Metal precioso

Tratamento térmico aplicado a ferro fundido é opção para aumentar competitividade da indústria siderúrgica nacional

Há cerca de 15 anos, o ADI (Austempered Ductile Iron) ou ferro fundido nodular austemperado era praticamente um desconhecido no mercado nacional de metalurgia. Os estudos sobre o material no mundo começaram por volta de 1960 e na década seguinte foram feitos os primeiros experimentos da sua aplicação por países como Estados Unidos e Alemanha. Entretanto, ainda no começo dos anos 1990, o Brasil permanecia alheio às potencialidades desse produto, capaz de competir de maneira vantajosa com materiais clássicos como o aço forjado, o ferro fundido tradicional e as ligas de alumínio.

Foi por uma questão de estratégia que o então coordenador do núcleo de pesquisas do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial (Senai) de Itaúna, no Centro-Oeste de Minas, José Felipe Dias, se interessou pelo material. “Vi em revistas internacionais e acreditei que poderia ser interessante. E havia a questão estratégica, pois se as empresas nos procurassem e não tivéssemos informações a respeito seria uma falha”, lembra. Desde 1993, Dias, que hoje é professor da Faculdade de Engenharia da Universidade de Itaúna, integra um grupo que estuda o ADI e procura divulgar as suas aplicações e possibilidades para a indústria nacional, especialmente a mineira.

O ferro fundido nodular austemperado é obtido a partir de um tratamento térmico aplicado ao ferro fundido nodular, material amplamente conhecido e utilizado desde a 2ª Guerra Mundial. A peça é produzida (fundida) e aquecida em condições controladas, o que melhora as suas propriedades mecânicas, como a resistência, a tração, comportamento à fadiga (gasto provocado pelo uso), entre outras. O resultado é um material tão resistente quanto o aço e que consome, em sua produção, menos energia.


O tratamento térmico altera as características das peças de ferro fundido nodular e torna o material mais resistente

Ao lado do ferro fundido comum, conhecido como cinzento, o ferro nodular (1) sem o tratamento térmico é um dos mais usuais produzidos pelas fundições mineiras. De acordo com Dias, o tratamento térmico pode agregar valor ao produto oferecido por estas empresas. “Ao ser descoberto, o ferro fundido nodular austemperado começou a concorrer com o aço. Parte da indústria automobilística, por exemplo, está trocando o aço forjado por este material, que é mais barato, mais fácil de fabricar e possui propriedades melhores para algumas aplicações”, justifica o pesquisador.

Entre outros aspectos, uma das grandes diferenças entre o ferro nodular e o aço é o teor de carbono, que altera as propriedades mecânicas e a maneira de o produto se solidificar. Densidade e algumas características microestruturais também diferem. O aço pode ser trabalhado, laminado, enquanto o ferro fundido, inclusive o austemperado, ganha a forma desejada na hora da fabricação da peça, com a confecção do molde – o que traz vantagens, principalmente no caso de componentes mais complexos. Já a usinagem (acabamento com a ferramenta de corte) pode ser feita antes ou depois e é facilitada no ferro fundido pela presença da grafita, que ajuda na lubrificação.

Competitividade
Na indústria automobilística, o ADI vem sendo utilizado com êxito na substituição de componentes como o eixo de manivelas ou virabrequim e engrenagens. Agricultura, mineração e construção civil são outras áreas que já fazem uso do material, que pode ser usado em peças de alta resistência e também naquelas que desgastam muito. “Quanto mais pesquisas e dados surgem, mais confiança o produto adquire no mercado, por isso é importante divulgá-lo”, conta Dias.

“Como estamos em uma região metalúrgica o maior risco é fabricar a peça, enviar para fora do Brasil e depois readquiri-la com valor agregado. É isso que queremos evitar”, alerta. Um dos focos do trabalho desenvolvido é mostrar para as fundições e empresas mineiras de tratamento térmico que, unidas, elas podem vender um produto com maior valor agregado, usando a tecnologia que está disponível.

Paralelamente, é feito um trabalho com as indústrias de ramos que podem usar o material. Após o desenvolvimento de vários estudos que possibilitaram adquirir a experiência necessária na aplicação do processo, o grupo passou a incentivar as empresas a trocarem as peças, utilizando o ferro nodular austemperado. “Procuramos possíveis parceiros para propor trabalhos e muitos também nos procuram”, diz o pesquisador. Ele acrescenta que a parceria com o Senai ajudou a introduzir o processo na região, pois a instituição possui o laboratório de tratamento térmico e a fundição, onde são feitas as peças experimentais que a empresa testa antes de produzir em maior escala.

José Felipe Dias participou da produção de um livro sobre o ADI, em 1993, com a preocupação de repassar informações para a língua portuguesa e facilitar a adoção do método

O grupo de pesquisa do qual José Felipe faz parte conta com parceria entre a Universidade de Itaúna, o Centro Tecnológico de Fundição (Cetef) do Senai Itaúna e a Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), além do apoio das empresas e da FAPEMIG, como órgão de fomento. Na busca por mais conhecimento em relação ao ADI, os pesquisadores já produziram diversos artigos para congressos, duas dissertações de mestrado e uma tese de doutorado.

Resistência à fadiga
Entender e aprimorar o método de austêmpera foi um dos trabalhos a que eles se dedicaram. O tratamento já era usado desde 1930 no aço e apenas 40 anos depois passou a ser testado em ferro fundido nodular. “Tudo é uma questão de temperatura e de manter os átomos e a estrutura atômica em uma determinada forma”, explica o pesquisador.

