Caracterização microestrutural de ferros fundidos nodulares e cinzentos submetidos a diferentes tratamentos térmicos de decomposição da austenita

Abstract

Os ferros fundidos grafíticos (nodulares e cinzentos) ainda são amplamente utilizados na indústria, uma vez que possuem um desempenho mecânico adequado para ampla aplicação, boa fundibilidade e custo de produção competitivo. A combinação entre microestrutura, composição química e tratamentos térmicos permite ajustar suas propriedades, tornando-os versáteis para diferentes aplicações estruturais, automotivas e de componentes sujeitos a fadiga e a eventos de desgaste. Em que pese o comportamento mecânico e resistência ao desgaste destes materiais ser influenciado pela morfologia da grafita, estes podem ser aprimorados pela microestrutura da matriz obtida a partir do controle da composição e de tratamentos térmicos de decomposição da austenita. Neste contexto, podem ser controladas as quantidades, tamanho e distribuição de microconstituintes, a partir da escolha de parâmetros como temperatura de austenitização, taxa de resfriamento (resfriamento contínuo), super-resfriamento (tratamentos isotérmicos), proporcionando vasta gama de estruturas, variando desde aquelas próximas do equilíbrio, com matriz constituída por ferrita livre em associação com perlita grossa (no caso de recozimentos) ou perlita fina (no caso de normalização); até as estruturas fora de equilíbrio, como a matriz constituída por martensita revenida e austenita retida (têmpera ou martêmpera e revenimento); martensita e austenita retida (têmpera e partição); ausferrita, constituída por ferrita bainítica e austenita retida (austêmpera). Exerce especial influência sobre o comportamento mecânico e tribológico a quantidade e distribuição da austenita retida. Neste contexto, é feita uma caracterização microestrutural, como enfoque na determinação da quantidade de austenita retida de ferros fundidos Nodular FE42012 e Cinzento FC200, nas seguintes condições de tratamentos térmicos, sob a mesma condição de austenitização a 880ºC por 120 minutos, meio de têmpera ( óleo aquecido a 170ºC) e patamares isotérmicos a 375ºC, por 120 minutos i) Estado de Entrega - EE (estado bruto de fundição); ii) Têmpera e Revenido – T&R; iii) Austêmpera – AUS; iv) Martêmpera – MAR, v) Têmpera e Partição – T&P. As diferentes amostras foram avaliadas por MO, MEV, microdureza (HV0,3) e microdureza instrumentada; os teores de austenita retida foram avaliados por DR-X (radiação de Cu-K) e estereologia quantitativa. O tratamento de austêmpera proporcionou os maiores teores de austenita retida. Os valores de austenita obtidos para as diferentes condições de tratamento térmico de austêmpera e têmpera e partição, aplicadas neste trabalho, mostraram-se inferiores aos previstos na literatura. Os valores de microdureza e microdureza instrumentada apresentaram redução com o aumento dos teores de austenita retida. Os valores de microdureza instrumentada permitiram estabelecer relação qualitativa entre os tratamentos térmicos e os microconstituintes presentes.

Graphitic cast irons (ductile and gray cast irons) are still widely used in industry due to their adequate mechanical performance, excellent castability, and competitive production costs. The combination of microstructure, chemical composition, and heat treatment enables the adjustment of their properties, making these materials suitable for a wide range of structural, automotive, and wear- and fatigue-resistant applications. Although the mechanical behavior and wear resistance of these materials are strongly influenced by graphite morphology, their properties can be further improved through modifications of the matrix microstructure obtained by controlling the chemical composition and the heat treatments associated with austenite decomposition.In this context, the amount, size, and distribution of the microstructural constituents can be controlled by selecting parameters such as the austenitizing temperature, cooling rate (continuous cooling), and undercooling during isothermal heat treatments. Consequently, a wide variety of microstructures can be obtained, ranging from those close to equilibrium, consisting of a ferritic matrix associated with coarse pearlite (after annealing) or fine pearlite (after normalizing), to non-equilibrium microstructures, such as tempered martensite and retained austenite (quenching or martempering followed by tempering), martensite and retained austenite (quenching and partitioning), and ausferrite, composed of bainitic ferrite and retained austenite (austempering). The amount and distribution of retained austenite have a significant influence on the mechanical and tribological behavior of these materials.Therefore, this study aimed to perform a microstructural characterization focused on determining the retained austenite content in FE42012 ductile cast iron and FC200 gray cast iron subjected to the following heat treatment conditions, all carried out under the same austenitizing condition (880°C for 120 min), quenching in oil heated to 170°C, and isothermal holding at 375°C for 120 min: (i) As-Cast (AC); (ii) Quenched and Tempered (Q&T); (iii) Austempered (AUS); (iv) Martempered (MAR); and (v) Quenched and Partitioned (Q&P). The samples were characterized by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), Vickers microhardness (HV0.3), and instrumented microhardness. The retained austenite content was determined by X-ray diffraction (XRD) using Cu-Kα radiation and quantitative stereology.The austempering treatment resulted in the highest retained austenite contents. However, the retained austenite values obtained for the austempering and quenching-and-partitioning conditions investigated in this study were lower than those reported in the literature. Both Vickers microhardness and instrumented microhardness decreased as the retained austenite content increased. Furthermore, the instrumented microhardness results allowed a qualitative relationship to be established between the applied heat treatments and the resulting microstructural constituents.