Cap 9 - Ferros Fundidos e Suas Ligas

UERJ CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ÊNFASE EM PRODUÇÃO MECÂNICA

CAPÍTULO 9: FERROS FUNDIDOS

DEPARTAMENTO DE MECÂNICA MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA IV PROF. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Estrada Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina Resende – RJ - CEP: 27.523-000

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Materiais de Construção Mecânica IV

SUMÁRIO F ERROS F UNDIDOS .....................................................................................................9-5

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9.1 Introdução.............................................................................................................9-5 9.2 Fatores que Definem o Tipo de Ferro Fundido .................................................9-5 9.2.1 Composição Química .....................................................................................9-6 9.2.2 Velocidade de Resfriamento ..........................................................................9-6 9.2.3 Outros Fatores ...............................................................................................9-7 9.3 Ferro Fundido Branco .........................................................................................9-7 9.3.1 Propriedades Básicas .....................................................................................9-8 9.3.2 Fabricação do Ferro Fundido Branco .........................................................9-8 9.3.3 Utilização do Ferro Fundido Branco ...........................................................9-9 9.4 Ferro Fundido Cinzento.......................................................................................9-9 9.4.1 Propriedades Básicas .....................................................................................9-9 9.4.2 Classificação ................................................................................................9-10 9.4.3 Fabricação do Ferro Fundido Cinzento .....................................................9-11 9.4.4 Utilização do Ferro Fundido Cinzento .......................................................9-11 9.5 Ferro Fundido Maleável ....................................................................................9-12 9.5.1 Propriedades Básicas ...................................................................................9-12 9.5.2 Fabricação do Ferro Fundido Maleável ....................................................9-13 9.5.3 Utilização do Ferro Fundido Maleável .......................................................9-14 9.6 Ferro Fundido Nodular......................................................................................9-14 9.6.1 Propriedades Básicas ...................................................................................9-14 9.6.2 Fabricação do Ferro Fundido Nodular ......................................................9-15 9.6.3 Utilização do Ferro Fundido Nodular ........................................................9-15 9.7 Bibliografia..........................................................................................................9-15

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ÍNDICE DE FIGURAS

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ÍNDICE DE TABELAS

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9- F ERROS F UNDIDOS

9.1 Introdução −

Ferros Fundidos : ligas a base de ferro com teores de carbono acima de 2,11% e raramente superiores a 4,0%. O elevado teor de carbono dessas ligas e a presença sempre obrigatória do elemento

silício tornam necessário considerá-las como ligas, ternárias Fe-C-Si, de modo que os fenômenos de transformação da austenita, no resfriamento lento, são mais complexos, originando estruturas em que um novo constituinte se apresenta: carbono livre ou grafita; cuja forma, disposição e quantidade alteram profundamente as propriedades desses materiais. Os dois fatores mais importantes, sob o ponto de vista estrutural do ferro fundido, são: o teor de silício e a velocidade de resfriamento. Tipos de Ferros Fundidos −

Ferro Fundido Cinzento

−

Ferro Fundido Branco

−

Ferro Fundido Mesclado

−

Ferro Fundido Maleável

−

Ferro Fundido Nodular

9.2 Fatores que Definem o Tipo de Ferro Fundido

Os dois fatores mais importantes, sob o ponto de vista estrutural do ferro fundido, são: o teor de silício e a velocidade de resfriamento.

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9.2.1 Composição Química −

Carbono: como nos aços, é o elemento de liga básico; determina, obviamente, a quantidade de grafita que pode se formar;

−

Silício: um dos efeitos do silício é modificar a composição do eutético (diagrama de equilíbrio binário - 4,30% de carbono). Por exemplo, com 2,30% de silício, o ponto eutético situa-se cerca de 3,60% de carbono. É o elemento grafitizante, ou seja, favorece a decomposição do carboneto de ferro (cementita – Fe3C); sua presença, independentemente do teor de carbono, pode fazer um ferro fundido tender para o tipo "cinzento" ou para o tipo "branco";

−

Manganês: tem efeito oposto ao do silício, isto é, tende a estabilizar a cementita e contrabalança, de certo modo, o efeito do silício; além disso, o manganês atua, como se sabe, como elemento dessulfurante;

−

Fósforo: também estabiliza a cementita; sua principal ação é formar um composto de natureza eutética (carboneto de ferro e fosfeto de ferro) de aparência branca e perfurada, chamado " steadita";

−

Enxofre: nos teores normais, não tem ação significativa.

