Produção de peças fundidas à base de ligas de níquel atrai cada vez mais fundidores

A produção de peças fundidas em ligas à base de níquel exige alguns cuidados, em razão da tendência à absorção de gases deste metal e da baixa tolerância aos elementos considerados impuros. Neste artigo, o autor apresenta informações sobre a composição química de algumas ligas e seus processos de fabricação, além do seu comportamento na fundição, processos de moldagem recomendados e projeto de peças.


R. Atkinson

Data: 20/02/2002

Edição: FS Fevereiro 2002

Compartilhe:

Fig. 1 Fluidez relativa do níquel em comparação com o aço de baixa liga, em função da temperatura de vazamento[1]

As peças fundidas à base de ligas de níquel constituem menos de 1% dos fundidos empregados na indústria química. Apesar disto, as bombas, válvulas e conexões fabricadas nestas ligas constituem uma parte significativa das instalações de muitos processos químicos.
A aquisição de peças fundidas de alta qualidade manufaturadas à base de ligas de níquel sempre foi difícil, em razão de uma série de motivos:
É comum que os dados de encomenda sejam emitidos com base na norma ASTM A494 ou em uma norma nacional similar, que normalmente exige ensaios não-destrutivos, sem que a fundição considere a possibilidade de fabricar a peça específica em uma liga à base de níquel com a estanqueidade necessária.
Isto pode provocar a insatisfação tanto do comprador como da fundição, além de custos adicionais significativos, quando se necessita fundir as peças novamente.
A produção de peças fundidas de alta qualidade à base de ligas de níquel é difícil. Este artigo descreve os processos e as instalações necessárias para a fabricação de componentes estanques e com ótima resistência à corrosão.
Entretanto, é bom destacar que na maioria dos casos a resistência à corrosão destas peças não será tão alta como nas ligas equivalentes fabricadas por deformação plástica, que são homogeneizadas durante a deformação.
Porém, uma boa técnica de processo permite alcançar uma resistência à corrosão bastante próxima à do material fabricado por deformação plástica.
A tabela 1 apresenta um resumo das ligas de níquel com base na norma ASTM A494, que serão discutidas neste tratado. A tabela 2, por sua vez, mostra os valores mínimos de suas propriedades mecânicas, assim como os tratamentos térmicos e seus principais campos de aplicação.
As normas alemãs e francesas correspondentes, as denominações comerciais e os tipos de material conforme a norma ISO são apresentados na figura 3. Como a norma ASTM A494 é a mais divulgada, as ligas serão discutidas de acordo com este sistema.
Muitas ligas de níquel utilizadas em fundição foram desenvolvidas com base nas ligas fabricadas por deformação plástica, com a introdução de pequenas alterações na composição química, principalmente para melhorar a fundibilidade.
Em alguns casos, as composições químicas indicadas nas normas têm faixas muito largas, sendo necessário estreitá-las para a produção.
Este artigo contém sugestões quanto à composição química prevista de diversas ligas e seus correspondentes processos de fusão.

Informações gerais sobre o comportamento das ligas à base de níquel na fundição

Fundibilidade

A fluidez da liga é uma característica importante para a fabricação de peças fundidas complexas ou de parede fina. A figura 1 mostra a fluidez relativa do níquel, em comparação à do aço. É evidente que o níquel possui uma fluidez significativamente maior do que o aço em cada temperatura.

Do mesmo modo, a figura 2 indica a fluidez relativa de uma liga níquel-cromo-ferro, em comparação com a de um aço de baixa liga e, ao mesmo tempo, a melhoria que pode ser alcançada com o aumento do teor de silício.

Fig. 2 Influência do teor de silício sobre a fluidez relativa de uma liga níquel-cromo-ferro (45% de níquel, 18% de cromo, 0,4% de manganês e 0,75% de carbono), em comparação com o aço de baixa liga, em função da temperatura de vazamento[1]

