Compacted graphite iron (CGI) is rapidly becoming an attractive alternative material for engine components in the automotive industry, replacing lamellar graphite iron (LGI) in applications where high mechanical strength is desired. However, the gain in mechanical strength comes with a cost; thermal conductivity, process control and machining are three areas that are more challenging for CGI. This generates a need for research regarding various aspects concerning CGI. In this thesis the microstructure formation during solidification and solid state transformation will be the focus of interest. The phase transformations relevant for microstructure formation of importance to properties in CGI were studied. Experiments were performed in an industrial foundry giving this research direct relevance to regular production of CGI castings. Solidification of the grey (graphite/austenite) eutectic will be discussed, focusing on some relevant aspects influencing the graphite morphology of CGI. The formation of graphite nodules has been investigated by studying colour-etched microstructures. In a material containing mainly CGI cells it was found that nodules form either early during solidification as a consequence of high undercooling or late in the solidification sequence due to a combination of high undercooling and segregation of nodularising elements. Solidification of the white (cementite/austenite) eutectic was studied using chill wedges and the influence of some alloying elements on the amount of carbides was examined. To further enhance the understanding of carbide formation in CGI a commercial casting simulation software was used to correlate real castings to simulations. It was found that the alloying elements investigated influence the carbide formation in a similar way as in other graphitic cast irons and that high nodularity CGI is more prone to chill formation than low nodularity CGI. The solid state transformation was studied and a deterministic model was developed. The model divides a eutectic cell into layers, in order to take into account segregation of alloying elements, which was observed to be influential for the ferrite growth. Moreover, the effect of alloying elements on mechanical properties (tensile properties and hardness) was evaluated. Properties were correlated to microstructural features originating from both solidification and solid state transformations. The trends found generally confirmed previous results regarding properties in graphitic cast irons.

O objetivo desta pesquisa é realizar um estudo sobre o desgaste abrasivo do ferro fundido branco alto cromo de acordo com a norma ASTM A532 II D, submetidas à diferentes faixas de temperatura de austenitização, decompondo a faixa de 950 a 1.150 ºC, amplamente usada nas fundições, em intervalos de 50 ºC. Esta liga foi escolhida para estudo em virtude de sua extensa aplicação na indústria de mineração, possuindo como principal característica a utilização em revestimentos de moinhos e martelos de britadores, onde a resistência ao desgaste abrasivo é exigida. Os corpos de prova foram caracterizados através de análise química, dureza, e estrutura metalográfica, avaliando as mudanças na microestrutura, e consequentemente, alterações nas propriedades de resistência ao desgaste abrasivo do material. Na avaliação das amostras, foi utilizada a microscopia ótica e, para simular a condição de desgaste abrasivo, determinando a perda de massa, foi empregando o abrasômetro do tipo roda de borracha, seguindo a norma ASTM G65. Os testes práticos demostraram que o ciclo de temperatura é uma etapa importante na determinação da dureza, que por sua vez, é uma característica fundamental à resistência ao desgaste abrasivo, visto que para o material estudado, quanto maior a dureza, maior foi a resistência ao desgaste abrasivo. / The objective of this research is to perform a study on the abrasive wear of high chromium white cast iron according to ASTM A532 II D, submitted to different austenitizing temperatures, in the range of 950 to 1150 ºC with 50 ºC steps, widely used in foundries. This alloy was chosen for study because of its extensive application in the mining industry, having as main characteristic the use in mill and hammer coatings of crushers where abrasive wear resistance is required. The specimens were characterized by chemical analysis, hardness, and metallographic analysis, evaluating the changes in the microstructure, and consequently changes in the abrasive wear properties of the material. In the evaluation of the samples, optical microscopy was used and, to simulate the abrasive wear condition, determining the mass loss, the rubber wheel type abrasive test was used, following the ASTM G65 standard. The practical tests demonstrated that the temperature cycle is an important step in determining the hardness, which in turn is a fundamental characteristic to the abrasive wear resistance, since for the material studied, the higher the hardness, the higher the resistance to abrasive wear.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12220.pdf: 3040591 bytes, checksum: cf07d18c47b6b9bc7f1a361b3a6fe286 (MD5) / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Universidade Mackenzie. Departamento de Engenharia de Materiais, São Paulo

