no ferro base.
Quando o teor de enxofre é inferior a 0,010%, é possível efetuar a correção com a adição de sulfeto de ferro (FeS).
No caso de valores superiores a 0,012%, a correção é feita com a preparação da carga. A falta de observação pode provocar rapidamente a formação da indesejada grafita lamelar ou resultar em proporções elevadas de grafita nodular.

Fig.4 Exemplo I da estrutura de um ferro fundido vermicular (ampliação 100:1 não atacada)

Fig 5 Exemplo II da estrutura de um ferro fundido vermicular (ampliação 100:1 não atacada)

O titânio é outro elemento indicado, visto que ele é um elemento perturbador para a formação da grafita nodular.
O efeito perturbador deste elemento pode ser útil na fabricação do ferro fundido vermicular, uma vez que altera a grafita nodular, tornando-a muito parecida com a grafita vermicular.
O emprego do titânio ocorre particularmente em coletores dos gases de descarga, nos quais existe a possibilidade da formação de nódulos de grafita indesejados, em virtude do resfriamento rápido com uma espessura de parede fina, mesmo com baixíssimos teores de magnésio.
Os teores de titânio podem oscilar entre 0,06% e 0,020%.
Ao se utilizar este elemento, no entanto, é possível que ocorra a formação de carbonetos, o que pode causar problemas na usinagem, devido ao desgaste da ferramenta.
Como as fundições que trabalham com o ferro fundido vermicular geralmente também produzem peças em ferro fundido nodular, é absolutamente necessário separar os materiais reciclados, pois a contaminação por titânio pode ter consequências sérias.
Quando possível, o recomendável é evitar o seu emprego. Atualmente, blocos de motor e um grande número de placas de compressão são fabricados de modo bem-sucedido sem o uso de titânio.
Nos casos em que é preciso utilizálo, a adição de ferro-titânio deve ser efetuada na unidade de fusão.

Pré-condicionamento

Os teores de enxofre presentes no ferro base são conhecidos, mas o mesmo não ocorre com relação ao oxigênio no banho fundido, embora ele desempenhe um papel decisivo na fabricação do ferro fundido nodular e ainda mais no vermicular.
Como o oxigênio consome duas vezes mais magnésio do que o enxofre, o seu teor deve ser baixo.
O ajuste de baixos valores totais de oxigênio e oxídulo (nódulo de óxido) antes do tratamento com magnésio é importante para a fabricação do ferro fundido vermicular.
No caso de altos teores presentes no banho fundido, sempre existe o risco do magnésio ser convertido em óxido de magnésio (MgO) ou sulfeto de magnésio (MgS), com a adição da mesma quantidade que resulta na formação de lamelas indesejadas.
Por meio de um pré-condicionamento com VL(Ce)2 (ASK Chemicals), por exemplo, é possível reduzir o teor total de oxigênio e oxídulo no banho. A adição é realizada durante o vazamento, antes do tratamento com magnésio. Além da redução dos teores de oxigênio, também é promovida a formação de sulfetos Cer-Oxi, os quais agem como germes e ainda são reforçados com a presença de manganês e zircônio.
Um teor total de oxigênio em torno de 30 ppm e de oxídulo entre 1 e 2 ppm são boas condições para o tratamento bem-sucedido do ferro fundido vermicular.
Exames realizados revelaram teores totais de oxigênio de 22 ppm em uma medição, e de 24 ppm em outra, após um pré-condicionamento e antes do tratamento com baixo teor de magnésio.

O tratamento com arame

Fig. 6 Exemplo III da estrutura de um ferro fundido vermicular (ampliação 50:1 não atacada)

Após o pré-condicionamento durante o vazamento, é feita a transferência da panela para a estação de tratamento com arame (figura 3).
Caso exista uma quantidade excessiva de escória na superfície do banho, é necessário removê-la antes do tratamento com magnésio. Para este tratamento, a AS K Chemicals desenvolveu arames especiais.
Com teor de enxofre inicial de 0,010% a 0,012%, faz-se necessário adicionar 8 a 10 m de arame/t. Isso significa 3 a 4 kg de arame/t.
Com um teor de material de enchimento ao redor de 60% do peso total do arame, o peso do agente de tratamento alcança 1,8 a 2,4 kg/t. Os tempos de tratamento chegam a 20 a 30 s. Após o tratamento com magnésio, é a vez de remover a escória.
A inoculação pode ser realizada durante a transferência para o equipamento de vazamento.
O agente de inoculação SRF 75, com baixo teor de alumínio, é apropriado para o ferro fundido vermicular.
As temperaturas de vazamento alcançam geralmente 1380°C a 1420°C, como é o caso dos platôs de embreagem.
Os coletores dos gases de descarga fundidos na liga GJV-SiMo naturalmente requerem temperaturas de vazamento maiores.
Os tempos de vazamento para uma carga de 1 t, por exemplo, não devem exceder 10 min. Isso devido ao efeito de desvanecimento, que pode exercer uma influência negativa sobre a formação da grafita.
Quando a fusão diária de ferro fundido nodular, cinzento e vermicular é feita no mesmo forno, deve-se obedecer à seguinte sequência: primeiro o nodular, depois o vermicular. Este último não deve ser produzido depois do ferro fundido cinzento, quando se usa o mesmo forno de vazamento.
A melhor opção é utilizar equipamentos de vazamento que produzam apenas o ferro fundido vermicular, evitando assim eventuais misturas.

Exemplos de fabricação do FoFo vermicular, com arame de baixo teor de Mg

Fabricação do GJV-350, com teor de Ti

Fabricação de GJV, com Rm > 385 MPa e 0,10% Ti

Fabricação de GJV-SiMo, Rm mín. m= 400 MPa, A mín. = 3% e Ti máx. = 0,20%

Métodos de teste de fabricação do FoFo vermicular

Mesmo com todos os ensaios automáticos, o fundidor deve conhecer os seguintes critérios entre os ferros fundidos vermicular e cinzento, para efetuar a avaliação.

Características gerais do FoFo vermicular

Características gerais do FoFo cinzento

Sendo assim, a estrutura do ferro fundido cinzento pode ser controlada por meio dos seguintes métodos:

Conclusões

O tratamento sem o uso de arames com magnésio não pode mais ser empregado nas fundições de ferro.
Determinados arames são bem apropriados para a fabricação de peças em ferro fundido vermicular e nodular.
O processo abordado neste trabalho para a fundição de FoFo vermicular, com pré-condicionamento, resulta em valores reduzidos de oxigênio total e de oxídulo, além de criar boas condições metalúrgicas para o tratamento com arame de baixo teor de magnésio.
A combinação do pré-condicionamento com VL(Ce)2 e tratamento com arame de baixo magnésio consiste em um método seguro e eficaz para a fabricação de peças em ferro fundido vermicular, a exemplo de volantes, discos de embreagem e de freio, e coletores dos gases de descarga.