Como fica claro no diagrama, é necessário colocar uma quantidade relativamente alta de silício (em torno de 3%), para que se alcance uma melhoria significativa da fluidez.
A figura 3 indica a melhoria da fluidez com o aumento do teor de carbono na liga de níquel-cromo-ferro.
Estes diagramas foram publicados no trabalho de Wood e Gregg [1] ; os quais destacam que a fluidez não é a única característica que influencia a fundibilidade.
Eles introduziram um outro fator na forma da qualidade do vazamento, com o qual se determina a aptidão de uma liga para reproduzir precisamente o contorno de uma geometria.
Em uma comparação entre diversas ligas, Wood e Gregg constaram o seguinte:
  1. As ligas Monel (NiCu) e N-7M (NiMo) têm alta qualidade de vazamento.
  2. O níquel possui um fator mediano de qualidade de vazamento.
  3. As ligas CW-12MW (NiCrMo) e a Inconel (NiCrFe) têm um fator de qualidade de vazamento inferior.
Como explicação para o baixo fator de qualidade de vazamento das ligas CW-12MW e Inconel, sugeriu-se o alto teor de cromo, uma vez que um aço inoxidável do tipo 18Cr-8Ni também tem esta característica.
Este fator pode ser melhorado dentro de certas proporções com um superaquecimento. Entretanto, naturalmente, existem limites com relação ao revestimento refratário do forno, aos materiais de moldagem e à absorção de gás.
O acréscimo de 3% de silício à liga Inconel permite melhorar significativamente tanto a fluidez como o fator de qualidade de vazamento, o que constitui a base da liga CY-40 na norma ASTM A494 (tabela 1).
O silício, entretanto, exerce uma influência negativa sobre as propriedades mecânicas e, em alguns casos, também sobre a resistência à corrosão. Um alto teor de silício, portanto, nem sempre é a solução.
Os fornos modernos, os revestimentos refratários das panelas e os materiais de moldagem possibilitaram a aplicação de um superaquecimento muito alto, além da fabricação de peças fundidas de boa qualidade a partir de banho fundido com teores de silício e carbono inferiores a, respectivamente, 3% e 0,02%. A liga correspondente é a CW-2M, que foi introduzida recentemente na norma ASTM 494.

Absorção de gás

Os valores relativos à solubilidade do hidrogênio, do nitrogênio e do oxigênio no níquel líquido e sólido são apresentados na tabela 4, onde fica evidente que o níquel em estado líquido é capaz de absorver quantidades muito grandes de oxigênio e hidrogênio, que em sua maior parte não são solúveis no estado sólido.
Durante a fabricação das ligas à base de níquel, portanto, existe a necessidade de utilizar processos eficientes, que impeçam a absorção de gás. Isto é aplicado especialmente às ligas de níquel e às de níquel e cobre.
A adição de cromo à liga de níquel diminui a solubilidade do hidrogênio e do oxigênio. Entretanto, este procedimento aumenta a solubilidade do nitrogênio, o que deve ser considerado nos processo de fusão[2, 3]. O comportamento das ligas individuais será tratado mais adiante.

Soldagem

Todas as ligas à base de níquel indicadas na tabela 1, com exceção das ligas M-30H, M-25S e CY5SnBiM, podem ser classificadas como aptas para a solda. As três exceções são as ligas empregadas em materiais resistentes ao desgaste e ao engripamento.
Em princípio, todas as outras ligas são materiais austeníticos de fase única e, por este motivo, são muito suscetíveis a trincas a quente ou a trincas microscópicas ao longo dos contornos de grão durante a solda.
A aplicação de teores muito pequenos de elementos considerados impurezas, como por exemplo o chumbo, o estanho, o bismuto, o antimônio, o enxofre, o fósforo e o boro, ajuda a diminuir esta tendência a trincas.
Entretanto, ainda não está bem esclarecido quais destes elementos ou combinações deles é a causa verdadeira. Porém, sabe-se que não há a tendência a trincas a quente em ligas à base de níquel de alta pureza. Esta pureza extremamente alta, no entanto, não pode ser conseguida nas fundições, por motivos econômicos e práticos.
Para evitar ao máximo a ocorrência de trincas a quente durante a solda, é necessário manter a introdução de calor e a temperatura entre passes as mais baixas possíveis, evitar deformações excessivas e limpar minuciosamente todas as zonas a serem soldadas. Outras informações sobre a solda de ligas à base de níquel podem ser obtidas na literatura sobre o assunto[4].