A peça fundida, a 25º, é aquecida em um forno a aproximadamente 900º, onde fica por cerca de 1h ou 2h, provocando um rearranjo dos átomos de ferro, em uma forma de estrutura atômica denominada austenido. Quando isto acontece, o componente é colocado em um forno entre 270º e 400º, com um sal industrial líquido, resfriando rapidamente a esta temperatura. Ele permanece neste local durante um período que varia de 30 minutos até 4h. Este processo proporciona transformações que irão dar ao material as características desejadas, sendo que a temperatura de tratamento da peça varia de acordo com a situação em que ela será empregada.

A partir da lida constante com o material, surgiu a idéia de reduzir o tempo de austêmpera, contrariando as sugestões da bibliografia existente, de que esta diminuição poderia acarretar problemas no acabamento. “Já conhecendo o material internamente, a hipótese era reduzir o tratamento térmico e ganhar em alguma coisa”, conta Dias. Ele testou o tratamento de 1h30, a 360º e o de 30 minutos. O resultado foi que o material não perdeu em nada e ficou 50% mais resistente à fadiga.

Máquina para teste de fadiga, na Escola de Engenharia da UFMG, simula o comportamento da peça


O novo procedimento, que foi tema da tese de doutorado do pesquisadro, rendeu diversas vantagens na produção. Do ponto de vista ambiental, houve economia de energia, já que o forno fica menos tempo ligado. Economicamente, o forno desocupado por mais tempo pode produzir três vezes mais, além da vantagem técnica de não perder nada e ainda ganhar 50% na resistência.

Os testes de fadiga são feitos em uma máquina que simula o comportamento da peça, submetendo-a a movimentos repetitivos. O equipamento possibilitou uma comparação do comportamento do material produzido a 1h30 com aquele fabricado em 30 minutos, atestando o sucesso da experiência quanto à resistência. Como continuidade do trabalho, está em andamento uma dissertação de mestrado que irá avaliar se houve alguma perda na hora finalizar o material, por exemplo, no acabamento com a ferramenta de corte. “O teste final ficará pronto em 2009. Acreditamos que não haverá problemas, mas precisamos provar para divulgar mais o material”, adianta o professor.

Perspectivas
"A pesquisa realizada demonstrou que o ADI é um material com notáveis propriedades mecânicas que o colocam como alternativa potencialmente vantajosa a materiais tradicionalmente usados na indústria automobilística e de máquinas e equipamentos, como aço forjado e ligas de alumínio", reafirma o professor do Departamento de Engenharia de Estruturas da UFMG, Gabriel Ribeiro, orientador do trabalho de doutorado desenvolvido por José Felipe Dias. "Tendo em vista o parque de fundição instalado em Minas, a divulgação destes resultados é extremamente importante, pois o aumento da utilização do ADI poderá trazer grande impacto econômico e social para o nosso Estado", destaca.

Embora ainda não existam dados sobre a produção específica de ferro fundido nodular austemperado no Brasil, os pesquisadores acreditam no grande potencial do país para produzir o material, já que as fundições brasileiras produzem ferro fundido nodular convencional de qualidade. O panorama seria favorável para as fundições mineiras, que contribuem com 25% da produção de ferro fundido nodular nacional.

"Se uma indústria automobilística do país, por exemplo, começar a usá-lo em grande escala, o ADI deslancha", avalia Dias. Nos EUA, esse setor já é responsável por 20% a 30% do consumo do produto. "Na constante busca por materiais cada vez mais leves e resistentes, o caminho natural é que elas cheguem ao ferro fundido nodular austemperado, que possui elevada relação peso x resistência", prevê, ressaltando, uma vez mais, a necessidade de preparar as fundições brasileiras e torná-las mais competitivas frente a essa oportunidade.

Propriedades mecânicas do ADI, obtidas à temperaturas ambientes
(Compilado por CARMO e DIAS, 2001)
Limite de resistência (MPa) ---------------  800-1600
Limite de escoamento a 0,2% (MPa)-------  500-1500
Alongamento (%) ------------------------  1-16
Módulo de elasticidade longitudinal (GPa) --  150x162
Dureza (Brinell) --------------------------  150x550 
Limite de resistência à fadiga (MPa)* -----  310x690*
Resistência ao impacto (J/cm²) -----------  25-170

* 690 MPa pode ser obtido por endurecimento localizado.

Virgínia Fonseca \r\n

(1) Ferro nodular: No ferro fundido nodular, a grafita (carbono livre existente dentro da estrutura) está na forma de nódulos, diferentemente do ferro fundido cinzento, encontrado nas grades de casas, peças fundidas antigas, base de máquinas, em que o carbono se apresenta em forma de lamelas. O ferro cinzento tem grande aplicação, mas não tem resistência elevada como a do aço. Já o nodular ou com grafita esferoidal tem resistência semelhante à do aço.


Projeto: Estudo do comportamento a fadiga de elementos estruturais e de máquinas em Ferro Fundido Nodular Austemperado (ADI) sujeitos a carregamentos de amplitude variável
Modalidade: Edital Universal
Coordenador: Gabriel de Oliveira Ribeiro
Valor: R$ 88.982,17

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Revista Minas Faz Ciência Nº 35 (Set a nov de 2008)