9.2.2 Velocidade de Resfriamento

A influência da velocidade de refriamento está relacionada com a espessura das peças que solidificam no interior dos moldes, ou seja, pequenas seções significam velocidades de resfriamento mais elevadas que seções espessas. Altas velocidades de resfriamentos originam as chamadas " seções coquilhadas", em que houve pouca ou nenhuma decomposição da cementita. Esse fato leva ao aparecimento, nessas seções, de ferro fundido branco. Nas seções espessas, dá-se tempo suficiente para a decomposição da cementita, ocorrendo então a grafitização: um ferro fundido, nessas condições, apresentará uma fratura escura, devido à presença de carbono livre e corresponderá ao ferro fundido cinzento, ao contrário do anterior, cuja fratura será branca pela quase total ausência de grafita.

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A estrutura dos ferros fundidos apresenta os constituintes que estão normalmente presentes nos aços: ferrita, perlita e cementita, com maior ou menor quantidade de grafita livre, na forma de veios, dependendo da composição química e das condições de resfriamento.

9.2.3 Outros Fatores

Inoculação: consiste na adição de um material no metal quando ainda está no estado

−

líquido, no forno ou na panela de fundição, pouco antes do vazamento. Os inoculantes adicionados são: grafita, silício metálico, ferro-silício, silicieto de cálcio, Ca-Si, Ca-Si-Ti, Si-Ba, Si-Césio, Siterras raras, Cr-Si, silicieto de cromo etc. A sua ação, dependendo do tipo, faz-se no sentido de aumentar a tendência à grafitização, melhorar a tendência à formação de estruturas mais finas e uniformes e possibilitar a obtenção de ferros fundidos cinzentos de melhores propriedades mecânicas.

Superaquecimento: consiste em elevar a temperatura do metal líquido a valores mais

−

altos, o que provoca, no resfriamento subseqüente, o início da grafitização a temperaturas mais baixas, favorecendo a formação de veios menores e mais finos de grafita.

9.3 Ferro Fundido Branco

Este ferro fundido é assim chamado porque, devido a apresentar o carbono quase inteiramente combinado na forma de Fe 3C, mostra uma fratura branca. −

Ferro Fundido Branco

→

liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que o cinzento e que, devido ao silício em menor quantidade e às condições de fabricação, apresenta o carbono quase que inteiramente combinado, resultando numa fratura de coloração clara;

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9.3.1 Propriedades Básicas −

Elevada dureza;

−

Resistência ao desgaste.

9.3.2 Fabricação do Ferro Fundido Branco

Para a produção do ferro fundido branco, deve-se combinar os dois fatores fundamentais que determinam a maior ou menor decomposição da cementita: composição química (teores de carbono e silício, este último principalmente) e velocidade de resfriamento. Velocidade de resfriamento:

−

é controlada pelo emprego do sistemas de coquilhamento em que os moldes são metálicos, chamados " coquilhas".

Composição Química:

−

tem sido utilizada a técnicas de adição de alguns elementos de liga, isolados ou em combinação, para aumentar a resistência ao desgaste, regular a profundidade de coquilhamento (profundidade da camada branca), entre os mais utilizados estão os seguintes:



Cromo: é, normalmente, adicionado em teores até 4%. Acima disso, por exemplo, entre 12 e 35%, além de aumentar a resistência ao desgaste, o cromo torna os ferros fundidos brancos resistentes à corrosão e à oxidação a altas temperaturas.