A produção das ligas à base de níquel

A liga CZ-100

Fig. 3 Influência do teor de silício sobre a fluidez relativa de uma liga níquel-cromo-ferro (45% de níquel, 18% de cromo, 0,4% de manganês e 1,25% de carbono), em comparação com o aço de baixa liga, em função da temperatura de vazamento[1]

A liga CZ-100 deve ser produzida de acordo com a composição química apresentada na tabela 5. Esta composição corresponde ao eutético carbono–silício, no qual a contração por solidificação é menor e o comprimento de saturação é maior.
Em razão do limite de solubilidade do carbono no níquel ser de aproximadamente 0,2% na temperatura ambiente, o carbono excessivo é separado na forma de grafita nodular finamente dispersa. Para a fusão, os fornos de indução sem núcleo com revestimento básico ou revestimento neutro são os mais apropriados.
A liga deve ser fundida da seguinte maneira:
  1. Carregamento e fusão de níquel de alta qualidade e grafite.
  2. Adição de manganês e ajuste do teor de silício para 1%, após a fusão.
  3. Tratamento da fusão com gás de lavagem (argônio) na temperatura de 1.400°C a 1.430°C, durante 6 minutos, com a utilização de uma lança de aço com revestimento de material refratário para remover o hidrogênio.
  4. Superaquecimento para 1.560°C e imersão de 0,06% de magnésio. A melhor forma de imersão é em barras de magnésio fixadas com arame em uma haste de aço.
  5. Vazamento do forno imediatamente, adicionando 0,15% de silício na forma de FeSi no jato do vazamento para a desoxidação. Em seguida, inicia-se o vazamento no molde na temperatura de 1.510°C.
O metal fundido desgaseificado absorve avidamente o hidrogênio. Portanto, é necessário que todas as panelas e os outros equipamentos que entram em contato com o metal fundido estejam absolutamente secos.
Por este motivo, o metal fundido deve ser vazado no molde o mais rápido possível, após a sua retirada do forno.
Um outro procedimento com a finalidade de remover o hidrogênio consiste em adicionar 0,2% de carbono no metal fundido e provocar uma reação de fervura, por meio da adição de óxido de níquel.
Quando se adiciona 0,2% de carbono, a duração da fervura é de aproximadamente 2 minutos. Este processo requer um superaquecimento a até aproximadamente 1.650°C e presume-se que haja bastante experiência do forneiro.
Por este motivo, deve ser dada preferência ao tratamento do banho fundido com argônio.
Em virtude da alta condutividade térmica do níquel, o ajuste dos gradientes de temperatura necessários para uma solidificação direcional é bastante difícil.
Quando as peças fundidas são vazadas em temperaturas muito altas, observa-se um equilíbrio muito rápido da temperatura, possibilitando a formação de chupagem ou de áreas porosas na parte inferior do massalote.
Luvas exotérmicas ou isolantes não atuam como massalotes alimentadores, sendo até prejudiciais. Devem ser colocadas coquilhas entre os massalotes atmosféricos. A altura do massalote deve corresponder a aproximadamente duas vezes o seu diâmetro.
As peças fundidas na liga CZ-100 são utilizadas no estado bruto de fundição.
As tentativas de fabricar peças fundidas de boa qualidade com baixos teores de carbono, com o objetivo de fabricar conjuntos soldados com componentes laminados de níquel, não obtiveram sucesso. Neste caso, preferiuse empregar a liga CY-40.

As ligas de níquel e cobre M35-1, M35-2, M-30H, M-25S e M-30-C

Normalmente, as ligas de níquel e cobre são denominadas Monel. A tabela 6 contém recomendações sobre a composição química de referência.
O processo usual de fusão consiste em:

  1. Carregamento de grafite, materiais do circuito de retorno, níquel e cobre, na seqüência indicada.
  2. Adição de manganês e silício imediatamente após a carga estar fundida, com a finalidade de ajustar a composição do banho de acordo a especificação.
  3. Lavagem intensiva do banho fundido com gás argônio na temperatura de 1.400°C. O tempo de lavagem deve ser de aproximadamente 5 minutos em um forno de 0,5 tonelada e de 8 minutos em um forno de 1 tonelada. Para a lavagem com gás, deve-se utilizar uma lança de aço com diâmetro interno de aproximadamente 20 mm, revestida com material refratário.
  4. Superaquecimento para 1.520°C sob atmosfera protetora de argônio, quando possível, e introdução de magnésio puro por meio de imersão, com o auxílio de uma haste de aço. A adição de magnésio deve resultar em um teor de magnésio três vezes maior do que o de enxofre no banho fundido.
  5. Vazamento do forno e, em seguida, vazamento dos moldes a aproximadamente 1.450°C.

