Ferro fundido nodular para peças submetidas a gases quentes

Este trabalho descreve o desenvolvimento, ensaios e respectivas propriedades de novas classes de ferro fundido nodular ferrítico, com maiores resistência a altas temperaturas e à oxidação. Eles se destinam em especial à fabricação de peças para motores superalimentados.


O autor é da Georg Fischer Automomotive (Suíça). O artigo Entwicklung von Eisengusswerkstoffrn für Heissgasanwendungen foi originalmente publicado na revista alemã Giesserei no 4, de 2016, págs. 26-33. Reprodução autorizada pelo editor. Tradução de Themistocles Rodrigues Júnior.

Data: 02/03/2017

Edição: FS Janeiro 2017 - Ano 27 - No289

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A discussão acerca do aquecimento global e redução drástica das emissões de dióxido de carbono (CO2) obriga os fabricantes de automóveis a desenvolverem veículos cujo consumo de combustível e emissões sejam reduzidos.

O aumento da potência específica e da pressão de pico também elevam as temperaturas dos gases de descarga, que no caso dos motores a diesel ficam entre 850°C e 900°C, enquanto naqueles a gasolina superalimentados essa temperatura é de 1050°C.

O conceito downsizing (motores menores, com potência maior) resulta ainda em quantidades maiores de energia a serem transformadas.

O resultado é um aumento marcante dos requisitos dos componentes em contato com os gases de descarga, a exemplo dos coletores de gases de descarga e turbocompressores. Isso significa que os materiais convencionais, como o ferro fundido nodular SiMo1000, estão alcançando os seus limites e novas soluções são necessárias.

As temperaturas dos componentes geralmente atingem 50°C a 80°C abaixo da temperatura do gás de descarga.

Entretanto, nas áreas expostas, como nas paredes finas em contato com as correntes de gás em diferentes lados ou em áreas isoladas termicamente, a temperatura do componente pode alcançar valores muito próximos da temperatura do gás de descarga.

Fig. 1 - Teste de tração a quente na temperatura de 800°C. Note a resistência à tração a quente significativamente mais alta com 0,4% de vanádio, com um avanço de 0,3 mm/min.

Materiais para peças submetidas a gases quentes

Dependendo da temperatura do gás de descarga, são utilizadas peças com diferentes materiais, em função das respectivas aplicações.

No caso dos coletores dos gases de descarga, existe uma concorrência entre as construções soldadas em chapa de aço e os materiais fundidos, ao passo que as carcaças de turbocompressores são exclusivamente fundidas.

Para temperaturas até ±820°C, é possível utilizar o ferro fundido nodular ferrítico (EN-GJS) com 4% a 5% de silício e 0,5% a 1% de molibdênio, além do ferro fundido vermicular (EN-GJV) e também do ferro fundido nodular sem elemento de liga.

Além das classes padronizadas de ferro fundido nodular EN-GJS-SiMo, são recomendadas versões modificadas com teores adicionais (0,5% a 1%) de cromo e/ou níquel, os quais devem apresentar uma maior resistência à formação de carepa.

Em temperaturas dos gases de descarga de até 950°C, são utilizados tanto aços ferríticos com alto teor de cromo, como classes de ferro fundido nodular austenítico, como o GJSA-XNiSiCr35 5 2, também conhecido como Ni-resist D5S.

Em temperaturas de até 1000°C ou um pouco mais, apenas os aços austeníticos altamente ligado satisfazem os requisitos mencionados. Em temperaturas ainda maiores, é necessário utilizar ligas à base de níquel.

Fig. 2 - Temperatura de transformação da ferrita/austenita, medida com um dilatômetro

As classes de materiais de alta qualidade requerem geralmente teores maiores de elementos de liga.

O níquel é frequentemente usado, mas normalmente ele está inserido em um mercado altamente volátil. Pelo aspecto econômico, é sensato, portanto, desenvolver materiais de baixa liga para aplicações em peças submetidas a gases quentes, que venham a substituir os materiais mais caros.

Por este motivo, a Georg Fischer Automotive AG (Suíça) tomou a decisão de aperfeiçoar o ferro fundido nodular ferrítico EN-GJS-SiMo, ampliando o seu campo de aplicação. Trata-se de um material de baixo custo, para o emprego em peças submetidas a temperaturas mais altas.

