Ferro Fundido

UNIVERSIDADE DO GRANDE

Trabalho de Engenharia

Materiais de Construção Mecânica l

SANTO ANDRÉ – SP

2010

Classificação, especificação e aplicação dos ferros fundidos.

Trabalho de Graduação de

tecnologia em automação

industrial pela uniABC,

apresentado como exigência

parcial da disciplina de

Engenharia de Materiais de

construção Mecânica l, sob

orientação do prof. Iorio.

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FERRO FUNDIDO

1-INTRODUÇÃO

Dentre as ligas ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de ligas de importância fundamental para a indústria, não só devido às características inerentes ao próprio material, como também pelo fato de, mediante introdução de elementos de liga, aplicações de tratamentos térmicos adequados e pelo desenvolvimento do ferro fundido nodular, ter sido viável ao seu emprego em aplicações que, de certo modo, eram exclusivas dos aços.

Assim sendo o seu estudo é fundamental para o engenheiro mecânico, ao qual se oferece mais uma opção no sentido da seleção de materiais metálicos para as diversas aplicações industriais.

2-DEFINIÇÕES

Pelo conhecimento do diagrama de equilíbrio Fe-C, costuma-se definir ferro-fundido como “as ligas Fe-C cujo teor de carbono se situa acima 2,0% aproximadamente”. Face à influência do silício nessa liga, sobretudo sob o ponto de vista de sua constituição estrutural, o ferro fundido é normalmente considerado uma “liga ternária Fe-C-Si”, pois o silício está freqüentemente presente em teores superiores ao do próprio carbono.

Por outro lado, em função de sua constituição estrutural, o carbono está geralmente presente, em grande parcela, na forma “livre”.

Nessas condições, a definição de ferro fundido adotado nesse trabalho será a seguinte:

Ferro fundido é a liga ferro – carbono - silício, de teores de carbono

geralmente acima de 2,0% em quantidade superior à que é retirada em solução sólida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de veios ou lamelas de grafita.

Dentro da denominação geral de “ferro fundido”, porem ser distinguidos os seguintes tipos de ligas:

Ferro fundido cinzento - Cuja fratura mostra uma coloração escura, donde a sua denominação, caracterizado por apresentar como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício e estrutura em que uma parcela relativamente grande do carbono está no estado livre grafita lamelar e outra parcela no estado combinado (Fe3C);

Ferro fundido branco – Cuja fratura mostra uma coloração clara (donde a sua denominação), caracterizado por apresentar ainda como elementos de liga fundamentais o carbono e o silício, mas cuja estrutura, devido ás condições de

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fabricação e menor teor de silício, apresentam o carbono quase inteiramente na forma combinada (Fe3C);

Ferro fundido maleável – Caracterizado por ser obtido a partir do ferro fundido branco, mediante um tratamento térmico especial (maleabilização), resultando numa transformação de praticamente todo o ferro combinado em grafita na forma de nódulos (em vez de veios ou lamelas);

Ferro fundido nodular – Caracterizado por apresentar, devido a um tratamento realizado ainda no estado líquido, carbono livre na forma de grafita esferoidal, o que confere ao material característica de boa ductibilidade, donde a denominação freqüente para esse material de ferro fundido dúctil.

A faixa de composição dos cinco principais tipos de ferro fundidos, sem elementos de liga, está indicada na tabela:

FAIXA DE COMPOSIÇÃO DE FERROS FUNDIDOS TÍPICOS COMUS

3- DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO Fe-C

Diagrama de equilíbrio Fe-C para faixa correspondente aos ferros fundidos – O gráfico abaixo corresponde a mais recente versão do diagrama de equilíbrio Fe-C. Esse diagrama é relativo apenas à liga binária Fe-C, em que o principal elemento de liga é o carbono.

As condições complementares que podem ser feitas, ao analisar os fenômenos que ocorrem na faixa relativa aos ferros fundidos, são as seguintes:

Ao teor de carbono de 4,3%, temperatura de 1148° (ponto C), corresponde à liga de mais baixo ponto de solidificação ou fusão; essa liga é chamada autética;

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% DE CARBONO

As ligas entre 2,0 e 4,3% de carbono são chamadas hipoeutéticas; aquelas de carbono acima de 4,3% são chamadas hipereutéticas. Os ferros fundidos correspondentes seriam denominados hipoeutéticos e eutéticos (estes últimos com 4,3% de carbono).

Ao resfriar lentamente uma liga binária Fe-C com teor de carbono correspondente à liga eutética (ponto C), verifica-se exatamente no ponto C, a mesma se solidifica, havendo em equilíbrio duas fases: austenita de um lado e Fe3C (cementita) do outro lado. Esse eutético cristalizado é chamado “ledeburita” e é constituído de um fundo de cementita com aproximadamente 6,7% de carbono e cristais dentríticos de austenita, contendo 2,0% de carbono;

Continuando o resfriamento, verifica-se uma diminuição gradativa do teor de carbono de austenita, visto que a composição desta acompanhada a inclinação da

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linha ES ou A cm. Esse fenômeno prossegue até que se tenha atingido a temperatura 727°C (ponto S) correspondente a 0,77% de carbono, na linha A1, abaixo da qual não pode mais existir a austenita.

Ao ultrapassar, pois, a linha A1, essa austenita tranforma-se em perlita. Assim sendo, a ledeburita, abaixo de 727° até a temperatura ambiente (faixa de temperaturas dentro da qual nenhuma nova transformação ocorre) será constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita; o aspecto micrografico desse constituinte, que corresponde, pois, ao de um ferro fundido com 4,3% de carbono, está representado logo abaixo:

Aspecto micrográfico da ledeburita. Estrutura típica de ferro fundido branco com 4,3% de carbono; glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. (Aumento 530x).

Continuando o resfriamento, suponha-se ter sido atingida a temperatura correspondente ao ponto x2. A essa temperatura, a liga de 3,0% de carbono apresenta, em equilíbrio, duas fases, como se pode perceber pelas intersecções da horizontal por x2 até os extremos do diagrama (linhas solidus e liquidus): austenita, que se enriquece paulatinamente de carbono e o liquido, cuja composição, por sua vez, percorre a linha liquidus. Em resumo: à medido que a liga com 3,0 de carbono se aproxima da linha solidus, cristais de austenita se formam em quantidades cada vez maiores, diminuindo a quantidade de fase líquida. A atingir-se a temperatura correspondente à linha solidus, no ponto x3, estão em equilíbrio a fase austenita com 2,0% de carbono e eutético com 4,3% de carbono (ou seja ledeburita, por sua vez constituída de austenita e cementita);

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Prosseguindo o resfriamento, a austenita isolada de um lado e a da leburita do outro terão seu teor de carbono normalmente alterado para valores decrescentes, ao percorrer a sua composição a linha Acm, até ser atingida a temperatura de 727°C, correspondente à linha A1, quando toda a austenita (inclusive a da leburita) se transforma em perlita. Daí até a temperatura ambiente, nenhuma nova transformação ocorre. Em conseqüência, abaixo de 727°C, a liga com 3,0% de carbono será constituída de cristais de perlita envolvidos por leburita que, por sua vez, é agora constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. Seu aspecto micrografico é indicado na figura logo abaixo.

Considera-se, por fim, uma liga hipereutética, por exemplo, com 5% de carbono (linhaY). Adotado o mesmo raciocínio, ter-se-à: entre linhas liquidus e solidus, cristais de cementita de forma alongada, formados em primeiro lugar, e liquido, cuja composição percorre a linha liquidus, no sentido do ponto eutético. Ao atingir a temperatura de 1148°C, dar-se-a a solidificação total a as fases em equilíbrio serão: cementita de um lado e o eutético ledeburita (austenita mais cementita) do outro;

Entre as linhas solidus e a linha A1, nada ocorre com a cementita; mas a austenita do eutético (ledeburita) terá seu teor de carbono alterado, percorrendo a linha Acm até atingir-se a linha A1, quando ela passa a perlita. Assim a 727°C (linha A1), a liga considerada será constituída das fases: cristais alongados de cementita e um fundo de leburita (glóbulos de perlita mais cementita). Seu aspecto micrográfico, que permanece até a temperatura ambiente.

As microestruturas mostradas são típicas de ferros fundidos absolutamente brancos, pois não está presente qualquer quantidade de silício. Tais ligas, como se verá posteriormente, têm utilização relativamente limitada, face às propriedades mecânicas geralmente desfavoráveis para as aplicações mais comuns.

Aspecto micrográfico apresentado por um ferro fundido hipoeutético. A estrutura apresenta dendritas de perlita, áreas pontilhadas constituídas de ledeburita e algumas áreas brancas constituídas de cementita. (aumento 530x).

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Aspecto micrográfico de ferro fundido branco hiper-eutético. A estrutura apresenta longos cristais de cementita sobre um fundo de leburita. (aumento 150x).

4- DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Fe-C-Si

O diagrama é de natureza metaestável ou de pseudo-equilibrio, pois, com o tempo, pode ocorrer decomposição do Fe3C em ferro e carbono, este último na forma de grafita.

Essa decomposição é acelerada pela presença de silício, de modo que convém estudar o efeito desse elemento no diagrama de equilíbrio Fe-C. Trata-se, assim de estudar um diagrama ternário, o que se pode ser feito tornando-se secção do diagrama Fe-C-Si, para teores determinados de silício. Mostra secções para teores de silício de 2,3%, 3,5%, 5,2% e 7,9%. Os dois primeiros correspondem a ligas Fe-C-Si de maior uso prático. Nas figuras são mostradas apenas as linhas de transformação para temperatura, elevadas, a partir de 1000°C.

Pela sua observação verifica-se que a principal alteração refere-se a composição do eutético, o qual diminui à medida que aumenta o teor de silício. Ao mesmo tempo, nota-se que a reação do autético ocorre num intervalo de temperratura, ao contrário do que acontece no diagrama binário Fe-C, onde ocorre tal reação se dá a uma temperatura praticamente constante.

Sob o ponto de vista prático, a utilização e interpretação dos fenômenos de transformação dos diagramas tenários são relativamente complexas.

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Mostra as faixas dos teores de carbono e de silício das ligas ferrosas. A linha tracejada inferior define o limite superior de teor de carbono como limite da solubilidade do carbono na austenita.

No caso dos ferros fundidos tomados como ligas ternárias, utiliza-se um conceito ou fórmula que possibilita levar em consideração o efeito do silício nas transformações estruturais e, por tanto, nas propriedades dos ferros fundidos, em que silício está presente em teores relativamentes elevados.

Esse conceito é do “carbono equivalente” e é representado pela fórmula

C.E. = %C + 1/3 (%Si+%P)

Deixando de lado o fósforo, cuja influência nessas ligas será estudada mais adiante, terse-ia apenas:

C.E. = %C + 1/3 (%Si)

Diagrama de equilíbrio metaestáveis Fe-C-Si para quatro diferentes teores de silício.

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Faixa aproximada de quantidades de carbono e silício nas ligas ferrosas.

A fórmula indica que o efeito de silício corresponde ao de um terço do efeito do carbono. Por exemplo, tornando-se uma liga com 2,3 de Si, verifica-se que o ponto eutético corresponde a cerca de 3,6%. Aplicando-se a fórmula ter-se-ia:

C.E. = 3,6 + 2,3/3 = 4,3% aproximadamente

Do mesmo modo, na liga com 3,5% de silício, onde o eutético foi deslocado para cerca de 3,20% de carbono, ter-se-ia:

C.E. = 3,2 + 3,5/3 = 4,3 aproximadamente.

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Em resumo, as ligas com 3,6% de carbono e 2,3% de carbono e 3,5% de silício comportam-se como ligas eutéticas e apresentam, teoricamente, à temperatura ambiente, uma estrutura ledeburítica.

Na verdade além dos efeitos que o silício exerce ao deslocar o eutético para teores mais baixos de carbono, uma outra característica desse elemento, sob o ponto de vista de estrutura e propriedades mecânicas, relaciona-se com tendências grafitizante, ou seja promover a decomposição do Fe3 em ferro e carbono, este último sob a forma de grafita lamelar.

Tornando-se a secção correspondente a 2,0% de Si de um diagrama completo Fe-C-Si, como mostra a tabela, verifica-se a existência de três fases (áreas achuradas), uma das quais é grafita.

Como o quando se forma a grafita?

Lembre-se de que o diagrama de equilíbrio Fe-C é de natureza metaestável: a rigor, trata-se de um diagrama Fe-Fe3C. O equilíbrio estável corresponde, de fato, a liga ferro-grafita, ou seja, as condições de equilíbrio são tais que ocorre a decomposição de Fe3C em Fe e C, este último na forma de grafita.

Essa decomposição depende da velocidade de resfriamento e da presença de determinados elementos de liga.

Ao solidificar um ferro fundido cinzento hipoeutético, por exemplo, com 3% de carbono e 2,3% de silício, resultam, em primeiro lugar, cristais primários de austenita, cuja quantidade aumenta com o decréscimo de temperatura. A cerca de 1150°C, o liquido remanescente solidifica com um teor de carbono de aproximadamente explicadas, ocorre em grande parte a grafitização. Admite-se, entretanto, que, no curto intervalo de tempo em que ocorre a solidificação final, fica estabelecida a quantidade, a forma e a distribuição da grafita.

Abaixo da temperatura de solidificação, no exemplo considerado, têm-se, pois dentritas de austenita, cujo teor de carbono decresce com a queda da temperatura, formando uma matriz em que estão distribuídas lamedas de grafita. O carbono, que é precipitado da austenita, aparece em parte como perlita e em parte como grafita livre. A quantidade desta depende, como já mencionou, da velocidade de resfriamento e do odor de silício.

Ao ultrapassar a última linha de transformação, correspondente à temperatura do eutetóide, a austenita remanescente passa a perlita e a estrutura da liga é constituída de perlita com lamelas de grafita, podendo, ainda, com resfriamento mais lento, a perlita decompor-se parcialmente em ferrita e grafita. A estrutura consistirá, então, de perlita, ferrita e lamelas de grafita. Essa é uma das estruturas comuns em ferros fundidos cinzentos de maior utilização comercial.

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5-FATORES QUE INFLUEM NA ESTRUTURA DO FERRO FUNDIDO

São dois fatores predominantes na determinação da estrutura do ferro fundido:

Composição química Velocidade de resfriamento

COMPOSIÇÃO QUÍMICA – Os elementos que mais influem na estrutura são o carbono e o silício, como se pode depreender de tudo o que foi exposto até o momento: o carbono determina a quantidade de grafita que se pode formar e o silício é essencialmente elemento grafitizante, favorecendo a decomposição do carboneto de ferro; sua presença, independentemente do teor de carbono, pode fazer um ferro fundido tender para o cinzento ou para o branco. O manganês, sempre presente, tem efeito oposto ao do silício, isto é, estabiliza a cementita e, assim, contrabalança, de certo modo, a ação grafitizante do silício. A rigor, o manganês nos ferros fundidos, tanto quanto nos aços, é adicionado como dessulfurante; entretanto, como na pratica há sempre um excesso de manganês, este atua como estabilizador da perlita: daí o seu efeito oposto ao do silício e sua utilidade para produzir estrutura com matriz predominantemente perlítica, sobre tudo em peças fundidas volumosas.