Submitted by Maria Eneide de Souza Araujo (mearaujo@ipen.br) on 2015-09-01T18:02:01Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-09-01T18:02:01Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Elder Gregol dos Santos.pdf: 4072797 bytes, checksum: c4f0d20ac13dce8a35fd04f90bc3545d (MD5) Previous issue date: 2014-11-07 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The carburiser materials have been widely used in the foundry industry, motivated by increasing use of scrap steel and consequent reduction in the use of pig iron. Several factors, besides of recovery of carbon in the metal bath, can be associated with the use of carburisers, including the effect on the levels of silicon, sulfur, nitrogen and degree of nucleation of metal. This paper evaluates the effects of the use of carburisers materials, of the types natural graphite, synthetic graphite, graphite permanent mold residue (used in molds of continuous casting) and synthetic graphite with low sulphur amount. The method of addition was chosen on the surface of the liquid bath, at a medium frequency induction furnace, 2500 kg capacity, tests at three different temperatures. Was observed that there was no incorporation of nitrogen of carburisers to liquid metal, and the sulfur content was altered only when used synthetic carburiser. The increase in temperature caused an increase in the value of carburation efficiency, regardless of the type of carburisers. In general, it was observed an increase 21-32% when the temperature is changed from 1480 to 1545 ° C. Only the special synthetic carburisers showed lower sensitivity to temperature increase, showing an increase of only 5% efficiency. It was found that the ash content of the carburiser is a variable that affects significantly the dissolution process of the carburiser. The results showed that the carburisers with lower ash content, have higher carburation efficiency. This paper proposed the concept of rate of gain of associated carbon, which was effective for predicting the behavior of % C of liquid metal after the addition of the carburiser. It was found that the rate of gain associated initial carbon is favored with increasing temperature and the sulfur content of liquid metal, and impaired with an increase in the percentage of ash in carburiser. As for the value of the combined rate of dissolution, this showed an increase when the temperature of addition is growing. It was noted that the value of maximum rate of efficiency has relation with the value of the combined rate of dissolution, allowing to conclude that the higher the value of the combined dissolution rate, the faster the process reaches its maximum efficiency. The results observed for the residue of graphite mold, in the carburation efficiency, efficiency rate and combined rate of dissolution, showed that this material has the potential to be used as carburante in foudry. Comparing the initial and final conditions of the experiments, it was found that bath treated with synthetic carburiser with low% S, showed a reduction in the degree eutetic supercooling at temperatures of 1485 and 1545 ° C and the chill residue contributed to the reduction of degree eutetic supercooling at temperatures of 1485, 1515 and 1545 ° C. When analyzing the behavior of the degree eutetic supercooling with time after the addition of carburiser, was possible to identify three different behaviors. / Os materiais carburantes têm sido amplamente utilizados na indústria de fundição, em função da crescente utilização de sucata de aço e a consequente redução do uso de ferro gusa. Vários fatores, além da recuperação de carbono no banho metálico, podem ser associados ao uso dos carburantes, entre eles o efeito nos teores de sílicio, enxofre, nitrogênio e no grau de nucleação do metal. Este trabalho apresenta a avaliação dos efeitos do uso de materiais carburantes, dos tipos grafite natural, grafite sintético, resíduo de coquilha de grafite (utilizado em matrizes de fundição contínua) e grafite sintético com baixo teor de enxofre. O método de adição escolhido foi sobre a superfície do banho líquido, em um forno à indução de média frequência, de 2500 Kg de capacidade, realizando testes em três temperaturas distintas. Observou-se que não houve incorporação de nitrogênio do carburante pelo metal líquido, e o teor de enxofre sofreu alteração somente quando usado o carburante sintético. O aumento da temperatura provocou um aumento no valor da eficiência de carburação, independente do tipo de carburante. De maneira geral, observou-se um aumento de 21 32% na eficiência, quando a temperatura é alterada de 1480 a 1545°C. Apenas o carburante sintético especial apresentou menor sensibilidade ao aumento da temperatura, mostrando um aumento de apenas 5% de eficiência. Verificou-se que o teor de cinzas do carburante é uma variável que afeta significativamente o processo de dissolução do carburante. Os resultados evidenciaram que os carburantes com menor teor de cinzas, apresentam maiores valores de eficiência de carburação. Este trabalho propôs o conceito da taxa de ganho de carbono associada, a qual se mostrou efetiva para a previsão do comportamento do % C do banho, após a adição do carburante. Verificou-se que a taxa de ganho de carbono associada inicial, é favorecida com o aumento da temperatura e do teor de enxofre do metal, sendo prejudicada com aumento do percentual de cinzas do carburante. Quanto ao valor da taxa de dissolução combinada, esta mostrou um aumento quando a temperatura de adição é crescente. Notou-se que o valor da taxa de eficiência máxima possui relação com o valor da taxa de dissolução combinada, permitindo concluir que quanto maior o valor da taxa de dissolução combinada, mais rapidamente o processo atinge a sua eficiência máxima. Os resultados observados para o resíduo de coquilha de grafite, na eficiência de carburação, taxa de eficiência e na taxa de dissolução combinada, evidenciaram que este material tem potencial para ser utilizado como carburante. Comparando as condições iniciais e finais dos experimentos, verificou-se que banhos tratados com carburante sintético com baixo %S, apresentaram uma redução no super-resfriamento do eutético, nas temperaturas de 1485 e 1545°C, e o resíduo de coquilha contribuiu para a redução do super-resfriamento do eutético nas temperaturas de 1485, 1515 e 1545°C. Quando analisado o comportamento do grau de super-resfriamento com o tempo, após a adição dos carburantes, foi possível identificar três comportamentos distintos.

