Produção de Aço Fundido: Propriedades-Chave, Composição e Desempenho

Testes e inspeção na fundição

Aço fundido é uma liga ferrosa com teor máximo de carbono de aproximadamente 0,75%. Fundições de aço são objetos metálicos sólidos produzidos enchendo o vazio dentro de um molde com aço líquido. Estão disponíveis em muitos dos mesmos aços carbono e ligados que podem ser produzidos como metais forjados. Propriedades mecânicas para aço fundido são geralmente inferiores a aços forjados, mas com a mesma composição química. Aço fundido compensa esta desvantagem com sua capacidade de formar formas complexas em menos etapas.

Propriedades do aço fundido

Aços fundidos podem ser produzidos com ampla gama de propriedades. As propriedades físicas do aço fundido mudam significativamente dependendo da composição química e tratamento térmico. São selecionadas para corresponder aos requisitos de desempenho da aplicação pretendida.

• Dureza
  A capacidade de um material resistir à abrasão. Teor de carbono determina a dureza máxima obtida em aço, ou endurecibilidade.

• Resistência
  A quantidade de força necessária para deformar um material. Maior teor de carbono e dureza resultam em aço com maior resistência.

• Ductilidade
  A capacidade de um metal deformar sob tensão de tração. Menor teor de carbono e menos dureza resultam em aço com maior ductilidade.

• Tenacidade
  A capacidade de suportar tensão. Aumento de ductilidade é geralmente associado a melhor tenacidade. Tenacidade pode ser ajustada com adição de metais de liga e tratamento térmico.

• Resistência ao desgaste
  A resistência de um material a fricção e uso. Aço fundido exibe resistência ao desgaste similar a aços forjados de composição similar. Adição de elementos de liga como molibdênio e cromo pode aumentar resistência ao desgaste.

• Resistência à corrosão
  A resistência de um material contra oxidação e ferrugem. Aço fundido exibe resistência à corrosão similar a aço forjado. Aços de alta liga com níveis elevados de cromo e níquel são altamente resistentes à oxidação.

• Maquinabilidade
  A facilidade com que uma fundição de aço pode mudar forma removendo material através de usinagem (corte, retificação, ou furação). Maquinabilidade é influenciada por dureza, resistência, condutividade térmica, e expansão térmica.

• Soldabilidade
  A capacidade de uma fundição de aço ser soldada sem defeitos. Soldabilidade é primariamente dependente da composição química e tratamento térmico da fundição de aço.

• Propriedades a alta temperatura
  Aços operando a temperaturas acima do ambiente estão sujeitos a propriedades mecânicas degradadas e falha precoce devido a oxidação, dano por hidrogênio, incrustação por sulfetos, e instabilidade de carbonetos.

• Propriedades a baixa temperatura
  A tenacidade do aço fundido é severamente reduzida a baixas temperaturas. Ligação e tratamentos térmicos especializados podem melhorar a capacidade duma fundição suportar cargas e tensões.

Composição química do aço fundido

A composição química do aço fundido tem influência significativa nas propriedades de desempenho e é frequentemente usada para classificar aço ou atribuir designações padrão. Aços fundidos podem ser divididos em duas categorias amplas – aço fundido carbono e aço fundido ligado.

Aço fundido carbono

Como aços forjados, aços fundidos carbono podem ser classificados de acordo com seu teor de carbono. Aço fundido baixo carbono (0,2% carbono) é relativamente macio e não prontamente tratável termicamente. Aço fundido médio carbono (0,2–0,5% carbono) é algo mais duro e passível de fortalecimento por tratamento térmico. Aço fundido alto carbono (0,5% carbono) é usado quando dureza máxima e resistência ao desgaste são desejadas.

Aço fundido ligado

Aço fundido ligado é categorizado como baixo-liga ou alto-liga. Aço fundido baixo-liga (≤ 8% teor de liga) comporta-se similarmente a aço carbono normal, mas com maior endurecibilidade. Aço fundido alto-liga (> 8% teor de liga) é projetado para produzir propriedade específica, como resistência à corrosão, resistência ao calor, ou resistência ao desgaste.

Aços de alta liga comuns incluem aço inoxidável (> 10,5% cromo) e aço manganês de Hadfield (11–15% manganês). A adição de cromo, que forma camada de passivação de óxido de cromo quando exposto a oxigênio, dá ao aço inoxidável excelente resistência à corrosão. O teor de manganês no aço de Hadfield proporciona alta resistência e resistência à abrasão sob trabalho duro.