Níquel: pode ir até teores de 4 ou 5%, o que produz uma estrutura martensítica, aumentando a dureza Brinell para cerca de 730 HB.



Molibdênio: tem um efeito correspondente a um terço do cromo e o objetivo inicial, na sua adição em pequenas quantidades ( 0,25 a 0,75%), é melhorar a resistência da superfície coquilhada ao lascamento e trincamento pelo calor e à corrosão localizada.



Vanádio: usualmente em teores não superiores a 0,50%, para estabilizar o carboneto, aumentando a profundidade de coquilhamento, além de refinar a estrutura.

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OBS.: As peças coquilhadas geralmente são submetidas a um tratamento térmico para alívio das tensões que se originam nas diversas velocidades de resfriamento e solidificação, nas várias seções das peças e uniformizar a estrutura dendrítica, típica de peças fundidas.

9.3.3 Utilização do Ferro Fundido Branco

Devido a suas características mecânicas, o ferro fundido branco é empregado em: −

Revestimento de moinhos;

−

Bolas para moinhos de bola;

−

Cilindros de laminação para borracha, vidro, plásticos e metais;

−

Rodas de vagões;

−

Peças empregadas em equipamento para britamento de minérios, moagem de cimento etc.

9.4 Ferro Fundido Cinzento −

Ferro Fundido Cinzento

→

liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de 2,0% e

silício presente em teores de 1,20% a 3,00%; a

quantidade de carbono é de tal ordem que, juntamente com o teor de silício, promove a formação parcial de carbono livre, na forma de lamelas ou veios de grafita;

9.4.1 Propriedades Básicas

Um fator importante é o que relaciona as propriedades mecânicas com a seção das peças. Para quantidades fixas de carbono total e silício, a resistência diminui à medida que aumenta a espessura ou seção das peças. Assim sendo, para peças finas, o carbono e o silício podem apresentar maiores teores e para peças mais espessas, a quantidade desses elementos deve ser reduzida, sob pena de queda da dureza e do limite de resistência tração.

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Exemplo: a classe ASTM-25, para manter-se um limite de resistência à tração entre 18 e 21,5 kgf/mm2 e

dureza entre 160 e 220, os teores de carbono e silício devem

situar-se, conforme a espessura peças, dentro dos seguintes limites: −

Peças finas (até 13 mm de espessura): C - 3,30 a 3,50% e Si - 2,20 a 2,40%;

−

Peças médias (de 13 a 25 mm de espessura): C - 3,20 a 3,40% e Si - 2,20 a 2,40%;

−

Peças grossas(espessura acima de 25 mm): C - 3,00 a 3,20% e Si - 1,90 a 2,20%.

Dentre as propriedades apresentadas pelos ferros fundidos cinzentos destacam-se: −

Fácil fusão e moldagem;

−

Excelente usinabilidade;

−

Resistência mecânica satisfatória;

−

Boa resistência ao desgaste;

−

Boa capacidade de amortecimento.

9.4.2 Classificação

A ASTM agrupa os ferros fundidos em classes, onde os números das classes correspondem aos limites de resistência à tração, em lb/pol 2, ou seja, classe 20 = 20.000 lb/pol 2

ou 14,0 kgf/mm2, classe 25 = 25.000 lb/pol 2 ou 17,5 kgf/mm2 e assim

por diante. No sistema ABNT, os ferros fundidos cinzentos são designados por FC (ferro fundido cinzento) e por algarismos indicativos dos limite mínimos de resistência à tração em kgf/mm2.

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9.4.3 Fabricação do Ferro Fundido Cinzento

A prática de adicionar elementos de liga no ferro fundido cinzento está se tomando comum, com o objetivo de melhorar a resistência mecânica. Os elementos mais eficientes são o cromo, o molibdênio e o vanádio, devido a sua tendência a estabilizar os carbonetos. O níquel, ao contrário, é elemento grafitizante; por essa razão, é raras vezes empregado isoladamente. Outro elemento de tendência grafitizante é o cobre; mesmo assim, em teores até 2% contribui para melhorar o limite de resistência à tração. A introdução de elementos de liga em teores elevados produz característicos especiais como resistência à corrosão e ao calor. −

Ferros fundidos resistentes à corrosão:

são tipicamente de alto silício, de alto cromo ou de alto níquel. Os mais conhecidos são os ferros fundidos austeníticos Ni-Resist.