Resumo: Nesse trabalho foram desenvolvidas três composições à base de Si3N4 com quantidades e tipos de aditivos diferentes, com objetivos de desenvolver cerâmicas densas de altas resistências, para posteriores testes como ferramentas de corte na usinagem de torneamento do ferro fundido cinzento, ferro fundido vermicular e a liga Ti-6Al-4V. As composições utilizaram aditivos Y2O3/Al2O3 (10%) e AlN/Y2O3 (15 e 20%), e foram sinterizadas pelo processo de sinterização normal. Em seguida foram caracterizadas quanto as propriedades físicas e mecânicas, apresentando bons resultados. Posteriormente a composição de melhores propriedades (SNYA20), foi transformada em inserto para usinagem de corte de acordo com a norma ISO 1832. Os testes de torneamento foram realizados no ferro fundido cinzento com variações de parâmentros, onde para Vc=300m/min, f=0,32mm/rot e ap=1,00mm, alcançou um comprimento de corte de 6533m, superior aos encontrados em literatura, com diminuição dos desgastes, para maiores Vc e ap. O torneamento da liga Ti-6Al-4V em alta velocidade (Vc=180m/min, f=0,10mm/rot e ap=0,50mm), alcançou comprimento de corte de Lc=466m, para um desgaste VBmax=2,20mm. No torneamento do ferro fundido vermicular, com variações de parâmetros, alcançou resultados superiores aos encontrados na literatura com ferramentas cerâmicas comercial, utilizando Vc=200mm/min, f=0,20mm/rot e ap= 0,50mm, obteve-se comprimento de corte Lc=1658m. Os resultados de usinagem obtidos nesse trabalho estão relacionados com as propriedades e fases obtidas. Entretanto alem dos resultados obtidos essas ferramentas apresentam custo em torno de 50% das comerciais e redução de 17- 20% de custo no processo, devido ao uso de fluido refrigerante e proteção ao meio ambiente. / Abstract: In this work three compositions to base Si3N4 with amounts and types of different additives had been developed, with objective to develop dense ceramics of high strength to possible test as cutting tools in turning of gray cast iron, compacted graphite iron and titanium alloy (Ti-6Al-4V). The compositions had used additives Y2O3/Al2O3 (10%) and AlN/Y2O3 (15 and 20%), and were sinterized by process normal sintering. After sintering the physical and mechanical properties had been characterized, showing interesting results. Posterior the composition the best properties (SNYA20), was transformed into cutting tools to machining in the stand norm ISO 1832. The turning tests had been carried in gray cast iron with different parameters, where to Vc=300m/min, f=0,32mm/rev and ap=1,00mm, obtained a cut length of 6533m, achieving value superior at found in literature, with important reduction to larger cutting speed and cut depth. The turning of the Ti-6Al-4V alloy in high cutting speed (Vc=180m/min, f=0,10mm/rev and ap=0,50mm), obtained cutting length of Lc=466m, to VBmax=2,20mm. In turning compacted graphite iron, with different parameters, obtained value superior at found in literature, when utilize cutting tools ceramics of commercial materials, using for this Vc=200mm/min, f=0,20mm/rev and ap = 0,50mm. These condition obtained cut length of Lc=1658m. The results achieved in this work have been associated with the important physical and mechanical proprieties and phase of cutting tools. However the results obtained with these cutting tools present lower cost (50%) when compared with commercial cutting tools of similar material e reduction of cost in around 17-20%, because the do not use coolant, beside of protection at environment. / Orientador: Sérgio João Crnkovic / Coorientador: Olivério Moreira de Macedo Silva / Doutor

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Fundação Araucária / Este trabalho apresenta um estudo sobre a resistência à fadiga de contato de um ferro fundido nodular nitretado por plasma. Os experimentos foram realizados em um equipamento do tipo esfera sobre plano. Os corpos de prova foram usinados a partir de uma barra de ferro fundido nodular perlítico e em seguida temperados e revenidos. Após a preparação superficial por meio de retificação, lixamento e polimento, as amostras foram divididas em três grupos: 1) temperadas e revenidas; 2) temperadas, revenidos e nitretadas por plasma por 8 horas a 400 °C; e 3) mesmos parâmetros do grupo 2, porém submetidas a um tratamento adicional de Difusão em forno por 16 horas a 400 °C, visando aumentar a profundidade de camada endurecida e dissolver possíveis traços da formação de camada de compostos. Foram feitas