ASTM	Requisitos Químicos					Requisitos de Tração
GRAU DE AÇO	Carbono	Manganês	Silício	Enxofre	Fósforo	Resistência à Tração	Limite de Escoamento	Alongamento em 50 mm	Redução de Área
	Máx % / Intervalo					Mín. ksi [MPa] / Intervalo		Mín. %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, Grau N-1	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grau N-2	0,35	0,60	0,80	0,06	0,05	N/A	N/A	N/A	N/A
ASTM A27, Grau U60-30	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, Grau 60-30	0,30	0,60	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, Grau 65-35	0,30	0,70	0,80	0,06	0,05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, Grau 70-36	0,35	0,70	0,80	0,06	0,05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, Grau 70-40	0,25	1,20	0,80	0,06	0,05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, Grau 80-40	N/A	N/A	N/A	0,06	0,05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, Grau 80-50	N/A	N/A	N/A	0,06	0,05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, Grau 90-60	N/A	N/A	N/A	0,06	0,05	90 [620]	60 [415]	20	40
	ASTM A216 / A216M
ASTM A216, Grau WCA	0,25	0,70	0,60	0,045	0,04	60-85 [415-585]	30 [205]	24	35
ASTM A216, Grau WCB	0,30	1,00	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, Grau WCC	0,25	1,20	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

• Baixe nossa Tabela de Graus de Aço Fundido

Graus de aço fundido

Graus de aço foram criados por organizações de padrões como ASTM International, Instituto Americano de Ferro e Aço, e Sociedade de Engenheiros Automotivos para classificar aços com composições químicas específicas e propriedades físicas resultantes. Fundições podem desenvolver seus próprios graus internos de aço para atender demanda de usuários por propriedades específicas ou para padronizar graus específicos de produção.

Especificações para aços forjados frequentemente têm sido usadas para classificar diferentes ligas de fundição por seus elementos de liga principais. No entanto, aços fundidos não necessariamente seguem composições de aço forjado. Teores de silício e manganês são frequentemente mais altos em aços fundidos comparados com seus equivalentes forjados. Além de seus níveis predominantemente mais altos de silício e manganês, aços fundidos ligados usam alumínio, titânio, e zircônio para desoxidação durante o processo de fundição. Alumínio é predominantemente usado como desoxidante por sua eficácia e custo relativo baixo.

Produção de aço fundido

A prática de fundir aço remonta ao final dos anos 1750, muito depois da fundição de outros metais. O alto ponto de fusão do aço, e a falta de tecnologia disponível para derreter e processar metais, atrasou desenvolvimento de indústria de fundição de aço. Estes desafios foram superados por avanços em tecnologia de fornos.

Fornos são vasos revestidos com refratário que contêm a "carga", que é o material a ser derretido, e fornecem energia para fusão. Existem dois tipos de forno usados numa fundição de aço moderna: arco elétrico e indução.

Forno de arco elétrico

O forno de arco elétrico derrete lotes de metal referidos como "cargas" por meio de arco elétrico entre eletrodos de grafite. A carga passa diretamente entre os eletrodos, expondo-a a energia térmica da descarga elétrica contínua.

Fornos de arco elétrico seguem ciclo operacional carga-a-carga:

1. Carregamento do forno
   Carga de sucata de aço e ligas são adicionadas ao forno.

2. Fusão
   Aço é derretido fornecendo energia ao interior do forno. Energia elétrica é fornecida através de eletrodos de grafite e é geralmente o maior contribuinte em operações de fusão de aço. Energia química é fornecida através de queimadores oxi-combustível e lanças de oxigênio.

3. Refino
   Oxigênio é injetado para remover impurezas e outros gases dissolvidos durante o processo de fusão.

4. Desescoriação
   Escória excessiva, que frequentemente contém impurezas indesejáveis, é removida do banho antes da descarga. Desescoriação pode também ocorrer dentro da panela antes do vazamento.

5. Descarga (ou tap out)
   Metal é removido do forno inclinando o forno e vazando o metal num vaso de transferência como uma panela.

6. Virada do forno
   Descarga e preparação são completadas para o próximo ciclo de carga do forno.

Passos adicionais contínuos são frequentemente tomados em várias etapas neste processo para desoxidar ainda mais o aço e remover escória do metal antes do vazamento. A química do aço pode precisar ser ajustada para contabilizar depleção de liga durante descarga prolongada.

