Esta nota de aplicação explica como medir o grau de nodularidade em ferro fundido e distinguir o ferro nodular do ferro cinzento. Conheça os equipamentos e as técnicas de inspeção ultrassônica usadas para realizar testes de nodularidade não destrutivos em ferro fundido.
Produção de ferro fundido
O carbono em forma de grafite é usado frequentemente como aditivo na produção de ferro fundido, que represente entre 2% e 4% do peso ou entre 6% e 10% do volume das fundições típicas. A microestrutura do grafite no ferro fundido produz efeitos importantes nas propriedades mecânicas da fundição. Quando o grafite se organiza em flocos finos, o resultado é o ferro cinzento, que é rígido e quebradiço. Quando o grafite assume a forma de nódulos esféricos, o resultado é o ferro nodular, que é macio e maleável.
O ferro cinzento e o ferro nodular são feitos misturando carbono, silício e outros aditivos no ferro fundido. Muitas vezes, parte dessa mistura é feita no molde final. Se a mistura não for uniforme ou o processo de fundição tiver outras imperfeições, a fundição pode ter variações na nodularidade ou ter cavidades de ferro cinzento dentro de uma fundição de ferro nodular. Essas variações alterarão de forma significativa as propriedades mecânicas do metal. Portanto, as fundições precisam verificar a uniformidade do ferro nodular. É importante que a distribuição de grafite na fundição seja uniforme e que as inclusões de grafite estejam na forma correta (nódulos em vez de flocos).
O exame microscópico e os testes de resistência à tração são métodos eficazes para verificar a nodularidade. Outra opção é o teste ultrassônico, que pode medir as diferentes velocidades do som do ferro nodular e cinzento. Este método é preferido porque fornece uma avaliação rápida e não destrutiva de uma fundição.
Equipamento de inspeção ultrassônica usado para testes de nodularidade não destrutivos em ferro fundido
Testes de nodularidade não destrutivos podem ser realizados com qualquer instrumento ultrassônico capaz de medir a velocidade do som, entre eles: medidores de espessura, detectores de defeitos e receptores de pulso. Para medições de velocidade dedicada, nossos medidores de espessura de precisão podem fornecer uma leitura direta da velocidade do som em ferro fundido e outros materiais baseados em uma calibração de espessura inserida. Isso inclui os medidores 39DL PLUS™ e 45MG com software de elemento único. Para espessuras superiores a aproximadamente 25 mm (1 pol.), a opção de software de alta penetração para os medidores é muitas vezes recomendada.
Para realizar um teste de nodularidade com um medidor de espessura, basta pressionar uma tecla para inserir os dados de espessura. A velocidade do som é calculada automaticamente a partir desta espessura e do tempo da trajetória do pulso medido. Use uma função de alarme alto/baixo para identificar condições que estão fora de tolerância. Emparelhe o medidor com um transdutor apropriado para o intervalo de espessura que está sendo medido. Uma escolha comum é um transdutor de contato M1036 de 2,25 MHz. A precisão da medição de velocidade é normalmente da ordem de um décimo de 1%.
O medidor 72DL PLUS™ oferece uma tela sensível ao toque maior e uma taxa de atualização de medição mais alta (até 2 KHz) do que os medidores 39DL PLUS e 45MG. Este medidor de espessura de precisão também oferece maior resolução de medição de tempo, o que leva a cálculos de velocidade do som mais precisos. Além disso, o medidor 72DL PLUS oferece maior conectividade por meio de opções de comunicação com e sem fio, o que é ideal para integração de sistemas.
Qualquer um dos detectores de defeitos EPOCH™, como os instrumentos EPOCH 650 e EPOCH 6LT, podem ser usados de maneira semelhante para medir uma velocidade desconhecida. Com o detector de defeitos calibrado para um transdutor de baixa frequência apropriado, obtenha um eco da parede traseira de uma seção com espessura conhecida e execute a calibração da velocidade, que calculará a velocidade do material baseado nos ecos detectados.
Procedimento de testes ultrassônicos para medição de nodularidade em ferro fundido
Existe uma diferença consistente na velocidade do som entre ferro puro, ferro fundido nodular e ferro fundido cinzento. Normalmente, o ferro elementar puro tem uma velocidade de aproximadamente 5,9 mm/µs (0,232 pol/µs), o ferro nodular tem uma velocidade de aproximadamente 5,6 mm/µs (0,222 pol/µs) e o ferro cinzento tem uma velocidade de aproximadamente 4,8 mm/µs (0,192 pol/µs). As velocidades exatas para sua aplicação variam de acordo com a composição da liga, estrutura do grão e outras variáveis do processo. Sempre verifique as velocidades exatas com base nos padrões de calibração para o material de teste.
Recomendamos que o usuário estabeleça seu próprio gráfico de velocidades versus o percentual de nodularidade para cada aplicação. Pesquisas publicadas indicam que a relação entre a velocidade e a porcentagem da nodularidade não é linear1. No entanto, é possível existir uma diferença substancial na velocidade do som entre duas fundições idênticas que contêm a mesma porcentagem de grafite: uma com grafite em forma de floco (ferro cinzento) e a outra com grafite esférico (ferro nodular).
Observe que para medir a velocidade do som é necessário que a espessura da amostra seja conhecida. Geralmente, os inspetores realizam testes de nodularidade ultrassônicos em pontos de uma fundição onde a espessura pode ser medida mecanicamente usando um micrômetro ou calibrador. Não é possível realizar a medição precisa da velocidade se a espessura no ponto da amostra não for conhecida.
Outra aplicação que pode ser detectada pelo ultrassom é a presença de inclusões de ferro cinzento em uma fundição de ferro nodular. A velocidade do som do ferro cinzento é menor que a do ferro nodular, de modo que o tempo da trajetória do pulso através de uma fundição que contém uma inclusão de ferro cinzento é maior do que uma fundição feita inteiramente de ferro nodular. A velocidade do som medida também é menor. Dadas as variáveis complexas que afetam as fundições reais, recomendamos a configuração do teste com base em padrões de calibração da composição conhecida. Porém, uma queda localizada na velocidade do som em uma fundição de ferro nodular geralmente é um sinal potencial de problema.
Nota: A nodularidade e outros aspectos da microestrutura do grafite em ferro fundido também podem ser analisados com microscópios que utilizam softwares de interpretação desenvolvidos pela Evident. Veja mais detalhes na nossa nota de aplicação sobre análise de ferro fundido.
Referências
- ASM International, Metals Handbook, Volume 17, Nondestructive Evaluation and Quality Control, Metals Park, Ohio 1989 (Ninth Edition), pp. 531–535.
- Nondestructive Characterization of Cast Irons by Ultrasonic Method, http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn035/idn035.htm