Os outros elementos, impurezas normais, fósforo e enxofre, não têm uma ação muito significativa sob o ponto de vista de tendência grafitizante. Apenas o fósforo é um estabilizador relativamente forte do carboneto de ferro; sua principal ação é na estrutura do material, porque forma com o ferro e o carbono um composto de natureza eutética – carboneto de ferro de fosfeto de ferro – de aparência branca e perfurada, chamada steadita.

VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO-Esse fator relaciona a velocidade de resfriamento propriamente dita durante a solidificação no interior dos moldes e a espessura das peças moldadas. Em outras palavras, secções espessas significam velocidades de resfriamento relativamente lentas e secções finas, velocidades rápidas, o que significa também que em peças de secções de diferentes espessuras, ocorrem diversas velocidades de resfriamento.

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Secção vertical do sistema Fe-C-Si a um teor constante de 2% de Si, mostrando, em achurado, as áreas de três fases.

TABELA Efeitos estruturais de alguns elementos no ferro fundido.

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Para elevadas velocidades de resfriamento – como as que se verificam em secções finas ou nas áreas adjacentes às paredes do molde – não há muito tempo para a decomposição da cementita, de modo que, dependendo dos teores de carbono e de silício, pouca ou nenhuma grafitização ocorre e há tendência para formar-se ferro fundido branco. Produz-se o que se chama na prática de secções coquilhadas.

Com as velocidades de resfriamento lentas das secções mais espessas, ocorre uma apreciável grafitização, dependente sempre do teor de silício. A estrutura será constituída essencialmente de perlita e grafita. Para resfriamento ainda mais lento e teor de silício ainda mais lento e teor de silício mais elevado, a cementina da perlita pode também decompor-se parcialmente, originando-se assim, a estrutura constituída de veios de grafita, perlita e ferrita. Essa estrutura confere ao material característico de baixa dureza e excelente usinabilidade, além de razoável resistência mecânica.

É claro que haverá secções intermediarias, com alguma formação de grafita, resultando, nelas, ferro fundido mesclado.

A velocidade de resfriamento não influi apenas na grafitização; outra ação é na forma, distribuição e tamanho dos veios de grafita. Velocidades altas produzem veios finos, com uma distribuição dentritica, comumente muito lentas em uma distribuição de veios grosseiros de grafita.

A influência da velocidade de resfriamento, juntamente com a do teor de silício, pode ser facilmente verificada na prática com um pequeno ensaio a ser realizado pelo fundidor, utilizando um pequeno corpo de prova de forma especificada, chamado “cunha de coquilhamento”. Desse modo, tem-se um meio rápido e eficiente de controlar a tendência à grafitização de um ferro fundido e corrigir em tempo as cargas do forno de fundição, mediante adição de elementos grafitizantes ou estabilizadores.

6- COMPONENTES ESTRUTURAIS DOS FERROS FUNDIDOS.

O mais importante é a “grafita”, por ser o elemento que determina fundamentalmente as características mecânicas dos ferros fundidos. Costuma-se comparar os ferros fundidos aos aços, chamando-os de aços contendo grafita em veios, pois, a rigor, os outros constituintes estruturais importantes – cementita, perlita e ferrita – são os constituintes básicos dos aços reside no fato dos veios de grafita constituem uma solução de continuidade na estrutura ou matriz básica do material ou, em outras palavras, interrompem a uniformidade ou continuidade dessa matriz.

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Estrutura de ferro fundido cinzento do tipo hipoeutética, mostrando, os constituintes perlita, ferrita e veios de grafita. (aumento 100x).

Estrutura de um ferro fundido apresentando grandes veios de grafita, o eutético complexo rico em fósforo e mais inclusões, numa matriz perlítica. (aumento 100X).

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Cunha de coquilhamento, em que as dimensões variam conforme indicado. O tempo necessário para realizar o ensaio varia de 35 segundos, para a menor cunha, até 10 minutos para a maior.

A ASTM e a AFS classificam o aspecto e a forma de apresentação da grafita em cinco tipos, como se segue:

A- Irregular desorientadaB- Em rosetaC- Desigual irregularD- Interdentrítica desorientadaE- Interdentrítica orientada

Do mesmo modo, essas Associações classificam a grafita, pelas suas dimensões, em oito tamanhos, de 1 a 8, correspondendo o n°1 às dimensões maiores (veios longos) e n°8 às dimensões menores.

Os outros constituintes normais – ferrita, sementita e perlita – já são conhecidos, pois foram descritos no primeiro capitulo desta obra.

A “ledeburita”, que ocorre nos ferros fundidos brancos, é um constituinte formado de pequenos glóbulos de perlita, sobre um fundo de sementita; por isso apresenta elevada dureza.

A “steadita” é um constituinte de natureza eutética, compreendendo partículas de fosfeto de ferro Fe3P e carboneto de ferro Fe3C, com baixo ponto de fusão (inferior a 982°C). Ocorre em áreas interdentriticas, formando uma segregação, pois essas áreas são as ultimas que solidificam. A steadita ocorre quando a quantidade de fósforo presente é superior a 0,15%. É muito dura e frágil.

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7-FATORES OUTROS QUE INFLUEM NOS CARACTERISTICOS DE GRAFITIZAÇÃO DOS

FERROS FUNDIDOS.

A grafitização (forma, distribuição e dimensões dos veios de grafita) e, portanto, a estrutura e os característicos mecânicos dos ferros fundidos são influenciados por outros fatores que não apenas a composição química e a velocidade de resfriamento.

Forma e distribuição dos veios de grafita, segundo as normas da ASTM e da AFS.

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O mais importante é a chamada “inoculação” que consiste na adição de uma liga metálica, no metal, enquanto estiver líquido, quer no próprio forno ou na “panela de fundição” pouco antes do vazamento do metal ou no jorro do metal líquido quando da passagem do forno para a panela de vazamento. Acredita-se que nessa prática provoca o aparecimento de “núcleos” no metal fundido, nas quais o metal de grafita pode começar. O efeito consiste no decréscimo da tendência da formação de ferro branco, ou seja, numa tendência a grafitização, sem conseqüência apreciável na estabilidade da perlita. Além disso, fica favorecida a formação de veios menores de grafita, com distribuição mais uniforme. Existem muitos inoculantes comerciais, os quais podem ser agrupados da seguinte maneira:

- Inoculantes grafitizantes comuns, incluindo grafita, silício metálico, ferro-silício (com 50%, 75% ou 85% de Si) e silicieto de cálcio;

- Inoculantes grafitizantes especiais, que se caracterizam por apresentar um maior efeito grafitizante (podendo, pois, ser utilizados em quantidades relativamente pequenas) e que incluem, entre outros, os seguintes: Ca-Si; Ca-Si-Ti; Ca-Si-Mn; Si-Zr-Ca; Si-Ba; Si-Mn-Ca-Ba; Si-terras raras, SiCésio etc.;

- Inoculantes estabilizantes (também chamados fertilizantes), recomendados para ferros fundidos cinzentos de carbono equivalente elevado (4,0 a 4,5%) e que incluem, entre outros, Cr-Si, silicielo de cromo, Cr-Si-Mn, Cr-Si-Mn-Zr.

A temperatura do ferro fundido liquefeito deve ser no mínimo, de 1455°C.

Em resumo, pode-se afirmar que a inoculação do ferro fundido cinzento tem por objetivo:

- Aumentar a tendência à grafitização e, portanto, diminuir a tendência ao coquilhamento;

- Melhorar a tendência à formação de estruturas mais finas e uniformes em secções de espessuras variadas;

- Reduzir o super-resfriamento para favorecer a formação de grafita tipo A e diminuir ou eliminar a grafita interdentrítica, sobretudo a do tipo D;

- Melhorar as propriedades mecânicas;

- Finalmente, possibilitar a obtenção de ferros fundidos cinzentos de alta resistência, com carbonos equivalentes relativamente baixos.

Outro fator a considerar é o superaquecimento, ou seja, a temperatura de aquecimento do ferro fundido quando inteiramente liquefeito. Deve-se manter- geralmente, para os melhores resultados, o metal fundido a uma temperatura muito alta (1500 a 1700°C), o que exige um forno elétrico como forno de fusão. O superaquecimento resulta em inicio de grafitização a temperaturas mais baixas, o que promove a formação de veios menores e mais finos de grafita adquirir uma disposição interdentrítica com conseqüente queda da resistência mecânica do material, que é corrigida pela inoculação.

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De qualquer modo, como já se mencionou não se conhece com precisão o mecanismo exato de precipitação de grafita; muitas teorias foram propostas nesse sentido.

Pode-se, contudo, estabelecer certos fatos associados à formação de grafita, alguns dos quais já expostos, e que podem ser resumidos da seguinte maneira:

- A precipitação da grafita depende dos teores de carbono e silício e da velocidade de resfriamento, através de uma certa faixa de temperatura;

- Mantidos constantes o teor de carbono e a velocidade de resfriamento, quantidades crescentes de Si resultam em quantidades crescentes de grafita e veios de grafita maiores;

- Mantidos constantes de Si e a velocidade de resfriamento, decréscimo do carbono total original menor quantidade de grafita, geralmente em veios menores;

- A precipitação da grafita não é eliminada pela quantidade de C presentes alem da composição do eutetóide (0,80%), mas se houver quantidade suficiente de grafita e a velocidade de resfriamento for muito pequena, essa precipitação pode continuar até praticamente eliminar a presença de qualquer carbono combinado;

- A grafitização é acelerada pela presença de núcleos de grafita, os quais tendem a ser destruídos por altas temperaturas de fusão.

FERROS FUNDIDOS CINZENTOS

1-INTRODUÇÃO

Esta é, entre os ferros fundidos, a liga mais usada, devido aos seus

característicos de:

Fácil fusão e moldagem

Boa resistência mecânica

Excelente usinabilidade

Boa resistência ao desgaste

Boa capacidade de amortecimento

Como em todas as ligas metálicas, existe uma correlação íntima entre as

propriedades do ferro fundido e sua estrutura, correlação essa que, no caso particular

do ferro fundido cinzento, é mais estreita e mais complexa, tendo em vista a presença

de carbono livre na forma de grafita e a forma, distribuição e dimensões que os veios

de grafita apresentam e mais a influência que, nesse sentido, a espessura de paca

exerce.

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Portanto, pode-se prever, com razoável aproximação, as propriedades dos

ferros cinzentos, em função da sua composição química principalmente teores de

carbono grafítico e silício, das peças e da forma como a grafita se apresenta.

Os ferros fundidos cinzentos apresentam-se dentro de uma faixa de

composição química muito ampla:

Ct – 2,5 a 4,00%

Si – 1,00% a 3,00%

Mn – 0,20% a 1,00%

P – 0,02% a 1,00%

S – 0,2% A 0,25%

Os efeitos desses elementos já são conhecidos.

É freqüente, ainda, adicionar outros elementos de liga, visando alterar certas

características do material, como se verá mais adiante.

2-CLASSIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS

CINZENTOS

Segundo ABNT, os ferros fundidos são designados pelas letras FC, indicativas

de “ferro fundido cinzento”, seguindo-se dois algarismos representativos do limite

mínimo de resistência à tração.

As classes FC-10 e FC-15 correspondem aos ferros fundidos cinzentos

comuns, com excelente fundibilidade e melhor usinabilidade. A classe FC-15 é

utilizada, entre outras aplicações, em bases de máquinas, carcaças metálicas e

aplicações semelhantes.

As classes FC-20 e FC-25, também de boas fundibilidade e usinabilidade,

apresentam melhor resistência mecânica e apresentam melhor resistência mecânica e

se aplicam principalmente em elementos estruturais, tais como barramentos,

cabeçotes e mesas de máquinas operatrizes.

As classes FC-30 e FC-35, com maiores durezas e resistência mecânica,

aplicam-se em engrenagens, pequenos virabrequins, bases pesadas de máquinas,

colunas de maquinas, buchas e grandes blocos de motor.

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A classe FC-40 é a classe de uso comercial que possui a maior resistência

mecânica, apresentando, para essa finalidade, combinação dos elementos de liga,

entre eles, níquel, cromo e molibdênio. Como possui elevada ao coquilhamento, sua

utilização é limitada a peças de espessuras médias e grossas.

Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, de acordo com a EB-126

da ABNT

A ASTM agrupa os ferros fundidos cinzentos em sete tipos, de composição

química indicada na tabela abaixo.

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Classes de ferro fundido cinzento segundo a ASTM

Os números de 20 a 60, das classes ASTM, correspondem aos limites de

resistência à tração, em lb/pol etc.; portanto, em medidas métricas, essas classes

apresentam, em media, os seguintes valores aproximados para limite de resistência à

tração:

Classe 20 – 14,0 kgf/mm² (140 MPa)







A composição química de cada classe esta indicada em faixas amplas, com

valores que se sobrepões: os teores mais altos de carbono e silício correspondem aos

menores diâmetros dos corpos de prova, o que significa que, à medida que a

espessura das peças aumenta, os teores de carbono e silício decrescem.

De acordo com os diâmetros dos corpos de prova, as propriedades mecânicas

dessas classes variam de acordo com a tabela abaixo.

21

Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, segundo a ASTM

22

Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, segundo a ASTM

(Continuação).

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3-PROPRIEDADES DOS FERROS FUNDIDOS

CINZENTOS

As propriedades desses materiais dependem dos seguintes fatores:

Microestrutura

Composição química

Secção do material

Na microestrutura a presença de carbono livre ou grafita é o fator micro

estrutural predominante, porque maior sua quantidade, mais mole e menos resistente

será o material. Além disso, a forma da grafita, a dimensão dos veios e a sua

distribuição afetam igualmente as propriedades.

Por outro lado, a matriz metálica dos ferros fundidos cinzentos contém ferrita e

perlita; se a ferrita predominar, a usinabilidade do material é melhor, mas sua

resistência mecânica e sua resistência ao desgaste são prejudicadas. Se a perlita for o

constituinte predominante na matriz metálica, os ferros fundidos cinzentos

correspondentes apresentarão melhor resistência mecânica. Uma matriz metálica

contendo ferrita e perlita em proporções praticamente idênticas proporcionará ao

material dureza e resistência mecânica intermediaria.

