Post on 18-Dec-2018
FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
INCORPORAÇÃO DE PLACAS DE METAL DURO EM PEÇAS
FUNDIDAS
André Miguel Azevedo Barbosa
Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Dissertação realizada com orientação do Professor Doutor Carlos Silva Ribeiro
do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais e co-orientação do
Doutor Joaquim Sacramento da DURIT
Porto, Março de 2008
Candidato: André Miguel Azevedo Barbosa Código: emt02022 Titulo: Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas Data: 13 de Junho de 2008 Local: Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto -Sala C603-11 h Júri
Presidente: Professor Doutor Henrique Santos DEMM/FEUP
Arguente: Professor Doutor Rui Silva
Orientador: Professor Doutor Carlos S. Ribeiro DEMM/FEUP
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
I
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer à DURIT – Metalurgia Portuguesa do
Tungsténio, Lda, em especial ao Sr. Eng. Manuel Valente, pela oportunidade que me
concedeu para a realização deste estágio curricular em Engenharia Metalúrgica de
Materiais.
Queria agradecer de um modo especial ao meu orientador Professor Carlos Alberto
Silva Ribeiro pela orientação, disponibilidade, incentivo e apoio que me dispensou. Ao
Professor Luís Filipe Malheiros pelos conselhos, ajuda e oportunidade que me
concedeu.
Ao Doutor Joaquim Sacramento, Eng. Eduardo Soares, Eng. Henrique Tavares, Eng.
João Silva, Eng. Fernando Antunes, Eng. José Magalhães e ao Eng. Jorge Valente
gostaria de agradecer a ajuda e apoio que tiveram comigo durante o meu estágio na
DURIT.
Quero agradecer a todos os funcionários da DURIT que sempre se mostraram
disponíveis, em particular ao Sr. Azevedo pelo apoio e carinho com que me acolheram e
ajudaram.
Gostaria de agradecer à FUSAG por disponibilizar as suas instalações, em particular ao
Eng. Paulino Oliveira e à Engª Odete Santos pela simpatia com que me acolheram e
pela ajuda e acompanhamento ao longo deste trabalho.
Queria agradecer à Metafalb pela disponibilidade e ajuda dispensada, em particular ao
Eng. Ricardo Ferreira e Eng. Paulo Figueiredo.
Agradeço aos meus Pais e ao meu irmão, aos quais tudo devo, à Maria João Matos e aos
meus colegas, que sempre me apoiaram e continuam a transmitir-me todo o carinho e
amizade.
A Todos o Meu Sincero Agradecimento.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
II
Resumo
Este trabalho teve como objectivo o desenvolvimento de um novo produto ferro
fundido/metal duro, constituído por placas de metal duro sinterizado incorporadas numa
matriz de ferro fundido. Pretendia-se que os dois materiais estivessem unidos
quimicamente de modo a obter uma ligação resistente.
Este produto foi obtido por vazamento directo do ferro fundido sobre as placas de metal
duro sinterizado. A ligação entre estes dois materiais foi caracterizada mecanicamente e
microestruturalmente através de microscopia óptica e electrónica.
Para a concepção deste produto, foram seleccionados como material de base, o ferro
fundido nodular com matriz ferrítica e, para as placas, um metal duro com 90% de
carboneto de tungsténio grosso com 6 μm de tamanho médio de partícula e 10% de
cobalto (grau BD20 da DURIT).
O processo de fabrico deste produto foi sendo melhorado a partir de vazamentos
sucessivos com alterações na geometria das placas, tipo de moldação utilizada e massa
de ferro vazada. Para além do vazamento directo, foi também testado o efeito da
aplicação de ligas de brasagem à base de cobre (Cu) e prata (Ag) e revestimentos
metálicos à base de ferro (Fe) e níquel (Ni) nas placas de metal duro antes do
vazamento, no sentido de promover uma ligação mais homogénea entre os dois
materiais.
A ligação entre os dois materiais, mostrou-se bastante difícil de ser obtida no caso do
vazamento directo do ferro fundido sobre o metal duro. Com o revestimento metálico, à
base de ferro, na superfície exposta das placas de metal duro, obteve-se após vazamento
directo, componentes finais com uma ligação homogénea e constante ao longo da
interface entre os materiais. A análise microscópica posterior das zonas de união entre
os materiais revelou espessuras de difusão ao longo das interfaces da ordem de 1 mm,
enquanto que para os outros ensaios realizados se verificou uma espessura de difusão
bastante menor.
Perfis de dureza em conjunto com os perfis de elementos químicos realizados
transversalmente à zona de ligação dos materiais e ao longo da zona de difusão atestam
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
III
uma boa ligação entre os dois materiais. A dureza varia de um modo gradual desde o
metal duro até ao ferro fundido.
Estes novos materiais, produzidos actualmente por um pequeno número de empresas,
apresentam-se como uma alternativa substancialmente melhorada e expedita para a
substituição, em diversas aplicações, de outros tipos de aços e ferros fundidos, tendo a
vantagem de aumentar significativamente o tempo de vida útil de componentes
utilizados em situações de desgaste intensivo.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
IV
Abstract
The aim of this work was the development of a new product iron / hard metal, with
plates of sintered hard metal embedded on an iron matrix. The objective was to make a
chemically resistant connection.
This type of product was obtained by direct cast of iron on the plates of sintered hard
metal. The connection between these two materials was characterized mechanically and
microstructurally through an optical and electronic microscope.
For the conception of these products, a nodular iron with a ferritic matrix was selected
as the base material and for the plates, a hard metal with 90% of tungsten carbide with 6
μm average size of particle and 10% of cobalt (BD20 degree of DURIT).
The process of manufacture of these product was improved with successive castings
changes in the plates geometry, type of molding used and the mass of iron cast. Besides
the direct cast, the effect of the application of alloy brazing based on copper (Cu) and
silver (Ag) and metallic coatings to the iron base (Fe) and nickel (Ni) in the hard metal
plates before the casting in order to promote a more homogeneous connection between
the two materials was also tested.
The connection between the two materials has proved to be very difficult to obtain in
the case of direct casting of iron on the hard metal. With the metallic coating, that was
iron based, final components with a homogeneous and constant link along the interface
between materials were obtained. A microscopic analysis of the areas of the union
between the materials revealed diffusion thickness along the interfaces of the order of 1
mm, while other tests showed lower diffusion thickness.
Hardness and chemical elements profiles made across the connection area of the
materials and along the diffusion zone testify a good connection between the two
materials. The hardness varies gradually from the hard metal to the iron.
These new materials, currently produced by a small number of companies are in most
cases an alternative to replace, in several applications, other types of steels and cast
irons, and they have the advantage of increasing the components useful life, in an
intensive wear situation.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
V
ÍNDICE GERAL
Agradecimentos ……………………………...……………………………I
Resumo ………………………………………...…………………………II
Abstract ……………………...……………………...…………………...IV
Índice geral ………………………………………………...……..............V
Lista de Tabelas ……………………………………………...………...VII
Lista de Figuras …………...………………………………...………...VIII
1 – Objectivos...............................................................................................................1
2 – Enquadramento………………………………………………………………...1
3 – Metal duro……………………………………………………………………….1
3.1 – Sinterização………………………………………………………………...5
3.2 – Processo produtivo do metal duro…………………………………………7
4 – Ligas ferrosas………………………………………………………………..….8
4.1 – Ferros fundidos………………………………………………………...…..9
4.2 – Ferro fundido nodular…………………………………………………….11
4.3 – Influência dos nódulos de grafite na resistência mecânica do ferro fundido
nodular …………………………………………………………………………12
4.4 – Fabrico de ferro fundido…………………………………………………13
4.4.1 – Cubilote ……………….…………….………………………………….13
4.4.2 – Forno eléctrico de indução……………………….…………………..…14
5 – Novo produto ferro fundido/metal duro……………………..………...14
5.1 – Características geométricas das placas de metal duro……………………15
5.2 – Aplicações dos compósitos metal duro/ferro fundido……………………17
5.3 – Propriedades relevantes para obter uma boa ligação……………………..19
5.3.1 – Coeficientes de expansão térmica………………………………………19
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
VI
5.3.2 – Condutividade térmica………………………………………………….20
5.3.3 – Difusão………………………………………………………………….21
6 – Considerações teóricas……………………………………………………….22
7 – Materiais e procedimento experimental…………………………………22 7.1 – Selecção do grau de metal duro…………………………………….…….22
7.2 – Selecção do ferro fundido………………………………………………...24
7.3 – Condições de produção deste novo produto...……………………..…….24
7.3.1 – Obtenção do novo produto………………………………………......25
7.4 – Condições alteradas ao longo dos ensaios ……………………………….26
a) Geometria das placas de metal duro………………………………..26
b) Optimização da caixa de moldação…………………………………27
c) Percentagem de ferro nodular na moldação………………………...27
d) Revestimento das placas de metal duro…………………………….27
8 – Apresentação e discussão dos resultados………………………………..30 8.1 – Resultados obtidos para as placas de metal duro sem revestimento……...30
8.2 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com silicato de
sódio……………………………………………………………………...32
8.3 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com níquel…35
8.4 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de
cobre……………………………………………………………………...37
8.5 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de
prata………………………………………………………………………45
8.6 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com a “liga de
encapsulamento”…………………………………………………………48
8.7 – Considerações finais ……………………………………………………..53
9 – Conclusões………………………………………………………………………53
10 – Referências Bibliográficas…………………………………………………55
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
VII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Propriedades do carboneto de tungsténio.
Tabela 2 – Classificação dos pós de WC de acordo com a sua
granulometria.
Tabela 3 – Propriedades do cobalto.
Tabela 4 – Propriedades mecânicas do metal duro para diferentes graus.
Tabela 5 – Gama de composição química dos principais elementos
presentes nas quatro classes de ferros fundidos.
Tabela 6 – Propriedades mecânicas de diferentes ferros nodulares.
Tabela 7 – Propriedades físicas do grau BD20
Tabela 8 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na
zona da interface, obtidas em EDS.
Tabela 9 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na
zona da interface, obtidos em EDS.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
VIII
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Imagens da microestrutura de graus de metal duro.
Figura 2 – a) Grau com tamanho de partícula 0,8 μm; b) Grau com
tamanho de partícula 8 μm.
Figura 3 – Etapas do processo de produção do metal duro na DURIT
Figura 4 – Diagrama Fe-C.
Figura 5 – Gamas típicas de composição em carbono e silício, para tipos
de aços e ferros fundidos distintos.
Figura 6 – Imagens das principais microestruturas de ferros fundidos
nodulares.
Figura 7 – Esquema detalhado de um cubilote e respectivas cargas.
Figura 8 – Esquema de um forno eléctrico de indução.
Figura 9 – Duas formas de se produzir este material.
Figura 10 – Pequenas placas de metal duro incorporadas no metal base.
