Ledelse og kompetanse

As ligas de ferro-carbono se dividem em dois grandes grupos: aços e ferros fundidos. Os aços são ligas que têm em sua composição teores de carbono inferiores a aproximadamente 2,0%, enquanto os ferros fundidos são ligas que contêm basicamente ferro, carbono e silício, com teores de carbono superiores a 2,0%, quantidade superior à que pode ser retido em solução sólida na austenita. Como resultado, forma-se carbono parcialmente livre, na forma de grafita. Os principais tipos de ferros fundidos são: branco, cinzento, maleável, mesclado, nodular e vermicular (COLPAERT, 1974; CHIAVERINI, 2002; DA SILVA, 2007).

Os elementos que mais influem na estrutura dos ferros fundidos são o carbono e o silício. O carbono determina a quantidade de grafita que se pode formar e o silício é essencialmente elemento grafitizante, favorecendo a decomposição do carboneto de ferro. A quantidade de silício presente pode determinar a classificação do ferro fundido em cinzento ou branco. O manganês tem efeito oposto ao do silício. É estabilizador da cementita (carboneto de ferro) e assim, compensa, de certo modo, a ação grafitizante do silício. Outros elementos como o fósforo e o enxofre não têm uma ação muito significativa sob o ponto de vista de tendência grafitizante. Porém, o fósforo é um estabilizador relativamente forte da cementita, com ação na estrutura do material porque forma com o ferro e o carbono um composto de natureza eutética, chamada esteadita (CHIAVERINI, 2002; DA SILVA, 2007). O ferro fundido é um material muito empregado na indústria devido ao seu baixo custo, boa usinabilidade e fundibilidade, além da possibilidade de obtenção de um material com boas propriedades mecânicas, através da adição de elementos de liga e ou tratamentos térmicos adequados. Na indústria automobilística, devido a estes fatores os ferros fundidos têm sido utilizados em grande escala, compondo sistemas de freios, suspensão, girabrequins, blocos

e cabeçotes de motores, dentre outros (CHIAVERINI, 2002; CANALE, 2005; DA SILVA, 2007). A atual busca da indústria automotiva pelo aumento da eficiência de motores, principalmente a diesel, com tamanhos cada vez menores, permitiu a obtenção de desempenhos superiores associados à diminuição das emissões de poluentes e operação mais silenciosa. De uma maneira geral, esses aperfeiçoamentos baseiam-se em maiores taxas de compressão e maiores temperaturas de trabalho, que sujeitam os blocos de motores a solicitações que poderiam levar a falhas prematuras. Desta forma, passou a existir a necessidade de se desenvolver um material que suprisse estas necessidades sem alterar de forma significativa os custos de produção e também sem aumentar o tamanho ou peso dos componentes (GUESSER, 2002; GUESSER, 2003; SKVARENINA; SHIN, 2006).

Assim, avaliando a família dos ferros fundidos, o ferro fundido vermicular passou a despertar o interesse para a indústria devido a suas propriedades mecânicas, possibilitando a utilização de maiores pressões na câmara de combustão destes motores. Com isto, há uma queima mais eficiente do combustível e, conseqüentemente, menor quantidade de poluentes lançados à atmosfera (CANALE, 2005; ALVES et al., 2007). A seguir é apresentado um tópico sobre o ferro fundido vermicular.

2.1.1 Ferro fundido vermicular

O ferro fundido vermicular, também denominado Compacted Graphite Iron – CGI é conhecido desde meados do século passado. Esse material foi descoberto por acaso durante a fabricação do ferro fundido nodular, devido a erros de composição química. Sua patente pertence a R. D. Schelleng (DAWSON, 1999; DORÉ, 2007). O ferro fundido vermicular tem sido rotineiramente produzido nos últimos 30 anos, porém com grande tolerância no que diz respeito à nodularização. Recentemente com o avanço dos sistemas de controle de processo, passou a ser possível obter o ferro fundido vermicular com estreitas especificações de nodularização e microestrutura (CANALE, 2005). Deste modo, a sua utilização em escala industrial teve inicio na década de 90, quando a empresa SinterCast passou a comercializar a tecnologia e equipamentos necessários para romper a principal barreira para sua utilização na indústria: a falta de um processo confiável de controle aplicável a uma produção em larga escala (MOCELLIN, 2002; XAVIER, 2003).

O ferro fundido vermicular apresenta grafita em forma de vermes, conforme mostra a Fig. 2.1 (c e d), que confere propriedades mecânicas e térmicas intermediárias entre o ferro fundido cinzento, mostrado na Fig. 2.1 (a e b) e nodular.

