3 Ferro Fundido

FERRO FUNDIDO

Composição química: sistemas ternários Fe-C-Si

Ferro fundido= liga metálica com teor elevado de ferro, carbono (entre 2,11 e 6,67%), silício, (entre 1 e 3%) e pode-se encontrar Mn, S e P (impurezas)À medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas necessárias para a fusão do material, até 4,3% C.

Na prática, as ligas contêm teores da ordem de 3,0 a 4,5%p de C.

As ligas são líquidas (T=1150-1300oC) temperatura que é consideravelmente mais baixa do que para os aços. Logo: facilidade de fusão e suscetíveis a fundição se comparados a aços com baixos teores de C.

Características importantes

São frágeis e só resistem bem à compressão ;

Fundição é a técnica de fabricação mais conveniente.

No estado bruto de fundição, suas propriedades mecânicas são definidas pela microestrutura, mais precisamente, pela forma com que o carbono se apresenta combinado.

TiposNa forma grafita – dureza baixa, baixa resistência mecânica e boa usinabilidade.

Na forma cementita (Fe3C – carbeto de ferro) – dureza elevada, alta resistência mecânica e ao desgaste e baixa tenacidade

ferro gusa fusão ferro fundido

Fusão é feita em fornos apropriados sendo o mais comum o forno CUBILÔ.

Ferro fundidoFe(l) vertido em um molde e posteriormente resfriado.

Vantagem: várias peças semelhantes;Desvantagem: quebradiço

O ferro fundido é obtido diminuindo-se a %C do ferro gusa, ( ↑%C , material mais duro e quebradiço (menor ou igual a 2%C)

É, portanto, um ferro de segunda fusão.

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Sistema de classificação

1. Varia de acordo com o tipo de ferro fundido em função das suas faixas de composição química:

Tipo C Si Mn P S

Cinzento2,5 - 4,0 %

1,0 - 3,0 %

0,2 - 1,0 %

0,002 - 1,0 %

0,02 - 0,25 %

Grafítico compacto

2,5 - 4,0 %

1,0 - 3,0 %

0,2 - 1,0 %

0,01 - 0,1%

0,01 - 0,03 %

Dúctil3,0 - 4,0 %

1,8 - 2,8 %

0,1 - 1,0 %

0,01 - 0,1 %

0,01 - 0,03 %

Branco 1,8 - 3,6 %

0,5 - 1,9 %

0,25 - 0,8 %

0,06 - 0,2 %

0,06 - 0,2 %

Maleável2,2 - 2,9%

0,9 - 1,9 %

0,15 - 1,2 %

0,02 - 0,2 %

0,02 - 0,2%

2. Classificação de acordo com a formação ou não de ligas

não-ligados - constituem-se basicamente de ligas de Fe-C-Si contendo pequenas quantidades de Mn, P e S.

ligados

Tipos, de acordo com a sua aplicação e propriedades

brancos resistentes à abrasãoresistentes à corrosão cinzentos de alta-resistência, dúcteis termoresistentes brancos termoresistentes

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3.Classificação de acordo com a forma em que o C se apresenta na microestrutura

Ferro fundido cinzentoFerro fundido grafítico compactoFerro fundido dúctil ou nodularFerro fundido brancoFerro fundido maleável

Todos estes tipos, exceto o branco, são compostos de uma fase grafítica em uma matriz que pode ser ferrítica, perlítica, bainítica, martensítica temperada ou uma combinação destas.

Ferro fundido cinzento

Na linguagem do dia-a-dia, a expressão ferro fundido é associado ao ferro fundido cinzento, que é o mais antigo tipo conhecido e produzido. Assim, uma característica desse tipo (resistente, mas quebradiço) é às vezes considerada válida para todos os ferros fundidos, o que não tem fundamento. Há tipos com propriedades mecânicas completamente diversas.

Composição química 3,20 a 3,70% C1,50 a 2,10% Si0,3 a 0,80% Mn0,06 a 0,20% S0,06 a 0,20% P

Desvantagens mecanicamente, é um material é frágil e quebradiço (pouco resistente a impactos) devido a sua microestrutura, não servindo muito bem a aplicações que requeiram elevada resistência à tração. Estruturalmente:veios de grafita atuam como espaços vazios, reduzindo a resistência mecânica.

