Grafite robusta em peças fundidas de ferro dúctil: por que ela se forma e como as fundições a previnem

Grafite robusta em peças fundidas de ferro dúctil: por que ela se forma e como as fundições a previnem

Uma base de máquina de ferro dúctil com paredes próximas de 200 mm deixa a fundição com uma aparência perfeita – superfícies limpas, dimensões sólidas, dureza normal. Meses depois, uma amostra usinada a partir do centro da parede mais espessa testa um alongamento de 3 a 4%, em vez dos 10% prometidos pela classe, ou uma rachadura por fadiga se abre ao lado do assento do rolamento. Corte a peça fundida naquele local e o grafite parece errado: em vez de nódulos redondos discretos, o microscópio mostra aglomerados de partículas conectadas em forma de coral, compactadas entre os braços dendríticos. Isso é grafite grosso, e o material foi comprometido antes mesmo de a peça carregar uma carga.

A versão curta: grafite robusto é o defeito característico do ferro dúctil de seção pesada . Ele se forma onde a solidificação é mais lenta, prospera com alto teor de silício, alto equivalente de carbono e terras raras residuais, e prejudica o alongamento e a resistência à fadiga muito mais do que a dureza jamais revela. Ambas as pré-condições – um ponto quente de resfriamento lento e uma química permissiva – podem ser eliminadas por engenharia, o que o torna um dos defeitos mais controláveis ​​que uma fundição enfrenta. O que se segue cobre o defeito em si, os danos que ele causa e as contramedidas que são válidas na produção.

O que realmente é o grafite robusto

A grafite robusta não é uma inclusão estranha ou uma cavidade de contração. É uma morfologia de grafite: o carbono que deveria ter congelado em nódulos esféricos isolados, em vez disso, cresce como partículas agregadas e interconectadas que parecem explodidas ou vermiculares sob o microscópio. Aparece em aglomerados ou em posições interdendríticas e, à primeira vista, pode ser confundido com o grafite tipo D de ferros de paredes finas - embora pertença a seções pesadas e resfriadas lentamente, e não a paredes finas de congelamento rápido.

Dois hábitos facilitam a perda. Primeiro, ele se concentra no centro térmico de uma seção pesada – o último metal a solidificar – enquanto a forma de grafite na pele e em cupons de rotina pode parecer perfeitamente normal. Em segundo lugar, numa superfície maquinada ou fracturada, apresenta-se apenas como um escurecimento localizado, uma mancha cinzenta indistinta que é fácil de interpretar erroneamente como mancha ou problema de alimentação. No momento em que é óbvio em uma fratura, o grafite conectado já construiu uma rede de caminhos de fissuras prontos.

Se você precisar de uma atualização primeiro, nosso introdução em linguagem simples ao ferro dúctil aborda como o material difere do ferro cinzento.

Por que seções pesadas e resfriamento lento desencadeiam isso

A variável controladora é o tempo de solidificação local. Numa parede de 25 mm a reação eutética termina rapidamente e cada nódulo cresce independentemente em uma esfera. No núcleo de uma coluna de máquina ou no cubo do cárter de um compressor, a mesma reação pode se estender por muito mais tempo – e as partículas de grafite suspensas no último líquido entre as células eutéticas se conectam e crescem como um agregado, em vez de permanecerem separadas. O defeito aparece exatamente onde a experiência prevê: nas junções das paredes, em saliências espessas, sob a areia alimentadora.

A química decide se esse resfriamento lento pode causar danos. Três fatores de composição surgem consistentemente. O silício é o dominante: o defeito é raro perto de 2 por cento de silício e sua incidência sobe acentuadamente para e além de 3 por cento, o que é uma das razões pelas quais os graus ferríticos reforçados com solução com alto teor de silício exigem cuidado extra em seções pesadas. Um equivalente com alto teor de carbono adiciona exposição. As terras raras são mais sutis – o cério e o lantânio são necessários em pequenas quantidades para uma reação de nodularização robusta, mas os resíduos intermediários estão repetidamente ligados à grafite grossa em placas e barras pesadas.

Grafite grosso não dá azar. É o que o ferro dúctil faz quando o resfriamento lento encontra uma química permissiva – e ambas as variáveis ​​podem ser gerenciadas.