Fig. 4 Influência do teor de silício sobre as propriedades mecânicas da liga M35-1 (níquel-cobre)

No caso das ligas de níquel e cobre, também é possível aplicar um processo alternativo de desgaseificação, por meio da fervura com carbono na temperatura de 1.650°C, como na liga CZ-100.
Entretanto, devido ao elevado superaquecimento, existe o perigo da fusão absorver hidrogênio novamente, dificultando a dominação da composição do banho.
A tabela 7 destaca a importância do tratamento com magnésio para compensar a influência nociva do enxofre sobre as propriedades mecânicas. O magnésio forma inclusões de sulfeto, que impedem a segregação de películas de sulfeto nos contornos de grão, enfraquecendo-os.
O chumbo também fica acumulado nos contornos de grão, facilitando a formação de trincas a quente. Por este motivo, o teor de chumbo deve ser mantido o mais baixo possível sempre inferior a 50 ppm.
O teor de ferro deve ser o menor possível, ficando abaixo de 3,5% após a fusão total da carga, para permitir que haja uma determinada transferência de ferro decorrente das ferramentas de aço às outras ligas adicionadas e, eventualmente, ao revestimento do forno, o qual provavelmente foi utilizado antes para a produção de ligas ferrosas.
O teor de cobre diminui a solubilidade do ferro na liga e, mesmo dentro da faixa admissível pela norma, a estrutura mostra indícios de segregação de ferro. Em caso de teores de ferro superiores a 3,5%, podem aparecer pontos de ferrugem durante a utilização do material, os quais são denominados corrosão tipo cabeça de prego.
O carbono e o silício provocam a solidificação de cristais mistos. A figura 4 mostra a influência do teor de silício sobre as propriedades mecânicas, deixando claro que com um teor de silício de 4,5% tem-se a diminuição gradual do alongamento até 0%.
Com relação ao teor de carbono, deve-se observar que a resistência sofre uma diminuição a partir da adição de 0,3% de carbono, causada pela precipitação de grafita livre.
A liga M-25S com teor de silício de 3,5% a 4,5 % somente é utilizada em componentes de alta resistência ao desgaste, como por exemplo anéis para bombas e assentos de válvulas.
A liga M-30C, que contém entre 1% e 3% de nióbio, foi desenvolvida para a marinha americana, caracterizandose pela melhor tendência à solda.
Normalmente, todas estas ligas são utilizadas no estado de fundido bruto. Entretanto, em alguns casos, como no de certas peças fundidas complexas, efetua-se um tratamento térmico de recozimento a 900°C, para a homogeneização da estrutura.
A liga M-25S pode ser recozida para a solubilização, melhorando a usinabilidade. Após a usinagem, ela pode ser endurecida por precipitação.
As peças fundidas em ligas de níquel e cobre possuem alta condutividade térmica, do mesmo modo que as peças fundidas em níquel puro. Assim, as diferenças de temperatura dentro da peça fundida, durante a solidificação, são equilibradas rapidamente.
Desta maneira, observa-se uma certa dificuldade de se obter gradientes de temperatura necessários para a solidificação direcional durante a alimentação.
É recomendável utilizar massalotes atmosféricos e coquilhas de resfriamento, além de um sistema de alimentação, incluindo o canal de ataque, que deve garantir o rápido enchimento do molde.

A liga de níquel–molibdênio N-7M

A análise recomendada da liga N-7M pode ser encontrada na tabela 8. Para a fusão no forno de indução a cadinho, deve-se proceder da seguinte maneira:

  1. Fundir o níquel, o molibdênio e o material do circuito de retorno ou a sucata tratada por metalurgia secundária.
  2. Efetuar um superaquecimento para 1.580°C e corrigir os teores de manganês e silício.
  3. Adicionar 0,25% da liga de níquel e cálcio, com 5,5% de cálcio (Incocal), e mais 0,2% de magnésio como NiMg95.
  4. Vazar o forno e, logo depois, vazar o molde à temperatura de 1.520°C.
As propriedades de fundição desta liga são boas e o comportamento da contração é similar ao do aço. A maior dificuldade que se pode esperar são trincas nas peças fundidas durante o resfriamento em água, após o tratamento de solubilização e homogeneização da estrutura.
Um alto teor de silício induz a uma fragilidade no material, de modo que deve ser mantido em níveis baixos.
O tratamento térmico em alta temperatura é necessário para dissolver os diversos compostos que se formam durante a solidificação e que influenciam a tenacidade e a resistência à corrosão.
Quando aparecem trincas durante o tratamento térmico, muitas vezes verifica-se a formação de porosidade ou uma ductilidade cujo valor fica abaixo do especificado.
A N-12MV é outra liga de níquel– molibdênio, a qual apresenta um alongamento à ruptura ainda menor (6%). Além disso, ela é ainda aparentemente mais sensível no que se refere à formação de trincas no resfriamento, devendo ser evitada quando possível.
Entretanto, deve-se observar que também foram fabricadas peças fundidas grandes neste material sofisticado (figura 5).