Figura 11 – As formas preferenciais para produzir este material.
Figura 12 – Exemplo de uma pré-incorporação.
Figura 13 – Martelos de trituração.
Figura 14 – a) Hélices de fragmentação; b) pás de moagem.
Figura 15 – a) Pá de um camião limpa neve; b) Dentes duma escavadora.
Figura 16 – Variação da expansão térmica com o conteúdo de cobalto para
graus de um metal duro.
Figura 17 – Condutividade térmica do metal duro.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
IX
Figura 18 – Representação esquemática da localização dos átomos de A
(círculos à esquerda) e B (círculos à direita) no interior do par de difusão,
antes da difusão a) e Representação esquemática da localização dos átomos
de A e B no interior do par de difusão, após difusão b).
Figura 19 - Fotomicrografia do grau BD20.
Figura 20 – Esquema do processo de vazamento.
Figura 21 – Imagem 3D das placas de metal duro; do lado esquerdo são
placas com geometria trapezoidal; do lado direito são placas com geometria
paralelepipédica.
Figura 22 – Moldação sem meia moldação superior.
Figura 23 – Moldação com meia moldação superior.
Figura 24 – Régua cronológica.
Figura 25 – a) Moldação com duas placas de metal duro na cavidade; b)
bloco de metal duro/ferro fundido.
Figura 26 – Corte transversal do bloco vazado.
Figura 27 – Fotomicrografias da zona de união entre o metal duro e o ferro
fundido.
Figura 28 – Fotomicrografias da interface entre o metal duro e o ferro
fundido.
Figura 29 – Mapa de raios – X, onde se observa a localização dos
elementos Fe, Co, W e Mn na interface.
Figura 30 – Mapa de raios - X dos elementos Fe (verde), Co (azul
marinho), W (azul água) e a negro é uma zona sem material.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
X
Figura 31 – Moldação com meia moldação superior.
Figura 32 – Corte transversal do bloco vazado.
Figura 33 – Fotomicrografia de um ponto de ligação entre os dois
materiais.
Figura 34 – Mapa de raios – X duma zona de ligação entre o metal duro e
o ferro fundido.
Figura 35 – Perfil EDS realizado sobre a interface metal duro – ferro
nodular.
Figura 36 – Fotomicrografia da zona da interface entre os dois materiais.
Figura 37 – Fotomicrografia evidenciando a fissura no revestimento de
níquel.
Figura 38 – Filete de cobre soldada à placa de metal duro.
Figura 39 – Zona de interface entre os dois materiais.
Figura 40 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de
uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. A interface é
representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.
Figura 41 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro
fundido passando pela interface.
Figura 42 – Zona de interface entre o metal duro e o ferro nodular.
Figura 43 – Zona de interface com menor ampliação.
Figura 44 – Zona de concentração de partículas de WC.
Figura 45 – Imagem SEM da zona de interface.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
XI
Figura 46 – Espectro de concentração de elementos químicos na zona de
interface.
Figura 47 – a) Forma tipo “esqueleto” de carbonetos de W; b) esqueleto
analisado a maior ampliação.
Figura 48 – Espectro da zona 1.
Figura 49 – Espectro da zona 2.
Figura 50 – Fissura na interface entre o metal duro e o ferro nodular.
Figura 51 – Fita de prata soldada à placa de metal duro.
Figura 52 – Zona de interface entre os dois materiais.
Figura 53 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de
uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. A interface é
representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.
Figura 54 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro
fundido passando pela interface.
Figura 55 – Zona de interface entre o metal duro e a liga de
encapsulamento (interface 1).
Figura 56 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de
uma “linha” perpendicular à interface entre os dois materiais. O ponto zero
identifica uma zona no ferro nodular, e os restantes pontos são retirados na
direção do metal duro.
Figura 57 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro
fundido passando pela interface.
Figura 58 – Mapa de raios – X do elemento Fe na interface.
Figura 59 – Mapa de raios – X do elemento W.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
XII
Figura 60 – Imagem SEM da zona de união, ilustrando as duas interfaces.
Figura 61 – Zona da interface 2 entre o ferro nodular e a liga de
encapsulamento.
Figura 62 – Interface 2; nódulos de grafite distribuídos desde o ferro
nodular até à liga de encapsulamento.
Figura 63 – Registo da temperatura desde o momento do vazamento até à
estabilização da temperatura.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
1
1 – Objectivos O principal objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de um novo produto
constituído por metal duro/ferro fundido através de vazamentos directos. Englobado neste
objectivo geral, foram também definidos os seguintes sub-objectivos:
1 – Estudar e caracterizar o tipo de ligação estabelecida entre os dois materiais;
2 – Definir as temperaturas mais adequadas de vazamento e
3 – Estudar o tipo e a geometria de metal duro e ferro fundido a utilizar nestes
materiais compósitos.
2 – Enquadramento Este trabalho foi realizado na empresa DURIT – Metalurgia Portuguesa do Tungsténio, Lda.,
sedeada na zona industrial da Albergaria-A-Velha, e enquadrado no plano de estudos do
Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais.
A DURIT – Metalurgia Portuguesa do Tungsténio, Lda., foi fundada em 1981 e exerce a sua
actividade na concepção de ferramentas e componentes de precisão em metal duro através do
processo pulverometalúrgico. O espectro de aplicação destes produtos é muito vasto, pelo que
a DURIT possui clientes nos sectores da indústria metalomecânica, química e petroquímica,
farmacêutica, automóvel e mineira.
Presentemente a DURIT possui duas unidades produtivas, localizadas em Portugal e no
Brasil, e diversas representações técnico-comerciais sediadas na Alemanha e Espanha. A
empresa registou em 2007 uma facturação de 15,4 milhões de €, dos quais 90% provêm de
mercados externos exigentes, tais como o mercado alemão, para onde exportam 60% dos seus
produtos.
O grupo DURIT tem-se envolvido no desenvolvimento de novos produtos, nos quais se pode
enquadrar o que é objecto deste trabalho.
3 – Metal duro O metal duro é o nome atribuído aos materiais compósitos do tipo metal/cerâmico, obtidos
por pulverometalurgia e constituídos na maior parte dos casos por partículas duras de
carboneto de tungsténio (WC) dispersas em matrizes metálicas de cobalto (Co). O teor em Co
destes materiais varia normalmente entre 5,5 e 30% em peso, enquanto que o tamanho de grão
do WC está situado normalmente entre 0,8 e 10µm, estando dependente das propriedades
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
2
requeridas para a aplicação. Quando são exigidas resistência à corrosão ou ausência de Co,
como, por exemplo, em certos sectores da indústria farmacêutica, são utilizados outros tipos
de ligantes, nomeadamente o Ni, ou ligas destes metais como o crómio (Cr) e o molibdénio
(Mo).
O WC é normalmente o constituinte maioritário e o mais utilizado na formulação do metal
duro que se caracteriza por ser extremamente duro (2200HV) e frágil. A tabela 1 apresenta
algumas das principais propriedades deste cerâmico.
Tabela 1 – Propriedades do carboneto de tungsténio [1].
Estrutura Cristalina Hexagonal
Massa Molecular 195,87 g/mol
Densidade 15,7 g/cm3
Ponto de Fusão 2800ºC
Expansão térmica 5,2 x 10-6/K
Dureza 2200 HV50
Módulo de Young 696 GPa
Apesar de ser menos duro que outros carbonetos, o WC é o mais utilizado na produção de
metal duro por ter características ímpares, tais como a possibilidade dos cristais de WC
sofrerem alguma deformação plástica, o elevado módulo de Young, apenas superado pelo
diamante, além de que, tem uma excelente molhabilidade pelo Co, facilitando o processo de
sinterização.
A granulometria dos pós de WC utilizados na produção de metal duro na DURIT varia
normalmente, entre os 0,8 e os 10 μm. Contudo algumas empresas produzem já componentes
em metal duro a partir de pós de WC com granulometrias da ordem dos 0,4 μm, denominados
pós ultrafinos [2, 3], mas os pós mais utilizados ainda são do tipo microgrãos, fino, médio e
grosso.
A classificação granulométrica dos pós de WC pode ser feita de acordo com a tabela 2.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
3
Tabela 2 – Classificação dos pós de WC de acordo com a sua granulometria [1].
Na figura 1 pode-se observar várias microstuturas de graus de metal duro preparados com
diferentes tamanhos de particulas de WC dispersas em matrizes de Co [1].
Figura 1 – Imagens da microestrutura de graus de metal duro [1].
Os pós mais finos de WC têm também maior susceptibilidade à ocorrência de fenómenos de
crescimento de grão durante a sinterização. Para controlar este efeito, são normalmente
adicionadas pequenas quantidades de outros carbonetos, tais como TaC, VC, Cr3C2, NbC
durante a moagem das composições, ou até mesmo na produção prévia dos pós de WC
(processo apelidado de “dopagem”) de modo a garantir um tamanho de grão final próximo
dos pós de WC que lhe deram origem.
Quanto ao ligante, em mais de 96% de toda a produção de metal duro é usado o Co, devido à
excelente molhabilidade com o WC, que resulta da baixa tensão superficial entre os dois
materiais e devido à temperatura de sinterização.
Tamanho de Grão FSSS
do WC ( μm) Classificação
< 0,1 Nano
0,1 < 0,4 Ultrafinos
0,4 < 0,8 Microgrãos
1 < 2 Grão Fino
2 < 4 Grão Médio
> 4 Grão Grosso
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
4
O Co apresenta duas formas alotrópicas, a fase ε, a baixa temperatura, com estrutura
hexagonal compacta (HC) e a fase α, a temperaturas superiores a 450º C, com estrutura cúbica
de faces centradas (CFC). Na tabela 3 apresentam-se algumas das características de cada uma
destas fases:
Tabela 3 – Propriedades do cobalto [1].
Estrutura Cristalina ε – HC α – CFC
Massa Atómica 58,93 g/mol
Densidade ε – 8,85 g/cm3 α – 8,80 g/cm3
Ponto de Fusão 1495º C Ponto de Ebulição 2927º C Módulo de Young 210 GPa
Resistividade Eléctrica 6,24 μΩ.cm Dureza 280-370 HV
Para que a composição química do compósito se situe dentro do domínio de estabilidade
bifásico WC-Co, é essencial controlar também a composição em carbono total do metal duro
e do WC para que não ocorra a precipitação de uma fase frágil e geralmente indesejável do
ponto de vista das propriedades mecânicas, denominada por fase η (W3Co3C) ou a nucleação
e precipitação de carbono não combinado também indesejável do ponto de vista mecânico,
estas fases ocorrem respectivamente com a deficiência em carbono ou excesso em carbono
[1].