Forno de indução

Um forno de indução é um forno elétrico onde energia térmica é transferida por indução. Uma bobina de cobre cerca o recipiente de carga não condutivo, e uma corrente alternada é passada pela bobina para criar indução eletromagnética dentro da carga.

Fornos de indução são capazes de derreter a maioria dos metais, e podem ser operados com perda mínima de fusão. A desvantagem é que pouco refino do metal é possível. Ao contrário de forno de arco elétrico, o aço não pode ser transformado.

Fundações de aço modernas frequentemente utilizam sucata de aço reciclado para reduzir custo e impacto ambiental da produção de fundição. Carros obsoletos, componentes mecânicos, e itens similares são separados, dimensionados, e enviados a fundições como sucata. Isto é combinado com sucata interna gerada no processo de fundição e combinado com vários elementos de liga para carregar o forno de fusão.

Tratamento térmico

Após a fundição ser solidificada, removida do molde, e limpa, as propriedades físicas do aço fundido são desenvolvidas por tratamento térmico adequado.

• Recozimento
  Aquecimento de fundições de aço a temperatura específica, mantendo por período específico, e então arrefecendo lentamente.

• Normalização
  Similar ao recozimento, mas fundições de aço são arrefecidas ao ar livre, às vezes com ventiladores. Isso ajuda as fundições a atingir resistências mais altas.

• Têmpera
  Similar à normalização, mas arrefecimento ocorre a ritmo muito mais rápido usando ar forçado. Água ou óleos são usados como meio de têmpera.

• Revenimento (ou alívio de tensão)
  Técnica usada para aliviar tensões internas de dentro de fundições. Estas tensões podem aparecer do processo de fundição, ou durante tratamentos térmicos de fortalecimento ou endurecimento como normalização ou têmpera. Alívio de tensão envolve aquecer as fundições a temperatura bem abaixo da temperatura de recozimento, mantê-la nessa temperatura, e então arrefecer lentamente.

Inspeção de aço fundido

Fundações de aço são frequentemente sujeitas a inspeções para verificar propriedades físicas específicas como precisão dimensional, condição de acabamento superficial da fundição, e solidez interna. Além disso, composição química também deve ser inspecionada. Composição química é dramaticamente afetada por elementos de liga menores adicionados ao material. Ligas de aço fundido são suscetíveis a variações de sua composição química, então análises químicas são requeridas para verificar a composição química exata antes da fundição. Pequena amostra de metal fundido é vazada num molde e analisada.

Precisão dimensional

Inspeções dimensionais são realizadas para garantir que as fundições produzidas atendam aos requisitos dimensionais e tolerâncias do cliente incluindo folgas para usinagem. Pode às vezes ser necessário destruir fundições de amostra para tomar medições de dimensões interiores.

Condição de acabamento superficial

Inspeções de acabamento superficial de fundição são empregadas para explorar a aparência estética de fundições. Procuram falhas na superfície e subsuperfície das fundições que podem não ser óbvias visualmente. O acabamento superficial duma fundição de aço pode ser influenciado pelo tipo de modelo, areia de moldagem, e revestimento de molde usado, bem como peso da fundição e métodos de limpeza.

Solidez interna

Todas as fundições têm algum nível de defeitos presentes, e a especificação de solidez determina o limite de defeito aceitável. Super-especificação do nível máximo de defeito permitido levará a taxas de sucata mais altas e custos de fundição mais altos. Sub-especificação do nível máximo de defeito permitido pode levar a falha.

Três defeitos internos comuns que ocorrem em fundições de aço são:

1. Porosidade
   Vazios na fundição de aço caracterizados por paredes interiores lisas e brilhantes. Porosidade é geralmente resultado de evolução de gás ou aprisionamento de gás durante o processo de fundição.

2. Inclusões
   Pedaços de material estranho na fundição. Uma inclusão pode ser metálica, intermetálica, ou não-metálica. Inclusões podem vir de dentro do molde (detritos, areia, ou materiais de núcleo), ou podem entrar no molde durante o vazamento da fundição.

3. Retração
   Vazio ou área de baixa densidade tipicamente interna à fundição. É causada por uma ilha de material fundido que não tem metal de alimentação suficiente para suprimi-la durante o processo de solidificação. Cavidades de retração são caracterizadas por superfície interior cristalina rugosa.