As ligas de níquel–cromo–ferro CU5MCu e CY-40

Fig. 5 Carcaça com 1,2 tonelada fundida na liga de níquel-molibdênio N-12MV (Darwins), para emprego em ácido clorídrico

A liga CY-40 apresenta uma larga faixa de teores de carbono, consistindo, na realidade, em um grupo inteiro de ligas.
Algumas destas ligas apresentam baixos teores de carbono e silício, podendo ser resfriadas em água após a solubilização. Outras possuem alto teor de carbono, sendo preferível utilizálas no estado bruto de fundição.
As propriedades mecânicas especificadas situam-se em um nível razoável. Estas ligas causam, em geral, problemas relativamente pequenos.
No caso da liga Cu5MCUC, que é uma versão para fundição da liga 825, a norma especifica as mesmas propriedades da liga fabricada por deformação plástica, cujos valores somente podem ser alcançados com grandes dificuldades pela variante fundida. A causa principal é a estrutura grosseira do grão do material de fundição.
Os melhores resultados foram obtidos com a composição indicada na tabela 9. Os valores mínimos das propriedades foram alcançados mediante o tratamento térmico especificado na tabela 10.
O baixo teor de chumbo merece uma atenção especial, pois comprovou-se que este metal causa uma deterioração acentuada das propriedades mecânicas do Inconel, principalmente em temperaturas elevadas.
O que conta a favor deste elemento é o fato de que o baixo teor de chumbo é um bom indicador para a fabricação de um banho fundido com baixo teor de outras impurezas.
O processo de fusão e vazamento consiste em:
  1. Carregamento de níquel, ferro e material do circuito de retorno.
  2. Fusão e superaquecimento para 1.580°C a 1.600°C.
  3. Adição de ferro-cromo, que deve ser imerso totalmente abaixo do nível do banho, para evitar a absorção de nitrogênio.
  4. Correção dos teores de manganês e silício, por meio de ligas que devem ser bem misturadas no banho.
  5. Adição e mistura de ferro–nióbio.
  6. Adição de 1,3% de NiCa 5,5 (Incocal), três minutos antes do vazamento com o forno operado em baixa potência.
  7. Vazamento do forno para a panela, com a adição de mais 0,7% de NiCa5,5 na panela.
  8. Vazamento no molde à temperatura de 1.530°C a 1.560°C.
Quando possível, o banho fundido deve estar sob atmosfera protetora de argônio. Entretanto, isto não é obrigatório.
No carregamento não se deve utilizar sucata da liga 825 ao invés de nióbio, pois ela contém 1% de titânio. O seu emprego somente é permitido se for realizado um tratamento de descarburização por oxigênio sob atmosfera de argônio (AOD, do inglês ArgonOxygen-Descarburation).
Com o objetivo de melhorar as propriedades do material, efetua-se um tratamento de solubilização e resfriamento posterior em água, em temperaturas acima de 1.150°C.
Em seguida, realiza-se um envelhecimento, que é denominado recozimento de estabilização, conforme a norma ASTM A494. A solubilização deve ser realizada a aproximadamente 1.200°C, para dissolver a maior parte dos compostos com segurança.
O processo de envelhecimento ou recozimento de estabilização deve durar o menor tempo possível, apenas o suficiente na temperatura especificada. Caso contrário, é possível que ocorra um envelhecimento excessivo, com perda da ductilidade.
A tabela 10 apresenta alguns resultados típicos alcançados por meio deste tratamento térmico, em comparação com a norma ASTM A494.
Na fabricação de tubos com 180 mm de diâmetro pelo processo de fundição centrífuga, foi possível alcançar e até superar com segurança as propriedades do material fabricado por deformação plástica, assim como os valores especificados pela norma. Isso porque a estrutura tornou-se bastante fina, em razão do efeito de resfriamento brusco da coquilha metálica.
Na fundição em areia, em contrapartida, os valores mínimos foram, na melhor das hipóteses, alcançados com pouca folga.
A aplicação deste material pode ser comprovada nas plataformas marinhas do Mar do Norte, onde carcaças de ventiladores fundidas neste metal foram utilizadas em grande número nos últimos dez anos.