A avaliação da qualidade dos componentes sinterizados é feita, de uma forma não destrutiva,
a partir das propriedades magnéticas do metal duro [4]. As principais propriedades magnéticas
controladas no metal duro são a força coerciva a saturação magnética e a quantidade de
ferrite.
A medição da força coerciva é uma forma expedita de estimar o tamanho de grão do metal
duro. Esta propriedade mede a velocidade de decaimento do campo magnético de materiais
saturados magneticamente. Verifica-se um aumento da força coerciva à medida que o
tamanho de grão de WC diminui, uma vez que os graus com grão mais fino possuem um
maior número de grãos e, como tal, mais domínios microscópicos passíveis de serem
magnetizados, o que dificulta a sua posterior desmagnetização [2]. A força coerciva aumenta
também com a diminuição do teor em Co, uma vez que este é um elemento ferromagnético.
Por sua vez, a saturação magnética permite determinar o quão próximo está um grau de ter
fase η ou carbono livre após sinterização, isto porque quanto menor for o conteúdo em
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
5
carbono do material, mais W se dissolve na fase ligante rica em Co durante a sinterização. Tal
resulta numa diminuição da concentração de Co ferromagnético na fase ligante, e num
aumento da quantidade da fase η paramagnética, baixando os valores de saturação magnética
do material.
O valor da quantidade de ferrite refere-se à percentagem de ferrite nos aços. No caso do
metal duro determina a percentagem de material ferromagnético existente porque o Co é um
material ferromagnético, podendo estabelecer-se uma relação praticamente linear entre o valor
da quantidade de ferrite e a percentagem de Co presente nas microestruturas [5, 6].
3.1 – Sinterização Para que o metal duro adquira as propriedades mecânicas, físicas e químicas que são
fundamentais para os fins a que se destina, é necessário densificar o material por sinterização.
A sinterização consiste num tratamento térmico através do qual o componente de metal duro
prensado a partir dos pós é elevado a uma temperatura inferior à Tfusão do constituinte
principal, de modo a favorecer a densificação por ligação entre as suas partículas e eliminar a
porosidade entre elas. Este processo é utilizado preferencialmente através de mecanismos de
sinterização em presença de uma fase líquida [7].
O metal duro é normalmente sinterizado a temperaturas entre os 1300 e os 1500ºC,
necessárias à formação de uma fase líquida rica em Co, que remove a porosidade existente
nos prensados (aproximadamente 40%), ocorrendo uma contracção linear do metal duro entre
18 a 26% (45 a 60% em volume), e uma densificação muito próxima dos 100%. Para esta
finalidade, a DURIT dispõe de fornos para sinterizar em vácuo (sinterVac) e fornos do tipo
sinterHIP que aplicam uma pressão gasosa no ciclo final de sinterização. O controlo do vácuo
e das atmosferas é essencial em todo o processo, por forma a evitar contaminações e
oxidações dos pós durante a sinterização [8]. Na figura 2 estão representadas duas
microestruturas de graus sinterizados pela DURIT.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
6
a) b)
Figura 2 – a) Grau com tamanho de partícula 0,8 μm; b) Grau com tamanho de partícula 8 μm [9].
A fotomicrografia do lado esquerdo apresenta um grau com 3,5% de Co, 96,5% de WC e um
tamanho médio de partícula de 0,8μm, sendo considerado um microgrão; na fotomicrografia
do lado direito observa-se um grau que tem na sua composição uma percentagem em Co de
15% e 85% WC tendo um tamanho médio de partícula de 8μm, sendo considerado um grão
grosseiro. Pela análise da figura 2 é possível verificar a diferença no tamanho de grão.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
7
3.2 – Processo produtivo do metal duro As etapas do processo de obtenção de componentes em metal duro desde as matérias – primas
até ao produto final e com base na linha de produção da DURIT apresentam-se no fluxograma
da figura 3.
Figura 3 – Etapas do processo de produção do metal duro na DURIT [9].
O processo de produção pulverometalurgico inicia-se com a preparação das misturas dos pós
(graus), que engloba as operações de moagem, secagem e granulação, a que se segue a
prensagem, desparafinação, pré – sinterização e maquinação dos compactos prensados. Em
seguida, os componentes acabados são sinterizados e posteriormente sujeitos a um controlo
das propriedades físicas e metalúrgicas antes de seguirem para as operações de rectificação
que englobam a electroerosão e o polimento. Por sua vez todos os componentes de metal duro
acabados são submetidas a um controlo rigoroso das tolerâncias dimensionais antes de serem
embalados e enviados para o cliente [10].
De um modo geral, o metal duro destaca-se pelas suas excelentes propriedades mecânicas
permitindo a sua aplicação em condições que requerem elevada dureza e excelente resistência
ao desgaste em detrimento de outros materiais, como os aços rápidos [11]. São exemplo disso
as matrizes e punções de prensagem produzidas em metal duro que demonstram a sua
superior qualidade na conformação de pós abrasivos em relação às matrizes produzidas em
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
8
aço rápido, aumentando o seu tempo de vida útil em cerca de 50 vezes, tendo como
consequência uma redução dos tempos de paragem para substituição das ferramentas [9]. No
caso da indústria metalomecânica, as ferramentas de corte fabricadas em metal duro permitem
produzir peças com tolerâncias dimensionais apertadas e um melhor acabamento superficial
[12].
Além da elevada dureza e da resistência ao desgaste, consequência da combinação de dureza
elevada com níveis moderados de tenacidade à fractura, o metal duro apresenta também uma
elevada resistência à flexão e à compressão, boa resistência ao choque térmico, razoável
tenacidade associada à presença da fase metálica de Co e resistência à corrosão que como já
foi referido depende do tipo e do teor de ligante [11].
As propriedades físicas e mecânicas do metal duro variam com a constituição do grau, isto é a
densidade, a força coerciva, a dureza, a resistência à compressão e o módulo de Young são
tanto maiores quanto menor o teor de fase ligante e o tamanho médio de grão de WC, ao
contrário da tenacidade à fractura, conteúdo de ferrite e resistência à flexão, que aumentam
com o teor da fase ligante e do tamanho de grão. A tabela 4 mostra algumas propriedades
mecânicas do metal duro para diferentes graus.
Tabela 4 – Propriedades mecânicas do metal duro para diferentes graus [13, 14].
Grau (%p) Dureza HV30
Resistência à compressão
(MPa)
Tensão de ruptura (MPa)
Módulo de Young (GPa)
Tenacidade à fractura (MPa/m2)
Coeficiente de expansão
térmica (10‐6/K)
WC‐4Co 2000 7100 2000 665 8,5 5,0
WC‐6Co/* 1800 600 3000 630 10,8 6,2
WC‐6Co/** 1580 5400 2000 630 9,6 5,5
WC‐6Co/*** 1400 5000 2500 620 12,8 5,5
WC‐25Co/** 780 3100 2900 470 14,5 7,5 *microgrão; **grão fino/médio; ***grão grosso
4 – Ligas ferrosas As ligas ferrosas são essencialmente ligas ferro-carbono das quais se destacam os aços e os
ferros fundidos. Estas ligas podem conter ainda outros elementos químicos tais como Si, Mn,
Mg, Ni, S, P, Cu, Cr, Mo. Dada a excelente combinação de propriedades mecânicas tais como
a resistência mecânica a ductilidade e a tenacidade, aliadas à relativa facilidade como são
produzidos e transformados, o ferro e as suas ligas têm uma grande aplicabilidade industrial,
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
9
nos processos produtivos e nos bens utilizados pelo consumidor final, contribuindo
actualmente com cerca de 90% da produção mundial de metais [15-18].
4.1 – Ferros fundidos Os ferros fundidos são ligas com particular aptidão ao processamento por fundição, como
aliás a sua designação o sugere. Estas ligas caracterizam-se por possuírem entre 2 a 6% de
carbono e pela formação dum constituinte eutéctico durante a solidificação. A sua composição
química, próxima da eutéctica, com 4,3% de carbono garante-lhes temperaturas de vazamento
baixas (ver figura 4) e uma elevada vazabilidade ou seja, aptidão a encher com metal líquido
espaços de pequena espessura, simplificando a obtenção de peças com alguma complexidade.
Figura 4 – Diagrama Fe-C [19].
O diagrama de equilíbrio Fe-C admite duas opções para a solidificação de um ferro fundido,
conforme se pode verificar na figura 4:
• Solidificação segundo a versão metaestável, com o carbono combinado na forma de
Fe3C (carbonetos), representado pela linha a cheio no diagrama de equilíbrio.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
10
• Solidificação segundo a versão estável, com o carbono livre, na forma de grafite,
representado pela linha a tracejado no diagrama de equilíbrio [15].
Podem-se distinguir quatro tipos ou categorias de ferros fundidos, consoante a distribuição do
carbono na sua microestrutura: branco, cinzento, maleável e nodular ou dúctil. Na tabela 5
apresentam-se as gamas de composição química dos cinco principais elementos químicos,
para as quatro classes de ferros fundidos [20].
Tabela 5 – Gama de composição química dos principais elementos presentes nas quatro classes de ferros fundidos [20].
Elemento Ferro fundido cinzento
Ferro fundido branco
Ferro fundido maleável
Ferro fundido nodular
Carbono (%) 2,50 – 4,00 1,80 – 3,60 2,00 – 2,60 3,00 – 4,00
Silício (%) 1,00 – 3,00 0,50 – 1,90 1,10 – 1,60 1,80 – 2,80
Manganês (%) 0,25 – 1,00 0,25 – 0,80 0,20 -1,00 0,10 – 1,00
Enxofre (%) 0,2-0,25 0,06 – 0,20 0,04 – 0,18 <= 0,03
Fósforo (%) 0,05 – 1,00 0,06 – 0,18 <= 0,18 <= 0,10
O papel do silício é de grande importância nestes sistemas pois determina a relação entre a
composição química, as propriedades, a microestrutura e o processamento térmico a que
normalmente estes materiais estão sujeitos. O silício é um elemento grafitizante, ou seja,
quanto mais elevado for o seu teor numa dada liga, maior será a sua tendência para apresentar
o carbono na forma grafítica. A presença de silício inibe progressivamente a possibilidade de
formação de carbonetos durante a solidificação e implica ainda alterações nas temperaturas de
transformação dos ferros fundidos. Os teores em silício crescentes diminuem o teor em
carbono do ponto eutéctico e esta deslocação do eutéctico traduz-se em geral pela seguinte
equação [20]:
% Ceutéctico = 4.30 – 1/3 (% Si + % P)
Para medir a tendência de um ferro fundido em solidificar como um eutéctico (com elevada
fluidez), define-se o chamado “carbono equivalente” através da relação:
CE = % C + 1/3 (% Si + %P)
Na figura 5 é apresentado um diagrama que estabelece os domínios característicos dos teores
de carbono e silício para algumas ligas ferrosas [20].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
11
Figura 5 – Gamas típicas de composição em carbono e silício, para tipos de aços e ferros fundidos distintos [19].