O objetivo deste desenvolvimento foi alcançar propriedades semelhantes às do ferro fundido nodular austenítico GJSA XNiSiCr35 5 2, utilizado predominantemente em temperaturas entre 820°C e 930°C.

Requisitos dos materiais submetidos a gases quentes

Os materiais empregados na produção dos coletores dos gases de descarga e carcaças de turbocompressores são expostos a altas cargas térmicas e termomecânicas.

As propriedades mais importantes destes materiais são:

As fadigas térmicas ou termomecânicas não são propriedades singulares; elas dependem de diferentes propriedades do material.

Em cada ciclo de aquecimento de um componente, ocorrem gradientes de temperatura que provocam tensões causadas por diferentes expansões térmicas nas diferentes posições da peça.

Fig. 3 - Resultados do teste de tração a 800°C. A resistência à tração das amostras dos banhos fundidos 1 (1,8% de cobalto) e 2 (4% de cobalto) é de 36 e 38 MPa, respectivamente.

Na montagem de um componente em outro, como por exemplo de um coletor dos gases de descarga em um cabeçote de cilindro, a livre expansão térmica também é limitada. Isso resulta em tensões adicionais.

O ferro fundido nodular ferrítico para temperaturas acima de 800°C

No final da década de 1990, a Georg Fischer Automotive desenvolveu e patenteou o ferro fundido nodular Si-Mo1000.

Este material foi aperfeiçoado em seguida, principalmente com relação à técnica de vazamento, tornando possível introduzir este novo material na produção de peças seriadas, nas quais a temperatura dos gases de descarga alcançava quase 900°C.

Aperfeiçoamento do FoFo nodular EN-GJS-SiMo

Nos primeiros testes, foram fundidas amostras com diferentes composições químicas.

As temperaturas de transformação da ferrita/austenita foram identificadas no dilatômetro, enquanto a influência dos diferentes elementos sobre ela foi determinada de modo correspondente.

Os elementos molibdênio, silício e alumínio aumentaram a temperatura de transformação da ferrita/austenita.

Desta forma, ficou claro que a combinação do efeito do silício e do alumínio, como silício equivalente (Si eq. = % Si + 0,8 • % Al), resulta em uma correlação melhor do que os dois elementos separadamente.

Por meio de análises de regressão, foi possível desenvolver uma fórmula que prevê a temperatura de transformação da ferrita/austenita (Ac1) para qualquer combinação de elementos.

O fato da temperatura de transformação ser maior do que a dos gases de descarga é apenas um de vários critérios para a aplicabilidade de um material na produção de peças submetidas a gases quentes. Outros são: a resistência, o comportamento à fluência e a tendência à formação de carepas em temperaturas elevadas.

O comportamento de formação da carepa, por exemplo, ainda não pode ser simulado, de modo que os melhoramentos precisam ser verificados em testes empíricos, com uma composição química variada e a medição do comportamento à oxidação.

Testes realizados revelaram que o ferro fundido nodular SiMo 1000 apresentou a melhor resistência à oxidação de todos os materiais examinados (EN-GJS-SiMo4,5-1; EN-GJS-SiMo5-1-1; EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2).

Hoje em dia, no entanto, existem ferramentas de simulação para a previsão da temperatura de transformação da ferrita/ austenita, de possíveis precipitações e proporções de fases, as quais certamente simplificaram o desenvolvimento de novos materiais.

Fig. 4 - Resultados da medição da temperatura de transformação da ferrita/austenita do banho fundido 3 (a), com 5,3% de silício e 1,96% de alumínio, e do banho fundido 4 (b), com 5,5% de silício e 2,9% de alumínio (com 1,7% e 1,8% de cobalto, respectivamente).

Resultados

Influência do vanádio

Simulações de duas composições foram feitas com o software JMatPro. A formação de fases durante o resfriamento do banho fundido até 600°C foi calculada sem e com 0,4% de vanádio. A composição química restante era idêntica: Fe-0,9%; Al-0,2%; Ti-0,9%; Mo-0,05%; Mg-0,2%; Mn-4,7% e Si-3,0%.