Ligas de níquel–cromo–molibdênio

O grupo de ligas de níquel–cromo– molibdênio constitui, com os tipos CW12MW, CW-2MW, CX-2MW, CW-6MC e CW-6MN, os materiais de fundição mais numerosos à base de níquel, com o maior espectro de propriedades e aplicações. A tabela 11 apresenta os valores de referência recomendados da sua composição química.
A liga CW-12MW (Hastelloy C) foi a primeira liga padronizada do grupo Hastelloy-C. Entretanto, o seu alongamento à ruptura pode variar de 4% a 20%, conforme a composição indicada pela norma ASTM. Esta faixa larga se deve à existência de precipitações de silicatos, carbonetos e compostos intermetálicos, que diminuem a ductilidade quando os limites de solubilidade do carbono, cromo, molibdênio, silício, tungstênio e vanádio no níquel são ultrapassados.

Peças fundidas cujo alongamento à ruptura é inferior a 10% dificilmente têm chance de sobreviver ao resfriamento em água a partir de 1.175°C sem trincar, o que é atualmente requisitado para que este material alcance uma ótima resistência à corrosão.
Por este motivo, as composições químicas previstas para estas ligas (tabela 11) foram extraídas da faixa inferior padronizada pela norma, tendo em vista a crescente disponibilidade de ligas tratadas por metalurgia secundária (metalurgia de panela), por exemplo, o processo AOD.
O teor de ferro nas ligas praticamente não tem utilidade, sendo admissível apenas porque na adição de tungstênio existe a necessidade de utilizar ferro-tungstênio e, por outro lado, porque o tungstênio puro possui um ponto de fusão muito alto.
A liga CW-12MW, todavia, é difícil de ser produzida como liga de fundição. Conseqüentemente, foram desenvolvidas ligas mais tenazes[5, 6], especialmente a CW-2M, que também é conhecida como Hastelloy C-4C.
O teor de carbono, neste caso, fica em torno de no máximo 0,02% e a liga não contém tungstênio ou vanádio.
O baixo teor de cromo destas duas ligas limita a sua resistência a ácidos oxidantes. Além disso, a ausência de tungstênio e vanádio também diminui a resistência à corrosão localizada, como o pitting, ou a corrosão por trincas na liga CW-2M. Por este motivo, a composição da liga CX-2MW incorpora tungstênio e vanádio. Em compensação, o teor de molibdênio foi reduzido.
O teor de nitrogênio no material da carga deve ser o mais baixo possível, pois as ligas à base de níquel com teor de cromo absorvem este gás durante a fusão.
O nitrogênio pode formar poros de gás e provocar, principalmente, uma fragilização decorrente da precipitação de nitretos de carbono nos contornos de grão. Estas precipitações somente podem ser solubilizadas durante o tratamento térmico, apresentando grande dificuldade.
Conforme indicado na tabela 11, o teor de nitrogênio deve ser o mais baixo possível. Durante a fusão no forno de indução a cadinho, este teor não deve ultrapassar 0,04%.
Apesar deste teor de nitrogênio ainda não fornecer uma garantia para a eliminação de problemas, a sua limitação para 0,04% em combinação com as outras recomendações, deve apresentar resultados proveitosos, na maioria dos casos.
Deve-se ter em mente que o teor de nitrogênio durante a fusão no forno de indução a cadinho somente pode aumentar e não diminuir. Portanto, uma escolha cuidadosa dos materiais de carga é muito importante.
O mesmo vale para os outros elementos que constituem impurezas, como o chumbo, cujo conteúdo não deve aumentar durante a fusão, mas também não pode diminuir.
  1. Carregar o material do circuito de retorno, ferro-tungstênio (quando necessário), níquel e ferro-molibdênio.
  2. Iniciar a fusão sob atmosfera de argônio para manter o nível de absor ção de nitrogênio, oxigênio e hidrogênio o mais baixo possível.
  3. Superaquecer sob atmosfera de argônio para 1.400°C e adicionar ferro-cromo, que deve ser imerso logo abaixo do nível do banho, para evitar a absorção de nitrogênio.
  4. Retirar amostras e corrigir a composição
  5. Superaquecer para 1.500°C sob névoa de argônio.
  6. Misturar 1,3% de NiCa5,5 três minutos antes do vazamento do forno, que deve ser operado sob baixa potência, mas com a atmosfera de proteção (argônio).
  7. Proceder o vazamento do forno com a adição de mais 0,7% de NiCa5,5 na panela.
  8. Fazer o vazamento no molde à temperatura de 1.510°C a 1.550°C.
O banho fundido e a sua manutenção sob atmosfera protetora gasosa muitas vezes é difícil, sendo às vezes impossível.
O processo de fundição descrito deve possibilitar a fabricação de peças fundidas boas para o uso, mesmo sem a névoa de argônio.
O comportamento do sistema de alimentação é similar ao das peças fundidas em aço inoxidável. As figuras 6 e 7 apresentam exemplos de peças fundidas em ligas de níquel– cromo–molibdênio.

