Avaliação do material ferro fundido nodular austemperado para aplicação em placas de desgaste de suspensão rodoviária

Abstract

Desde meados da década de 1950, o ferro fundido nodular é utilizado em diversas aplicações automotivas. Este material é uma liga ternária de Ferro (Fe), Carbono (C) e Silício (Si), que após processos metalúrgicos, resulta em nódulos de grafita imersos numa matriz composta de ferrita, perlita ou a mistura de ambas. Através do tratamento térmico de austêmpera no ferro fundido nodular, obtém-se um material composto de grafita nodular, ferrita acicular e austenita enriquecida de alto carbono. Também conhecida como ausferrita, esta tríade resulta numa combinação excepcional de propriedades como: boa ductilidade, alta resistência mecânica e considerável resistência do desgaste. Sendo assim, os ferros fundidos nodulares austemperados despertam crescente interesse nos meios acadêmico e industrial atual, explicado pela relevância tecnológica diferenciada da matriz metálica característica do ADI (do inglês, austempered ductile iron). O objetivo principal do presente trabalho é a melhoria incremental de um componente inicialmente projetado em ferro fundido nodular conforme Norma SAE J434 (SAE, 2004) grau D5506, através da caracterização e implementação do ADI grau IV. Este material foi usado na placa de desgaste de uma suspensão rodoviária semipesada 6x2 (composta de três eixos e dez rodas em atrito com o solo, das quais quatro são motoras), a fim de aumentar em 100% a vida em desgaste do componente em campo. Para tal, foi utilizada como referência a Norma ASTM A897/A897M (ASTM, 2011) e uma liga de ferro fundido nodular com percentual 3,71% de Carbono e 2,65% de Silício. Esta liga foi pré-aquecida por cento e vinte minutos à 450°C, austenitizada à 930°C por noventa minutos e resfriada rapidamente em sal AS140, sendo mantida à 300°C por quarenta minutos. Com as duas configurações de amostras (conforme projeto em nodular D5506 e proposto em ADI grau IV), foram fabricadas peças protótipo para submissão de testes em campo de provas controlado. Os materiais foram avaliados através de microscopia ótica (MO), difração de raio-x (DRx), ensaios mecânicos de tração e impacto Charpy e microdureza Vickers. Através de pesagem e escaneamento, foi realizada avaliação qualitativa do desgaste de ambas as configurações após teste em campo de provas, pois não se teve acesso às demais características do sistema tribológico envolvido na suspensão deste caminhão. Entretanto, a melhoria da resistência ao desgaste do componente depende diretamente da qualidade do ferro fundido, dos controles no tratamento térmico e da matriz metálica obtida. A hipótese inicial foi corroborada, aumentando-se a vida em desgaste do componente em 111%.

Since the mid-1950s, ductile iron has been used in a huge variety of automotive applications. This material is a ternary alloy of Iron (Fe), Carbon (C) and Silicon (Si), which after metallurgical processes, results in graphite nodules immersed in a matrix composed of ferrite, perlite or a mixture of both. Through the austempering on ductile iron, a material composed of nodular graphite, acicular ferrite and high carbon enriched austenite is obtained. Also known as ausferrite, this triad results in an exceptional combination of properties such as good ductility, high mechanical strength and considerable wear resistance. Thus, austempered ductile iron arouse growing interest in the current academic and industrial environment, explained by the different technological relevance of the metallic matrix characteristic of ADI. The main objective of this study is the incremental improvement of a component designed in ductile iron according to SAE J434 (SAE, 2004) grade D5506, through the characterization and implementation of grade IV ADI. This material was used on the wear plate of a semi-heavy 6x2 road suspension (composed of three axles and ten wheels in friction with the ground, of which four are motorized), in order to increase the wear life of the component in the field by 100%. For this purpose, the ASTM A897 / A897M Standard (ASTM, 2011) and a ductile iron alloy with 3.71% carbon and 2.65% silicon were used as reference. This alloy was preheated for 120 minutes at 450 °C, austenitized at 930 °C for 90 minutes and quickly cooled in AS140 salt, being maintained at 300 °C for 40 minutes. Both configurations (according to a D5506 nodular design and proposed in ADI grade IV) of prototype parts were manufactured for submission at tests in a controlled testing field. By optical microscopy (MO), x-ray diffraction (DRx), mechanical tests of traction and impact Charpy and Vickers microhardness, the materials were evaluated. Through weighing and scanning, a qualitative evaluation of the wear of both configurations was carried out after testing in the proving ground, as there was no access to the other characteristics of the tribological system involved in the suspension of this truck. However, the improvement of the wear resistance of the component depends directly on the quality of the cast iron, the controls in the heat treatment and the metallic matrix obtained. The initial hypothesis was corroborated, increasing the component's wear life by 111%.