A introdução de elementos de liga e ou a aplicação de tratamentos térmicos

modificam a microestrutura da matriz metálica, podendo dar origem a perlita fina ou a

uma matriz acicular, típica da martensita, afetando, é claro, de modo positivo as

propriedades mecânicas.

No que diz respeito à composição química, os elementos básicos que influem

nas propriedades mecânicas são o carbono e o silício e, em menor extensão, o

fósforo. Desses três elementos, o silício é o mais importante, pois como se viu, é ele o

principal responsável pela formação de grafita. O silício melhora ainda a resistência a

corrosão e à oxidação a temperaturas elevadas do material.

O efeito simultâneo do carbono, silício e fósforo é representado por uma

fórmula já apresentada, a qual define o “carbono equivalente”.

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Carbono Equivalente, %

Relação típica entre carbono equivalente e a resistência à tração de barra de 30

mm de diâmetro de ferro fundido cinzento.

O gráfico acima é a relação típica entre carbono equivalente e a resistência à

tração de barra de 30 mm de diâmetro de ferro fundido cinzento.

Essa equação indica que, na base de porcentagem em peso, os teores de

silício e fósforo de ferro fundido cinzento afetam as propriedades mecânicas, do

mesmo modo que seu carbono total, porém, somente de um terço.

O fósforo deve ser mantido o mais baixo possível, dentro dessas

características dessas ligas.

O enxofre deve ser controlado de modo a evitar-se a formação de FeS. Como

no caso dos aços, esse controle é feito pela adição de manganês em quantidade

suficiente para promover a formação de MnS, em vez de FeS. Para isso, o teor de Mn

deve ser geralmente, 1,7 vezes o teor de S, mais 0,12 Mn.

25

EE

Espessura da secção, em mm

Efeito do carbono equivalente na resistência à tração do ferro fundido

cinzento em função da espessura da secção.

Dureza Brinell

Relações entre resistência à tração e dureza para ferro fundido cinzento,

ferro maleável, ferro nodular e aço.

26

A adição de elementos de liga será considerada mais adiante.

A secção das peças é outro fator significativo a influenciar as propriedades

mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Isso devido ao efeito da velocidade de

resfriamento, a qual, se lenta, proporciona maior quantidade de carbono livre ou grafita

e, se rápida, pode levar a formação de ferro fundido branco ou mesclado, com

apreciáveis variações nas propriedades mecânicas, principalmente dureza e

resistência ao desgaste. Assim em peças com secções muito espessas fundidas em

moldes de areia, por exemplo, há tendência de formar-se muita grafita e peças

fundidas de secções mais finas, mesmo se fundidas em moldes de areia, podem

apresentar menos grafita, cuja identidade diminui ainda mais se os moldes forem

metálicos. Finalmente, peças fundidas de secções variadas podem apresentar

diferenças na quantidade de grafita e nas dimensões dos seus veios, ficando afetada

igualmente a matriz metálica a qual pode apresentar durezas diferentes nas áreas

entre as secções finas e as secções espessas.

Em resumo, devido ao efeito dimensional, as propriedades mecânicas – a

resistência à tração em partícula – de uma peça de ferro fundido cinzento de análise

determinada dependerá do tipo de material do molde e das dimensões das secções.

O conceito de carbono equivalente também pode ser aplicado na variação

demensional. Os gráficos acima relacionam a espessura da secção e a resistência à

tração com o carbono equivalente, podendo-se notar que os ferros fundidos cinzentos

com baixo carbono equivalente são menos sensíveis a variações dimensionais que os

de carbono equivalente mais elevado.

A tabela da ABNT já mostrada indica o efeito da secção sobre os valores de

limite de resistência à tração, dureza e resistência à flexão estática.

A tabela abaixo representa as propriedades mecânicas dos ferros fundidos

cinzentos de acordo com a norma DIN (*).

(*) Os valores de resistência à tração apresentados correspondem a corpos de

prova de 30 mm de diâmetro ou secção de peça de aproximadamente 15 mm.

Para secções menores, a resistência à tração é maior, devido à maior

quantidade de perlita presente. Para secções maiores, devido à maior

quantidade de ferrita presente, a resistência a dureza são menores. Como os

ferros fundidos cinzentos são materiais muito pouco dúcteis, o alongamento é

27

insignificante, geralmente menor que 1% e essa característica não é

determinada.

Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, segundo a norma

DIN.

Como se pode observar pelo exame das tabelas acima relativas às normas

brasileiras, em principio as propriedades fundamentais dos ferros fundidos cinzentos

são a resistência à tração, resistência à compressão e dureza.

A resistência à tração é a mais é a mais importante, e o próprio agrupamento

dos ferros fundidos em classes por diversas normas é feito com base nos valores de

limite de resistência à compressão e dureza.

A dureza varia, nos ferros fundidos em geral, desde valores correspondentes a

100 Brinell para ferros fundidos cinzentos ou de grande usinabilidade até 600 Brinell

para ferros fundidos coquilhados. A interpretação das determinações de dureza pode

levar a julgamento errôneo sobre a qualidade do material, em face da presença de

grande quantidade de grafita que se esmaga com facilidade. Para ferros fundidos com

dureza Brinell até500 recomenda-se o uso do processo Brinell com esfera de 10 mm e

carga de 3000 kg; quando a dureza é superior a 500, recomenda-se o método

Rockwell, escala C.

Como no caso dos aços, seria muito útil estabelecer-se uma relação entre a

dureza e a resistência à tração dos ferros fundidos, visto que os ensaios de dureza e a

28

resistência à tração dos ferros fundidos, visto que os ensaios de dureza são mais

fáceis e rápidos, alem de não serem destrutivos. Contudo, devido às variações de

quantidade e forma dos veios de grafita, essa relação apresenta-se numa faixa muito

extensa. MACKENZIE estabeleceu razões entre dureza e resistência à tração para

ferro fundido cinzento. As relações para ferro dúctil, ferro maleável e aço também

estão indicados. Enquanto o aço apresenta uma relação fixa de resistência à tração

para dureza Brinell de aproximadamente 500 para 1 e os ferros dúcteis e maleáveis de

aproximadamente 400 para 1, os ferros fundidos cinzentos mostram uma considerável

variação, alem de exibir amplos limites.

O módulo de elasticidade dos ferros fundidos não é uma constante, o que

esses materiais não obedecem à lei de Hooke – proporcionalidade ente tensão e

deformação. Determina-se esse valor arbitrariamente, como sendo a inclinação da

linha que une o ponto de origem da curva tensão-deformação e o ponto

correspondente a ¼ do limite de resistência à tração. O módulo de elasticidade dos

ferros fundidos, assim determinado, varia de 7.500 a 15.500kgf/mm² (73.575 a

152.055 MPa), dependendo pois, do limite de resistência à tração do material e do

volume, forma a distribuição da grafita.

Outra propriedade que se costuma controlar é a resistência à ruptura

transversal. No ensaio correspondente, os dados obtidos são a carga no centro em kgf

e a flecha correspondente no centro em mm. Geralmente, o valor dessa propriedade

aumenta à medida que aumenta a resistência à tração, ao passo que a flecha diminui,

sem que haja correlação exata entre essas duas propriedades.

A resistência à compressão é considerada de importância comercial. O valor da

resistência à compressão é de 3 a 4,5 vezes superior ao da resistência à tração. Varia,

nos ferros cinzentos, cerca de 50 kgf/mm² (490 MPs) para cerca de 140 kgf/mm² (1380

MPa).

O limite de fadiga varia aparentemente de modo linear, em relação à

resistência à tração, na proporção de 0,40 a 0,45. Assim, os ferros fundidos cinzentos

comuns apresentarão limites de fadiga entre cerca de 6 kgf/mm² (60 MPa) para cerca

de 17,5 kgf/mm² (175 MPa), adotado, nesses casos, o ensaio de fadiga

correspondente a tensões de dobramento em ciclos totalmente reversíveis.

29

As propriedades de resistência á tração e limite de fadiga, num ensaio

realizado num ferro fundido cinzento ligeiramente ligado. Verifica-se a queda abrupta

da propriedade a partir da temperatura de aproximadamente 420ºC.

Essa queda é particularmente importante quando se considerar que muitas

peças de ferro fundido tem aplicações importantes em condições de tensões cíclicas e

temperaturas elevadas.

A resistência ao choque foi considerada, durante muito tempo, uma

propriedade secundária, por ser o ferro fundido cinzento comum um material frágil. Os

tipos mais modernos, entretanto, mostram valores relativamente altos para essa

propriedade. Assim é que ferros fundidos convenientemente ligados (com Ni e Mo, por

exemplo, em baixos teores), apresentando valores para limite de resistência à tração

da ordem de 40 a 50 kgf/mm² (390 a 490 MPa) podem mostrar resistência ao choque

variando de 7 kgf a 14 kgfm (68,7 a 137,3 J).

Ma propriedade típica dos ferros fundidos cinzentos é sua capacidade de

amortecimento. Define-se “capacidade de amortecimento” como “habilidade de um

metal absorver vibrações, resultantes de tensões cíclicas, por fricção interna,

transformando a energia mecânica em calor”. O ensaio usual, devido a Foeppl-Pertz

conduz a gráficos, como os representados na figura abaixo, os quais mostram a

duração relativa a um impulso vibratório torcional conferido a corpos de prova de ferro

fundido e de aço. A importância dessa propriedade reside no fato de que esse material

tem grande aplicação em máquinas-ferramentas, sobretudo nas suas bases. A maior

capacidade de amortecimento do ferro fundido, em relação ao aço, é atribuída aos

veios de grafita, os quais, por não apresentarem resistência mecânica, constituem

arspécies de vazios na estrutura do material, o que permite deformação plástica do

material localizado ao redor dos veios, sob tensões nominais menores que em outros

casos.

30

Capacidade de amortecimento do ferro fundido em comparação com a do aço.

Aplicações dos ferros fundidos cinzentos, segundo as classes ASTM.

31

Outra propriedade característica do ferro fundido cinzento é a usinabilidade. Os

ferros fundidos cinzentos mais comumente produzidos apresentam uma estrutura em

que a matriz é ferritica ou ferrítico-pelítica. Além da influência evidente dos veios de

grafita – quantidade, distribuição e tamanho – a própria matriz ou a porcentagem

relativa de ferrita e perlita presentes é fator importante na usinabilidade do material

A resistência ao desgaste do ferro fundido cinzento é igualmente considerada

uma característica importante, o que é, aliás, comprovado na prática pelo seu

emprego usual em peças móveis de máquinas. Um dos fatores favoráveis ao

comportamento do ferro fundido cinzento quanto á resistência ao desgaste é a alta

32

usinabilidade do material. Assim, as peças correspondentes podem ser produzidas

economicamente dentro de rigorosas tolerâncias dimensionais, o que contribuiu para

diminuir o atrito entre partes e diminuir a ação de desgaste. O fator principal,

entretanto, esta relacionada com a presença de grafita livre, que atende a adicionar ao

material característico lubrificantes, contribuindo igualmente para diminuir o atrito entre

as partes em contato e evitar o fenômeno de engripamento, o qual, por sua vez, pode

levar à possibilidade de, pelo calor desenvolvido, ocorrer uma soldagem localizada,

com conseqüente arrancamento de pelo calor desenvolvido, ocorrer uma soldagem

localizada, com conseqüente arrancamento de partículas, tornando novamente à

superfície áspera.

Composição básica e propriedade mecânica de ferro fundido para veículos

automotores.

Aparentemente, a melhor estrutura para o ferro fundido cinzento, sob o ponto de vista

de resistência ao desgaste, e a matriz 100% perlitica e grafita do tipo A, ou seja, veios

irregulares e desorientados. O pior ferro fundido seria o que apresenta matriz ferritica

associada com grafita dentrítica, tipo D ou E.

33

4-APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO CINZENTO

Algumas das aplicações mais importantes dos ferros fundidos cinzentos estão

relacionadas nas tabelas abaixo.

Os característicos dos ferros fundidos cinzentos tornam esses materiais de

grande importância para a indústria automobilística. Por essa razão, a SAE, por

intermédio da especificação J431, elaborou uma classificação desses materiais,

conforme a Tabela mostra.

As suas principais aplicações são:

- Classe G 1800 – peças fundidas miscelâneas (no estado fundido ou

recozido), onde a resistência mecânica não é um fator primordial.

- Classe G 2500 – pequenos blocos de cilindro, cabeçotes de cilindro, cilindros

resfriados a ar, pistões discos de embreagem, carcaças de bombas de óleo, caixas de

transmissão, caixas de engrenagens, também de freio para serviço leve; também para

tambores de freios e discos de embreagem para serviços moderado onde o alto teor

de carbono minimiza p efeito desfavorável do calor;

- Classe G 3000 – blocos de cilindro de automóveis e motores Diesel,

cabeçotes de cilindro, volantes, pistões, tambores de freio e caixas de transmissão de

tratores para serviço médico;

- Classe G 3500 - blocos de motores Dieseis, blocos e cabeças de cilindro de

caminhões e tratores, volantes pesados, caixas de transmissão de tratores, caixa de

engrenagens pesadas; também para tambores de freio e discos de embreagem para

serviços pesado, onde se exige alta resistência mecânica e à fadiga térmica;

- Classe G 4000 – peças fundidas para motores Dieseis, camisas de cilindro,

cilindros, pistões e eixos de comando de válvulas.

5-ELEMENTOS DE LIGA NOS FERROS FUNDIDOS

CINZENTOS. FERROS FUNDIDOS LIGADOS.

34

EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA

Embora seja hoje possível produzir ferros fundidos cinzentos de alta qualidade

sem a adição de elementos de liga, apenas com um controle rigoroso do carbono

combinado e dos teores de silício e manganês e mais da técnica de fabricação, a

adição de elementos de liga vem se tornando uma prática usual, por permitir não só

obter maiores resistências com o carbono equivalente mais elevado, como também

porque as estruturas resultantes são menos sensíveis à variação da espessura das

peças.

Nos ferros fundidos, os elementos de liga têm dois efeitos:

- tendem a decompor a cementina, ou seja, são elementos grafitizantes; silício,

alumínio, níquel, cobre e titânio;

- tendem a estabilizar os carbonetos, ou seja, retardam a formação da grafita;

manganês, cromo, molibdênio e vanádio, entre outros. Estes elementos devem, pois,

ser evitados, em peças de paredes finas.

Todos os elementos de liga tendem a aumentar a resistência à tração e a

dureza, sendo os mais eficientes, nesse sentido, o vanádio, o molibdênio e o cromo.

