Desenvolvimento dos parâmetros de tratamento térmico de ferro fundido nodular austemperado ASTM987 Grau II

Abstract

O objetivo deste trabalho foi realizar o desenvolvimento dos parâmetros de tratamento térmico, de uma liga em ferro fundido austemperado ASTM 897/A 897M - 03 grau 2, para a produção de um suporte de molas de caminhão. O ferro fundido nodular austemperado, conhecido pela sigla na língua inglesa por ADI - Austempered Ductile Iron - trata-se de uma classe de ferro fundido nodular que, após o tratamento térmico de austêmpera sofre um significativo aumento de suas propriedades mecânicas, tenacidade e resistência à fadiga. A estrutura do material é composta de ferrita acicular e austenita retida, tal estrutura denominada de ausferrita confere ao material uma característica única que é a alta resistência mecânica e tenacidade. Foram realizadas três corridas de ferro fundido nodular ligado ao Cu, Mn, Mo e Ni para determinar os parâmetros de fusão e de tratamento térmico e para determinar os tempos e as temperatura de austenitização e de austêmpera que, contemplassem as propriedades mecânicas especificadas pelo projeto do suporte de molas. Os ensaios mecânicos e metalográficos demonstraram a grande influência que o nível de micro-rechupes tem no alongamento e resistência mecânica do material. Estes microrechupes foram sanados através da melhora da técnica e da qualidade da inoculação da liga de ADI. Uma vez resolvidos os problemas da matriz, concluiu-se que o material atinge as especificações da peça com uma temperatura de austenitização de 870 ºC por duas horas e uma temperatura de austêmpera de 330 ºC por duas horas e quarenta e cinco minutos. A análise das fraturas das amostras submetidas a ensaio de tração e que possuíam elevado alongamento revelou que o mecanismo de fratura foi dúctil devido à mínima presença de micro-rechupes e segregações na matriz metálica do material, além da presença de austenita retida com alto carbono na matriz do ADI. Por outro lado, corpos de prova com menores alongamentos possuíam além de regiões de fratura dúctil a presença de quaseclivagem e as fraturas sempre partiram de micro-rechupes presentes na matriz do material. Adicionalmente, foi realizada a curva de Wöhler, que resultou em um limite de fadiga do material entre 480 e 560 MPa, que é comparável a aços forjados, embora o material das amostras utilizadas não atingissem as especificações de resistência mecânica e alongamento especificadas pelo projeto do suporte de molas, o que sugere que o limite de fadiga do material pode ser ainda mais alto do que o obtido no ensaio. Finalmente, concluiu-se que a produção de ADI, necessita de maior controle em termos de fusão e tratamento térmico do que a indústria de fundição habitualmente costuma realizar na produção de ferro fundido nodular convencional.

The aim of the present work was to develop the heat treatment parameters of a Austempered Ductile Iron in accordance with ASTM 897 / A 897M - 03 Grade II, in order to produce an austempered spring bracket for truck. The Austempered Ductile Iron (ADI) is a class of Ductile Iron that after austempering heat treatment increases its mechanical properties, toughness and fatigue resistance. The material structure combines acicular ferrite and stabilized austenite by high carbon content and this structure gives the unique ADI property of high ultimate tensile stress and high toughness. It had melted three runs of ADI alloyed with Cu, Mn, Mo and Ni to find out the casting and heat treatment parameters in order to achieve the spring bracket specification. The mechanical and metallographic tests had shown the high influence of the solidification shrinkage level in terms of elongation and mechanical resistance of this material. The shrinkages were put under control by improvement of quality and technique of inoculation, when the melting iron was pouring into the sand mold. After the material matrix improvement by inoculation, the casting alloy achieved the specification by the following heat treatment parameters: austenitization temperature of 870 ºC during 120 minutes and austempering temperature of 330 ºC during 165 minutes. The fracture analysis of samples after tension test with highest elongation showed ductile fracture (dimples) due to the good matrix soundness and stabilized austenite in the material structure. On the other hand, samples with lowest elongation showed a mix of dimples and quasi-cleavage on the fracture surface. The crack every time had been starting in areas with micro shrinkage. Furthermore, it was carried out the endurance limit test (Wöhler) that resulted between 480 and 560 MPa; however the samples of the Wöhler test didn’t achieve the ASTM 897 / A 897M - 03 Grade II in terms of mechanical properties. This can be evidence that the endurance limit is higher than the results of this test. Finally, the conclusion was the ADI production needs strictly production parameter controls in terms of casting and heat treatment, if compared with ordinary ductile iron.