4.2 – Ferro fundido nodular Actualmente, tem vindo a crescer o interesse industrial na utilização do ferro fundido nodular,
dadas as suas boas propriedades mecânicas e baixo custo de produção [17].
Estes ferros caracterizam-se por uma excelente combinação de propriedades mecânicas, tais
como, a resistência mecânica, ductilidade, dureza, resistência ao impacto e à fadiga, que se
apresentam na tabela 6.
Tabela 6 – Propriedades mecânicas de diferentes ferros nodulares [21]
Matriz R0,2 min (MPa) Rm min (MPa) A min (%) HB
Ferrítica 230 ‐ 250 370 ‐ 400 12 ‐ 17 <200
Ferrítica/Perlítica 320 ‐ 370 500 ‐ 600 3 ‐ 7 170 ‐ 270
Perlítica 420 ‐ 480 700 ‐ 800 2 230 ‐ 350
As propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares são, por sua vez, dependentes do
tipo de matriz, quantidade das partículas de grafite e da presença de defeitos como inclusões e
porosidade [22, 23]. Na figura 6 apresentam-se as principais microestruturas de um ferro
nodular.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
12
Figura 6 – Imagens das principais microestruturas de ferros fundidos nodulares [21].
4.3 – Influência dos nódulos de grafite na resistência mecânica do ferro
fundido nodular As partículas de grafite contidas nos ferros nodulares têm uma morfologia peculiar
responsável pela boa ductilidade e dureza destas ligas e caracterizam-se por uma forma
próxima da esférica, conhecidas como "nódulos". Estes nódulos actuam como "inibidores de
fissuração", com o consequente aumento de ductilidade e resistência à propagação de fissuras.
A formação dos nódulos é conseguida com uma boa "nodularização" das partículas de grafite
[23].
Durante a reacção eutéctica, os nódulos de grafite são rodeados por austenite e o seu
crescimento ocorre por difusão do carbono através da austenite. O número, tamanho e a
distribuição dos nódulos de grafite são muito importantes para a definição das propriedades
finais dos materiais. O número de nódulos terá que ser suficiente para evitar a formação de
carbonetos durante a solidificação, especialmente em peças com paredes finas.
Por sua vez, um maior número de nódulos de grafite favorece a presença da ferrite. O carbono
da liga é transferido para a grafite empobrecendo a matriz metálica, fazendo com que os
nódulos fiquem, geralmente, envoltos por regiões de ferrite. A influência do grau de
nodularização nas propriedades mecânicas do material representa a influência da geometria do
nódulo da grafite [24].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
13
4.4 – Fabrico de ferro fundido
No fabrico do ferro fundido podem utilizar-se vários processos de fusão, entre os quais se
destacam os seguintes:
• Fusão pelo calor libertado na queima de carvão e
• Fusão por indução magnética.
Estes dois processos de fusão são utilizados, respectivamente, no forno de cubilote e no forno
de indução.
4.4.1 – Cubilote A característica mais importante deste forno é a sua marcha contínua ou semi-contínua, sendo
a qualidade do ferro fundido produzido condicionada por uma série de factores, os mais
importantes são:
Dimensão do cubilote; Cargas metálicas; Débito de vento; Composição da escória; Qualidade do coque
Na figura 7 pode observar-se um esquema da constituição do cubilote.
Figura 7 – Esquema detalhado de um cubilote e respectivas cargas [25].
O corpo cilíndrico do cubilote tem na sua parte superior uma porta lateral de carga, acima da
zona do refractário, para carregamento do forno. Este carregamento do forno faz-se
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
14
depositando camadas alternadas de coque, castina (materiais fundentes que ajudam à
formação da escória) e metais ferrosos tais como lingotes de segunda fusão ou sucatas de
ferro ou aço.
O fundo é amovível (chapa, com uma articulação revestida com material refractário), o que
permite a limpeza do forno e a substituição ou reparação do refractário [26].
4.4.2 – Forno eléctrico de indução Este tipo de forno caracteriza-se pela produção de calor no seio da carga metálica, devido à
sua resistência eléctrica e propriedades magnéticas e garante um controlo adequado das ligas
nele elaboradas. Na figura 8 está representado um forno de indução.
Figura 8 – Esquema de um forno eléctrico de indução [25].
O rendimento destes fornos é bom embora tenham que arrancar, geralmente, com uma carga
metálica parcialmente líquida obtida noutros fornos auxiliares. O metal após aquecer dentro
do canal fica menos denso e por convecção sobe, dando lugar ao metal mais frio do banho
metálico em fusão. A vantagem é que não necessitam de tanta energia eléctrica para manter o
metal em fusão [25].
5 – Novo produto ferro fundido/metal duro Este trabalho surgiu da ideia da combinação das boas propriedades de ferro fundido nodular
(boa vazabilidade, tenacidade e ductilidade) com as do metal duro para aplicações de impacto
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
15
e desgaste. Apesar de serem recentes, estes novos materiais têm já vindo a ser produzidos por
algumas grandes multinacionais do ramo do metal duro, sendo que os produtos são
comercializados sob duas formas, apresentadas na figura 9:
1 - Grânulos de metal duro embebidos em matrizes de ferro fundido.
2 – Placas de metal duro incorporadas na superfície de ferros fundidos.
Figura 9 – Duas formas de se produzir este material [27].
Para aplicações em que os componentes sejam sujeitos a um desgaste intensivo, de forma
contínua e que exijam simultaneamente alguma resistência ao impacto, é preferível escolher o
compósito produzido com grânulos de metal duro dispersos na matriz de ferro fundido.
Quando se pretende uma melhor protecção contra o desgaste abrasivo e erosivo com uma
resistência ao impacto moderada, a escolha recai no caso do compósito produzido com placas
de metal duro na superfície dos fundidos. Em ambas as situações, o princípio base de união
dos materiais é o estabelecimento de uma ligação metalúrgica entre o metal duro e o ferro
fundido [27, 26].
5.1 – Características geométricas das placas de metal duro Como foi dito anteriormente, o compósito metal duro/ferro fundido consiste em placas de
metal duro embebidas na superfície exposta do material de base. A forma e tamanho das
placas pode ser variada, sendo aconselhado [27, 28] o uso de placas quadradas ou hexagonais
com largura e comprimento de 10 a 50 mm, respectivamente, e espessura entre 2 e 5mm.
Os componentes com uma grande superfície de desgaste, necessitam de placas de metal duro
com maiores espessuras, sendo geralmente, a espessura mínima das placas de 20 mm. Em
relação à sua área, é vantajoso em termos de resistência mecânica, dividir as placas grandes de
metal duro em unidades mais pequenas para permitir alguma deformação do compósito, como
demonstra a figura 10.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
16
Figura 10 – Pequenas placas de metal duro incorporadas no metal base [28].
A partir da análise dos catálogos das empresas que comercializam estes produtos e, não
obstante algumas limitações relacionadas com a sua complexidade geométrica, pode concluir-
se que estes produtos podem ser produzidos com as mesmas condições e com as mesmas
tolerâncias dimensionais de um vazamento convencional. Por outro lado, não é aconselhável
que estes componentes sejam fabricados com superfícies de desgaste em faces opostas, como
mostra a figura 11, pois provavelmente, teria como consequência uma perda de propriedades
mecânicas nomeadamente, a sua ductilidade, dificultando a deformação do conjunto além das
dificuldades que seriam criadas ao processo de vazamento [28].
Figura 11 – As formas preferenciais para produzir este material [27].
Em termos geométricos, é recomendada a concepção de cantos arredondados. No entanto, se
forem pretendidos cantos com arestas vivas é possível pré-incorporar uma placa na aresta da
peça como pode ser observado na figura 12.
Figura 12 – Exemplo de uma pré-incorporação [27].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
17
O conjunto deve preferencialmente ser utilizado na forma “as cast”, isto porque os dois
materiais apresentam durezas bastante distintas, dificultando a sua maquinação. No entanto,
em situações que exijam operações ligeiras de maquinação pós-vazamento, é possível utilizar
as mesmas tecnologias envolvidas na maquinação do metal duro e ferro fundido. As secções
exclusivamente constituídas por ferro fundido podem ser perfuradas e fresadas pelas
tecnologias tradicionais e as secções com metal duro devem ser maquinadas por rectificação
e/ou electroerosão.
As principais desvantagens deste tipo de produto são o facto de não se conseguir conceber
peças de elevada complexidade geométrica e do reduzido número de indústrias onde pode ser
aplicado. A indústria de minerais e de construção civil são os seus maiores clientes, até ao
momento [27].
5.2 – Aplicações dos compósitos metal duro/ferro fundido. Estes compósitos podem ter um vasto leque de aplicações, principalmente na indústria
mineira e de construção civil, substituindo os convencionais aços resistentes ao desgaste, em
equipamentos de trabalho pesado. A maior resistência ao desgaste destes compósitos fazem
deles opções mais económicas, do que os aços convencionais garantindo uma maior
longevidade dos componentes. A seguir são apresentados vários exemplos de possíveis
aplicações destes compósitos
Martelos de trituração – são equipamentos que sofrem um elevado desgaste, por esse facto
são, normalmente reforçados na superfície a fim de aumentar a sua vida útil. Ao serem
produzidos pelo compósito metal duro/ferro fundido, onde a zona sujeita a desgaste é
constituída por metal duro, o martelo vê aumentada a sua duração cerca de 3 a 5 vezes mais
(ver figura 13) [27].
Figura 13 – Martelos de trituração [27, 28].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
18
Hélices ou pás de fragmentação – ao produzir-se este equipamento em metal duro/ferro
fundido em vez do tradicional aço endurecido, consegue-se um tempo de vida útil cerca de 4
vezes mais longo. Além disso, é possível uma maior homogeneidade dimensional das
partículas trituradas, que é um aspecto vantajoso para o processo subsequente. A figura 14a
ilustra um esquema de uma hélice produzida com este material [27].
Pás de moagem – estes equipamentos são submetidas a desgaste rápido, como mostra a
figura 14b. Ao utilizar o compósito metal duro/ferro fundido neste equipamento, é possível
aumentar a sua vida útil cerca de 4 a 5 vezes mais se compararmos com o equipamento
produzido em aço [27, 28].
a) b)
Figura 14 – a) Hélices de fragmentação; b) pás de moagem [27].
