Produção de Aço Fundido:Propriedades e Composição

Teste e inspeção na fundição

O aço fundido é uma liga ferrosa com teor máximo de carbono de aproximadamente 0,75%. As peças fundidas de aço são objetos metálicos sólidos produzidos pelo preenchimento do vazio dentro de um molde com aço líquido. Eles estão disponíveis em muitos dos mesmos aços carbono e ligas que podem ser produzidos como metais forjados. As propriedades mecânicas dos aços fundidos são geralmente inferiores às dos aços forjados, mas com a mesma composição química. O aço fundido compensa essa desvantagem com sua capacidade de formar formas complexas em menos etapas.

Propriedades do aço fundido

Os aços fundidos podem ser produzidos com uma ampla gama de propriedades. As propriedades físicas do aço fundido mudam significativamente dependendo da composição química e do tratamento térmico. Eles são selecionados para atender aos requisitos de desempenho da aplicação pretendida.

• Dureza
  A capacidade de um material de resistir à abrasão. O teor de carbono determina a dureza máxima obtida no aço, ou temperabilidade.

• Força
  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 se deformar sob tensão de tração. Menor teor de carbono e menor dureza resultam em aço com maior ductilidade.

• Resistência
  A capacidade de resistir ao estresse. O aumento da ductilidade geralmente está associado a uma melhor tenacidade. A dureza pode ser ajustada com a adição de metais de liga e tratamento térmico.

• Resistência ao desgaste
  A resistência de um material ao atrito e ao uso. O aço fundido apresenta resistência ao desgaste semelhante à dos aços forjados de composição semelhante. A adição de elementos de liga como molibdênio e cromo pode aumentar a resistência ao desgaste.

• Resistência à corrosão
  A resistência de um material contra oxidação e ferrugem. O aço fundido apresenta resistência à corrosão semelhante à do aço forjado. Aços de alta liga com níveis elevados de cromo e níquel são altamente resistentes à oxidação.

• Usinabilidade
  A facilidade com que uma fundição de aço pode mudar de forma removendo o material por meio de usinagem (corte, retificação ou perfuração). A usinabilidade é influenciada pela dureza, resistência, condutividade térmica e expansão térmica.

• Soldabilidade
  A capacidade de uma carcaça de aço ser soldada sem defeitos. A soldabilidade depende principalmente da composição química do aço fundido e do tratamento térmico.

• Propriedades de alta temperatura
  Os aços que operam em temperaturas acima da ambiente estão sujeitos a propriedades mecânicas degradadas e falhas precoces devido à oxidação, danos por hidrogênio, incrustação de sulfito e instabilidade do carboneto.

• Propriedades de baixa temperatura
  A tenacidade do aço fundido é severamente reduzida em baixas temperaturas. A liga e os tratamentos térmicos especializados podem melhorar a capacidade de uma peça fundida de suportar cargas e tensões.

Composição química do aço fundido

A composição química do aço fundido tem uma influência significativa nas propriedades de desempenho e é frequentemente usada para classificar o aço ou atribuir designações padrão. Os aços fundidos podem ser divididos em duas grandes categorias:aços fundidos de carbono e aços fundidos ligados.

Aço carbono fundido

Assim como os aços forjados, os aços fundidos ao carbono podem ser classificados de acordo com seu teor de carbono. O aço fundido de baixo carbono (0,2% de carbono) é relativamente macio e não é facilmente tratável termicamente. O aço fundido de médio carbono (0,2-0,5% de carbono) é um pouco mais duro e passível de fortalecimento por tratamento térmico. O aço fundido de alto carbono (0,5% carbono) é usado quando se deseja dureza máxima e resistência ao desgaste.

Aço fundido ligado

O aço fundido com liga é classificado como de baixa ou alta liga. O aço fundido de baixa liga (≤ 8% de teor de liga) se comporta de forma semelhante ao aço carbono normal, mas com maior temperabilidade. O aço fundido de alta liga (> 8% de teor de liga) é projetado para produzir uma propriedade específica, como resistência à corrosão, resistência ao calor ou resistência ao desgaste.

Os aços de alta liga comuns incluem o aço inoxidável (> 10,5% de cromo) e o aço manganês de Hadfield (11–15% de manganês). A adição de cromo, que forma uma camada de passivação de óxido de cromo quando exposto ao oxigênio, confere ao aço inoxidável uma excelente resistência à corrosão. O teor de manganês no aço da Hadfield proporciona alta resistência e resistência à abrasão durante o trabalho pesado.