Figura 2.1 – Micrografias dos ferros fundidos: cinzento FC 200/250 da norma AISI (a e b) e vermicular 450 (classificação ASTM) (c e d) (Da Mota, 2006)

O ferro fundido cinzento possui alta condutividade térmica, baixa resistência e alongamento, diferenciando do ferro fundido nodular, o qual possui baixa condutividade térmica, alta resistência e alto alongamento, compromisso este muito favorável para solicitações de fadiga térmica. O ferro fundido vermicular possui propriedades intermediárias entre os ferros fundidos cinzento e nodular.

Adicionalmente, o ferro fundido vermicular pode receber elementos de liga, sendo comum o uso de molibidênio (Mo) e de altos teores de silício (Si), objetivando melhorar as propriedades a quente (GUESSER; GUEDES, 1997). Dessa forma, existem diversas aplicações desse material nas indústrias automobilísticas, que vem gradativamente substituindo o ferro fundido cinzento, principalmente na fabricação de cabeçotes e blocos de motores diesel (MOCELLIN, 2002; XAVIER, 2003; SKVARENINA; SHIN, 2006; DORÉ et al., 2007).

O ferro fundido vermicular pode oferecer incrementos de cerca de 75% no limite de resistência, 35% a 40% no módulo de elasticidade, o dobro de resistência à fadiga, boa condutividade térmica e semelhança no amortecimento de vibrações comparando com o ferro fundido de grafita lamelar. Desta forma, este material pode atender as solicitações de

a) b)

projeto de motores diminuindo a relação peso/potência (GUESSER et al., 2001; FUKUMASU et al., 2005; DA SILVA, 2007). Porém, devido à sua maior resistência mecânica, o ferro fundido vermicular também apresenta uma maior dificuldade na usinagem, isto é, pior usinabilidade em relação ao ferro fundido cinzento (MOCELLIN, 2002; XAVIER, 2003; DE ANDRADE, 2005; SKVARENINA; SHIN, 2006; DORÉ et al., 2007; ALVES et al., 2007; ALVES; DEMINICIS, 2007; HECK et al., 2007; XAVIER, 2009; BAGETTI, 2009). Em operações de usinagem com baixas velocidades de corte (aproximadamente 300 m/min) é possível obter rugosidades similares ao ferro fundido cinzento (ALVES; DEMICIS, 2007). Porém, em alta velocidade (cerca de 1000 m/min), o quadro se agrava.

Gastel et al. (2000), afirmam que a usinagem (torneamento) do ferro fundido vermicular com ferramentas de CBN (nitreto cúbico de boro cristalino), com velocidades de corte de 800 m/min, a vida da ferramenta é reduzida para 1/20, quando comparada com a usinagem de ferro fundido cinzento. Os motivos são a alta resistência desse material, a dureza, rigidez, a falta de uma camada protetora de sulfeto de manganês, comum na usinagem de ferros fundidos cinzentos, dentre outros. Neste caso os principais mecanismos de desgaste são a oxidação e a difusão. Já para a usinagem (rosqueamento interno com machos de corte) de ferro fundido vermicular com velocidades de aproximadamente 40 m/min, a vida das ferramentas de corte é reduzida em cerca de 50%, quando comparadas com a usinagem de ferro fundido cinzento, Costa e Moura (2006).

Naves (2009) usinou ferro fundido vermicular (classe 350) com ferramentas de metal duro utilizando altas velocidades de corte no fresamento e comparou os resultados com outros dois tipos de ferros fundidos: ferro fundido cinzento ligado ao cromo, cobre e estanho e ferro fundido cinzento ligado ao cromo, cobre, estanho e molibdênio. O autor relatou que o nível de desgaste das ferramentas na usinagem do CGI não foi superior ao desgaste apresentado nas ferramentas de corte que usinaram os outros ferros fundidos. Isto pode estar relacionado com a baixa condutividade térmica do ferro fundido cinzento que contém carbonetos de molibdênio e carbonetos de cromo na matriz. Por outro lado, o ferro fundido cinzento com adição de estanho e cobre deve ter sofrido algum enrijecimento da matriz perlítica, de forma que houve aumento da dureza do material usinado. O CGI (classe 350) que o autor usinou tinha 40% de matriz ferrítica, possuindo assim, dureza e microdureza inferior aos ferros fundidos ligados usinados (NAVES, 2009).