medidas de dureza superficial, perfis de dureza, análises das fases e de tensões residuais por meio de difração de raios-X, rugosidade e microscopia eletrônica de varredura, para a caracterização das amostras em diferentes estágios do trabalho. Os ensaios de fadiga de contato foram realizados com lubrificação e a uma pressão de contato máxima de 3,6 GPa. Análises de Weibull mostraram uma vida em fadiga aproximadamente cinco vezes menor para os corpos de prova nitretados por plasma, com ou sem difusão, apesar destes apresentarem tensão residual compressiva significativamente superior aos temperados e revenidos. A menor vida em fadiga dos corpos de prova nitretados foi atribuída a menor dureza de substrato e a ocorrência de um mecanismo de falha distinto dos mecanismos clássicos de fadiga de contato de rolamento, demonstrado nas análises das superfícies ensaiadas. / This work presents a study on the contact fatigue resistance of a plasma nitrided ductile cast iron. The experiments were carried out using a ball-on-washer machine. Specimens were machined from a perlitic ductile cast iron bar, and then quenched and tempered. After surface grinding and polishing, the specimens were divided into three groups a) the first group was tested after the described process, which means as quenched and tempered; b) the second group was plasma nitridedat 400 °C for 8 hours; c) the third one was plasma nitrided as previously described and submitted to a diffusion process at 400 °C for 16 hours in order to extend the hardened zone and to dissolve any trace of compound layer within the microstructure. Surface hardness, hardness profiles, phase analyses and residual stress measurements by X-ray diffraction, surface roughness and optical and scanning electron microscopy were applied to characterize the surfaces during different stages of this work. Rolling contact fatigue tests were conducted at a maximum contact pressure of 3.6 GPa under flood lubrication. Weibull analysis showed that fatigue lives of plasma nitrided specimens were approximately five times shorter than those just quenched and tempered, even though the residual stress measurements showed significantly higher compressive stresses for the nitride conditions. The lower fatigue life for the plasma nitrided specimens was attributed to the lower matrix hardness and to a failure mechanism distinct from the classical rolling contact fatigue mechanisms, showed by surface analisis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Fundação Araucária / Este trabalho apresenta um estudo sobre a resistência à fadiga de contato de um ferro fundido nodular nitretado por plasma. Os experimentos foram realizados em um equipamento do tipo esfera sobre plano. Os corpos de prova foram usinados a partir de uma barra de ferro fundido nodular perlítico e em seguida temperados e revenidos. Após a preparação superficial por meio de retificação, lixamento e polimento, as amostras foram divididas em três grupos: 1) temperadas e revenidas; 2) temperadas, revenidos e nitretadas por plasma por 8 horas a 400 °C; e 3) mesmos parâmetros do grupo 2, porém submetidas a um tratamento adicional de Difusão em forno por 16 horas a 400 °C, visando aumentar a profundidade de camada endurecida e dissolver possíveis traços da formação de camada de compostos. Foram feitas medidas de dureza superficial, perfis de dureza, análises das fases e de tensões residuais por meio de difração de raios-X, rugosidade e microscopia eletrônica de varredura, para a caracterização das amostras em diferentes estágios do trabalho. Os ensaios de fadiga de contato foram realizados com lubrificação e a uma pressão de contato máxima de 3,6 GPa. Análises de Weibull mostraram uma vida em fadiga aproximadamente cinco vezes menor para os corpos de prova nitretados por plasma, com ou sem difusão, apesar destes apresentarem tensão residual compressiva significativamente superior aos temperados e revenidos. A menor vida em fadiga dos corpos de prova nitretados foi atribuída a menor dureza de substrato e a ocorrência de um mecanismo de falha distinto dos mecanismos clássicos de fadiga de contato de rolamento, demonstrado nas análises das superfícies ensaiadas. / This work presents a study on the contact fatigue resistance of a plasma nitrided ductile cast iron. The experiments were carried out using a ball-on-washer machine. Specimens were machined from a perlitic ductile cast iron bar, and then quenched and tempered. After surface