ASTM	Requisitos Químicos					Requisitos de tração
GRAU DE AÇO	Carbono	Manganês	Silicone	Enxofre	Fósforo	Resistência à tração	Ponto de rendimento	Alongamento em 2 pol.	Redução de Área
	Máx. % / intervalo					Mín. ksi [Mpa] / Alcance		Mín. %
	ASTM A27 / A27M
ASTM A27, Grau N-1	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	N/D	N/D	N/D	N/D
ASTM A27, Grau N-2	0,35	0,60	0,80	0,06	0,05	N/D	N/D	N/D	N/D
ASTM A27, Grau U60-30	0,25	0,75	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	22	30
ASTM A27, Série 60-30	0,30	0,60	0,80	0,06	0,05	60 [415]	30 [205]	24	35
ASTM A27, Série 65-35	0,30	0,70	0,80	0,06	0,05	65 [450]	35 [240]	24	35
ASTM A27, Série 70-36	0,35	0,70	0,80	0,06	0,05	70 [485]	36 [250]	22	30
ASTM A27, Série 70-40	0,25	1,20	0,80	0,06	0,05	70 [485]	40 [275]	22	30
	ASTM A148 / A148M
ASTM A148, Série 80-40	N/D	N/D	N/D	0,06	0,05	80 [550]	40 [275]	18	30
ASTM A148, Série 80-50	N/D	N/D	N/D	0,06	0,05	80 [550]	50 [345]	22	35
ASTM A148, Série 90-60	N/D	N/D	N/D	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, Classe WCB	0,30	1,00	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	36 [250]	22	35
ASTM A216, Classe WCC	0,25	1,20	0,60	0,045	0,04	70-95 [485-655]	40 [275]	22	35

• Faça o download de nossa Tabela de classificação de aço fundido

Graus de aço fundido

Os graus de aço foram criados por organizações de padrões como a ASTM International, o American Iron and Steel Institute e a Society of Automotive Engineers para classificar aços com composições químicas específicas e propriedades físicas resultantes. As fundições podem desenvolver seus próprios graus internos de aço para atender a demanda do usuário por propriedades específicas ou para padronizar graus de produção específicos.

As especificações para aços forjados têm sido frequentemente usadas para classificar diferentes ligas fundidas por seus principais elementos de liga. No entanto, os aços fundidos não seguem necessariamente as composições dos aços forjados. Os teores de silício e manganês são frequentemente maiores em aços fundidos em comparação com seus equivalentes forjados. Além de seus níveis predominantemente mais altos de silício e manganês, os aços fundidos ligados usam alumínio, titânio e zircônio para desoxidação durante o processo de fundição. O alumínio é predominantemente usado como desoxidante por sua eficácia e baixo custo relativo.

Produção de aço fundido

A prática de fundição de aço remonta ao final da década de 1750, muito mais tarde do que a fundição de outros metais. O alto ponto de fusão do aço e a falta de tecnologia disponível para fundir e processar metais atrasaram o desenvolvimento de uma indústria de fundição de aço. Esses desafios foram superados pelos avanços na tecnologia de fornos.

Fornos são recipientes revestidos de refratários que contêm a “carga”, que é o material a ser fundido, e fornece energia para a fusão. Existem dois tipos de fornos usados ​​em uma fundição de aço moderna:arco elétrico e indução.

Forno a arco elétrico

O forno elétrico a arco derrete lotes de metal denominados “aquecimentos” por meio de um arco elétrico entre eletrodos de grafite. A carga passa diretamente entre os eletrodos, expondo-a à energia térmica da descarga elétrica em curso.

Os fornos elétricos a arco seguem um ciclo de operação torneira a torneira:

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

2. Derretimento
   O aço é fundido fornecendo energia ao interior do forno. A energia elétrica é fornecida através de eletrodos de grafite e geralmente é o maior contribuinte nas operações de fusão do aço. A energia química é fornecida através de queimadores de oxi-combustível e lanças de oxigênio.