Este compósito pode ser usado num outro tipo de equipamentos, como são os exemplos das
“pás” dos camiões limpa-neves, onde a zona que está em contacto com o solo é constituída
por este material, ou os dentes de corte da roda duma escavadora, na figura 15 pode constatar-
se isso mesmo.
a) b)
Figura 15 – a) Pá de um camião limpa neve; b) Dentes duma escavadora [27, 28]
Neste caso a zona da “pá” que se encontra constantemente em contacto com o solo, é
arrastada a velocidades elevadas, o que provoca um desgaste intenso. Com a utilização do
compósito nessa superfície de contacto pode-se ter um aumento, 5 a 10 vezes mais, do tempo
de vida útil da ferramenta [27, 28].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
19
Também no caso de ferramentas de corte, este compósito tem vantagens em relação a outros
materiais pois é possível manter a ponta dos dentes afiada (propriedade importante para este
componente desempenhar a sua função) durante mais tempo e com superiores propriedades de
corte [27, 28].
5.3 – Propriedades relevantes para obter uma boa ligação O ferro nodular e o metal duro são materiais muito diferentes e a conjugação das suas
propriedades é complexa. Torna-se importante analisar algumas propriedades destes materiais
que possam influenciar a ligação dos mesmos. Sendo assim e não esquecendo que todo o
processo de união ocorre a altas temperaturas, é de elevada relevância analisar propriedades
como o coeficiente de expansão térmica, o coeficiente de difusão e a condutividade térmica,
para seleccionar as composições de cada um dos materiais, que permitam minimizar a
diferença existente entre eles.
Estudos disponíveis [27, 28] apontam os valores de dureza 200 a 450 HV30 para o ferro
nodular e 950 a 1500 HV30 para o metal duro, como sendo os valores desejados para que a
ligação entre estes dois materiais seja possível.
5.3.1 – Coeficientes de expansão térmica Os coeficientes de expansão térmica têm de ser considerados para a execução destes
compósitos metal duro/ferro nodular. O coeficiente de expansão térmica do metal duro
aumenta com o teor de cobalto (figura 16) e é independente do tamanho de grão, normalmente
apresenta valores entre 5,0 x 10-6 a 5,9 x 10-6/K.
Figura 16 – Variação da expansão térmica com o conteúdo de cobalto para graus de um metal duro [29].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
20
Os tradicionais aços com baixo teor de carbono, os aços ferramenta, os aços inoxidáveis e os
ferros fundidos possuem coeficientes de expansão térmica 2 a 3 vezes superiores aos do metal
duro. Por exemplo, nas aplicações de conformação de metais a alta temperatura, tais como a
laminagem a quente ou a extrusão, essa diferença tem de ser levada em consideração quando
se concebem junções aço/metal duro. Essa falta de correspondência no referido coeficiente
também dificulta as operações de brasagem aquando da união entre aços e metal duro [29].
5.3.2 – Condutividade térmica Uma vez que o processo de obtenção das peças de metal duro/ferro nodular decorre a alta
temperatura torna-se necessário limitar ao máximo perdas muito rápidas de calor. Assim
sendo, a condutividade térmica é um indicador a ter em conta na escolha do metal duro a
utilizar, devendo-se seleccionar um grau que minimize as perdas de calor no vazamento. Pela
análise do gráfico da figura 17 pode-se constatar que os graus de metal duro com maiores
quantidades de Co têm uma menor condutividade térmica [30, 31].
Figura 17 – Condutividade térmica do metal duro [31].
Para além do teor de Co, o tamanho das partículas de WC é também um aspecto a ter em
conta, visto que os componentes em metal duro com partículas grosseiras de WC apresentam
uma tenacidade e resistência ao choque térmico superiores às dos componentes contendo
partículas mais finas. Quer do ponto de vista do processo de concepção deste produto (menor
probabilidade de fissuração por choque térmico), quer do ponto de vista da aplicação (maior
resistência ao impacto), torna-se favorável a utilização de placas de metal duro contendo
partículas grosseiras [30, 31].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
21
5.3.3 – Difusão Pela bibliografia consultada [16,32-35], é possível perceber que a ligação metalúrgica
existente entre estes dois materiais se processa por difusão. Como sabemos a difusão é
melhorada pela exposição dos materiais a altas temperaturas e também quando dois materiais
são sujeitos a forças de compressão que é a situação que decorre do vazamento.
A difusão ocorre por movimentação atómica, e é um processo activado termicamente. Os
fenómenos de difusão têm grande interesse na interpretação de muitos processos
metalúrgicos. Intervêm na preparação e transformações dos metais, em particular, na
homogeneização da composição de ligas heterogéneas, nos tratamentos térmicos (com
excepção da transformação martensítica), na maleabilização, nos tratamentos de superfície
(cementação e nitruração) e na fabricação de peças metálicas por sinterização.
Uma visão idealizada do fenómeno da difusão pode ser obtida com o auxílio do chamado par
de difusão. O par de difusão é formado quando as superfícies de duas barras de materiais
distintos são colocadas em contacto íntimo No interior dos sólidos, a difusão ocorre por
movimentação atómica (no caso de metais), de catiões e aniões (no caso dos cerâmicos), em
qualquer dos casos é um processo activado termicamente. Na figura 18 pode-se observar um
esquema representativo da movimentação dos átomos de dois materiais diferentes, bem como
a distância de migração resultante do movimento aleatório dos átomos [16, 32].
a) b)
Figura 18 – Representação esquemática da localização dos átomos de A (círculos à esquerda) e B (círculos
à direita) no interior do par de difusão, antes da difusão a) e Representação esquemática da localização dos átomos de A e B no interior do par de difusão, após difusão b). [35]
Entre os diferentes tipos de difusão (em volume, intergranular e à superfície), a difusão em
volume é aquela que ocorre mais frequentemente, apesar de necessitar duma maior energia de
activação visto que o interior do grão tem menor energia interna [33, 34].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
22
6 – Considerações teóricas É digno de reparo, uma série de considerações que tornaram interessante o estudo, pesquisa e
elaboração deste tema de projecto.
Além de ser, cientificamente, um projecto actual e exigente, a produção destes compósitos
perspectiva-se como sendo uma excelente oportunidade de mercado para as empresas de
metal duro e fundições. No entanto, deve-se ter em conta as dificuldades existentes no
planeamento e estruturação do método de processamento a fim de se concretizar o objectivo
proposto no inicio deste trabalho.
Uma das maiores dificuldades encontradas foi a inexistência de um suporte científico,
funcionando como um sustento credível no sentido de estudar as variáveis do processo.
Provavelmente este facto deve-se à recente produção deste material, visto que só um muito
pequeno número de empresas possui o know how que lhes permite, para já, serem os
detentores deste mercado. Para efectuar um planeamento inicial deste trabalho, recorreu-se a
uma tese de mestrado, realizada recentemente e intitulada “Enxertos de metal duro em ligas
ferrosas” [20], tendo-se revelado um bom suporte bibliográfico. Posto isto, este “novo”
produto poderá ser uma alternativa interessante a diversos componentes, produzidos noutro
tipo de materiais de elevado custo e por vezes de elevada complexidade tecnológica.
7 – Materiais e procedimento experimental A técnica utilizada para produzir este compósito deve ser o mais possível tradicional,
permitindo uma boa ligação entre os materiais e obter peças de boa sanidade. Para tal
procedeu-se ao vazamento directo de ferro nodular sobre placas de metal duro.
Alternativamente, e no sentido de melhorar a ligação, as placas de metal duro foram numa
fase posterior recobertas com vários revestimentos superficiais e ligas de brasagem, antes do
vazamento, para avaliar o efeito na ligação ao ferro nodular.
7.1 – Selecção do grau de metal duro A utilização de enxertos de metal duro em ferro fundido é muitas vezes difícil de obter devido
às diferenças dos coeficientes de expansão térmica existentes entre estes dois materiais,
podendo resultar numa ligação deficiente ou mesmo fissuração do metal duro. Estes
problemas são idênticos aos existentes na concepção de vários revestimentos em engenharia
de superfícies e de outro tipo de materiais compósitos [35].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
23
Como o processo de ligação é realizado a altas temperaturas e o metal duro é sujeito a um
aumento brusco da temperatura durante o vazamento, é importante seleccionar um grau de
metal duro que conjugue a condutividade térmica, com o coeficiente de expansão térmica.
Os graus que conjugam melhor estas propriedades são aqueles com maior teor em Co e com
tamanho de grão de WC grosseiro. Esta escolha resulta desde logo da análise das figuras 16 e
17 onde se verifica que o aumento do teor de Co provoca um aumento do coeficiente de
expansão térmica (quanto maior esse coeficiente, menor a tendência à fissuração) e uma
diminuição da condutividade térmica. O objectivo é potenciar um grau de elevado coeficiente
de expansão térmica no sentido de aproximar-se do coeficiente do ferro, contudo o teor de Co
não pode ser exagerado pois diminui a condutividade térmica, o que implica um tempo de
exposição a altas temperaturas menor.
Em relação ao tamanho de grão, a escolha foi baseada nos valores de dureza apontados na
bibliografia para o metal duro (entre 950 e 1500 HV30), e ao facto dos graus contendo grãos
mais grosseiros apresentarem um KIC superior assim como uma melhor resistência ao impacto
e ao choque térmico, limitando a probabilidade de fissuração por efeito de choque térmico.
Do ponto de vista da aplicação, é também favorável a utilização de graus que maximizem a
relação resistência ao desgaste/resistência ao impacto. Os graus com teores médios em Co e
partículas de WC médias a grosseiras são aqueles que melhor conjugam estas mesmas
propriedades.
Com base nos pressupostos anteriormente descritos, e tendo como base a tabela de graus de
metal duro disponíveis na DURIT, chegou-se à conclusão que o grau que estabelecia um
melhor compromisso entre as propriedades referidas era o grau BD20 com 10% de Co, 90%
de WC e 6 μm de tamanho de partícula. Na figura 19 está representada uma microestrutura
deste grau.
Figura 19 - Fotomicrografia do grau BD20 [9].
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
24
Na tabela 7 pode analisar-se as propriedades físicas do grau BD20. Posto isto, o grau BD20
será o usado ao longo do trabalho.
Tabela 7 – Propriedades físicas do grau BD20 [13, 36].
Propriedades do grau BD20
Dureza 1240 HV30
Quantidade de ferrite
11%
Coeficiente de expansão térmica
5,5 x 10‐6 /K
Condutividade térmica
90 W.(mK)‐1/2
7.2 – Selecção do ferro fundido Neste trabalho seleccionou-se o ferro fundido nodular como material de base com valores de
dureza entre 200 e 450HV.
Esta escolha relaciona-se com as propriedades mecânicas do ferro nodular em comparação
com o ferro branco e cinzento. A forma esférica da grafite contida no ferro nodular aumenta a
dureza, ductilidade e resistência à propagação de fissuras. Por outro lado, o ferro nodular
combina também as vantagens de processamento dos ferros cinzentos e de alguns aços tais
como boa fluidez, elevada vazabilidade, excelente maquinabilidade, aliados a baixos custos
de produção.
Quanto à matriz do ferro nodular, a escolha recaiu sobre a matriz ferrítica uma vez que é a
mais dúctil e tenaz e com resistência adequada à finalidade pretendida.