Tomando como base um ferro cinzento de composição 3,20% Ct;1,0%Cc, 1,5%

Si, 0,7% Mn, 0,4% P, 0,5% S, 1% de molibdênio eleva o limite de resistência à tração

de aproximadamente 26 kgf/mm² (260 MPa) para aproximadamente 32 kgf/mm² (310

MPa). Normalmente, o molibdênio é adicionado em teores de 0,20% a 0,80%. Refina a

perlita que favorece a obtenção de baianita. Alem do efeito na matriz, o molibdênio

exerce influência na grafita, que tende a “nodulizar”. Finalmente aumenta a

temperabilidade do ferro fundido e melhora as propriedades mecânicas a temperaturas

elevadas. Raramente, é usado isoladamente.

35

Resistência à tração de ferro fundido cinzento de vários teores de carbono, para

porcentagem crescente de cobre.

O cromo é o vanádio aumentam inicialmente a resistência à tração, verificando-

se, em seguida, entre 0,5% e 1,0% uma queda dessa propriedade, devido ao excesso

de carbonetos livres que tendem a aparecer. A dureza, entretanto, continua

aumentando.

O cromo é geralmente adicionado, quando isolado, até cerca de 0,30%. Acima

desse teor, deve ser conjugado um elemento grafitizante, sobretudo em peças de

secções finas, com cantos vivos.

36

O cromo e o vanádio tornam a estrutura de matriz o ferro fundido cinzento mais

perlítica e mais fina.

O cromo e o molibdênio tornam a resistência a ruptura transversal. O níquel

também, principalmente em ferros fundidos cinzentos com teor de carbono inferior a

3,0%.

O titânio, em teores de 0,80% a 0,25% de titânio residual, aumenta a

resistência à ruptura transversal, sobretudo em ferros fundidos com teor de carbono

inferior a 3,4%. Do mesmo modo atua o vanádio, que, em teores de 0,10% a 0,20%,

em secções de aproximadamente 75mm de diâmetro, aumenta a resistência à ruptura

transversal de cerca de 50%.

O níquel, cujo efeito em relação a ruptura transversal já foi mencionado, é um

elemento grafitizante; as quantidades mais comumentes adicionadas situam-se entre

0,5% e 1,5%, para contrabalançar o efeito estabilizador de elementos como o cromo,

molibdênio e vanádio; por essa razão, é raramente adicionado insoladamente.

O cobre – outro elemento grafitizante – é adicionado usualmente em teores de

0,5% a 2,0%. A figura mostra a resistência à tração do ferro fundido cinzento, em

barras de 10mm de diâmetro de vários teores de carbono, em função do teor de cobre.

Verifica-se que, acima de 3,0% de cobre, que corresponde aparentemente ao limite de

solubilidade do cobre, a resistência cai. Quando o cobre é adicionado isoladamente,

recomenda-se reduzir o teor de silício de uma quantidade correspondente a 0,25%

para 1,0% de cobre adicionado. O cobre melhora a usinabilidade do material e sua

resistência à corrosão, principalmente em meios contendo enxofre. Pode ainda ser

utilizado conjuntamente com o cromo ou molibdênio ou cromo – molibdênio.

Finalmente o estanho tem sido usado ate teores de 0,10/0,15% como elemento

estabilizador da perlita. Seu efeito é mais notado em ferros fundidos de alto teor de

carbono, acima do eutético. Diminui, entretanto, a resistência ao choque, motivo pelo

qual se deve procurar manter seu teor abaixo de 0,10%.

Em trabalho relativamente recente, C. Penteado de Castro, L. M. Chaves filho e

A. Pieske estudaram os efeitos do nióbio em ferro fundido cinzento, chegando às

seguintes conclusões principais: A profundidade de coquilhamento foi reduzida; a

tendência à eliminação de grafita de superesfriamento, à redução de grafita em geral e

ao decréscimo da porcentagem de ferrita em ferros fundidos não inoculados; os

37

carbonetos (ou carboneto de nióbio) situam-se, em geral, preferêncialmente nas

dendritas de austenita; finalmente com a adição de teores de nióbio até ou acima de

0,3%, observa-se uma tendência à elevação das propriedades mecânicas.

Normalmente, a adição de elementos de liga nos ferros fundidos cinzentos de

baixo teor em liga é feita pela combinação de vários elementos, sendo as

combinações clássicas Cr-Ni, Cr–Ni–Mo, Cr–Cu, Cr–Cu–Mo, Cu–Mo e Ni–Mo.

FERROS FUNDIDOS CINZENTOS DE BAIXO TEOR EM LIGA

.

Os tipos 1 e 2 são utilizados quando se deseja elevada resistência ao

desgaste, em grandes secções o tipo 3, quando se deseja elevada resistência ao

desgaste em geral. Os tipos 4, 5, 6 e 7 são utilizados em peças para máquinas

operatrizes, bombas e motores de combustão interna. Apresentam elevada resistência

ao desgaste e boa usinabilidade nas partes menos espessas.

Os tipos 8, 9 e 10 são utilizados em peças de secções media e fina,

apresentando alta resistência à tração e elevada resistência ao desgaste. Podem ser

tratados por têmpera superficial e por martêmpera.

Os tipos 11 e 12 são empregados em virabrequins, eixos de comendo de

válvulas e em engrenagens, caracterizados por alta resistência à tração e ao

desgaste.

38

Ferro fundido cinzento de baixo teor de liga.

39

FERROS FUNDIDOS DE ALTO TEOR DE LIGA

Do mesmo que nos aços, a adição de elementos de liga em teores elevados

nos ferros fundidos tem por objetivo conferir-lhe propriedades especiais, como

resistência à corrosão, resistência ao calor, etc., característicos esses que são apenas

ligeiramente melhorados com baixos teores de alguns elementos de liga.

Entre os ferros fundidos especiais, os resistentes à corrosão constituem um

dos grupos mais importantes.

Como se sabe, a corrosão dos metais, na presença de soluções contendo

oxigênio, é um processo eletroquímico. O resultado da corrosão é a “ferrugem”.

Quando se trata de ferro de alta pureza, com superfície extremamente uniforme, a

presença de quantidade suficiente de oxigênio, origina oxido de ferro hidratado que é a

forma menos solúvel de oxido de ferro. Se no ponto de ataque, ocorrer forte aderência

da ferrugem, por ausência de movimento, por exemplo, é possível que o ataque cesse.

No entanto, normalmente ha muitos pontos na superfície da peça onde o

comportamento é diferente. Essa diferença de comportamento pode ocorrer no meio

circunvizinho. Como este é, em geral, condutor de eletricidade ou “eletrólito”, cria-se

uma diferença de potencial entre os vários pontos de comportamentos diferentes;

resultam células galvânicas, entre anodos locais e catodos na superfície do metal,

provocando a continuidade da corrosão.

No ferro fundido cinzento, admite-se que a grafita seja um fator determinante

no progresso e distribuição da corrosão. A grafita insolúvel na maioria dos meios

corrosivos; entretanto, em certos meios, com determinados ácidos fortes, o ataque da

matriz é acelerado pela célula galvânica criada entre a grafita e o ferro, desde que a

estrutura do ferro fundido e a distribuição das partículas sejam tais que permitam a

infiltração dos constituintes corrosivos no corpo do material. A melhor prática para

evitar esse fenômeno consiste na produção de uma matriz austenitica, mediante a

introdução de quantidades suficientes de nitro ou níquel e cobre. A matriz austenitica

resultante é mais existente ao ataque químico e menos ativa na sua reação galvânica

com a grafita.

O cromo é outro elemento muito eficiente sobre o ponto de vista de conferir,

resistência à corrosão aos ferros cinzentos. Em teores de 20 a 35%, apresenta bons

40

resultados na presença de ácidos oxidantes, sobretudo nítricos, numerosas soluções

salinas, soluções orgânicas acidas e para exposição à atmosfera.

Do mesmo modo, o silício, adicionado em teores de 14,5% ou mais confere aos

ferros fundidos elevada resistência ao acido sulfúrico fervente a 30% de concentração;

16,5% de Si, os ferros fundidos apresentam boa resistência à corrosão na presença de

ácidos nítrica e sulfúrica fervente, de praticamente todas as concentrações.

Esses elementos, Si, Cr, Ni e Cu, originam os chamados ferros fundidos

resistentes à corrosão, cujos tipos mais importantes, com as respectivas propriedades

estão representados na tabela acima.

Os tipos de alto silício – entre os quais o Duriron – aproxima-se mais dos aços

do que dos ferros fundidos.

Esses materiais são considerados os melhores, em relação ao custo.

Empregam-se em indústrias químicas, na presenças de meios medianamente

corrosivos. Acima de 14,2% de silício, a resistência a corrosão em ácido sulfúrico em

ebulição é muito grande. Com adição de cromo e molibdênio e silício em torno de

17%, apresenta boa resistência a corrosão pela ação do acido clorídrico resistem

igualmente a soluções de ácidos orgânicos a quais quer concentrações e

temperaturas.

As propriedades mecânicas não são boas: são ligas duras e quebradiças:

difíceis de fundir e de usinabilidade praticamente nula. Esses materiais são usados em

tubos de drenagem de indústrias químicas, laboratórios, hospitais etc.

Na indústria de fertilizantes e de explosivos, utilizam-se esses materiais para

torres, tubos e dispositivos para concentração de ácido sulfúrico e nítrico. Empregam-

se ainda em bombas, válvulas, bocais, para descarga de tanques etc., de

equipamentos para manuseio de substâncias corrosivas como ácido crômico, lamas e

outras substâncias corrosivas típicas de fábricas de papel e celulose, pigmentos, etc.

Os materiais de alto teor de cromo, entre 20 e 35%, apresentam boa

resistência à ação de ácidos oxidantes, como o nítrico, mas não resistem à ação de

ácidos redutores. Suas aplicações podem ser feitas em ácidos fracos, sob condições

oxidantes, em soluções salinas, em soluções ácidas orgânicas e atmosferas marítimas

e industriais.

41

A aplicação desses materiais é em conseqüência, feita nos seguintes

casos: as composições de alto cromo e baixo carbono, em potes de recozimento,

potes de fusão de chumbo, zinco ou alumínio e outras peças expostas e elevadas

temperaturas. Nos teores mais elevados de cromo, na indústria de papel onde haja

licores de branqueamento de hipocloretos, sulfato de alumínio (até 5% de

concentração), ácidos fosfóricos (em concentrações até 60%, a temperaturas até a de

ebulição e até 85% a temperaturas até 80ºC), etc.

Apresentam, finalmente, melhores propriedades mecânicas que as de alto

silício. Também é resistente ao choque a podem ser usinados.

Os tipos de alto níquel constituem os conhecidos ferros fundidos austeníticos

denominados “Ni-Resist”, caracterizados por sua elevada resistência à corrosão. Suas

propriedades e empregos são função das suas varias composições segundo as quais

são produzidos. A tabela acima indica algumas das composições usuais. Os tipos

mostrados correspondem à especificação ASTM A 436.

Os tipos 1 e 2 são intercambiáveis em muitas aplicações para resistência à

corrosão e ao desgaste, sobretudo em serviço crítico de desgaste metal com metal. O

tipo 1 apresenta algumas vantagens no manuseio de água salgada e ácidos minerais

corrosivos.

42

O tipo 1b é mais resistente e mais duro possui melhor resistência à corrosão –

erosão.

O tipo 2 é o mais comumente empregado, devido sua boa resistência em

ambientes corrosivos. Além disso, é preferido em aplicações de vapor quando se

deseja resistência ao calor e à oxidação até cerca de 700ºC. É ainda empregado no

manuseio de soluções cáustica, alcalinas, e de amônia, produtos alimentares, rayon,

plásticos e em ambientes similares onde deve ser evitada a contaminação pelo cobre.

O tipo 2b é especialmente recomendado para aplicações a temperaturas até

cerca de 815ºC. As aplicações incluem peças de turbinas, tubos de exaustão e turbo

alimentadores.

O tipo 3 é recomendado para serviço onde possa ocorrer apreciável choque

entre a temperatura ambiental e 230ºC. A temperatura entre 230ºC e 815ºC, sem

choque térmico, Esse tipo é empregado em aplicações tais como tubo de exaustão

diesel e turbo alimentadores.

O tipo 4 é recomendado onde se exige resistência a marchas. Por outro lado,

esse tipo é superior aos outros tipos de NI-Resist no que se refere à resistência à

erosão, corrosão e oxidação.

O tipo 5 possui mínima expansividade térmica o que fornece estabilidade

dimensional para componentes de maquinas operatrizes, matrizes de conformação,

turbinas a vapor, instrumentos científicos e juntas de expansão.

De um modo geral, a usinabilidade dos Ni-Resist é boa.

Outro grupo de ferros fundidos cinzentos especiais compreende os ferros

fundidos resistentes ao calor.

O que se procura nessas ligas é resistência ao crescimento pelo calor,

resistência à oxidação a altas temperaturas, resistência ao choque térmico, resistência

á fluência e limite de fadiga adequado a altas temperaturas.

43

O “crescimento” corresponde ao permanente aumento de volume que ocorre

no ferro fundido quando exposto longamente a temperaturas elevadas ou a ciclos

repetidos de aquecimento e esfriamento. Esse fenômeno resulta da expansão pela

grafitização, expansão e contração a temperaturas de transformação e oxidação

interna do ferro. Por outro lado, os gases podem se introduzir na superfície dos ferros

fundidos a altas temperaturas nos locais correspondentes aos veios de grafita e oxida

La, assim como o ferro e o silício.

O silício que em teores até cerca de 3,5% aumenta a velocidade de

crescimento, devido sua tendência de grafitização, acima de 4% retarda o fenômeno.

O cromo que é elemento estabilizador de carbonetos retarda a tendência ao

crescimento do ferro fundido, quando utilizado a temperaturas de 455ºC ou superiores.

O silício e o cromo aumentam ainda a resistência à formação de casca de

óxido, pois formam uma camada superficial fina de óxido, a qual é impermeável às

atmosferas oxidantes.

O níquel atua, sobretudo no sentido de melhorar a resistência e a tenacidade a

temperaturas elevadas. O molibdênio atua do mesmo modo.

Usam-se também adições de alumínio que reduzem o crescimento e a

tendência à formação de casca de óxido. Esse elemento, entretanto, afeta

negativamente as propriedades mecânicas do material à temperatura ambiental.

A tabela a seguir mostra algumas composições e propriedades mecânicas de

ferros fundidos resistentes ao calor.

44

As ligas de médio silício apresentam boa resistência à formação de casca de

óxido e ao crescimento. Como o silício aumenta também a temperatura de

transformação para cerca de 900ºC, a faixa de temperatura dessas ligas é igualmente

elevada. São um tanto frágeis.

As ligas de alto cromo são largamente usadas devido à ação estabilizadora de

carbonetos, que impede o crescimento e porque apresentam a tendência de formar

um óxido superficial protetor. Por isso, podem ser empregadas em temperaturas de

ordem de 1000ºC e mesmo 1100ºC sob condições atmosféricas e na presença de

alguns reagentes químicos.