Análise química

Análise química de aços fundidos é geralmente realizada por métodos de análise química úmida ou métodos espectroquímicos. Análise química úmida é mais frequentemente usada para determinar composição de pequenos espécimes, ou para verificar análise de produto pós-produção. Contrastivamente, análise com espectrômetro é bem adequada para determinação rotineira e rápida da composição química de amostras maiores num ambiente de fundição de produção ocupada. Fundições podem realizar análise química tanto no nível de carga quanto de produto.

Análise de carga

Durante análise de carga, pequena amostra de aço fundido líquido é retirada do forno, deixada solidificar, e então analisada para composição química usando análise espectroquímica. Se a composição de elementos de liga não está correta, ajustes rápidos podem ser feitos no forno ou panela antes da fundição. Uma vez correta, análise de carga é geralmente considerada representação precisa da composição de toda a carga de metal. No entanto, variações na composição química são esperadas devido a segregação de elementos de liga, e o tempo que leva para vazer a carga de aço. Oxidação de certos elementos pode ocorrer durante o processo de vazamento.

Análise de produto

Análise de produto é realizada para verificação específica de análise química, como a composição de fundições individuais vazadas pode não conformar inteiramente à especificação aplicável. Isso pode acontecer mesmo se o produto foi vazado de uma carga de aço onde análise de carga estava correta. Práticas e padrões da indústria permitem alguma variação entre análise de carga e análise de produto.

Testes de aço fundido

Variedade de propriedades mecânicas pode ser alcançada para fundições de aço carbono e ligado alterando composição e tratamentos térmicos de aços fundidos. Fundições utilizam métodos de teste especializados para verificar propriedades mecânicas antes de conclusão do produto.

Quando se trata de testes de aço fundido, existem dois tipos de teste usados na indústria: testes destrutivos e não-destrutivos. Testes destrutivos requerem destruição duma fundição de teste para determinar visualmente a solidez interna duma peça. Este método só fornece informação sobre condição da peça testada, e não garante que outras peças serão sãs. Testes não-destrutivos são empregados para verificar solidez interna e externa duma fundição sem danificar a fundição em si. Uma vez que a fundição passa nos testes, pode ser usada para sua aplicação pretendida.

Propriedades de tração

Propriedades de tração para fundições de aço são indicação da capacidade duma fundição suportar cargas sob condições de carregamento lento. Propriedades de tração são medidas usando amostra de fundição representativa que é sujeita a carregamento de tração controlado – forças de tração exercidas em ambas extremidades da barra de tração – até falha. Na falha, propriedades de tração são examinadas.

PROPRIEDADES DE TRAÇÃO

PROPRIEDADES

DESCRIÇÃO

Resistência à Tração

Tensão requerida para romper fundição em tração, ou sob carga de estiramento.

Limite de Escoamento

Ponto em que fundição começa a ceder ou esticar e demonstrar deformação plástica enquanto em tração.

Alongamento (%)

Medida de ductilidade, ou capacidade duma fundição deformar plasticamente.

Redução de área (%)

Medida secundária da ductilidade duma fundição.

Demonstra diferença entre área transversal original da barra de tração, e área de menor seção transversal após falha em tração.

Propriedades de dobragem

Propriedades de dobragem identificam ductilidade duma fundição usando amostra representativa retangular dobrada ao redor de pino a ângulo específico. A barra dobrada resultante é observada para verificar trincas objectionáveis.

Propriedades de impacto

Propriedades de impacto são medida de tenacidade resultante de testar energia requerida para quebrar amostra padrão entalhada. Quanto mais energia requerida para quebrar amostra, mais tenaz o material fundido.

Dureza

Dureza é medida da resistência duma fundição à penetração usando testes de indentação. É propriedade que indica resistência a desgaste e abrasão de aços fundidos. Teste de dureza pode também fornecer método fácil, rotineiro para testar indicações de resistência à tração num ambiente de produção. Resultado de teste de escala de dureza normalmente correlaciona-se estreitamente com propriedades de resistência à tração.

Serviços de fundição personalizados

A Reliance Foundry trabalha colaborativamente com clientes para determinar as melhores propriedades físicas e químicas, tratamento térmico, e métodos de teste para cada fundição personalizada. Solicite orçamento para obter mais informações sobre como nosso serviço de fundição pode atender aos requisitos do seu projeto.