Vantagenssua resistência e ductilidade são maiores sob compressão, excelentes capacidades de amortecimento de energia vibracional elevada resistência ao desgaste mecânico.Usinagem facilitada pelos veios de grafita. No estado fundido, possuem alta fluidez o que permite a confecção de peças intrincadas e complexas.Baixo custo de produção.

Presença de flocos de grafita (flakes) que se encontram normalmente envolvidos em uma matriz de ferrita α ou de perlita.

Devidos aos flocos de grafita, uma superfície fraturada assume a aparência acinzentada.

As extremidades dos flocos de grafita são afiladas e pontiagudas e podem servir como ponto de concentração de tensões quando uma tensão externa é aplicada.

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Veios grafíticos

Efeitos da adição de elementos a liga

Si, Al e Ni- aumentam a atividade do C, ou seja, favorecem a formação da grafita.

P e S - são consideradas impurezas e devem ser mantidos em concentrações baixas. O S tem o efeito de segregar para os contornos de grão diminuindo a tenacidade do material. O P combina-se com o Fe e forma uma fase eutética de alta dureza (esteadita - Fe3P)

Cr, Mn, V, Mo e W- diminuem a atividade de C, ou seja, favorecem a formação da cementita e carbonetos.Mn – também é adicionado como dessulfurante, visando reduzir os efeitos deletérios do S (combina-se com o S formando inclusões de MnS);

Al, B e Ni possuem efeito grafitizante.

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Aplicação1.como componente estrutural de bases de máquinas e equipamentos pesados sujeitos à vibração;2. peças fundidas de vários tipos que não necessitam de elevada resistência mecânica, 3.pequenos blocos cilíndricos, 4.pistões, 5.cilindros, 6.discos de embreagem e 7.peças fundidas de motores a diesel.

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Ferro fundido grafítico compacto

Composição química2,5 a 40% C1% – 3% Si0,02 – 0,25%S 0,2 – 1% Mn0,01 – 1% Pterras raras em pequenas proporções

Característicasposiciona-se entre o ferro cinzento e o dúctil. Fundição excelente, ótimo para trabalhos que requeiram usinagem.

Propriedades resistências com valores intermediários entre o ferro cinzento e o nodular, baixa ductibilidade, boa resistência à abrasão e à compressão, boa absorção de vibrações, baixa resistência à compressão, ao impacto, à tração e elevada conductibilidade térmica.

Processosfundição em geral, jateamento, pintura, polimento, usinagem.

Aplicaçõescarters, suporte e caixas de mancais e engrenagens,cabeçotes, blocos de motor, disco de freio, etc.

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Bloco de motor-Para além de alojar os cilindros, onde se movimentam os pistões, o bloco motor suporta duas outras peças: a cabeça do motor na parte superior e o cárter na parte inferior. A cabeça do motor é fixa ao bloco através da junta da cabeça que é atravessada por parafusos de fixação roscados no bloco. Os materiais mais usados são o ferro fundido e alumínio, este último mais leve e com melhores propriedades dissipadoras, mas de preço mais elevado.

Ferro fundido dúctil ou nodularLiga Fe-C-Si em que o carbono encontra-se na forma de grafita esferoidal no estado bruto de fundição.

Fe (l) agentes nodulizantes ferro fundido nodular grafita esferoidalComposição química 3,2 a 4,1 %C1,8 a 3,0 %Si0,1 a 1,0 %Mn0,005 a 0,020 %S0,01 a 0,1 %Pobs: S > 0,020% afeta o processo de nodulização da grafita.P > 0,5% provocam forte fragilização da microestrutura.

Característicasexcelente ductilidade (de até 20% em componentes recozidos);tenacidade superior aos ferros fundidos brancos e cinzentos;limite de escoamento mais alto que os demais ferros fundidos e aços comuns;melhor resistência ao impacto e a fadiga que os ferros fundidos cinzentos;capacidade de absorver vibrações esua usinabilidade e a resistência ao desgaste dependem, basicamente, da microestrutura da matrizsua estrutura nodular confere maiores resistência mecânica e ductilidade ao material, aproximando suas características das do aço.