7.3 – Condições de produção deste novo produto Todas as experiências obedeceram a um procedimento comum no sentido de se obter um
compósito metal duro/ferro nodular de boa sanidade. As grandes alterações são ao nível dos
revestimentos operados nas placas de metal duro. Juntamente com a modificação dos
revestimentos foram realizadas alterações nas moldações e na quantidade de ferro vazado.
As amostras resultantes das diversas experiências foram analisadas para caracterizar
essencialmente a qualidade da ligação obtida e as propriedades dos materiais de modo a
verificar a necessidade de introduzir alterações em futuras experiências. A qualidade e a
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
25
uniformidade da ligação foram analisadas recorrendo à inspecção visual acompanhada por
observação em microscópio óptico, microscópio electrónico de varrimento (SEM), análises
EDS, microanálise de raios-X e ensaios de microdureza Vickers.
7.3.1 – Obtenção do novo produto A incorporação de placas de metal duro em peças fundidas realizou-se seguindo o
procedimento experimental base:
1 – Preparação da placa de metal duro:
• Rectificação das placas com mós resinóides.
• Desengorduramento das placas com solcol.
2 – Preparação da moldação onde será efectuado o vazamento.
3 – Colocação e fixação da placa de metal duro na cavidade da moldação previamente
preparada.
4 - Fusão do ferro nodular realizada em fornos cubilote e de indução. As temperaturas
de vazamento variaram entre 1400 e 1425ºC e os tempos de enchimento da cavidade
foram de aproximadamente 5s.
5 – Revestimento das placas de metal duro.
6 – O processo de vazamento de ferro nodular sobre as placas de metal duro está
representado na figura 20.
Figura 20 – Esquema do processo de vazamento.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
26
7 – Desmoldação do conjunto após arrefecimento até à temperatura ambiente.
8 – Grenalhagem do conjunto.
9 – Corte transversal do conjunto por electroerosão.
10 – Polimento das zonas de ligação.
11 – Ataque químico com solução de Murakami.
12 – Observação da zona de ligação por microscopia óptica.
13 – Análise da zona de ligação por microscopia electrónica de varrimento e registo
EDS.
14 – Ensaios de microdureza Vickers no ferro fundido no metal duro e na zona de
ligação.
7.4 – Condições alteradas ao longo dos ensaios a) Geometria das placas de metal duro
Para avaliar a dependência da ligação em relação à geometria das placas, utilizaram-se
placas com geometria paralelepipédica e trapezoidal, como mostra a figura 21. As
dimensões das placas foram 50x25x10 mm.
Figura 21 – Imagem 3D das placas de metal duro; do lado esquerdo são placas com geometria
trapezoidal; do lado direito são placas com geometria paralelepipédica.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
27
b) Optimização da caixa de moldação
Para os primeiros vazamentos utilizou-se a moldação inferior e o enchimento foi
realizado em fonte, na figura 22 é apresentado um exemplo de uma moldação
preparada.
Posteriormente optou-se por utilizar moldações que já continham a meia moldação
superior (figura 23), de modo a que as placas de metal duro permanecessem mais
tempo a altas temperaturas.
Figura 22 – Moldação sem meia moldação superior.
Figura 23 – Moldação com meia moldação superior.
c) Percentagem de ferro nodular na moldação
A percentagem de ferro nodular foi sucessivamente aumentada no sentido de
conservar o maior tempo possível, as placas de metal duro a altas temperaturas
envolvendo-as numa maior massa de ferro e de aumentar a força aplicada sobre as
placas de metal duro.
d) Revestimento das placas de metal duro
A acção de diferentes revestimentos superficiais foi testada, nas placas de metal duro,
no sentido de melhorar a qualidade da ligação.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
28
d1) Revestimento da placa de metal duro com silicato de sódio.
As placas de metal duro foram mergulhadas numa solução de silicato de sódio.O
silicato de sódio, muitas vezes designado de “fluido térmico”, foi utilizado na tentativa
de melhorar a molhabilidade do ferro fundido no metal duro, uma vez que é apontado
na bibliografia [34] como sendo um material ideal para estabelecer contacto térmico
entre diferentes materiais, devido à sua fluidez e conformabilidade.
d2) Revestimento da placa de metal duro com níquel.
Revestiu-se as placas de metal duro com níquel por electrodeposição. Este metal com
grande afinidade tanto com o metal duro como com o ferro, funcionaria como uma
liga de brasagem.
d3) Revestimento da placa de metal duro com uma liga de cobre e com uma liga de
prata.
A razão para o uso de um revestimento com estas ligas prende-se pelo facto de serem
ligas usualmente utilizadas na brasagem de metal duro com aços.
d4) Revestimento da placa de metal duro através de um tratamento térmico de
encapsulamento.
Submeteram-se as placas a um tratamento térmico usando uma técnica de metal duro.
O tratamento fez-se num forno cilíndrico em atmosfera de vácuo (4 x 10-1 mbar).
Na figura 24 está representada uma régua cronológica onde é possível acompanhar todas as
alterações efectuadas ao longo do trabalho.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
29
Figura 24 – Régua cronológica.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
30
8 – Apresentação e discussão dos resultados 8.1 – Resultados obtidos para as placas de metal duro sem revestimento
No primeiro ensaio foi realizado um vazamento de ferro nodular sobre placas de metal duro
com a forma trapezoidal sem qualquer tipo de revestimento superficial (figura 25). A
temperatura de vazamento foi de 1405ºC tendo-se vazado uma massa de ferro de 1300g.
a) b)
Figura 25 – a) Moldação com duas placas de metal duro na cavidade; b) bloco de metal duro/ferro fundido.
Na figura 26 pode-se observar uma imagem do bloco obtido, cortado transversalmente,
evidenciando a zona de contacto entre o metal duro e o ferro fundido. Pode observar-se
facilmente e a olho nu, zonas onde não ocorreu contacto entre as placas de metal duro e o
ferro fundido. Uma hipótese possível para o referido facto é explicada pela forte contracção
do ferro fundido ao entrar em contacto com o metal duro, pois este comporta-se como um
arrefecedor, dificultando a união dos dois materiais.
Figura 26 – Corte transversal do bloco vazado.
Contudo, através de uma análise ao microscópio óptico, foi possível observar pontualmente
algumas zonas de ligação entre o metal duro e o ferro fundido, de acordo com a figura 27.
Nessas zonas, foi ainda possível observar-se a formação de ledeburite que é uma fase frágil e
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
31
indesejável para a ligação. A formação desta fase está relacionada com uma deficiente
germinação da grafite para a velocidade de arrefecimento em jogo.
Figura 27 – Fotomicrografias da zona de união entre o metal duro e o ferro fundido.
Figura 28 – Fotomicrografias da interface entre o metal duro e o ferro fundido.
Para analisar as zonas onde se identificaram alguns pontos de ligação entre os materiais
(figura 29), realizaram-se algumas observações dessas interfaces por microscopia electrónica
Ferro Fundido
Fissura na interface
Metal duro
Ledeburite
Ledeburite
Interface
Metal duro
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
32
de varrimento (SEM) e mapeamentos dos elementos por raios – X. Os resultados obtidos
demonstraram que de facto não ocorreu difusão de nenhum dos elementos dos dois materiais,
ou seja, do ferro (Fe), do cobalto (Co) e do tungsténio (W), como demonstram as figuras 29 e
30.
Figura 29 – Mapa de raios – X, onde se observa a localização dos elementos Fe, Co, W e Mn na interface.
Figura 30 – Mapa de raios - X dos elementos Fe (verde), Co (azul marinho), W (azul água) e a negro é
uma zona sem material.
8.2 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com silicato de sódio
No segundo vazamento decidiu-se revestir a placa de metal duro com silicato de sódio na
tentativa, já referida anteriormente, de aumentar a molhabilidade do ferro pelo metal duro.
Para este segundo vazamento a moldação foi completamente isolada, isto é, foi utilizada meia
moldação superior, como mostra a figura 31.
A geometria da placa de metal duro continuou a ser trapezoidal, a temperatura de vazamento
foi de 1420ºC e a massa de ferro vazada foi novamente de 1300g.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
33
Figura 31 – Moldação com meia moldação superior.
Na figura 32 pode-se observar um corte transversal do bloco metálico na zona de ligação entre
os dois materiais.
Figura 32 – Corte transversal do bloco vazado.
Tal como no primeiro vazamento é nítida a não existência de qualquer união entre os dois
materiais, verificando-se inclusive zonas onde os espaços vazios entre os dois materiais são
mais pronunciados do que os observados no primeiro ensaio.
A observação ao microscópio óptico da interface revelou novamente a existência pontual de
zonas de ligação, como mostra a figura 33. Nessa figura, é ainda possível observar-se a
formação de ledeburite, pelo que a utilização de uma meia moldação superior não foi
suficiente para evitar a sua formação.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
34
Figura 33 - Fotomicrografia de um ponto de ligação entre os dois materiais.
Pelos resultados obtidos com o mapeamento por raios – X e perfis EDS, confirma-se de novo
pela figura 34 que não ocorreu difusão significativa dos elementos. O Fe (verde) é o único
elemento que se difunde, passando para o metal duro, sendo no entanto em pequena
quantidade e numa espessura muito reduzida de acordo com a figura 35.
Figura 34 – Mapa de raios – X duma zona de ligação entre o metal duro e o ferro fundido.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
35
Figura 35 – Perfil EDS realizado sobre a interface metal duro – ferro nodular.
8.3 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com níquel
Com a contínua formação de ledeburite na zona de ligação decidiu-se aumentar a massa de
ferro passando de 1300g para 3100g. Com esta alteração pretendeu-se diminuir a cinética de
arrefecimento e simultaneamente exercer mais pressão (pelo peso do ferro), sobre as placas de
metal duro no sentido de favorecer a difusão. As placas de metal duro foram também
revestidas por electrodeposição com uma camada de níquel de 0,5 mm de espessura. Na
figura 36 está representada uma fotomicrografia da interface obtida.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
36
Figura 36 – Fotomicrografia da zona da interface entre os dois materiais.
Pela observação a pequenas ampliações é perceptível inexistência de ledeburite na zona de
ligação, o que nos leva a afirmar que o aumento da massa de ferro se traduz num
arrefecimento mais lento promovendo a reacção estável do ferro. Através da figura 37 pode-se
verificar, também, a existência de uma fissura ao longo da interface entre os dois materiais.
Figura 37 – Fotomicrografia evidenciando a fissura no revestimento de níquel.
Ferro nodular
Camada niquelada Fissura
Metal duro
Ferro Nodula
Camada niquelada
Camada niqueladaFissura
Metal Duro
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
37
Apesar do Ni conseguir realizar uma boa ligação com o Fe e com o metal duro, por
contracção do ferro desenvolveram-se forças suficientes para “cortar” o Ni.