grinding and polishing, the specimens were divided into three groups a) the first group was tested after the described process, which means as quenched and tempered; b) the second group was plasma nitridedat 400 °C for 8 hours; c) the third one was plasma nitrided as previously described and submitted to a diffusion process at 400 °C for 16 hours in order to extend the hardened zone and to dissolve any trace of compound layer within the microstructure. Surface hardness, hardness profiles, phase analyses and residual stress measurements by X-ray diffraction, surface roughness and optical and scanning electron microscopy were applied to characterize the surfaces during different stages of this work. Rolling contact fatigue tests were conducted at a maximum contact pressure of 3.6 GPa under flood lubrication. Weibull analysis showed that fatigue lives of plasma nitrided specimens were approximately five times shorter than those just quenched and tempered, even though the residual stress measurements showed significantly higher compressive stresses for the nitride conditions. The lower fatigue life for the plasma nitrided specimens was attributed to the lower matrix hardness and to a failure mechanism distinct from the classical rolling contact fatigue mechanisms, showed by surface analisis.

O objetivo desta pesquisa é realizar um estudo sobre o desgaste abrasivo do ferro fundido branco alto cromo de acordo com a norma ASTM A532 II D, submetidas à diferentes faixas de temperatura de austenitização, decompondo a faixa de 950 a 1.150 ºC, amplamente usada nas fundições, em intervalos de 50 ºC. Esta liga foi escolhida para estudo em virtude de sua extensa aplicação na indústria de mineração, possuindo como principal característica a utilização em revestimentos de moinhos e martelos de britadores, onde a resistência ao desgaste abrasivo é exigida. Os corpos de prova foram caracterizados através de análise química, dureza, e estrutura metalográfica, avaliando as mudanças na microestrutura, e consequentemente, alterações nas propriedades de resistência ao desgaste abrasivo do material. Na avaliação das amostras, foi utilizada a microscopia ótica e, para simular a condição de desgaste abrasivo, determinando a perda de massa, foi empregando o abrasômetro do tipo roda de borracha, seguindo a norma ASTM G65. Os testes práticos demostraram que o ciclo de temperatura é uma etapa importante na determinação da dureza, que por sua vez, é uma característica fundamental à resistência ao desgaste abrasivo, visto que para o material estudado, quanto maior a dureza, maior foi a resistência ao desgaste abrasivo. / The objective of this research is to perform a study on the abrasive wear of high chromium white cast iron according to ASTM A532 II D, submitted to different austenitizing temperatures, in the range of 950 to 1150 ºC with 50 ºC steps, widely used in foundries. This alloy was chosen for study because of its extensive application in the mining industry, having as main characteristic the use in mill and hammer coatings of crushers where abrasive wear resistance is required. The specimens were characterized by chemical analysis, hardness, and metallographic analysis, evaluating the changes in the microstructure, and consequently changes in the abrasive wear properties of the material. In the evaluation of the samples, optical microscopy was used and, to simulate the abrasive wear condition, determining the mass loss, the rubber wheel type abrasive test was used, following the ASTM G65 standard. The practical tests demonstrated that the temperature cycle is an important step in determining the hardness, which in turn is a fundamental characteristic to the abrasive wear resistance, since for the material studied, the higher the hardness, the higher the resistance to abrasive wear.

Os principais mecanismos de desgaste, presentes em discos de freio ventilados automotivos, foram determinados utilizando ensaios de bancada em dinamometro inercial. Foram medidas a temperatura, rugosidade, taxa de desgaste, tensões residuais, coeficiente de atrito e desempenho de frenagem. Foi analisado o tribocontato através de técnicas de microscopia eletrônica e ótica. / The main mechanims of wear, present in ventilated brake disc had been determined, when submited to the braking test in inertial dynamometric simulator. Were measured wear taxes, temperature, residual stresses, friction coeficient, topographic of relief and analised their tribographics.