A liga CY5SnBiM

A liga CY5SnBiM, que contém estanho e bismuto, é a única liga austenítica resistente à corrosão, utilizada com sucesso em aplicações de desgaste, em conjunto com o aço inoxidável. Esta liga normalmente é produzida sob licença e a sua fabricação é muito difícil.
A CY5SnBiM com teores relativamente altos de bismuto e estanho representa um perigo considerável como material do circuito de retorno utilizado na carga para todas as outras ligas produzidas pela fundição.
Por este motivo, a mistura com outros materiais deve ser evitada a qualquer custo. Além disso, este material não é apropriado para a solda. Por outro lado, a prática mostrou que ele possui excelente resistência ao desgaste e ao engripamento.
É importante mencionar que não há informações disponíveis sobre o processo de fusão desta liga.

Outros processos de fundição para ligas à base de níquel

Fig. 6 Corpo de válvula fundido na liga de níquelcromo-molibdênio CW-6MC (2.4856), para emprego em plataforma off-shore no teste de radiação penetrante (Grove-Itália)

A introdução do processo AOD e de outros métodos de metalurgia secundária (metalurgia de panela) nas fundições facilitou significativamente a produção das ligas à base de níquel, além de conduzir a mais sucessos.
Os processos de metalurgia secundária possibilitam realizar composições com teores muito baixos de carbono, enxofre e nitrogênio. Além disso, alguns elementos residuais, que constituem impurezas, também podem ser oxidados e evaporados.
O estanho e o chumbo, entretanto, não podem ser eliminados desta maneira, motivo pelo qual a escolha do material da carga ainda é muito importante.
O ideal é que o banho fundido seja tratado pelo processo metalúrgico secundário em uma panela, sendo em seguida vazado nos moldes para a produção das peças fundidas.
Os conversores AOD são bastante grandes, tendo normalmente de 5 a 25 toneladas. Deste modo, a sua capacidade muitas vezes ultrapassa a demanda dos pedidos de poucas peças ou de peças fundidas pequenas.
Em muitos casos, a fundição também não está localizada perto do conversor AOD. Por este motivo, a liga tratada por metalurgia secundária é primeiramente convertida em lingotes, os quais são utilizados como material de carga em fornos a indução de alta freqüência, sob atmosfera protetora de argônio. Deste modo, é possível realizar uma fusão rápida e com baixo perigo de absorção de gás.
O objetivo deve ser uma fusão rápida, com pequenos intervalos para a adição das ligas. O ideal é que o material do circuito de retorno que não foi tratado anteriormente por um processo de metalurgia secundária não seja utilizado nos fornos de indução a cadinho.
O emprego de lingotes com a composição química exata ou cargas especiais sugere o envolvimento de altos custos, que normalmente são compensados com a economia obtida com a eliminação de reparos por solda no acabamento posterior, necessários para o conserto de defeitos.
As ligas à base de níquel também podem ser produzidas em forno elétrico a arco com sopro de oxigênio. Neste processo, a manutenção exata da composição química é muito difícil, de modo que ele deve ser aplicado somente caso não exista a disponibilidade de outro processo de fundição. Algumas fundições também efetuam a fusão de ligas à base de níquel sob vácuo, que têm uma grande vantagem em relação à absorção de gás.

Processos de moldagem para as ligas à base de níquel

Com relação aos materiais de moldagem, recomenda-se utilizar agentes de aglomeração inorgânicos, como o silicato de sódio/dióxido de carbono ou materiais de moldagem cerâmicos puros, como na moldagem pelo processo da cera perdida. Muitas fundições utilizam areias aglomeradas por agentes orgânicos, pelas vantagens já conhecidas.
Os agentes orgânicos de aglomeração podem ser utilizados com sucesso, embora apresentem o perigo de uma absorção de carbono.
As superfícies da peça fundida que não serão usinadas em razão do contato com estes agentes orgânicos, absorvem o carbono. Isso provoca um efeito muito nocivo sobre a resistência à corrosão.
A profundidade da camada de carburação pode chegar a até 2 mm e o carbono é capaz de penetrar ainda mais profundamente no material, durante o tratamento térmico a alta temperatura. Quando há exigências muito especiais, existe a possibilidade de esmerilhar a camada superficial com carbono.
A carburação pode ser reduzida por meio da adição de óxido de ferro na areia de moldagem. Adicionalmente, existe uma série de tintas de moldes à base de óxido de zircônio, que também devem produzir o mesmo efeito.