8.4 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de cobre
Neste vazamento foram operadas mais duas alterações em relação ao procedimento que se
vinha adoptando.
Uma vez que o problema da fissuração ao longo da interface persistia, decidiu-se aumentar
ainda mais a massa de ferro, passando de 3100g para 30500g, prevendo-se que esta alteração
melhorasse os fenómenos de difusão, através da permanência das placas mais tempo a altas
temperaturas e da acção de uma força de compressão maior, devido ao maior peso em ferro.
A outra alteração foi o revestimento da placa de metal duro. Resolveu-se revestir as placas de
metal duro com uma liga de cobre com 1 mm de espessura, correntemente utilizada como liga
de brasagem na ligação de metal duro a aço. Este filete de cobre foi soldado ao metal duro
como se mostra na figura 38.
Figura 38 – Filete de cobre soldada à placa de metal duro.
Pela observação da figura 39, é possível constatar-se que realmente ocorreu difusão entre os
dois materiais, apesar da espessura de difusão ser relativamente pequena e da ordem dos 0,5
mm, de acordo com os resultados obtidos com o perfil de durezas realizado sobre a interface
(figura 40) e de concentração dos elementos (figura 41) obtidos na interface.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
38
Figura 39 – Zona de interface entre os dois materiais.
Figura 40 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de uma “linha” perpendicular à
interface entre os dois materiais. A interface é representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.
Figura 41 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro fundido passando pela interface.
Metal duro
Interface
Ferro fundido
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
39
É perceptivel, pela análise dos gráficos anteriores, que a interface de difusão é de cerca de
0,5mm. Pelo gráfico da figura 40, podemos também verificar que os elementos que se
movimentam durante a difusão são o Fe e o W, uma vez que o Co só existe na zona de metal
duro diminuindo a sua concentração à medida que nos afastamos da interface. Verifica-se
também que o W se difunde mais para o lado do ferro nodular do que o Fe para o lado do
metal duro. Este facto pode ser explicado pelas diferenças do coeficiente de difusão do Fe no
metal duro e do W no ferro nodular ou pela intensa reacção entre o metal líquido e a
superficie do metal duro, induzindo a formação de uma fase líquida e o arrastamento de
partículas WC para o ferro (figura 42).
Figura 42 – Zona de interface entre o metal duro e o ferro nodular.
No entanto, é possível observar um segundo pico no gráfico das durezas o qual é
correspondido, no gráfico de EDS, a um aumento do elemento W e uma diminuição do
elemento Fe. Ao observarmos a interface numa menor ampliação, realmente é perceptível
uma faixa onde existe uma maior concentração de partículas de WC, como se pode observar
na figura 43.
Metal duro
Interface
Ferro fundido
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
40
Figura 43 – Zona de interface com menor ampliação.
Figura 44 – Zona de concentração de partículas de WC.
Pela observação geral em SEM da microestrutura (figura 45), pode confirmar-se a exisência
do WC na zona de interface e numa segunda zona que corresponde ao segundo pico no
grafico de durezas (figura 41). Nesta fotomicrografia, as zonas mais claras correspondem às
particulas de WC porque são partículas com maior numero atómico que o ferro (zona
Faixa com partículas de WC
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
41
cinzenta), visto que foi usado o método de análise com electrões retrodifundidos, que dá
origem a um contraste característico relacionado com o número atómico dos elementos.
Figura 45 – Imagem SEM da zona de interface.
Esta faixa supõe-se que terá sido “arrastada” pelo cobre que estava à superfície da placa e
aquando do vazamento, ao entrar em contacto com o metal líquido, fundiu e arrastou consigo
partículas de WC. O aparecimento desta faixa só se verifica na superfície da placa de metal
duro com cobre soldado. O cobre, como era em pequena quantidade, provavelmente difundiu-
se no ferro o que explica a sua ausência nos espectros de elementos químicos (ver figura 46).
Faixa com partículas de WC
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
42
Figura 46 – Espectro de concentração de elementos químicos na zona de interface.
O espectro representado na figura 46 foi efectuado na zona próxima à interface entre o metal
duro e o ferro fundido. Pode-se verificar que os elementos que estão em maior concentração,
nesta zona, são o W e o Fe, não se observando qualquer pico de concentração correspondente
ao Cu.
Na tabela 8 estão representados as quantidades ponderais dos principais elementos, nesta
mesma zona, verificando-se que os valores de Cu são praticamente nulos o que vem confirmar
o que foi dito anteriormente sobre o Cu.
Tabela 8 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na zona da interface,
obtidas em EDS.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
43
Na zona de interface são visíveis ainda bolsas em que o efeito carburígeno do W se evidencia
pela existência de zonas praticamente isentas de nódulos de grafite. Analisando esta zona a
maior ampliação (ver figura 47a), verifica-se que o carbono se encontra combinado na forma
de “esqueletos” tendo sido identificados carbonetos de W. Este pormenor está indicado na
figura 47b.
Interpretamos a ocorrência destes carbonetos como uma consequência do metal líquido ter
digerido parte das partículas de WC durante o vazamento. Assim sendo formaram-se
carbonetos ricos em W durante a solidificação, segundo a reacção eutética, na versão
metaestável:
L = γ + M7C3
e que L, γ e M7C3 simbolizam a fase líquida, a austenite e os carbonetos de W,
respectivamente.
a) b)
Figura 47 – a) Forma tipo “esqueleto” de carbonetos de W; b) esqueleto analisado a maior ampliação.
Foi feito um espectro da zona 1 e zona 2, assinaladas na figura 47b, para comprovar que a
zona 1 é maioritariamente constituída por W com algum carbono o que pressupõe que é
constituída por carbonetos ricos em W (ver figura 48). A zona 2 é a matriz do material e,
como é na zona do ferro fundido, o Fe é o elemento químico predominante (ver figura 49).
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
44
Figura 48 – Espectro da zona 1
Figura 49 – Espectro da zona 2.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
45
Neste vazamento já foi possível verificar alguma difusão entre os dois materiais, o que vem
reforçar a ideia que o aumento da massa de ferro é uma variável importante. Não podemos
afirmar, no entanto, que o uso de uma fita de cobre resultou numa ligação perfeita e
homogénea, visto que a difusão não ocorreu ao longo de toda a superfície, como podemos ver
na figura 50, onde se verifica o aparecimento de fissuração.
Figura 50 – Fissura na interface entre o metal duro e o ferro nodular.
8.5 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com liga de prata
Uma vez que o aumento da massa de ferro proporcionou melhorias em termos da difusão,
decidimos manter a mesma quantidade de ferro, alterando apenas o revestimento das placas
de metal duro. Sendo assim, resolveu-se revestir as placas de metal duro com uma liga de
prata (ver figura 51), tal como no caso da liga de cobre, que também é uma liga muito usada
na brasagem de metal duro a aço. Os resultados estão documentados na figura 52.
Figura 51 – Fita de prata soldada à placa de metal duro.
Fissura
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
46
Figura 52 – Zona de interface entre os dois materiais.
Tal como se verificou com o cobre, também a prata se difunde no ferro quando entra em
contacto com o metal líquido, arrastando consigo particulas de WC. Como podemos
constactar, pela análise da tabela 9, os valores de concentração do Ag são insignificantes, o
que pode indicar que possivelmente este elemento se difundiu no ferro no momento do
vazamento.
Tabela 9 – Quantidades ponderais dos elementos químicos presentes na zona da interface,
obtidos em EDS.
Wt (%)
Amostra Ag Fe Co W Total
Ag_Z1 0,28 3,13 5,94 90,65 100 Ag_Z2 0,14 0,28 8,71 90,88 100 Ag_Z3 0,6 24,03 3,08 72,29 100 Ag_Z4 0,56 86,62 3,37 9,45 100 Ag_Z5 0,45 50,15 2,69 46,72 100 Ag_Z6 0,36 94,01 2,12 3,51 100
Continua a observar-se uma faixa de particulas de WC afastada da interface, sendo que, neste
caso, a faixa tem maior espessura (ver figura 54, 2º pico do gráfico) do que a observada no
ponto anterior. Este facto pode ser explicado possivelmente pelo baixo ponto de fusão da
prata em relação ao cobre. Sendo assim, a prata funde mais rapidamente e permanece mais
tempo no estado líquido o que favorece a difusão dos elementos.
Este revestimento, por sua vez, proporciona uma difusão ao longo de toda superficie revestida
sem qualquer tipo de fissuras, mas em contrapartida as espessuras de difusão são mais
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
47
pequenas (cerca de 0,35mm) e heterogéneas do que no caso do revestimento com cobre, como
podemos observar pela análise dos gráficos das figuras 53 e 54.
Figura 53 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de uma “linha” perpendicular à
interface entre os dois materiais. A interface é representada pelo ponto zero no eixo das abcissas.
Figura 54 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro fundido passando pela interface.
Apesar de aparentemente não existirem fissuras com este revestimento, o facto de ter uma
espessura de difusão heterogénea e pequena, não dá garantias de um bom desempenho quando
for sujeita a forças mecânicas.
(mm)
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
48
8.6 – Resultados obtidos para as placas de metal duro revestidas com a “liga de
encapsulamento”
No sentido de aumentar a espessura de difusão entre o metal duro e o ferro nodular,
submeteram-se as placas de metal duro a um outro revestimento com uma liga, no sentido de
melhorar a qualidade das ligações obtidas. A este procedimento e material deu-se o nome de
“liga de encapsulamento” cujos detalhes de realização não são abordados, dado que
configuram um processo industrial sigiloso, com elevado potencial económico. As placas de
metal duro foram então sujeitas a um tratamento de encapsulamento a alta temperatura. A
figura 55 apresenta algumas fotomicrografias das interfaces obtidas entre a placa de metal
duro e a liga de encapsulamento.
Figura 55 – Zona de interface entre o metal duro e a liga de encapsulamento (interface 1).
Depois de se realizar o tratamento de encapsulamento a alta temperatura, analisou-se a
interface entre o metal duro e a liga que contém ferro. Pela observação da figura 55 é possível
verificar que a interface entre os dois materiais é totalmente homogénea ao longo de todas as
superfícies e que se estende por uma espessura de cerca de 1 mm como podemos comprovar
pela análise dos gráficos de EDS e de dureza (figuras 56 e 57).
Metal duro
Interface 1
Liga de encapsu lamento
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
49
Figura 56 – Percentagens ponderais dos elementos Fe, Co e W ao longo de uma “linha” perpendicular à
interface entre os dois materiais. O ponto zero identifica uma zona no ferro nodular, e os restantes pontos
são retirados na direção do metal duro.
Figura 57 – Perfil de durezas com valores desde o metal duro até ao ferro fundido passando pela interface.