A amostra de teste apresentou uma maior porcentagem de carbonetos na variante com 0,4% de vanádio, o que resultou em uma elevação da resistência à tração a quente (de 52 para 63 M Pa) na temperatura de 800°C (figura 1).

No entanto, nem todo resultado da simulação foi confirmado na experiência. De acordo com a simulação, a variante com 0,4% de vanádio apresentou uma temperatura de transformação da ferrita-austenita de 938°C, enquanto na variante sem vanádio ela foi de 935°C.

O resultado da medição é apresentado na figura 2.

A temperatura de transformação da ferrita/austenita foi reduzida em 5°C com 0,4% vanádio, ao passo que a simulação revelou um aumento de 3°C. Trata-se de uma diferença pequena, que pode ser interpretada como sendo insignificativa.

As ferramentas de simulação têm algumas limitações, a exemplo do efeito parcialmente desconhecido de certos valores no seu banco de dados.

Um exemplo é a influência do cobalto sobre o equilíbrio de fases no ferro fundido nodular, que é desconhecido no software, mas em teoria aumenta a temperatura de transformação da ferrita-austenita e a resistência à tração a quente.

Novas experiências

O cobalto é conhecido como um estabilizador de ferrita, que age como endurecedor na sua solução sólida.

Portanto, a adição de cobalto ao ferro fundido nodular EN-GJS-SiMo pode aumentar a temperatura de transformação da ferrita-austenita, assim como a resistência à tração a quente.

Fig. 5 - Resultados de dois testes de tração do banho fundido 4, com 5,5% de silício e 2,9% de alumínio, realizados a 800°C. A resistência à tração alcançou 54 e 58 MPa (medidos no laboratório da Georg Fisher Automotive, com um avanço de 0,2 mm/min).

O software mencionado não é capaz de considerar a influência do cobalto.

O primeiro banho fundido foi elaborado com a seguinte composição: C-2,5%; Si-5,2%; Mn-0,25%; Cu-0,21%; Al-0,6% e Co-1,8%.

A composição do banho fundido 2 foi a seguinte: C-2,5%; Si-5,2%; Mn-0,24%; Cu-0,21%; AL-0,4% e Co-4,0%.

Com base em uma fórmula empírica, a temperatura de transformação da ferrita/austenita foi de 930°C no primeiro banho e de 920 °C no segundo. Isso, devido à influência do alumínio, sem levar em conta a influência desconhecida do cobalto.

Foi constatado um aumento das temperaturas de transformação medidas em relação às temperaturas calculadas de 6°C no banho fundido 1 e de 20°C no banho 2, por meio da adição de 1,8% e de 4% de cobalto.

Portanto, o efeito positivo do cobalto sobre a temperatura de transformação parece ser bastante moderado (em torno de 6°C com 1,8%-Co e de 20°C com 4%-Co). Isso equivale a 3°C/5°C para cada 1% de cobalto.

A figura 3 mostra o resultado do ensaio de tração a quente em amostras de ambos os banhos. O cobalto não é apropriado para aumentar a resistência à tração a quente.

Outros testes tiveram a finalidade de elevar a temperatura de transformação da ferrita/austenita para valores acima de 1000°C, por meio do aumento significativo dos teores de silício e alumínio, em comparação com os testes anteriores e a produção de peças em série.

Para tanto, foram ajustadas as seguintes composições químicas:

Com estas duas composições químicas, foi possível prognosticar uma temperatura de transformação da ferrita/austenita de 988°C e 1040°C para os banhos fundidos no 3 e 4, respectivamente. Isso, utilizando a fórmula determinada empiricamente, sem levar em conta uma possível influência do cobalto (figura 4).

As medições feitas com o dilatômetro confirmaram que a influência do cobalto sobre o aumento da temperatura de transformação é bastante modesta, enquanto os efeitos correspondentes do silício e do alumínio são significativamente grandes.

Com teores de Si-5,5% e Al-2,9%, foi possível alcançar temperaturas de transformação acima de 1000°C.

A resistência à tração a quente na temperatura de 800°C também foi aumentada desta maneira, conforme a figura 5.