Aplicaçõesválvulas e carcaça de bombas, Virabrequins (eixo de manivelas)engrenagens, pinhões, cilindros outros componentes de máquinas e automóveis, etc

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Material das engrenagens: Ferro fundido GG30.

pinhõescarcaça de bombas

virabrequim é um dos componentes de grande importância num motor automotivo, cuja função é a transformação do movimento linear alternado dos pistões em movimento rotativo. Este componente apresenta geometria complexa, tornando necessário, para a sua fabricação, o emprego de vários processos, desde furação até a aplicação de processos especiais como torno-brochamento (Drehräumen) e fresamento periférico externo circunferencial excêntrico de mergulho (Aussenfräsen).

Processo de fresamento externo de virabrequinsNo fresamento os cavacos são retirados através da rotação da fresa.

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS NODULARES

A grafita esferoidal é obtida pela adição de elementos nodulizantes, que modificam o a forma de crescimento da grafita.

Os elementos nodulizantes mais comuns na indústria são:Mg (0,04% e 0,05%), Ce (0,02% e 0,04%), Ca (0,01% e 0,02% e terras raras (17 elementos: 15 elementos pertencem ao grupo dos lantanídeos (elementos com número atômico entre Z=57 e Z=71, isto é do lantânio ao lutécio), aos quais se juntam o escândio (Z=21) e o ítrio (Z=39) .

Nos processos modernos, a introdução é realizada em fornos pressurizados.

A presença de impurezas, como S, Sb, Pb, Te ou Bi, apresenta efeito deletério sobre a nodulização.

Adições de elementos de liga como o Cr e Ni promovem a estabilização da perlita,aumentando a resistência mecânica e a resistência à corrosão.

Algumas aplicações específicas, como anéis de pistão, são empregadas adições de até 0,5% de Mo ou Nb visando a formação de carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste. Estas adições também estabilizam a microestrutura e as propriedades em temperaturas elevadas (~650ºC).

(a) (b)

Imagens obtidas pela técnica de microscopia óptica (MO) em amostra no estado bruto de fusão. Microestrutura de amostra bruta de fundição: a) 200X, b) 500X. MO, região central (núcleo).

A liga apresenta grau de nodularização de ~ 90%. O número de nódulos foi determinado em uma área compreendida entre o núcleo e a superfície da área útil da secção estudada. Foram analisados ao todo oito campos, encontrando-se um valor médio de 112 nódulos/mm2.

ANÁLISE METALOGRÁFICA

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Ferro fundido brancoLiga do sistema Fe-C-Si, contendo baixos teores de Si e que apresentam o C quase que inteiramente na forma de Fe3C (cementita- carbeto de ferro), formando um constituinte com a austenita, denominado ledeburita.

Composição química típica1,80 a 3,60% C0,50 a 1,90% Si0,25 a 0,80% Mn0,06 a 0,20% S0,06 a 0,20% P

Efeito dos elementos de liga principaisMn - estabiliza a cementitaNi – endurecimento por solução sólida.Cr, Mo – formadores de carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste

Propriedades - elevada dureza extremamente duro e frágil - baixa tenacidade difícil usinagem - elevada resistência ao desgaste-baixa usinabilidade-ductilidade nula -superfície de uma fratura nessa liga apresenta uma aparência esbranquiçada.

Aplicação

1- restrita aos casos em que dureza elevada e resistência ao desgaste são necessárias, como nos cilindros de laminação. Geralmente, é utilizado como um processo intermediário na produção do ferro fundido maleável.

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Ferro fundido maleável

Ferro fundido branco maleabilização ferro fundido maleável T e P adequadas

Composição química2,2 a 2,9%C0,9% – 1,9% Si0,002 – 0,2% S 0,15 – 1,2% Mn0,02 – 0,2% P

CaracterísticasPonto de fusão mais baixo em relação aos outros ferros.Usado tanto em temperaturas normais quanto mais elevadas.

Propriedades elevada ductibilidade,elevada resistência mecânica (boa resistência ao choque)elevada maleabilidade

Processos: fundição em geral, jateamento, pintura, polimento, boa usinagem, soldagem inadequada.

Aplicações: acessórios para tubulações de baixa pressão, flanges confecções de tubos, ferragens em geral, conexõespeças para válvulas ferroviárias e navais,peças para indústria pesada Biela (toda a peça de uma máquina que serve para transmitir ou transformar o movimento retilíneo alternativo em circular contínuo). 9

flange

Biela de automóvel