Pesquisa da PUC mostra que misturar o nióbio ao ferro fundido traz muitas vantagens

8 de julho de 2013

Ferro fundido é usado em estruturas, componentes automotivos e ferroviários. E o melhor: Brasil detém mais de 90% das reservas mundiais do elementornO alto nível de concorrência na indústria brasileira incenti

Ferro fundido é usado em estruturas, componentes automotivos e ferroviários. E o melhor: Brasil detém mais de 90% das reservas mundiais do elemento

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O alto nível de concorrência na indústria brasileira incentivou a busca pela melhora dos produtos ofertados aliada à redução de custo de produção. O barateamento do processo pode passar por uma nova tecnologia produtiva, especialmente a que é relacionada com a composição da liga metálica. Uma equipe da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas) realizou pesquisas para avaliar os efeitos da adição de nióbio como elemento de liga em substituição ao molibdênio no ferro fundido nodular austemperado (Austempered Ductile Iron – ADI) com a intenção de melhorar propriedades como resistência ao desgaste, impacto e tração, além de reduzir gastos na aquisição desse elemento.

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O ADI é um importante material de engenharia devido às suas propriedades mecânicas, como boa ductilidade (capacidade de deformar sem se romper) e elevada resistência mecânica e ao desgaste, alta resistência à fadiga e tenacidade à fratura – quanto maior a tenacidade, maior a capacidade de o material absorver energia sem rompimento. “Em razão de suas propriedades mecânicas, o ADI está sendo usado em estruturas, componentes automotivos, ferroviários, da mineração e equipamento de construção civil”, explica o orientador do trabalho e professor da PUC, Pedro Paiva Brito.

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O ferro fundido se tornou um metal popular, largamente aplicado na produção industrial graças ao baixo custo (20 a 40% menor do que o aço) e sua vasta gama de propriedades mecânicas desejáveis, como a boa fundibilidade, propriedade de usinagem conveniente e melhor resistência ao desgaste. Em busca de melhorar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares utiliza-se a técnica de adição de elementos de ligas. Entretanto, essa técnica pode onerar o processo devido aos altos valores desses elementos, como o manganês, o cromo, o boro, o molibdênio, entre outros.

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O estudo que buscou avaliar os efeitos da troca do molibdênio pelo nióbio no ADI, com vistas a melhorar as propriedades de resistência ao desgaste, impacto e tração, além de reduzir gastos na aquisição desse elemento, foi fruto do trabalho de conclusão de curso de engenharia mecânica com ênfase em mecatrônica e desenvolvido pelos alunos Arthur Figueiredo Silva, Klaus Higor dos Santos Silva e Tomás Antônio Mourão Lerbach.

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Eles colocaram seu foco no nióbio por ser um material no qual o Brasil é líder em reservas mundiais – detém 98,19% do material –, seguido pelo Canadá, com 1,35%, e Austrália, com 0,46%. Nosso país é também o maior produtor mundial da substância, representando 97,9% do total, concentrando em Minas Gerais a maior oferta (91%), seguido pelo estado de Goiás, com 9%. Por outro lado, oficialmente, não há produção de molibdênio em minas brasileiras.

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Testes

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Para fazer os testes práticos, os estudantes Arthur Figueiredo, Klaus dos Santos Silva e Tomás Mourão Lerbach, orientados pelo professor Pedro Paiva Brito, mandaram fazer amostras de ferro fundido nodular contendo 0,3% de molibdênio e outras peças com 0,3% de nióbio. O objetivo era o foco do trabalho: avaliar os efeitos da substituição de um material pelo outro na microestrutura e verificar como ficariam as propriedades mecânicas do ferro fundido nodular austemperado. 
O ferro fundido austemperado é obtido a partir do processo de tratamento térmico de austêmpera de aços – cujo objetivo é a obtenção de peças com alta tenacidade e resistência à fadiga como exigem, por exemplo, peças que requerem efeito mola. Na condição austemperada, o ferro fundido nodular apresenta uma combinação de propriedades mecânicas interessantes, como elevada dureza. A austêmpera é frequentemente aplicada em anéis elásticos, pinos elásticos, alguns tipos de molas e peças pequenas, que necessitem dessa boa tenacidade.

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Nos testes feitos pelos alunos da PUC Minas, as ligas foram austemperadas a temperaturas de 270°C, 290°C, 320°C, 350°C e 400°C durante tempos de um, três, cinco, sete, 10, 15, 30 e 60 minutos. As amostras foram submetidas a ensaios de dureza para determinação das curvas de transformação isotérmica. Amostras austemperadas a 320°C por diversos tempos foram submetidas a exame por difração de raios-X (feito em microscópio eletrônico. Consiste em emitir partículas contra o material, que irá refletí-las de volta em diferentes ângulos. Pelo ângulo o aparelho consegue definir a quantidade de um determinado elemento no material. Nesse caso, a quantidade de nióbio) para acompanhamento da evolução da fração das fases durante o tratamento de austêmpera. A caracterização da microestrutura e propriedades mecânicas das amostras austemperadas a 320°C foi efetuada pela aplicação de microscopia óptica convencional, ensaios de tração, impacto e pino sobre disco. “É um trabalho que leva tempo”, pondera Pedro.

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Queda na resistência

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Segundo Tomás, com os testes foi possível concluir que “em termos de propriedades mecânicas, a adição de molibdênio provocou uma queda na resistência à tração do material austemperado de aproximadamente 1.250 megapascal (MPa) para 1000 MPa na liga com nióbio. Por outro lado, houve uma melhora desta no alongamento máximo, saindo de 12% para 14% com a nova mistura. “Esse alongamento é medido no ensaio de tração, onde esticamos as duas ligas para medir até onde resistem antes de se romper. Quanto mais esticar, melhor”, esclarece Klaus.

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Um outro ensaio, o de Charpy (em que um corpo de prova tem um entalhe central e é apoiado em ambas as extremidades. É feito um impacto no centro do corpo que avalia a tenacidade, ou seja, a quantidade de energia que o material consegue reter na fratura), revelou a similaridade entre as ligas na absorção de energia, com uma faixa de crescimento de tenacidade próxima uma da outra ao aumento da temperatura”, afirma Tomás. “A substituição nas composições químicas avaliadas é possível, com vantagem para as propriedades mecânicas das ligas de nióbio”, completa.

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Custo/benefício

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O preço médio da liga ferro com nióbio, em 2008, foi de aproximadamente US$ 33 mil a tonelada. Já a liga com molibdênio ultrapassou a barreira de US$ 73 mil a tonelada. De acordo com a disponibilidade do nióbio no Brasil e a necessidade de importação do molibdênio, a possibilidade de utilização do nióbio se torna cada vez mais interessante avaliando seu custo benefício.

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Fonte: Estado de Minas