Os danos que causa às propriedades mecânicas

As perdas não são uniformes e é essa assimetria que torna o defeito perigoso. A dureza quase não se move, porque a matriz metálica permanece praticamente inalterada. A resistência à tração em uma zona afetada normalmente cai cerca de 10 a 20 por cento. O alongamento é atingido com muito mais força – perdas de metade ou mais são comumente relatadas quando o grafite grosso ocupa uma parte significativa da superfície de fratura. A resistência à fadiga geralmente é a que mais sofre, porque o grafite interconectado atua como um entalhe interno: uma rachadura não precisa mais começar na superfície, ela pode começar profundamente no interior da parede.

Perigo - A dureza não detectará esse defeito. Uma região afetada pode ser completamente normal em um teste de dureza, enquanto seu alongamento e resistência à fadiga entraram em colapso silenciosamente. A aceitação de seções pesadas deve basear-se em testes de tração de material representativo.

Como as fundições o encontram antes do cliente

A detecção tem que ir em busca do defeito, porque o defeito não chega à inspeção de rotina. O método direto é o seccionamento: corte a peça fundida - ou uma amostra sacrificial da mesma posição térmica - nos pontos quentes conhecidos, prepare a superfície e avalie a forma da grafite metalograficamente em relação a gráficos de comparação padrão. Os inspetores também observam o escurecimento localizado descrito acima em superfícies usinadas ou fraturadas. Para peças fundidas muito grandes para a seção, o teste ultrassônico serve como uma ferramenta de triagem, uma vez que a grafite degradada forma uma velocidade do som mensuravelmente mais baixa; qualquer área sinalizada é então confirmada metalograficamente.

Informações - Uma barra de teste fundida separadamente descreve o fundido, não a fundição. Para seções pesadas, insista em cupons fixados nas paredes mais grossas, ou amostras cortadas de zonas críticas definidas, antes de aceitar qualquer resultado de propriedade.

Prevenção: Química e Solidificação, Gerenciadas em Conjunto

Alavancas químicas

A primeira alavanca é a composição. As fundições que despejam seções pesadas normalmente mantêm o silício tão baixo quanto o grau permite – para ferros dúcteis ferríticos estruturais, isso geralmente significa permanecer na faixa de 2,0 a 2,4 por cento em vez de cair em direção a 3 – e manter o carbono equivalente sob controle pelo mesmo motivo. As terras raras residuais são geridas deliberadamente: o suficiente para garantir a nodularidade, nunca mais do que o necessário. Quando uma seção precisa de segurança extra, microadições de antimônio na ordem de dezenas de ppm são uma contramedida estabelecida, e em graus com alto teor de silício o estanho mostrou um efeito supressivo semelhante.

Aviso - Essas adições funcionam justamente porque são pequenas. O excesso de antimônio promove suas próprias formas degeneradas de grafite, e a remoção total das terras raras deixa a reação nodularizante frágil contra vestígios de elementos nocivos. As contramedidas funcionam como uma janela balanceada, não como interruptores independentes.

Alavancas de resfriamento e design

A segunda alavanca é a própria solidificação. Resfriamentos contra paredes de pontos críticos, nervuras e aletas que afinam junções maciças e seções de parede de proporções honestas encurtam o tempo de solidificação local – a causa raiz do defeito. O design da alimentação também é importante, porque um ponto quente que é alimentado, mas não resfriado, ainda permanece muito tempo acima do solidus. A simulação de solidificação, executada antes da primeira fundição ser vazada, localiza os centros térmicos no computador, em vez de na lixeira.

O que os compradores devem colocar nas especificações

Grande parte da proteção que um comprador recebe é decidida na fase de especificação. Nomeie o grau de forma inequívoca — ASTM A536 65-45-12 ou 80-55-06, ou os equivalentes EN-GJS e ISO 1083 — e indique onde as propriedades devem ser comprovadas. A exigência de que os cupons de tração sejam fixados nas paredes mais pesadas, ou cortados em zonas definidas, altera o comportamento da fundição de uma forma que um número em um desenho nunca fará. Defina a aceitação de grafite em seções de pontos críticos com referência a gráficos de comparação padrão e, para peças genuinamente grandes, considere a triagem ultrassônica contratual.