As de alto níquel são do tipo austenítico, conhecidas como Ni-Resist, já

comentadas. Apresentam boa resistência à formação de casca de óxido e crescimento

até temperaturas de 815ºC na maioria das atmosferas oxidantes e bom

comportamento sob a ação do vapor, até cerca de 530ºC.

45

Os ferros fundidos ao Ni-Cr-Si podem ser usados até temperaturas da ordem

de 950ºC. Tanto os de alto níquel como os ao Ni-Cr-Si, tem excelente tenacidade e

elevada resistência ao choque, como se pode verificar pela tabela acima.

Finalmente, os ferros fundidos ao alumínio, apesar de sua boa resistência à

tendência de formação de casca de óxido, têm pequeno uso comercial, devido sua

fragilidade e dificuldade na sua fusão.

Um importante grupo de ferros fundidos ligados constitui a classe dos

“Ni-Hard”. Os ferros fundidos dessa classe se caracterizam por extraordinária

resistência à abrasão, de modo são grandemente aplicados nas indústrias de

mineração, energia, cimento, cerâmica, dragagem, carvão/coque etc. O Ni-Hard é um

ferro fundido branco ligado.

Peças típicas fabricadas de Ni-Hard para as indústrias acima mencionadas

compreendem: moinhos de bola, e revestimento de moinho de bola, cabeçotes de

rolos de moinho, anéis de pulverizadores, componentes de bombas para vários tipos

de argamassas, tubos e cotovelos, cilindros para conformação de metais e etc.

A microestrutura do Ni-Hard é semelhante à do aço temperado, contendo

ainda uma quantidade de carbonetos finos que contribuem de modo apreciado para

sua resistência à abrasão.

A composição química e as propriedades dos principais tipos de Ni-Hard estão

indicados na tabela abaixo.

O tipo 4 caracteriza-se por reter dureza a temperatura acima do ambiente.

Assim sendo a dureza à temperatura ambiente em torno de 53 RC, a 149ºC mantêm

esse valor, de 53 RC a 260ºC, 48 RC a 370ºC e 40 RC e a 480ºC.

Devido a estrutura martensítica da matriz, as peças fundidas de Ni-Hard

devem, antes de ser colocadas em serviço, ser aquecidas em 200ºC em 315ºC, o que

constitui um revenido necessário para melhorar à resistência ao choque, sem qualquer

prejuízo da dureza à resistência à abrasão.

46

6-TRATAMENTO TÉRMICO DOS FERROS FUNDIDOS

CINZENTOS

Os ferros fundidos podem ser normalmente tratados termicamente com o

objetivo de melhorar suas propriedades. O comportamento desses materiais quando

submetidos a tais processos é, de um modo geral, idênticos ao que ocorre com os

aços, dos quais se distingue pela presença de carbono livre.

ALÍVIO DE TENSÕES OU ENVELHECIMENTO ARTIFICIAL

Pode-se ainda dizer que esse é o tratamento térmico mais utilizado em ferro

fundido cinzento. As peças de ferro fundido ao resfriar a partir do estado liquidam

ficam sujeitos a tensões internas devido a diferenças nas velocidades de resfriamento

em diversas secções e às mudanças estruturais com conseqüente aparecimento de

variações de volumes não uniformes.

O gráfico abaixo mostra a marcha dos fenômenos que podem ocorrer no

resfriamento do material:

AB – contração no estado líquido;

BC – contração na mudança do estado liquido para o sólido;

CD – contração da austenita lebeburita;

DE – expansão devida à grafitização;

EF – contração pela queda de temperatura;

FG – expansão devida à mudança da steadita ternária à forma binária;

GH – contração contínua pela queda da temperatura;

HI – expansão devida à transformação da fase gama a alfa e da austenita em

pérlita;

IJ – contração continuada, pelo resfriamento ate a temperatura ambiente.

47

Marcha dos fenômenos que ocorrem no resfriamento do ferro fundido.

48

As tensões assim originadas podem causar empenamento das peças ou

mesmo fissuras em suas rupturas. A intensidade dessas tensões, por outro lado,

depende da forma e das dimensões da peça e da própria composição do material.

As conseqüências mais graves dessas tensões podem ser atenuadas por um

projeto adequado das peças, técnica apropriada de fundição e seleção de composição

que represente um equilíbrio apropriado entre as propriedades de resistência e

contração.

Entretanto, na maioria dos casos, essas tensões internas devem ser aliviadas

ou eliminadas.

Durante muito tempo o meio utilizado para esse fim era deixar as peças de

ferros fundidos expostas ao tempo durante meses. Esse processo é freqüentemente

chamado de “envelhecimento natural”. Por meio de ensaios adequados, contudo

49

verificou-se que o máximo de alívio de tensões obtido por esse método era de 10%, o

que levou ao seu abandono e ao emprego do “envelhecimento artificial”.

Consiste no processo em aquecer as peças em uma temperatura geralmente inferior à

faixa de transformação da perlita em austenita, durante o tempo determinado.

Admite-se que a redução de tensões se deve ao abaixamento do limite elástico

do material, à medida que ele se aquece, ocorrendo de formação plástica, fluência o

movimento suficiente para aliviar praticamente todas as tensões internas.

Os mais importantes fatores no tratamento de tensões são, pois, a temperatura

e o tempo de permanência a essa temperatura. Como seria de se esperar, quanto

mais elevada a temperatura, maior a quantidade de tensões aliviadas, devendo-se

entretanto, evitar alterações na estrutura e propriedades do ferro fundido.

A abaixo mostra o efeito da temperatura sobre a quantidade de tensões

aliviadas. Verifica-se que, abaixo de 400ºC, o efeito é muito pequeno e que será

necessário aquecer-se o material acima de pelo menos 500ºC para resultados mais

positivos. De acordo com dados experimentais, o Maximo alivio de tensões, com

50

probabilidade mínima de modificações da estrutura pela decomposição do carbono

combinado, é obtido entre temperaturas de 500ºC a 555ºC.

A próxima figura indica o efeito do tempo combinado com a temperatura.

Aquecendo-se, por exemplo, entre 500ºC e 565ºC, basta manter o material nessa faixa

de temperaturas durante uma hora, para se obter cerca de 80% das tensões aliviadas.

Para ferros fundidos cinzentos de baixo teor em liga são necessárias maiores

temperaturas, da ordem de 560ºC a 600ºC, pois os elementos de liga usuais – Cr, Mo,

Ni e V – tendem a aumentar a resistência do ferro fundido à fluência, ou seja, a

deformação plástica necessária para reduzir ou eliminar as tensões internas.

Por outro lado, essas temperaturas elevadas, dos ferros fundidos ligados, não

são ainda suficientes para modificar a estrutura do material e promover um

amolecimento prematuro.

Em resumo, as temperaturas recomendadas para alívio de tensões são as

indicadas na tabela abaixo.

Efeito do tempo à temperatura no tratamento de alívio de tensões.

51

O resfriamento, após aquecimento para alívio de tensões, deve ser conduzido

com cuidado, pois um resfriamento rápido pode originar novas tensões internas.

Recomenda-se assim, que as peças sejam resfriadas no forno de aquecimento até a

temperatura atingir 290ºC, quando, então, podem ser resfriadas ao ar. Com peças de

forma complexa, é recomendável que o resfriamento no interior do forno seja feito até

a temperatura atingir 90ºC.

RECOZIMENTO

O objetivo principal do recozimento é melhorar a usinabilidade do ferro fundido

cinzento, para que ele deve ser aquecido a temperatura correspondente à zona crítica

para propiciar uma alteração da sua estrutura. A resistência mecânica e a dureza

diminuem ao mesmo tempo em que as tensões internas são totalmente aliviadas.

A figura abaixo mostra os ciclos de recozimento recomendados para ferro

fundido cinzentos. Mostra ainda, para fins comparativos, o ciclo de aquecimento

utilizado no alívio de tensões internas.

A curva de recozimento mais baixa (B) se aplica para os ferros fundidos

comuns ou com baixo teor de liga, quando se deseja apenas melhorar a usinabilidade,

o que se consegue pela conversão da perlíta em ferrita e grafita. A faixa de

temperatura recomendada situa-se entre 700ºC e 760ºC.

A curva média (B1), correspondente a uma faixa de temperaturas de

aquecimento entre 790°C e 900°C, é empregada para conseguir resultados mais

52

positivos sobre o ponto de vista de melhora da usinabilidade, sobre tudo em ferros

fundidos ligados.

Finalmente a curva mais elevada (C) é aplicada quando o material possui muito

carbono combinado na forma de cementina, como no casso do ferro fundido mesclado

ou branco. A faixa de temperatura recomendada, na presença de cementina maciça, é

de 900°C a 950°C, em tempos que variam de 1 a 3 horas, alem de mais 1 hora para

cada 2,5 cm de secção das peças.

Ciclos de recozimento recomendados para ferros fundidos cinzentos (curva B,

B1 e C).

53

A tabela abaixo resume as praticas recomendadas para recozimento dos ferros

fundidos.

NORMALIZAÇÃO

Esse tratamento é utilizado para melhorar as propriedades mecânicas do ferro

fundido, tais como resistência à tração e dureza ou com objetivo de restaurar as

propriedades do estado bruto de fusão, cuja estrutura tenha sido alterada por outro

processo de aquecimento, como por exemplo, grafitização ou pré-aquecimento ou

aquecimento posterior associados com soldagem de reparo. A faixa de temperaturas é

de 885°C a 925°C, acima, portanto da zona critica, devendo material ser mantido na

temperatura escolhida durante cerca de 25 minutos por cm de secção; segue-se

resfriamento ao ar tranqüilo.

É importante notar que a normalização é um processo de amolecimento para

ferros fundidos cinzentos sem elementos de liga e um processo de endurecimento

para ferros fundidos ligados, o que é demonstrado pela tabela 175.

TÊMPERA E REVENIDO

O objetivo desse tratamento é aumentar a resistência mecânica e a dureza, e

conseqüentemente, a resistência ao desgaste do ferro fundido cinzento. Está ultima

propriedade pode melhorar cerca de 5 vezes em relação a resistência ao desgaste do

ferro fundido cinzento perlítico

O aquecimento pode ser feito em fornos, em banhos de sal ou endurecimento

pode ser obtido por chama ou por indução. Nestes últimos casos – aquecimento por

chama ou por indução – o ferro fundido deve conter uma quantidade relativamente

grande de carbono combinado, devido ao tempo muito curto disponível para solução

do carbono na austenita.

54

Efeito do resfriamento do ar

55

A temperatura de aquecimento situa-se acima da zona crítica de modo que

ocorra formação de austenita e o tempo de permanência à temperatura depende da

composição do material, sendo necessário para que haja suficiente solução de

carbono.

Devido à influência do teor de carbono combinado e dos teores de silício e de

manganês quanto à endurecibilidade do ferro fundido, a temperatura e o tempo de

austenitização para a têmpera são muito importantes. Assim, por exemplo, como o

silício reduz a solubilidade do carbono na austenita, os ferros fundidos cinzentos de

silício mais elevado exigem temperaturas mais altas de austenitização para obter-se a

máxima endurecibilidade. O manganês aumenta a endurecibilidade, assim como

elementos de liga molibdênio, cromo e níquel, por outro lado, ferros fundidos cinzentos

comuns de baixo teor de carbono combinado devem ser austenitizados durante um

tempo relativamente longo.

De qualquer modo, a temperatura de aquecimento é determinada pela

temperatura de transformação de cada ferro fundido em particular e o tempo de

56

permanência à temperatura deve ser o suficiente para que ocorra aquecimento

uniforme através de toda a secção das peças, recomendando-se cerca de 10min. Por

centímetro da secção.

O resfriamento é levado a efeito geralmente em óleo, usando-se ar para ferros

fundidos cinzentos de elevado teor em liga. Recomenda-se, ainda, é devido ao fato

das peças de ferro fundido de temperadas serem muito sensíveis à fissuração, que

elas sejam removidas do meio de resfriamento, assim que a temperatura atingir

aproximadamente 150ºC e sejam imediatamente revenidas.

O revenido, levado a efeito logo após a têmpera, em temperaturas bem

inferiores às temperaturas de transformação, reduz a fragilidade, alivia as tensões,

diminui a dureza e melhora a resistência mecânica e a tenacidade, como a Fig. 234

mostra para um ferro fundido cinzento de baixo de silício, temperado em óleo a partir

de 870ºC.

A prática tem mostrado que a temperatura mais aconselhável de revenido, no

sentido de melhora das propriedades de resistência mecânica, varia de 370ºC á

600ºC, para ferros fundidos cinzentos sem elementos de liga ou ligados, sendo as

maiores utilizadas para estes últimos.

Apesar dos resultados positivos que se pode alcançar na têmpera e revenido

dos ferros fundidos, esses tratamentos não são ainda muito aplicados nesses

materiais. Devido as suas características estruturais e alto teor de carbono, os ferros

fundidos podem representar vários problemas durante a têmpera, porem, sua elevada

endurecibilidade, permite a utilização de meios brandos de resfriamento, o que atenua

algumas das dificuldades que podem surgir no resfriamento após a têmpera, como

empenamento ou fissuração.

Muitas peças de importante emprego industrial podem ter suas propriedades

mecânicas grandemente melhoradas pela têmpera revenido, de modo que o

engenheiro tem diante de si um campo extremamente promissor a ser conveniente

explorado e que poderá estender ainda mais a utilização desses materiais.

TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS

57

A curva TTT representada na figura abaixo demonstra que os ferros fundidos

podem ser submetidos a tratamentos isotérmicos como austêmpera e martêmpera, já

descritos no capitulo VI, referente a tratamentos térmicos dos aços.

As Figuras abaixo mostram esquematicamente ciclos de austêmpera e

martêmpera respectivamente.

Na austêmpera, a estrutura final é a bainita. O resfriamento é levado a efeito

em banho de sal, óleo ou chumbo, mantido entre 230ºC e 425ºC.

A martêmpera produz uma estrutura martencítica, sem resultar em tensões

elevadas como acontece com a têmpera usual; deve-se, contudo, proceder a um

revenido posterior. A martêmpera, por outro lado, permite obter uma dureza final maior

do que a da austêmpera; essa diferença é, entretanto, eventualmente diminuída,

devido ao revenido da martêmpera.

De qualquer modo, os tratamentos isotérmicos conferem às peças de ferros

fundidos cinzentos, maior tenacidade do que no caso da têmpera e revenido com a

mesma dureza.

Uma visão geral do resultado de tratamentos térmicos de têmpera normal e

têmpera aquente (austêmpera e martêmpera) pode ser apreciada na tabela 176. O

ferro fundido cinzento submetido aos diversos tratamentos apresentava as seguintes

composições: 2,48% Ct, 1,40% Si, 0,67% Mn, 0,11 P, 0,059% S, 1,68% Ni, 0,16% Cr,

0,46% Mo e 0,15% Cu.