−

Ferros fundidos resistentes ao color :

são de médio silício, alto cromo, alto níquel, ao Ni-Cr-Si e ao alumínio.

9.4.4 Utilização do Ferro Fundido Cinzento

Devido a suas características mecânicas, o ferro fundido cinzento é empregado em: −

As classes FC-10 e FC-15, pelas excelentes fusibilidade e usinabilidade são indicadas, principalmente a FC-15, para bases de máquinas, carcaças metálicas etc.;

−

As classes FC-20 e FC-25 aplicam-se em elementos estruturais de máquinas operatrizes, tais como barramentos, cabeçotes, mesas etc.;

−

As classes FC-30 e FC-35, devido a sua maior resistência mecânica e maior dureza, aplicam-se em engrenagens, pequenos virabrequins, bases pesadas e colunas de máquinas, buchas grandes, blocos de motor etc.;

−

Finalmente a classe FC-40, de maior resistência entre todas as classes, possui elementos de liga, como níquel, cromo e molibdênio. Face à sua maior tendência à

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formação de camada coquilhada, seu emprego é feito em peças de espessura média a grande.; −

Outras aplicações dos ferros fundidos cinzentos, além das mencionadas, incluem: anéis de pistão, produtos sanitários, tampas de poços de inspeção, tubos, conexões, carcaças de compressores, rotores, pistões hidráulicos, engrenagens, eixos de comando de válvulas, virabrequins e inúmeros outros tipos de peças utilizadas praticamente em todos os setores industriais.

9.5 Ferro Fundido Maleável

Esse tipo de ferro fundido resulta de um ferro fundido branco, de composição adequada, o qual é sujeito a um tratamento térmico especial, de longa duração, chamado "maleabilização". Após o tratamento, o material que, no estado original é muito frágil, adquire ductilidade ou maleabilidade e torna-se mais tenaz. −

Ferro Fundido Maleável → liga

ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar

grafita na forma de "nódulos" (em vez de "veios"), devido

a

um

tratamento

térmico

especial

("maleabilização") a que se submete um ferro fundido branco;


Elevada ductilidade e tenacidade, se comparada às anteriores

−

Boa resistência à tração;

−

Boa resistência à fadiga;

−

Boa resistência ao desgaste

−

Boa usinabilidade;

−

Resistência a corrosão muito boa.

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9.5.2 Fabricação do Ferro Fundido Maleável

Existem dois processos generalizados de "maleabilização": −

Processo europeu ou maleabilização por descarbonetação;

−

Processo americano ou maleabilização por grafitização.

Processo Europeu : ou por descarbonetação origina um maleável chamado tipo europeu ou de núcleo branco, devido ao aspecto característico da sua fratura, cuja estrutura é constituída essencialmente de ferrita. O processo se dá em três etapas: 

Primeiro estágio

- o ferro fundido branco inicialmente, ou seja as peças

fundidas a partir desse material, são colocadas em caixas fechadas, envoltas em um meio oxidante, constituído de minério de ferro e submetidas ao ciclo de maleabilização, em que, num determinado período, o material é aquecido entre 900°

e 1.000°C , portanto bem acima da temperatura de transformação. Ocorre

descarbonetação intensa, ao mesmo tempo que no núcleo de peças espessas pode ocorrer grafitização (decomposição da cementita livre). 

Segundo estágio -

o material começa a ser resfriado muito lentamente, de

modo que no período de tempo de manutenção do material na faixa entre 900°C (ou 1.000°C ) e 700°C , ocorrem ainda algumas reações, como grafitização, diretamente da austenita. 