3. Refinamento
   O oxigênio é injetado para remover impurezas e outros gases dissolvidos durante o processo de fusão.

4. Remoção de escória
   O excesso de escória, que muitas vezes contém impurezas indesejáveis, é removido do banho antes da extração. A remoção da escória também pode ocorrer dentro da panela antes do vazamento.

5. Toque (ou toque)
   O metal é removido do forno inclinando o forno e despejando o metal em um recipiente de transferência, como uma concha.

6. Retorno do forno
   A extração e a preparação são concluídas para o próximo ciclo de carga do forno.

Etapas adicionais contínuas são frequentemente tomadas em vários estágios neste processo para desoxidar ainda mais o aço e remover a escória do metal antes do vazamento. A química do aço pode precisar ser ajustada para levar em conta o esgotamento da liga durante uma derivação prolongada.

Forno de indução

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

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

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

Tratamento térmico

Depois que o fundido é solidificado, removido do molde e limpo, as propriedades físicas do aço fundido são desenvolvidas pelo tratamento térmico adequado.

• Recozimento
  Aquecer as peças fundidas de aço a uma temperatura específica, mantendo por um período de tempo específico e depois resfriando lentamente.

• Normalização
  Semelhante ao recozimento, mas as peças fundidas de aço são resfriadas ao ar livre, às vezes com ventiladores. Isso ajuda as peças fundidas a atingir maiores resistências.

• Extinção
  Semelhante à normalização, mas o resfriamento ocorre em um ritmo muito mais rápido usando ar forçado. Água ou óleos são usados ​​como meio de têmpera.

• Temperamento (ou alívio do estresse)
  Técnica utilizada para aliviar tensões internas de dentro de peças fundidas. Essas tensões podem aparecer no processo de fundição ou durante tratamentos térmicos de fortalecimento ou endurecimento, como normalização ou têmpera. O alívio do estresse envolve o aquecimento das peças fundidas a uma temperatura bem abaixo da temperatura de recozimento, mantendo-as nessa temperatura e, em seguida, esfriando lentamente.

Inspeção de aço fundido

Os fundidos de aço são frequentemente sujeitos a inspeções para verificar propriedades físicas específicas, como precisão dimensional, condição de acabamento da superfície fundida e solidez interna. Além disso, a composição química também deve ser inspecionada. A composição química é dramaticamente afetada por elementos de liga menores adicionados ao material. As ligas de aço fundido são suscetíveis a variações de sua composição química, portanto, são necessárias análises químicas para verificar a composição química exata antes da fundição. Uma pequena amostra de metal fundido é despejada em um molde e analisada.

Precisão dimensional

As inspeções dimensionais são realizadas para garantir que os fundidos produzidos atendam aos requisitos dimensionais e tolerâncias do cliente, incluindo tolerâncias para usinagem. Às vezes, pode ser necessário destruir peças fundidas de amostras para medir as dimensões internas.

Condição do acabamento da superfície

As inspeções de acabamento da superfície de fundição são empregadas para explorar a aparência estética das peças fundidas. Eles procuram falhas na superfície e subsuperfície das peças fundidas que podem não ser visualmente óbvias. O acabamento da superfície de uma fundição de aço pode ser influenciado pelo tipo de padrão, areia de moldagem e revestimento do molde usado, bem como o peso da fundição e os métodos de limpeza.

Saudabilidade interna

Todas as peças fundidas têm algum nível de defeitos presentes, e a especificação de solidez determina o limite aceitável de defeitos. A especificação excessiva do nível máximo de defeito permitido levará a taxas de refugo mais altas e custos de fundição mais altos. A subespecificação do nível máximo de defeito permitido pode levar a falhas.

Três defeitos internos comuns que ocorrem em peças fundidas de aço são:

1. Porosidade
   Vazios na fundição de aço que se caracterizam por paredes internas lisas e brilhantes. A porosidade geralmente é resultado da evolução do gás ou do aprisionamento de gás durante o processo de fundição.

2. Inclusões
   Pedaços de material estranho na carcaça. Uma inclusão pode ser metálica, intermetálica ou não metálica. As inclusões podem vir de dentro do molde (detritos, areia ou materiais do núcleo) ou podem viajar para dentro do molde durante o vazamento da peça fundida.

3. Encolhimento
   Vaga ou área de baixa densidade tipicamente interna à carcaça. É causada por uma ilha fundida de material que não possui metal de alimentação suficiente para fornecê-lo durante o processo de solidificação. As cavidades de retração são caracterizadas por uma superfície interna cristalina áspera.