Projeto de peças fundidas em ligas à base de níquel

Muitas peças fundidas fabricadas em ligas à base de níquel eram anteriormente produzidas em aço carbono ou até em ferro fundido cinzento. Os respectivos projetos foram simplesmente adotados na fundição de peças no novo material.
No caso de componentes fabricados em ligas à base de níquel e utilizados em meios agressivos, as exigências relativas à estanqueidade e à isenção de defeitos são bem maiores do que naqueles que ficam apenas em contato com a água.

Além disso, as ligas à base de níquel são resfriadas em água a partir de altas temperaturas e as peças fundidas devem resistir a este esforço sem formar trincas.
Todo tipo de porosidade pode provocar a ocorrência de trincas. Por esta razão, em muitos casos realizam-se múltiplos reparos por solda, seguidos de um tratamento térmico. E, em virtude da ocorrência de trincas após o tratamento térmico, a peça fundida finalmente é sucatada.
Por este motivo, é muito importante que as fundições insistam em uma modificação no projeto da peça junto ao cliente, possibilitando, deste modo, a fundição da peça sem chupagem, mesmo na liga à base de níquel.

Aquisição de peças fundidas à base de ligas de níquel

Fig. 7 Pás de ventiladores para REA fundidas na liga de níquel-cromomolibdênio Caronit C4 Sa (2.4607) (Stahlwerk Carp + Hones Verneis)S

Conforme mencionado anteriormente, o alto preço por quilo das peças fundidas à base de ligas de níquel muitas vezes leva as fundições a aceitarem os pedidos sem possuir o equipamento correspondente ou a experiência apropriada. Sendo assim, o comprador deve esclarecer os seguintes pontos:
  1. A fundição já possui referências como fabricante de ligas à base de níquel?
  2. A fundição dispõe de aparelhos calibrados para a análise de ligas à base de níquel, considerando que nos pedidos da indústria petroquímica, por exemplo, as fundições normalmente são solicitadas a analisar uma amostra como parte da qualificação?
  3. A fundição possui fornos de indução a cadinho com alta potência, de tal forma que possibilitem uma velocidade de fusão de 1000 kg/hora, ou operem sob vácuo ou por um processo de metalurgia secundária (metalurgia de panela)?
  4. Quais providências são tomadas para evitar a absorção de carbono do molde ou do macho pela peça fundida?
Uma fundição competente deve ser capaz de responder a estas perguntas satisfatoriamente, sem problemas.

Conclusões

Atualmente, existem diversas ligas à base de níquel empregadas em fundição, que podem cumprir os requisitos necessários, mesmo em caso de meios bastante agressivos.
A monitoração e o domínio dos teores dos elementos residuais que atuam como impurezas, por meio da escolha cuidadosa dos materiais de carga e dos respectivos processos de fundição, são a chave para a produção de peças fundidas estanques, com boas propriedades mecânicas e alta resistência à corrosão química.

Bibliografia

  1. Wood, D. R., und J. S. Gregg: Casting properties of some nickel-base and other nickel containing alloys. The British Foundryman 50 (1957) 1, S. 2-14, vgl. Giesserei 45 (1958) 2, S. 32-42.
  2. Venne, L., R. Churchill und C. Oldfather: Producing Nickel Base Alloy Castings. SFSA T & O Conference, 1983.
  3. Jackson, W. J.: Corrosion Resistant Nickel Base Alloy Castings, SCRATA (Cti Journal).
  4. Avery, R. E., und A. H. Tuthill: Guide-lines for the welded fabrication of nickel alloys for corrosion-resistant service. Nickel Development Institute, Reference Book Series No. 11 012, 1994.
  5. Hodge, F. G.: Cast alloy resists corrosion by hot acids and oxidizing agents. Industrial Research & Development, July 1983.
  6. Gossett, J. L.: New and Improved High Nickel Alloy Castings. Corrosion 88, (1988), Paper No. 332.