Efeitos Do Manganês, Do Enxofre E Da Relação Manganês/Enxofre No Ferro Fundido Cinzento

Efeitos do Manganês, do Enxofre e da Relação Manganês/Enxofre no Ferro Fundido Cinzento

Resumo

Foi realizado um estudo para examinar o papel do enxofre e do manganês na microestrutura e nas propriedades mecânicas do ferro fundido cinzento. Uma série de corridas de ferro fundido cinzento contendo quantidades variadas de enxofre e manganês foram fundidas em blocos escalonados em diversas fundições sob condições comerciais de produção. As microestruturas e propriedades mecânicas foram determinadas em função da composição química e das variáveis de fundição. Verificou-se que o comprimento da grafita lamelar diminui e a contagem de células eutéticas aumenta quando a taxa de resfriamento na solidificação diminui. Foi estabelecida uma correlação entre a resistência à tração medida e a resistência à tração prevista usando uma análise de regressão com base na composição e tamanho da seção. Dentro da faixa dos níveis de Mn estudados verificou-se que a resistência à tração inicialmente diminui e então aumenta quando o teor de Mn cresce. A resistência à tração também diminui e depois aumenta aumentando o excesso de manganês. A resistência à tração foi correlacionada com a precipitação de MnS antes do inicio da solidificação. A resistência à tração máxima foi alcançada quando o teor de enxofre ou de manganês era menor que aquele necessário para a precipitação do sulfeto de manganês na fase liquidus. Quando a precipitação de MnS ocorreu antes do inicio da solidificação, a resistência à tração foi reduzida.

Introdução

Muitos pesquisadores estudaram o papel individual do enxofre e do manganês no ferro fundido cinzento. Eles tentaram explicar os efeitos destes dois elementos em termos de níveis de enxofre, níveis de manganês ou relação manganês/enxofre. Todos estes pesquisadores concordaram que o S e o Mn tinham uma influência significativa na microestrutura e nas propriedades mecânicas do ferro fundido cinzento. Entretanto, como será discutido abaixo, alguns resultados levaram a confusão quanto ao papel exato do enxofre e do manganês na metalurgia do ferro fundido cinzento.

Este estudo baseia-se na hipótese de que os efeitos do S e do Mn na microestrutura e propriedades do ferro cinzento estão relacionados às quantidades dissolvidas ou “efetivas” de ambos os elementos, que permanecem dissolvidos no líquido no inicio da solidificação. A quantidade efetiva de S e Mn pode ser expressa em termos de dados de solubilidade do produto. Neste artigo, os efeitos conhecidos do S e do Mn, que são descritos na literatura, serão brevemente revisados. Os resultados de um programa experimental atual visando promover a compreensão dos papéis do S e Mn nas propriedades do ferro fundido cinzento serão descritas. Os dados de ambas as literaturas e a investigação recente serão analisados em termos do papel do enxofre e do manganês dissolvidos expressados pelos dados de solubilidade em equilíbrio do produto.

Revisão Histórica

Uma revisão da literatura identificou diversas variáveis microestruturais no ferro fundido cinzento, bem como no ferro fundido maleável, que são afetadas pela mudança de teor do enxofre e manganês. Estas conclusões estão resumidas na tabela 1. A nomenclatura usada na tabela é a mesma usada na literatura. Uma relação de enxofre para manganês (Mn/S) de 1,7 é considerada “balanceada”. O excesso de Mn refere-se a relação Mn/S sendo maior que 1,7, e o excesso de S refere-se a relação Mn/S sendo menor que 1,7.

Como pode ser visto na tabela 1, aumentos do teor de S em níveis constantes de Mn resultam num aumento da profundidade de coquilhamento e ferro mesclado. Quando o teor de Mn é aumentado até uma relação Mn/S levemente acima de 1,7 o efeito do enxofre sobre a profundidade de coquilhamento e ferro mesclado é minimizada. Quando a relação Mn/S excede 1,7 por maiores valores, o excesso de Mn resulta num aumento da profundidade de coquilhamento e ferro mesclado. Além disso, a forma da grafita desenvolvida no ferro fundido cinzento é influenciada pela relação Mn/S. No excesso de Mn a grafita lamelar é encontrada, e como a relação é reduzida, as lamelas tornam-se mais finas. Em alguns casos tem sido feito referências à formação de grafita em malhas (grafita mesh). Quando existe um excesso de S, formas anormais de grafita têm sido relatadas. Terminologias tais como grafita “spiky” tem sido usadas na literatura.

Tabela 1 – Efeitos do enxofre e do manganês na microestrutura.

Condição Resultado

Excesso de enxofre Profundidade de coquilhamento e ferro mesclado Aumentado

Balanceado p/ um leve excesso de Mn Minimizado

Excesso de Manganês Aumentado

Excesso de Manganês Forma da grafita Grafita lamelar normal

Grafita fina

Grafita anormal

Leve excesso de Mn

Excesso de enxofre

Excesso de Manganês Microestrutura da matriz Ferrita + Perlita

Balanceado p/ um leve excesso de Mn Perlita

Excesso de enxofre Carbonetos e perlita

Enxofre aumentado Contagem de células eutéticas Aumenta

Manganês aumentado Diminui

A relação Mn/S também afeta a microestrutura da matriz do ferro fundido cinzento. Em níveis de excesso de Mn, a formação de ferrita é favorecida, visto que quando o Mn é reduzido e a relação Mn/S é diminuída, a formação de perlita é favorecida. Este efeito é contrário ao que é observado no ferro nodular onde os níveis de Mn mais altos favorecem a formação de perlita. Em níveis de excesso de S, carbonetos hipereutéticos podem ser observados, os quais geralmente estão associados com partículas de sulfeto de ferro. Com o aumento da quantidade de S carbonetos eutéticos tem sido encontrados. Finalmente, tem-se observado que o S aumenta a contagem de células eutéticas, enquanto que o Mn faz a contagem diminuir.

Alguns pesquisadores investigaram os efeitos da variação do teor de S e Mn nas propriedades mecânicas. O efeito do teor de S e Mn na resistência à tração é mostrado nas figuras