58

Modificação das propriedades mecânicas dos ferros fundidos temperados.

ENDURECIMENTO SUPERFICIAL

Finalmente, o ferro fundido cinzento pode ser submetido ao processo de

endurecimento superficial, por chama ou por indução.

O endurecimento superficial produz uma camada externa martensítica dura e

de alta resistência ao desgaste e um núcleo, que no tratamento não atingiu a

temperatura de transformação, mais mole.

O processo se aplica tanto a ferros fundidos cinzentos comuns como ligados.

Há composições, contudo, que se prestam melhor ao processo. Assim, o carbono

combinado deve situar-se na faixa de 0,50% a 0,70%. Acima de 0,80% de carbono

combinado, o endurecimento superficial não é recomendado, pois o material pode

fissurar.

Após o endurecimento superficial, deve se proceder ao alívio de tensões,

mediante um aquecimento entre 150ºC e 205ºC, e o forno, em óleo quente ou

passando-se uma chama sobre a superfície endurecida.

Verificou-se que um aquecimento a 150ºC durante 7 horas removeu de 25% a

40% das tensões residuais, com redução a dureza superficial de apenas 2 a 5 pontos

na escala de dureza Rockwell A.

59

Curva CCC para ferro fundido cinzento.

O limite de fadiga geralmente aumenta pelo endurecimento superficial, devido

ao fato de ser introduzidas tensões de compreensão na superfície do material, o que

não se consegue mediante o endurecimento total das peças.

O resfriamento, após a explicação da chama, depende do método utilizado no

processo. Quando o aquecimento da superfície for agressivo, utilizam-se meios de

60

resfriamento não inflamáveis como água, misturas de óleos solúveis e soluções em

água de álcool polivinílico. Quando o aquecimento da superfície for por pontos ou

localizados, processos em que a chama é retirada antes do resfriamento, as peças

são resfriadas mergulhando-as em óleo.

Representação esquemática de um exemplo de um ciclo de austêmpera de ferro

fundido.

61

Representação esquemática de um exemplo de um ciclo de martêmpera de ferro

fundido.

62

FERROS FUNDIDOS BRANCOS.

1- INTRODUÇÃO

Nestes materiais, como já se mencionou praticamente todo o carbono se apresenta na forma combinada de carboneto de ferro Fe3C, mostrando uma superfície de fratura clara. Suas propriedades fundamentais, devido justamente a alta quantidade de cementina, são elevadas dureza e resistência ao desgaste. Em conseqüência, sua usinabilidade é prejudicada, ou seja, esses materiais são muito difíceis de usinar, mesmo com os melhores materiais de corte.

A composição química adequadamente ajustada, teores de carbono e silício, além da velocidade de resfriamento são os meios mais usados para produzir ferro fundido branco.

A produção industrial do ferro fundido branco exige, em principio, a combinação de dois fatores. Para isso, lança-se mão do chamado “sistema de coquilha” ou “coquilhamento“, que consiste em derramar o metal líquido em moldes metálicos, onde o metal resfria em condições tais ou com tal velocidade que praticamente toda a grafitização é eliminada e o carbono fica retido na forma combinada. A profundidade da camada coquilhada, ou seja, daquela secção das peças que entra em contato com a parede metálica do molde – pode ser controlada, ajustando-se o teor de silício do ferro fundido.

Entretanto, embora o teor de silício seja o fator predominante no controle da profundidade de coquilhamento, outros fatores de influência são os seguintes:

- temperatura de vazamento

- temperatura de “coquilha”, ou seja, do molde metálico

- espessura da peça na secção coquilhada

- espessura da coquilha

- tempo durante o qual o metal fica em contato com a coquilha.

Admitimos constantes esses fatores, será o teor se silício da liga ao fator principal a determinar a “profundidade de coquilhamento”, ou seja, a profundidade correspondente à formação de ferro fundido branco.

A quantidade de carbono total – soma de carbono combinado e carbono livre (grafita), ct=Cc+Cg – também atua de modo pronunciado, como é demonstrado pelo gráfico abaixo, a qual mostra, esquematicamente a estrutura de um ferro fundido coquilhado e seus característicos de dureza, a medida que ocorre afastamento da zona inteiramente coquilhada.

63

Aspecto esquemático da fratura de uma peça de ferro fundido coquilhado, mostrando o teor aproximado de carbono total, carbono combinado e carbono grafítico.

Na verdade, a figura permite verificar que, a partir de um determinado C, no caso 3,50%, as condições de resfriamento que ocorrem pela ação da coquilha produzem desde quase nenhuma decomposição da cementita ate uma apreciável formação de grafita. Quando se desejar reproduzir a zona de ferro mesclado, resultando assim numa redução mais abrupta da zona coquilhada para a zona cinzenta, usa-se a técnica de adicionar grafita na panela de fundição, pouco antes de vazar o metal no molde ou coquilha.

Por outro lado, a figura abaixo mostra o efeito do teor decarbono total na dureza da paca coquilhada. A curva apresentada é a media dos resultados obtidos por vários pesquisadores.

Finalmente, ainda quanto ao efeito do silício – elemento fundamental dos ferros fundidos – indica a relação entre a profundidade de coquilhamento e o teor de silício para ferros fundidos coquilhados cujo teor de carbono total varia de 3,25 a 3,60%.

Os outros elementos normalmente presentes nos ferros fundidos brancos ou coquilhado – manganês, fósforo e enxofre – tem os seguintes efeito:

- O manganês e o enxofre, considerados em conjunto, visto que suas ações se contrabalançam, são elementos estabilizadores do carboneto; o manganês, como se sabe, elimina os efeitos nocivos do enxofre, desde que seu teor seja duas vezes a do enxofre, mais 0,30%. Para atuar como estabilizador do carboneto é necessário que seu teor seja tal que o enxofre presente se combine totalmente com ele, do contrário, o seu efeito é oposto, ou seja, tenderá a diminuir a profundidade de coquilhamento. Alem desse teor o manganês atua, no sentido de aumentar a profundidade de coquilhamento, cerca de quatro vezes mais rapidamente que o cromo.

64

Quanto ao fósforo, sua ação é no sentido de diminuir a profundidade de coquilhamento, de modo que se costuma manter esse elemento nos ferros fundidos brancos abaixo de 0,4%.

2-EFEITO DOS ELEMENTOS DE LIGA

Os elementos níquel, cromo e molibdênio são geralmente usados, isolados ou em combinação, para aumentar a resistência ao desgaste. O cromo é utilizado em baixos teores, como o objetivo de controlar a profundidade de coquilhamento, garantindo a presença de uma estrutura sem grafita. Por exemplo, 0,01% de cromo neutraliza cerca de 0,015% de silício, servindo pois o cromo, em teores baixos, para corrigir pequenos erros de composição de ferro fundido. Em teores de 1 à 4%, aumenta a dureza e a resistência ao desgaste, porque estabiliza sementina e impede a formação de grafita. Em teores de 12 à 35% confere resistência a corrosão e a oxidação a altas temperaturas, alem de aumentar a resistência à abrasão.

Efeito do carbono total na dureza do ferro fundido coquilhado.

65

Relação entre o teor de silício e a profundidade de coquilhamento.

O níquel reduz a profundidade de coquilhamento, sendo a sua influência cerca de ¼ da do silício. Entretanto, ao atingir o teor de 4 a 5%, esse decréscimo da profundidade de coquilhamento é acompanhado por aumento de dureza, devido à natureza da estrutura que se origina. De fato, enquanto o ferro fundido branco comum, sem elementos de liga, apresentam uma estrutura que consiste de cementina numa matriz de perlita, o ferro branco com 4 a 5% de níquel apresentam uma estrutura martensítica, podendo a dureza escleroscópica atingir o valor de 90 ou cerca de 730 brinell. Aumentando mais o níquel, ocorre retenção da austenita e a dureza volta a diminuir. Geralmente o níquel é usado em combinação com o cromo, porque este elemento, estabilizando a cementina, neutraliza o efeito negativo do níquel na profundidade de coquilhamento. Com esse objetivo, a proporção desses elemento é de três partes de níquel para uma de cromo, ou mesmo duas partes de níquel para uma de cromo, de modo a garantir uma estrutura inteiramente branca, através de toda secção da peça.

O molibdênio tem um efeito equivalente a 1/3 do cromo no que diz respeito ao aumento da profundidade de coquilhamento. O objetivo inicial em se adicionar Mo em pequenos teores (0,25 a 0,75%) consiste em melhorar a resistência da superfície coquilhada a fenômenos de lascamento, corrosão localizada, trincamento pelo calor e efeitos semelhantes. Além disso, o Mo endurece e melhora a tenacidade da matriz perlítica e melhora, em conseqüência, a resistência à abrasão. Ferros fundidos

66

brancos com 12 a 18% de Cr, usados em peças fundidas resistentes ao desgaste, apresentam uma melhora dessa qualidade, quando se adiciona 1 a 4% de Mo, pois a matriz perlítica é suprimida, mesmo com o resfriamento lento característico de secções mais espessas.

O cobre, abaixo de 4%, diminui a profundidade de endurecimento, e alem de 4% aumenta a profundidade da coquilha e a dureza. É usado freqüente e conjuntamente com o cromo para manter uma profundidade de coquilhamento constante.

O vanádio é um poderoso estabilizador de carboneto, aumentando, assim, a profundidade de coquilhamento. Esse efeito pode ser contrabalançado, se necessário em secções de pequenas espessuras, pela adição de Ni ou cobre ou pelo aumento considerável dos teores de carbono ou de silício ou de ambos. Em teores de 0,10% a 0,50% refina igualmente a estrutura das secções coquilhadas.

O boro, utilizado de modo limitado aumenta a dureza da secção coquilhada. Bons resultados tem sido verificados com adição de boro em torno de 0,5%. O boro refina igualmente a estrutura da região coquilhada.

3-TRATAMENTO TÉRMICO

O principal objetivo do tratamento térmico do ferro fundido branco – aplicado em peças coquilhadas – é reduzir as tensões que se originam pelas diferentes velocidades de resfriamento e, conseqüentemente de solidificação, que se verificam através das secções das peças. Com efeito, as diferentes secções atingem as temperaturas críticas de transformação em tempos diferentes; além disso, ocorre diferença de contração entre o ferro fundido branco da secção coquilhada e o ferro fundido cinzento das secções mais internas.

Pelo tratamento térmico procura-se, igualmente, melhorar as propriedades mecânicas do material, cuja estrutura é tipicamente fundida e, portanto, pouco regular, do tipo dentrítico. O refino ou uniformização dessa estrutura e, assim, essencial, sobretudo quando as peças são sujeitas a esforços mecânicos de choque.

Um tratamento térmico típico consiste no aquecimento a uma temperatura de 815° C, seguinto-se resfriamento a velocidade de 5°C por hora até 650°, antes de remover o material do forno resulta uma estrutura em que os carbonetos primários são muito finos e a matriz foi transformada em cementita esferoidizada, ficando eliminada quase totalmente a estrutura de dendrítica. Não se nota qualquer grafitização do ferro fundido branco.

A prática tem indicado que os melhores resultados são obtidos aquecendo-se entre 815° e 870°, devendo-se tomar o cuidado de manter o material a essas levadas temperaturas durante um período de tempo tal que seja evitada a grafitização.

67

Efeito comparativo de vários elementos de liga que diminuem a

profundidade de coquilhamento.

Efeito comparativo de vários elementos de liga que aumentam a

profundidade de coquilhamento.

68

Uma série de ensaios realizados com corpos de prova de ferro fundido branco

contendo 3,25% a 3,60% de C, 0,50% a 0,55% de Si, 0,55% a 0,60% de Mn, 0,12% a

0,14% de S, e 0,30% a 0,35% de P, tratados termicamente as temperaturas e tempos.

- 815°C e 20h no máximo

- 870°C e 7h no máximo

Demonstram um aumento de resistência ao choque de 30 a 50%, comprovado

a importância do tratamento térmico para o refino da estrutura do material e a

necessidade de redução do tempo, à medida que se eleva a temperatura.

APLICAÇÕES TIPICAS DO FERRO FUNDIDO OU COQUILHADO

Para equipamento de manuseio de terra, mineração e moagem, a ASTM, por

intermédio da especificação A532 – 75A indica as classes, incluídas na tabela 161.

Outras aplicações:

Para rodas de vagões – uma composição típica é a seguinte

3,35 C; 0,50 Si, 0,55 Mo, com 62 de dureza escleroscópica;

Para cilindros coquilhados – composições típicas são as seguintes:

3,00 C; 0,75 Si; 0,25 Mn; 0,40 P; 0,12 S, com dureza escleroscópica de 50 a 62

(baixa dureza);

3,05 C; 0,50 Si; 0,25 Mn; 0,40 P; 0,12 S, com dureza escleroscópica de 62 a 72

(alta dureza);

3,40 C; 0,60 Si; 0,30 Mn; 1,25 Cr; 4,50 Ni; 0,40 Mo; 0,35 P; 0,10 S, com dureza

escleroscópica de 80 a 90 (tipo mais duro);

3,40 C0; 80 Si; 0,30 Mn; 0,60 Cr; 2,5 0Ni; 0,40 Mo; 0,35 P; 0,10 S, com dureza

escleroscópica de 72 a 80 (tipo de dureza intermediária).

Para revestimento de moinhos – para essas aplicações, varias composições

são recomendadas, desde ferro fundidos brancos sem elementos de liga,

contendo, por exemplo, 2,90 C, 0,50 Si; 0,50 Mn, com dureza Brinell varindo

de 415 a 460 e estrutura cuja matriz apresenta martensita e austenita, ou o tipo

contendo 3,25 C; 0,60 Si; 0,70 Mn; 15,00 Cr; 3,00 Mo, com P e S baixos (0,03

e 0,06 respectivamente) e matriz igualmente apresentando martensita e

austenita;

Para bolas de moinhos de bola augumas composições típicas são as

seguintes;

69

2,80 C; 0,30 Si; 0,40 Mn, com dureza Brinell de 415 a 477;

3,20 C; 0,60 Si; 0,50 Mn e 2,00 Cr, com dureza Brinell de 477 a 555;

3,20 C; 0,50 Si; 0,30 MN e 1,40 Cr e 3,50 Mi com dureza Brinell de 555 a 627.

Esta ultima composição e de estrutura martensítica, sendo as bolas geralmente de

diâmetro superior a 1,5 polegadas, fundidas em coquilha e podendo, as menores,

serem fundidas em molde de areia.