Terceiro estágio

- ocorre o resfriamento ainda lento, a partir de 700°C , forma-

se perlita, caso exista ainda carbono combinado.

Processo Americano : ou maleabilização por grafitização origina o maleável tipo americano ou de núcleo preto, cuja fratura tem aspecto escuro, daí a denominação;

é constituído essencialmente de grafita em

nódulos sobre uma matriz ferrítica. O processo consiste essencialmente em aquecer peças fundidas a partir do ferro fundido branco, a temperaturas acima da zona crítica ( 950°C ) ≈

numa atmosfera neutra, ou seja em caixas de ferro fundido, envoltas em areia, cinzas ou outro material inerte. AAP

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Materiais de Construção Mecânica IV 

Primeiro estágio:

- aquecimento em torno de 950°C , ocorre a grafitização da

cementita, da austenita; 

Segundo estágio

- é levado a efeito a temperaturas em torno de 735°C , durante

um tempo mais longo que o do primeiro estágio, ocorrendo a grafitização da cementita e da perlita.

9.5.3 Utilização do Ferro Fundido Maleável

Devido a suas características mecânicas, o ferro fundido maleável é empregado em indústrias mecânica, elétrica, de veículos, de materiais construção, de tratores, em peças tais como: conexões para tubulações hidráulicas, conexões em linhas de transmissão elétrica, correntes, suportes de molas, caixas de direção e de diferencial, cubos de rodas, sapatas de freios, pedais de freios e de embreagem, colares de tratores, caixas de engrenagens etc. Várias dessas peças são galvanizadas.

9.6 Ferro Fundido Nodular −

Ferro Fundido Nodular → liga

ferro-carbono-silício caracterizada por a apresentar

grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento realizado ao material ainda no estado líquido ("nodulização").


Elevada resistência mecânica;

−

Elevada tenacidade e ductilidade. Seu limite de escoamento é mais elevado do que nos ferros fundidos cinzento e

maleável e o mesmo dos aços carbono sem elementos de liga. A grafita, nesses materiais, tem a forma esferoidal, que é mais favorável do que a nodular propriamente dita do ferro maleável e por isso afeta menos a continuidade da matriz. AAP

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9.6.2 Fabricação do Ferro Fundido Nodular

O ferro fundido de origem, para produzir o ferro nodular, possui uma composição química semelhante à do ferro fundido cinzento comum ou com baixo teor de liga. Os processos de nodulização desses materiais consiste na adição, no metal fundido, de determinadas ligas contendo magnésio, cério, cálcio, lítio, sódio ou bário. A liga mais comum é Mg-Si-Fe, visto que o magnésio é, dentre todos os elementos, o de mais baixo custo. Ao introduzir-se a liga na panela contendo o ferro fundido líquido, ocorre uma violenta reação que causa fervura. O magnésio age como uma espécie de inibidor da grafitização, de curta duração, de modo que o ferro fundido solidifica inicialmente com formação de cementita. Quando cessa a ação do magnésio, a cementita começa a decompor-se, originando uma grafita que se desenvolve em todas as direções, adquirindo uma forma próxima da esférica. A estrutura final apresenta-se, pois, como grafita esferoidal numa matriz perlítica, podendo apresentar igualmente ferrita e cementita livre. Um tratamento térmico de recozimento ou normalização decompõe a cementita em ferrita e produz mais grafita esferoidal. O recozimento, além dessa ação, alivia as tensões e a normalização produz melhores propriedades mecânicas.

9.6.3 Utilização do Ferro Fundido Nodular

As aplicações gerais compreendem peças sujeitas a pressão, como compressores, lingoteiras, bielas e outros tipos de peças que exijam maior resistência ao choque, como virabrequins, matrizes, mancais, polias, rodas dentadas, engates, sapatas, tambores de freio etc.

9.7 Bibliografia

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Cap 9 - Ferros Fundidos e Suas Ligas

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