O processo de união ocorre com o movimento, principalmente, das particulas de WC para a
liga de encapsulamento. O ferro da liga de encapsulamento também se movimenta na direção
do metal duro mas em menores quantidades e menor profundidade como se pode comprovar
pela observação dos mapas de raios – X (figura 58 e 59).
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
50
Figura 58 – Mapa de raios – X do elemento Fe na interface.
Figura 59 – Mapa de raios – X do elemento W.
Após este tratamento de encapsulamento, o conjunto (metal duro/liga de encapsulamemto) foi
colocado na cavidade de moldação onde foi vazado ferro nodular a 1420ºC. Os resultados
obtidos sugerem que a liga de encapsulamento auxiliou o processo de ligação do metal duro
com o ferro nodular, como se pode constatar na figura 60. Realce-se também a perfeita
distribuição dos nódulos de grafite na matriz da liga de encapsulamento, conforme mostra a
figura 62, comprovando a ocorrência de processos de difusão.
Interface 1
Metal Duro
Liga de encapsulamento
Interface 1
Metal Duro
Liga de encapsulamento
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
51
Figura 60 – Imagem SEM da zona de união, ilustrando as duas interfaces.
Figura 61 – Zona da interface 2 entre o ferro nodular e a liga de encapsulamento.
Metal duro
Liga de encapsulamento
Ferro nodular
Interface 1
Interface 2
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
52
Figura 62 – Interface 2; nódulos de grafite distribuídos desde o ferro nodular até à liga de
encapsulamento.
Neste ensaio foi também controlada a temperatura de arrefecimento do conjunto. Para isso, foi
colocado um termopar no interior da moldação, encostado a uma das placas de metal duro. O
registo de temperaturas obtido durante e após o vazamento está presente no gráfico da figura
63.
Figura 63 – Registo da temperatura desde o momento do vazamento até à estabilização da temperatura.
Este registo sustenta a ideia de que só o facto de aumentar a massa de ferro não é suficiente
para se obter uma ligação por difusão entre estes dois materiais. Pela análise do gráfico,
verifica-se que as placas só permanecem a temperaturas superiores a 1000ºC nos primeiros
segundos em que entram em contacto com o metal líquido, arrefecendo bruscamente até cerca
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
53
de 400ºC. Este grau de metal duro sinteriza a 1370ºC e os poucos segundos que está sujeito a
temperaturas próximas de 1000ºC não são suficientes para a formação de fase líquida. Sendo
assim, é necessária a presença de uma liga intermédia que facilite a ligação entre os dois
materiais e que não necessite de temperaturas tão elevadas para promover a ligação com o
ferro nodular.
Com o último tratamento superficial das placas de metal duro aqui desenvolvido, conseguiu-
se obter também uma ligação por difusão homogénea, sem fissuração, e com uma espessura
significativamente superior às anteriores, o que sugere que este tratamento foi o mais
adequado para a concepção deste novo material compósito.
8.7 – Considerações finais Os conhecimentos adquiridos no meio académico e a experiência e natureza objectiva de uma
empresa, permitiu-nos chegar aos resultados agora apresentados. A nível científico é digno de
registo realçar a notável melhoria da ligação entre o metal duro e o ferro nodular ao longo do
trabalho, graças à acção de um revestimento da superfície das placas de metal duro, com uma
“liga de encapsulamento”. Do ponto de vista tecnológico, o facto de apenas ser possível a
produção de peças com pouca complexidade torna-se a maior das limitações deste produto.
9 – Conclusões a) O trabalho evidencia a possibilidade de incorporar placas de metal duro em peças de
ferro fundido, directamente a partir do vazamento.
b) Dentro das geometrias ensaiadas, a geometria das placas de metal duro não tem
influência na ligação.
c) Quanto mais demorado for o arrefecimento maiores probabilidades de se obter uma
ligação por difusão:
i. Utilizar moldação com meia moldação superior.
ii. Aumentar a massa de ferro.
d) A ligação só é conseguida se as placas de metal duro forem revestidas.
e) As condições experimentais que levaram a uma melhor ligação foram as obtidas com
o revestimento com a liga de encapsulamento.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
54
f) Foi conseguida uma ligação homogénea ao longo de todas as superfícies de contacto.
g) A espessura máxima de difusão que se obteve foi de cerca de 1 mm para as placas
revestidas com a liga de encapsulamento; para as placas revestidas com cobre e prata
este valor decresce para cerca de 0,5 e 0,35 mm, respectivamente.
h) As temperaturas que envolvem o processo de vazamento não permitem, por si só, uma
ligação com boa sanidade.
i) O W é o elemento que mais se movimenta no processo de difusão, sendo que o ferro
apenas se movimenta numa pequena quantidade para a zona do metal duro.
j) A dureza na interface de difusão, tem um valor médio da ordem de 600 HV, que é
aproximadamente 3 vezes superior à dureza do ferro nodular.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
55
10 – Referências Bibliográficas
[1] – Cabral E.G.S.S., “Caracterização das propriedades eléctricas, magnéticas e térmicas do
metal duro”, Universidade de Aveiro 1996/97.
[2] – Brookes, Kenneth J. A.; “Cemented Carbides for Engineers and Tool Users”-
International Carbide Data-1983.
[3] – www.sandvik.com – Acedido em 07/10/2007
[4] - Cabral E.G.S.S., “Compósitos com reforço cerâmico para aplicações estruturais –
cermets”, Universidade de Aveiro 1996/97.
[5] Goto S., Aso S., Komatsu Y., Ike H., Shimizu K., “ Composite reinforcement of cast iron
surface by insert WC powder”, International Journal of Cast Metals Research, Vol. 16, 2003.
[6] – ASM Handbook, “Properties and Selection: Alloys and Special Purpose Materials”, Vol.
2 ASM International, 1990 .
[7] – Miranda R., “Produção de metal duro à base de carboneto de tungsténio com cobalto
como ligante”, Faculdade de Emgenharia da Universidade do Porto, 2001.
[8] – “Powder Metallurgy”, Metals Handbook, vol.7, 9ª edição 1984.
[9] – www.durit.pt. – Acedido em 20/09/2007
[10] – Catálogo da DURIT.
[11] – Seung I., Soon H., Gook H., Byung K., “Microstruture and Mechanical properties of
Nano crystalline WC-10Co Cemented Carbides”, Scripta Mater., Vol. 44 nº 8/9, 2001.
[12] – Dreyer K., Van der Berg H.,”Carbide Makers Rise to the Challenge, MPR, Vol. 54,
1999.
[13] – Brookes K.J.A., “Hardmetals and Hard Materials”, 6ª edition World directory and
Handbook, 1996.
[14] – www.itia.org.uk – Acedido em 03/01/2008
[15] –Santos H., “Ligas Ferrosas”, disciplina do curso de Eng. Metalurgica e de Materiais,
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
[16] – De Seabra, A. V. “Metalurgia Geral”, Volume II, Laboratório Nacional de Engenharia
Civil, Lisboa 2002.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
56
[17] – Neves J. C. K., Angelo C. M., Souza R. M., Sinatora A. “Effect of mechanically
imposed stresses on the contact fatigue resistance of two cast irons with high hardness
matrix”, Academic Department of Mechanics, Federal University of Technology-Paraná and
Surface Phenomena Laboratory, Department of Mechanical Engineering, Polytechnic School
of the University of São Paulo, January 2007.
[18] - De Santis A., Di Bartolomeo O., Iacoviello D., Iacoviello F., “Quantitative shape
evaluation of graphite particles in ductile iron”, Dipartimento di Informatica e Sistemistica,
Universitá di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Meccanica, Strutture, Ambiente e
Territorio, Universit`a di Cassino, May 2007.
[19] – http://paginas.fe.up.pt/fundicao: Silva Ribeiro C.A., “Fundição”, disciplina do curso de
Eng. Metalurgica e de Materiais, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Visitado
pela ultima vez em 27/12/2007
[20] –Lourenço N., “Enxertos de metal duro em ligas ferrosas”, Tese de Mestrado, Faculdade
de Engenharia da Universidade do Porto, 2006
[21] – www.ductile.org.
[22] Labreque C., Gagné M., “Ductile iron: fifty years of continuous Development”, Can.
Metall. 1998.
[23] – “Friction and wear of cemented carbides”, ASM handbook, Vol. 18 (Friction,
lubrification and wear technology), ASM Internation, 1992.
[24] - Pedersen K. M., Tiedje S. N., “Graphite nodule count and size distribution in thin-
walled ductile cast iron”, Department of Manufacturing Engineering and Management,
Technical University of Denmark, September 2007.
[25] - Energy and Environmental Profileof theU.S. Metalcasting IndustrySeptember.
[26] - COSTA, J. D., “Ferro fundido com grafite esferoidal”, INII, Lisboa, 1972.
[27] Sandvik Cast-in Carbide. “A new wear material for tough, hard, brutal jobs”, catálogo da
sandvik.
[28] Catálogo da Kennametal.
[29] Iacoviello F., Di Cocco F. V., “Fatigue crack paths in ferritic-perlitic ductile cast irons”,
Proceedings of International Conference on Fatigue Crack Paths, Parma-Italy, 2003.
Incorporação de placas de metal duro em peças fundidas
57
[30] – Xu Y., Luo X., Chung D.D.L., “Sodium silicate based thermal interface material for
high thermal contact conductance”, Journal of Electronic Packaging, Vol. 122, 2000.
[31] - Cheng-Hsun Hsu, Ming-Li Chen, Chia-Jung Hu, “Microstructure and mechanical
properties of 4% cobalt and nickel alloyed ductile irons”, Department of Materials
Engineering, Tatung University Taiwan, September 2006
[32] – Dr.Guillermo Solórzano, “Difusão”, Introdução à Ciência dos Materiais para
Engenharia, Escola Politécnica da Universidade de S. Paulo, 2005.
[33] – Nitta H., Iijima Y., Tanaka K., “Self-diffusion in unidirectionally solidified Fe–50
at.% Co alloys at 833–1123 K”, Department of Materials Science, Graduate School of
Engineering, Tohoku University Japan, 2004.
[34] Yamazaki Y., Gyu Lee C., Matsuzaki T., “Grain boundary self-diffusion in directionally
solidified equiatomic Fe–Co alloy”, Department of Materials Science, Graduate School of
Engineering, Tohoku University Japan, 2004.
[35] Hathaway R.M., Rohatgi P.K., : Ferrous composites: a review, Proc. Int. Conf. High
Temperature Capillarity, Cracow, Poland, edit by N. Eustathopoulos, N. Sobczak, 1997.
[36] - Petersson, A., “Sintering shrinkage of WC-Co and WC-/Ti,W)C-Co materials with
different carbon contents”, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 22,
Department of Materials Science and Engineering – Royal Institute of Tecnology, Stockholm,
Sweden, 2004.