Os valores de resistência a tração, obtidos nos ensaios, devem ser analisados com

certo cuidado, pois eles são muito sensíveis ao alinhamento dos corpos de prova,

durante os ensaios. A ductilidade desses materiais é, por outro lado, praticamente

nula. De qualquer modo, o limite de resistência a tração desses materiais do tipo

perlítico, varia de cerca de 21kgf/mm² (210 MPa) para as classes de alto carbono a

42kgf/mm² (410 MPa) para as de menor carbono. Para os tipos de martencíticos,

esses valores variam de 35 a 42 kgf/mm² (340 a 410 MPa) para os ferros

martensíticos com carbonetos dos tipos M3C ao passo que os ferros martensíticos de

alto cromo, com carbonetos dos tipos M7C3, apresentam valores variáveis de 42 a

56kgf/mm² (410 a 550 MPa). O limite de escoamento desses materiais é

aproximadamente equivalente a 90% do limite de resistência a tração.

A medida da resistência a ruptura transversal – obtida pela carga aplicada e flecha

obtida apresenta melhor precisão e o roduto cargaflecha serve para avaliar a sua

tenacidade.

Esses valore, dependendo da composição química variam da seguinte maneira:

Ferros Fundidos brancos perlíticos fundidos em areia

- Carga - 365 a 815kgf

- Flecha – 2,0 a 2,3mm

- Tenacidade – 1,27 a 1,87kgfm (12,4 a 18,3 J)

Ferros fundidos brancos martensíticos fundidos em areia –

- Carga – 800 a 2720kgf

- Flecha – 2000 a 3,6mm

- Tenacidade – 1,60 a 7,62kgfm (15,7 a 74,7 J)

Ferros fundidos brancos martensiticos fundidos em coquilha –

- Carga 1270 a 3180kgf

- Flecha – 2,0 a 6,5mm

- Tenacidade – 4,08 a 15,0kgfm (40 a 147 J)

70

Classes de ferro fundido branco para aplicações de mineração

FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS

71

1-INTRODUÇÃO

O ferro fundido é um material que, com se viu, apresenta pouca ou nenhuma

ductilidade. Embora de razoável emprego industrial, os seus característicos de

fragilidade limitam sua utilização em peças para vários e importante setores de

industria.

Como material alternativo, desenvolveu-se um tipo de ferro fundido branco, o

qual, submetido a um tratamento térmico especial – chamado maleabilização –

adquire maleabilidade, ou seja, a liga adquire ductilidade e torna-se mais tenaz,

característico que, aliados a boas propriedades de resistência à tração, dureza

resistência à fadiga, resistência ao desgaste e usinabilidade, permitam abranger

outras e importantes aplicações industriais.

Essa liga é o ferro fundido maleável.

Aparentemente, um processo para tornar o ferro fundido dúctil era já praticado

no século XIV. Com o desenvolvimento das técnicas de produção na Europa e nos

Estados Unidos e com os conhecimentos científicos adquiridos no decorrer dos anos,

foi possível a utilização de métodos de fabricação de alto conteúdo tecnológico e

produzir peças de ferro fundido maleável dentro de rigorosas condições de controle de

composição e propriedades.

O processo europeu leva a um maleável caracterizado por uma estrutura que

consiste principalmente de ferrita com algum carbono remanescente no estado

combinado.

O processo americano apresenta uma estrutura ferrítica uniforme com nódulos

de carbono livre apresentam, em certo sentido, propriedades melhores que o maleável

produzido pelo processo europeu.

2-PROCESSO DE MALEABILIZAÇÃO

A maleabilização é um principio, um tratamento térmico ao qual se submetem

ferros fundidos brancos, de composição bem definidas, como carbono na forma

primária de cementina e perlita, e que consiste num aquecimento prolongado, em

condições previamente estabelecidas de temperatura, tempo e meio, de modo a

72

provocar transformação de parte ou totabilidade do carbono. Há dois processos

fundamentais de maleabilização.

MALEABILIZAÇÃO POR DESCARBONETAÇÃO

Que origina o maleável tipo europeu, ou maleável de núcleo branco ou

simplesmente maleável branco. Essa denominação é atribuída ao maleável devido ao

aspecto metálico da sua estrutura, cuja a estrutura é constituída, essencialmente de

ferrita. Esse aspecto, contudo, somente é observado em peças de paredes finas, de 5

ou 6mm; em peças de paredes mais espessas, o núcleo é cinzento ou escuro, devido

a grafitização; somente a periferia tem o aspecto metálico típico do maleável branco.

O principio do processo consiste no aquecimento de um ferro fundido branco,

em caixas fechadas, num meio oxidante constituído de minério de ferro (uma mistura

que pode ser ¼ de minério novo e ¾ de minério usado, a fim de evitar excessiva

oxidação das peças); nessas condições o carbono do ferro fundido é eliminado sob

forma de gás.

O ferro fundido branco inicial apresenta uma composição química entre os

seguintes limites:

Carbono combinado 3,00 a 3,50%

Silício 0,45 a 0,75%

Manganês 0,10 a 0,40%

Enxofre 0,20 a 0,45%

Fósforo 0,15 Máx.

O ciclo de maleabilização está esquematicamente representado na figura

abaixo. No trecho A, acima de temperatura crítica, verifica-se descarbonetação intensa

e, quando se estiver em presença de peças espessas, ocorre tembém grafitização

pela composição da cementina livre. No trecho B, continua a grafitização e, nas peças

espessas, a cementina que se origina da austenita também se decompõe, resultando

mais grafita. No trecho C, forma-se perlita, se ainda houver carbono em solução.

73

A reação de descarbonetação dá-se pelo CO2. De fato, o oxigênio aprisionado

nas caixas onde são colocadas as peças a serem maleabilizadas, oxida o carbono da

superfície do metal produzido uma mistura de CO e CO2.

O CO reage com óxido do meio produzindo mais CO2 segundo a reação

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2.

Esta atua sobre o carbono do ferro fundido, segundo a à reação C+CO2=2CO.

O ciclo das duas reações prossegue até a eliminação do carbono, o que ocorre

até profundidade de cerca de 5mm.

Para espessuras maiores, parte do carbono fica retido e torna-se

antieconômico prosseguir o ciclo até completa descarbonetação por difusão do

carbono do centro em direção à periferia, além de corre-se o risco de produzir uma

camada de oxidação relativamente espessa.

74

Simultaneamente com a oxidação, ocorre, pois grafitização; o carbono na

forma de grafita, tende a dissolver-se na austenita; contudo, essa operação é muito

lenta. Ao mesmo tempo, a tendência a grafitização é diminuída, desde que se

mantenha o teor de silício baixo – entre 0,45 e 0,75%.

Em resumo, nas peças de pequena espessura (até cerca de 5mm) o maleável

branco é contituido só de ferrita e em peças de maior espessura (de 5mm a 15mm) a

estrutura apresenta ferrita nas camadas superficiais e grafita, em nódulos

arredondados, sobre uma matriz de ferrita (ás vezes com certa quantidade de perlita)

na parte central.

MALEABILIZAÇÃO POR GRAFITIZAÇÃO

Que origina o maleável tipo americano ou maleável de núcleo preto ou

simplesmente maleável preto. Essa denominação é atribuída ao aspecto escuro da

fratura, cuja a estrutura é constituída essencialmente de grafita em nódulos sobre um

fundo de ferrita.

O principio do processo consiste em aquecer-se um ferro fundido de

composição adequada, a temperaturas apropriadas durante longo tempo, porém

menor que no caso da maleabilização por descarbonetação; o ciclo de tratamento

pode ser mais curto, porque, por precipitação de carbono, a distância de migração do

carbono é menor.

O ferro fundido branco original utilizado no tratamento de maleabilização por

grafitização tem a seguinte composição aproximada:

Carbono combinado 2,20 a 2,80%

Silício 0,90 a 1,60%

Manganês 0,50% Máx.

Enxofre 0,10% Máx.

75

Fósforo 0,20% Máx.

O ciclo e maleabilização estão esquematicamente representados na figura

abaixo onde o trecho A corresponde ao ciclo de grafitização da cementina livre, o

trecho B, à grafitização da cementina que sai da austenita e o trecho C, à grafitização

da cementina de perlita.

A grafita resultante se apresenta com aspecto de contornos rendilhados.

O tratamento de maleabilização é elevado a efeito em atmosfera neutra, para o

que as peças são colocadas em caixas de ferro fundido e envoltas em areia, cinzas ou

outro material inerte.

O tempo de permanência no patamar A varia desde algumas horas até dias,

dependendo da espessura das peças e da composição química do material; o ciclo

correspondente ao patamar C pó ser mais longa, pois, a temperaturas baixas, a

grafitização é mais lenta.

Um ciclo de maleabilização rápido é mostrado na Fig. 240.

No primeiro estagio, são necessárias temperaturas elevadas, para acelerar as

reações de solução, difusão e subseqüente decomposição da cementita. Como a

tendência de descarbonetação das peças aumenta com a temperatura, esta não deve

ultrapassar 950°C. No segundo estágio, a temperatura, que depende da composição

química do ferro fundido, deve fica situada na faixa de 760ºC - 690ºC. Nessa faixa, a

austenita transforma-se perlíta e esta, por sua vez, pode decompor-se em grafita em

nódulos e ferrita.

De qualquer modo, a duração do ciclo de maleabilização depende de fatores

tais como temperatura, composição química do material, quantidade de nódulos de

secção das peças.

3-PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL.

A propriedade fundamental que distingue esta liga do ferro fundido cinzento

comum é sua ductilidade, a qual, expressa em alongamento, pode ultrapassar 10%.

76

77

Por essa razão, é comum dizer-se que o ferro maleável é liga intermediaria

entre o aço e o ferro fundido cinzento.

Os maleáveis de núcleo branco e de núcleo preto são, em principio, maleáveis

ferríticos. A rigor, o de núcleo preto é o que apresenta a maior importância tecnológica.

O maleável do núcleo branco, especificado pelas normas alemãs (DIN-1692),

apresenta, dependendo dos diâmetros dos corpos de prova ensaiados (portanto das

secções das peças fundidas), valores de limites de resistência à tração mínima de 34

a 35 kgf/mm² (330 a 340 MPa), com alongamentos, medidos em 3D que variam de 3 a

10%.

O maleável americano é coberto por três especificações da ASTM, conforme a

tabela 177 mostra.

As aplicações típicas dessas classes são as seguintes:

- ASTM A 147 – serviços gerais para boas usinabilidade e resistência ao

choque; flanges, tubos, peças de válvulas e acessórios diversos para equipamento

ferroviário, equipamento naval e outros serviços pesados até temperaturas de 345°C;

- ASTM A197 – Acessórios de tubos e peças de válvulas para serviços de

pressão;

- ASTM A 220 – Aplicações gerais a temperaturas normais e elevadas;

78

- ASTM A 602 e SAE 5158 – Peças de automóveis e compressores, como

alojamentos de mecanismo de direção, virabrequins, bielas, certas engrenagens,

tampas de mancais, componentes e transmissão automática, cubos de rodas etc.

A Associação Brasileira de Normas e Técnicas, por intermédio de suas

especificações PEB – 128 estabelece as condições e as propriedades que devem ser

satisfeitas pelas peças de ferro fundido maleável de núcleo branco e de núcleo preto,

respectivamente, para usos gerais.

As características mecânicas desses maleáveis, de acordo com as normas

brasileiras mencionadas, estão na tabela 178.

4-MALEÁVEL PERLÍTICO

Este maleável apresenta propriedades melhores, devido sua estrutura. Em face

do desenvolvimento constante da técnica de maleabilização, tem sido possível

produzir, no maleável, estruturas diversificadas. Assim, o maleável perlitico apresenta

estruturas diferentes, dependendo do ciclo de maleabilização.

O material com dureza na faixa mais alta obtida por resfriamento ao ar e

revenido apresenta perlitarevenida e “olhos de boi” ferríticos, ou seja, um orla de ferita

em torno de nódulos de grafita: nessa mesma faixa de dureza, os materiais resfriados

em liquido e revenidos consistem de martencita principalmente esferoidizada uniforme.

No nível baixo de dureza, abaixo de 197 Brinell,as estruturas são semelhantes,

respeitadas as condições de resfriamento.

O ciclo de maleabilização compreende vários estágios. O primeiro, entretanto,

corresponde exatamente ao ciclo de produzir maleável de núcleo preto. A partir desse

1ª estágio, são introduzidas as modificações que podem levar ao maleável perlítico.

As possíveis alterações são as seguintes.

- terminado o aquecimento correspondente ao 1ª estágio, resfria-se no forno

até 785ºC – 870ºC; retira-se do forno e resfria-se ao ar; revina-se até a desejada

dureza;

79

- Resfria-se no forno até 785ºC – 870ºC; retira-se e resfria-se ao ar, como

acima; em seguida reaquece-se a 815ºC – 870ºC e resfria-se em água ou óleo; revina-

se até a dureza desejada;

- Completa-se o ciclo de maleabilização para produção normal do maleável; em

seguida reaquece-se a 815ºC – 870ºC e resfria-se ao ar ou em liquido; revine-se até a

dureza desejada.

A ATSM, por intermédio de sua norma A-220, especifica as propriedades

mecânicas dos maleáveis perliticos e martensíticos, de acordo com os valores

apresentados na tabela 177.

Os maleáveis perlíticos de maior resistência mecânica são obtidos por têmpera

em óleo e revenido, ao passo que os níveis médios de resistência são obtidos por

tempera ao ar e revenido.

Com tratamento térmico adequado, pode-se obter ferros maleáveis com matriz

apresentando um microestrutura bainitica. Nessas condições, Os ferros maleáveis

podem ser empregados em aplicações especiais, tais como corresntes de altas

resistência.

O tratamento térmico que possibilita obtenção de tal microestrutura é a tempera

a quente, em banho de sal, das peças fundidas.

O exemplo abaixo ilustra melhor a matéria, pois indica as propriedades que

podem ser obtidas com dois tratamentos desse tipo, após a austenização a 900ºC.

Temperatura do banho de sal 400ºC 293ºC

Tempo 3 horas 3 horas

Dureza Brinell 288 387

Resistência à tração, kgf/mm2 (MPa) 88,6(873) 100,9(994)

Limite se escoamento, kgf/mm2 (MPa) 73,3(722) 96,8(954)

Alongamento em 50mm,% 1,4 1,0

80

5-OUTRAS CARACTERISTICAS DOS FERROS FUNDIDOS MALEÁVEIS

A usinabilidade do ferro fundido maleável é considerada a melhor entre as ligas

ferrosas de idêntica resistência mecânica, o que se pode verificar pela tabela 179.

Resistência a corrosão é considerada muito boa, em diversas aplicações.