Análise química

A análise química de aços fundidos geralmente é realizada por métodos de análise química úmida ou métodos espectroquímicos. A análise química úmida é mais frequentemente usada para determinar a composição de pequenas amostras ou para verificar a análise do produto após a produção. Por outro lado, a análise com um espectrômetro é adequada para a determinação rotineira e rápida da composição química de amostras maiores em um ambiente de fundição de produção movimentado. As fundições podem realizar análises químicas tanto no nível do calor quanto do produto.

Análise de calor

Durante a análise de calor, uma pequena amostra de aço fundido líquido é retirada do forno, deixada solidificar e, em seguida, analisada quanto à composição química usando análise espectroquímica. Se a composição dos elementos de liga não estiver correta, ajustes rápidos podem ser feitos no forno ou na panela antes da fundição. Uma vez correta, uma análise de calor é geralmente considerada uma representação precisa da composição de todo o calor do metal. No entanto, são esperadas variações na composição química devido à segregação dos elementos de liga e ao tempo que leva para liberar o calor do aço. A oxidação de certos elementos pode ocorrer durante o processo de vazamento.

Análise do produto

A análise do produto é realizada para verificação de análise química específica, pois a composição de peças individuais vazadas pode não estar totalmente em conformidade com a especificação aplicável. Isso pode acontecer mesmo que o produto tenha sido vazado a partir de um calor de aço onde a análise de calor foi correta. As práticas e padrões da indústria permitem alguma variação entre a análise de calor e a análise do produto.

Teste de aço fundido

Uma variedade de propriedades mecânicas podem ser alcançadas para fundidos de aço carbono e liga alterando a composição e os tratamentos térmicos dos aços fundidos. As fundições utilizam métodos de teste especializados para verificar as propriedades mecânicas antes da conclusão do produto.

Quando se trata de testes de aço fundido, existem dois tipos de testes usados ​​na indústria:testes destrutivos e não destrutivos. Testes destrutivos requer a destruição de uma peça de teste para determinar visualmente a solidez interna de uma peça. Este método apenas fornece informações sobre a condição da peça testada e não garante que as outras peças estejam intactas. Testes não destrutivos é empregado para verificar a solidez interna e externa de uma peça fundida sem danificar a peça em si. Uma vez que o fundido passe nos testes, ele pode ser usado para a aplicação pretendida.

Propriedades de tração

As propriedades de tração para fundidos de aço são uma indicação da capacidade de um fundido de suportar cargas sob condições de carregamento lento. As propriedades de tração são medidas usando uma amostra de fundição representativa que está sujeita a carga de tração controlada – forças de tração exercidas em cada extremidade da barra de tração – até a falha. Após a falha, as propriedades de tração são examinadas.

PROPRIEDADES DE TRAÇÃO

PROPRIEDADES

DESCRIÇÃO

Resistência à tracção

Estresse necessário para quebrar uma fundição sob tensão ou sob uma carga de alongamento.

Força de rendimento

Ponto em que uma peça fundida começa a ceder ou esticar e demonstra deformação plástica enquanto sob tensão.

Alongamento (%)

Medida de ductilidade, ou a capacidade de uma peça fundida de se deformar plasticamente.

Redução de área (%)

Medida secundária da ductilidade de uma peça fundida.

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

Propriedades de dobra

As propriedades de dobra identificam a ductilidade de uma peça fundida usando uma amostra retangular representativa dobrada em torno de um pino em um ângulo específico. A barra dobrada resultante é observada para verificar se há rachaduras censuráveis.

Propriedades de impacto

As propriedades de impacto são uma medida de tenacidade resultante do teste da energia necessária para quebrar uma amostra entalhada padrão. Quanto mais energia necessária para quebrar a amostra, mais resistente será o material fundido.

Dureza

A dureza é uma medida da resistência de uma peça fundida à penetração usando testes de indentação. É uma propriedade que indica a resistência ao desgaste e à abrasão dos aços fundidos. O teste de dureza também pode fornecer um método fácil e rotineiro para testar indicações de resistência à tração em um ambiente de produção. Um resultado de teste de escala de dureza normalmente se correlaciona de perto com as propriedades de resistência à tração.

Serviços de elenco personalizados

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