O estado de tratamento térmico também merece sua própria linha. Um recozimento ferritizante confere às classes ricas em alongamento seu caráter, mas nenhum recozimento pode reparar a grafite grossa que se formou durante a solidificação.

Um número de classificação num desenho não prova nada sobre o centro de uma parede de 200 mm. O local de amostragem sim.

Sucesso - A frase mais valiosa em uma especificação de fundição de seção pesada é aquela que nomeia o local de amostragem. Todo o resto decorre disso.

Onde o risco se concentra em componentes reais

Os componentes mais expostos são aqueles que os usuários finais raramente veem: formas maciças de ferro dúctil e resistentes, com paredes espessas e que se cruzam. As bases de máquinas-ferramenta concentram o metal exatamente da maneira que produz longos tempos de solidificação, e sua estabilidade dimensional ao longo dos anos de serviço depende de uma matriz sólida dentro da parede. Nós os tratamos como um item de relógio robusto de grafite desde a primeira simulação.

Fundição de base de máquina-ferramenta de ferro dúctil Esta base fundida em areia de resina suporta fusos, bases e mesas de trabalho, proporcionando rigidez e resistência à vibração que mantêm a precisão das máquinas-ferramentas. Suas espessas paredes que se cruzam exigem uma forma sólida de grafite dentro da peça fundida. Ver Produto →

As colunas da máquina-ferramenta possuem o mesmo perfil – alto, grosso e estruturalmente central – com a exigência adicional de que a geometria permaneça fiel enquanto a máquina está cortando. A forma de grafite dentro da parede faz parte dessa promessa.

Fundição de coluna de máquina-ferramenta para rigidez e posicionamento A coluna suporta e posiciona a ferramenta, mesa de trabalho ou peça de trabalho e deve manter a geometria correta durante o corte. Seções altas e de paredes espessas tornam a estrutura interna de grafite e a estabilidade dimensional as principais preocupações de qualidade aqui. Ver Produto →

Os componentes do compressor combinam a espessura da seção com a rotação. Os cárteres e os corpos empilham as espessas saliências dos assentos dos rolamentos e as paredes dos cilindros em uma única peça fundida, e o equipamento rotativo é implacável em relação aos defeitos internos. Nosso programa de fundição de compressor abrange corpos, cárteres, assentos de rolamentos, assentos de rotores e cilindros onde esta combinação é rotineira.

Fundição do cárter do compressor com assentos de rolamento grossos Este cárter combina seções pesadas, ressaltos de assento de rolamento e paredes de cilindro em uma peça fundida para serviço rotativo. Equipamentos rotativos toleram poucos defeitos internos, portanto a solidificação sólida em paredes espessas é essencial. Ver Produto →

Os corpos das bombas e as peças de retenção de pressão adicionam carga cíclica no topo das seções pesadas, e os componentes de energia eólica – cubos e estruturas principais em ferro dúctil de seção pesada – ficam na extremidade mais exigente do mesmo problema.

O resultado final

A grafite robusta em peças fundidas de ferro dúctil é um defeito do tempo e da química: ela cresce onde seções pesadas esfriam lentamente e uma composição permissiva permite isso, deixa a dureza intocada e reduz o alongamento e a resistência à fadiga desproporcionalmente enquanto se esconde das verificações de rotina.

• Forma-se nos centros térmicos de seções pesadas, não em paredes finas.
• O silício a aproximar-se dos 3%, o elevado teor de carbono equivalente e os resíduos intermédios de terras raras aumentam o risco.
• Detecção significa seccionar pontos críticos para metalografia – amostras de dureza e pele não revelarão isso.
• Janelas de silício de baixo custo, resíduos de terras raras tampados, pequenas adições de antimônio ou estanho e resfriamento local suprimem isso.
• A ferramenta mais forte do comprador é uma especificação que nomeia o teor, o local de amostragem e a aceitação de grafite baseada em pontos críticos.

Nenhuma destas medidas é exótica; eles são uma prática padrão em qualquer fundição que derrama regularmente bases e estruturas de várias toneladas. A diferença entre uma peça fundida pesada que dura décadas e uma que quebra em serviço geralmente é decidida meses antes da entrega – na ficha química, no modelo de simulação e no plano de amostragem. As fundições que controlam esses documentos, e os compradores que os leem, raramente encontram grafite grosso em um relatório de falha.