Admite-se que essa qualidade seja conferida ao material pela camada superficial que

se desenvolve durante a maleabilização, constituída de ferrita liga com silício na faixa

de 0,80 a 1,70%. Essa estrutura apresenta uma alta resistência a meios corrosivos,

pois, quando atacada, desenvolve um produto superficial que adere fortemente ao

material e que evita penetração ulterior do meio corrosivo.

O maleável pode também ser galvanizado, com objetivo de melhorar sua

resistência ao ataque corrosivo.

A resistência ao desgaste depende, principalmente, da dureza, de modo que os

maleáveis perlíticos mais duros são os que apresentam melhores condições de resistir

à ação de desgaste, o que tornam a liga recomendável para aplicações de partes em

movimento, sujeitos ao atrito.

81

Propriedades dos ferros fundidos maleáveis.

6-APLICAÇÕES DO FERRO FUNDIDO MALEÁVEL

As indústrias mecânicas, de materiais de construção, de veículos, tratores,

materiais elétricos utilizam, em grande escala, peças de ferro fundido maleável. Entre

as aplicações mais comuns podem ser enumeradas as seguintes: conexões para

tubulações hidráulicas; conexões para linhas de transmissão elétrica; corrente; suporte

de molas; caixas de direção; caixas de diferencial; cubos de rodas; sapatas de freios;

pedais de embreagem e freio; bielas; colares de tratores; caixas de engrenagem, etc.

82

Propriedades dos ferros maleáveis de núcleo branco e preto.

FERROS FUNDIDOS DÚCTEIS OU NODULARES

1-INTRODUÇÃO

O ferro fundido, dúctil ou nodular caracteriza-se pela ductilidade, tenacidade e

resistência mecânica. A característica mais importante, entretanto, relacionado com a

83

resistência mecânica, é o limite de escoamento que é mais elevado no ferro fundido

nodular do que no ferro cinzento, ferro maleável e mesmo nos aços – carbono comuns

(sem elementos de liga).

A grafita do ferro fundido nodular apresenta-se ma forma esferoidal (ver

micrografias das figuras 243 e 244), forma essa que não interrompe a continuidade da

matriz tanto quanto a grafita em veio, resultando na sua melhor ductilidade e

tenacidade.

2-PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO FERRO NODULAR

A composição química é semelhante a dos ferros fundidos cinzentos.

A tabela 181 mostra varias composições químicas de ferros fundidos básicos

utilizados para a produção do nodular. O tipo 1 apresenta, na condição bruta de fusão

ou após tratamento de normalização, estrutura perlítica. O tipo 2 corresponde à faixa

normal de composição que leva a estruturas ferritico-perlítica, na condição bruta de

fusão e ferrítica ou perlítica, por tratamento térmico. O tipo 3 apresenta no estado

bruto de fusão, etrutura ferritica; essa estrutura também é obtida por tratamentos

térmico de ferritização. Caracteriza-se por elevada resistência ao choque. Finalmente,

o tipo 4 corresponde ao ferro nodular ferritico no estado bruto de fusão ou por

tratamento térmico de ferritização. Caracteriza-se como tipo 3, por elevada resistência

ao choque.

A grafita na forma esferodial é obtida pela adição de determinados elementos

no metal fundido, como magnésio, cério e alguns outros que devem ser bem

controlados, de modo a produzir a forma desejada da grafita e contrabalançar o efeito

de elementos perniciosos, como antimônio, chumbo, titânio, telúrio, bismuto e zircônio

que interfere com o processo de nodularização e, por isso, devem ser eliminados ou

mantidos ao mais baixos possíveis.

Os principais agentes nodulizantes contem, todos eles, geralmente o

magnésio. São: magnésio sem liga, nodulizantes a base de níquel e nodulizantes a

base de Mg-Fe-Si.Na maioria das vezes esses nodulizantes são introduzidos na forma

de liga, entre as quais podem ser citadas as seguintes:

15 Mg – 82 Ni

84

15 Mg – 30 Si – 50 Ni

8 Mg – 46 Si – 42 Fe

5 Mg – 45 Si – 50 Fe

12 Mg – 40 Si – 18 Cu – 30 Fe

Ou o magnésio sem liga, na forma de briquetes, lingotes ou fios.

O nodulizante é colocado no fundo da panela de vazamento e o metal fundido

é rapidamente derramado sobre a liga nodulizante.

Outro método, no qual é usado magnésio sem liga, consiste em colocar este

metal no interior da panela contendo ferro liquido e a panela é girada de modo a que o

material líquido escorra sobre o magnésio.

Qualquer que seja a técnica usada há uma reação violenta que ocasiona

fervura: O magnésio é vaporizado e o vapor atravessa o ferro líquido, diminuindo o seu

teor de enxofre e provocando a formação de grafita esferoidal. Geralmente adiciona-se

imediatamente após o agente nodulizante, Fe-Si para produzir uma matriz de

microestrutura adequada.

O magnésio atua como uma espécie de inibidor de curta duração, que retarda

a formação inicial de grafita. Então, o ferro fundido cinzento solidifica, inicialmente com

formação de cementita; logo a seguir, cessada a ação do magnésio, a cementita

decompõe-se, produzindo a grafita que se desenvolve por igual em todas as direções,

resultando assim uma forma sensivelmente esférica.

Experiências realizadas por engenheiros da fundição tupy, cujos resultados

foram apresentados, no simpósio sobre fusão, vazamento e solidificação de peças

fundidas, em São Paulo, demonstraram que de 6 inoculantes comerciais disponíveis e

testados, as combinações de Fe-Si 75%-Bi foram as que levaram os resultados mais

favoráveis no que diz respeito à nucleação da grafita.

85

86

De inicio, foi constatado que a porcentagem máxima de adição do inoculante

Fe-Si 75%, foi 0,6%, sob os pontos de vista técnicos e econômicos e no que diz

respeito ao aumento do número de nódulos de grafita. A introdução de 0,015 de Bi

provocou não só elevação do Nª de nódulos de grafita, como uma melhora nas

propriedades mecânicas de um determinado tipo de ferro nodular (classe FE-7002).

87

3-TRATAMENTOS TÉRMICOS DOS FERROS NODULARES

A estrutura normal do ferro nodular no estado fundido é constituída de matriz

perlítica com grafita esferoidal: pode, contudo, apresentar ferríta ou cementita livre.

Muitas peças do ferro nodular são empregadas no estado fundido. Outras, entretanto,

são tratadas térmicamente.

O tratamento térmico usual é o que decompõe a cementita produzindo ferríta e

mais grafita esferoidal,mediante um recozimento ou normalização. Pode-se também

temperar e revenir a dureza desejada.

De qualquer modo, as operações de tratamento térmico a que usualmente

podem ser submetidos os ferros nodulares são as seguintes:

ALIVIO DE TENSÕES – para reduzir ou eliminar as tensões residuais das peças

fundidas de grandes dimensões ou de secção transversal não uniforme. Normalmente,

a temperatura não pode ultrapassar 600ºC e o tempo é de cerca de 20 minutos por

centímetro de secção.

Não há efeito sobre as propriedades mecânicas.

RECOZIMENTO – Para obtenção de matriz ferrítica, mediante aquecimento a 900ºC,

resfriamento até 700ºC, em uma hora, seguido de resfriamento até 650ºC, à razão do

3ºC/h. Esse tratamento é também chamado de “recozimento para ferritização”, porque

produz uma matriz especialmente ferrítica.

NORMALIZAÇÃO – Depois de austenitizado o material (à temperatura de 900ºC,

durante o tempo necessário), ele é resfriado no forno até 785ºC e em seguida

resfriado ao ar. Se o resultado final apresentar dureza muito elevada, pode-se

proceder a um revenido posterior, até a dureza desejada, revenido esse que também

reduz as tensões internas.

88

TÊMPERA E REVENIDO – Material é austenitizado pelo aquecimento entre 870º e

900ºC. Segue-se resfriamento em óleo, geralmente e revine-se até a dureza

desejada. A estrutura resultante corresponde à da martensita revenida e o objetivo do

tratamento é conferir ao material resistência mecânica, dureza e resistência aos

desgastes maiores.

A tabela 182 apresenta ciclos típicos da têmpera e revenido para ferros

nodulares e ferros fundidos cinzentos.

AUSTÊMPERA – mediante esse tratamento, têm-se obtido substancial melhora das

propriedades do ferro nodular. No processo, o aquecimento para austenitização, é

feito entre 850º e 925ºC, de modo a que haja transferência suficiente de carbono à

matriz austenitica. Como as zonas ferríticas do ferro nodular são isentas de carbono

para que o material se torne endurecivel, é necessário, na austenitização, que haja

suprimento de carbono à ferrita ou austeníta (acima da temperatura crítica), o que

ocorre por solução e difusão, a partir dos nódulos de grafita. Esse processo depende

da temperatura e do tempo. Por isso, às vezes se austenitiza a temperaturas mais

elevadas. Os tempo variam de 2 a 4 horas, dependendo da secção justamente para

conseguir-se a máxima solubilização do carbono e resultante endurecibilidade. No

caso de componentes para a indústria automobilística, verificou-se que, por exemplo,

engrenagens peadas exigiram 4 horas a 900ºC e engrenagens de eixo traseiro 3 horas

a 900ºC. A temperatura de formação da bainita varia entre 235° a 400ºC, para nodular

sem elementos de liga. Na faixa de 235 a 270ºC obtém-se bainita inferior ou acicular,

de alta dureza, alta resistência mecânica ao desgaste, com moderadas tenacidade e

resistência ao choque. As temperaturas mais altas de austêmpera - 300° a 400°C –

produzem bainita mais díctil e tenaz.

Têmpera superficial – Pode-se aplicar tanto o processo por chama como por

indução, para obter-se uma dureza superficial da ordem de 60 R.C. e uma superfície

de elevada resistência ao desgaste. A temperatura da superfície deve atingir 900°C

durante alguns segundos, seguindo-se resfriamento imediato por jato de água.

ESPECIFICAÇÕES E PROPRIEDADES DO FERRO FUNDIDO NODULAR –

A tabela 184 indica as composições e as propriedades de classes padrões de

ferro nodular, segundo especificações da ASTM, ASME e SAE.

A tabela 185 indica as aplicações gerais e empregos típicos desses materiais.

89

A ABNT, pela sua especificação P-EB-585, classifica os ferros nodulares, que

ela designa como ferro fundido com grafita esferoidal, conforme mostra a tabela 186.

O tipo mais utilizado em construção mecânica é o FE-5007. As propriedades

indicadas na tabela correspondem ai estado bruto de fusão.

Os tipos FE-4212 e FE-6002 são igualmente muitos usados; o primeiros

contém menos Mn e mais Si que o segundo. Este contem, pois, maior quantidade de

Mn ou, preferencialmente, pequenas adições de Sn e Cu.

Os tipos FE-7002 é normalizado ou temperado e revenido e contém elementos

de liga com o propósito de aumentar a endurecibilidade e tornar a estrutura perlítica.

A norma DIN-1693 classifica os ferros fundidos nodulares conforme o indicado

na tabela 187, que apresenta também as características mecânicas mais importantes.

90

91

92

Em relação às propriedades dos ferros fundidos nodulares, podem ser feitos as

seguintes considerações complementares:

- As propriedades de tração são muito bem relacionadas com a dureza Brinell. Essa

relação depende da microestrutura do material. A figura 245 mostra a relação geral

entre a dureza e as características de resistência à tração, limite de escoamento e

alongamento de ferros nodulares nas condições fundidas e recozidas (ou

normalizada), com uma microestrutura de perlíta e/ou perlíta.

93

94

95

96

- Os ferros nodulares apresentam um módulo de elasticidade constante até o

seu limite de elasticidade.

- a relação entre o limite de fadiga e a resistência à tração situa-se, de acordo

com varia pesquisas, entre 0,33 e 0,52. A resistência à fadiga dos ferros nodulares

torna-os altamente recomendáveis para peças críticas utilizadas em condições de alta

velocidade, como virabrequins de compressores.

- No que se refere à resistência ao choque, a tabela 188 mostra as

propriedades de ferros nodulares e em varia condições de tratamento térmico

submetidos a ensaios de choque Charpy. A composição química do material

considerado nesse ensaio é a seguinte:

Ct=3,65%; Si=2,48%; Mn=0,52%; P=0,065%; Ni=0,78%; Cr=0,08%; Cu=0,15%

97

- finalmente, a figura 248 mostra a influência dos vários tratamentos térmicos

considerados na tabela 188 no comportamento de resistência ao choque do ferro

nodular.

98

A versatilidade dos ferros fundidos nodulares, sob o ponto de vista de

propriedades mecânicas, sem a necessidade de introdução de elementos de liga, mas

apenas com aplicações de tratamentos térmicos relativamente simples, está

demonstrada no gráfico da Fig. 249.

99

A curva 1 do gráfico correspondente a material totalmente recozido. A curva 2,

normalizado a partir de 900ºC; a curva 3, temperado em óleo a partir de 900ºC e

revenido durante 2 horas a 540ºC; a curva 4, temperada em óleo a partir de 900ºC e

revenido durante 2 horas a 425ºC e a curva 5, temperado em óleo a partir de 900°C,

sem revenido posterior.

100

Os valores de limite de escoamento são muito importantes, sob o ponto de

vista de projetos de peças estruturais, pois eles determinam os limites das cargas no

estágio elástico, os quais são mais elevados, como já se mencionou, que os

apresentados por aços fundidos, sem liga, de resistência à tração comparável.

A ductilidade é, com também já se ressaltou várias vezes, a propriedade mais

importante e, como se pode verificar, é possível chegar a valores de 20% de

alongamento ou próximos, comparáveis também aos obtidos em aços fundidos.

Essa ductilidade elevada confere igualmente aos referidos materiais razoáveis

resistência ao choque.

A usinabilidade é muito boa, comparável à do ferro fundido cinzento.

FERRO FUNDIDO NODULAR LIGADO

A introdução de elementos de liga no ferro nodular é prática que tende a se

generalizar, devido á sua influência ser aproximadamente idêntica à que corre nos

aços.

Os próprios ferros fundidos básicos indicado na tabela 181 mostram, em alguns

tipos, a presença desses elementos.

O níquel e o molibdênio, por exemplo, são adicionados até 1% a 2%, para

melhorar a endurecibilidade. O cromo também pode ser utilizado, porém em teores

menores devido sua tendência de formar um rendilhado frágil do carboneto.

Ferros fundidos nodulares com maiores teores de Ni e Mo apresentam, após

tratamento térmico adequado, excelente combinação de resistência, tenacidade e

ductilidade, devido à estrutura bainítica que se desenvolve após revenido, a partir do

estado fundido.

Vários tipos de ferros fundidos nodular austenitico estão sendo utilizados,

caracterizados por apresentarem carbono entre 2,4% e 3,0%, silício entre 1,5 e 6,0%,

manganês entre 0,5 e 1,5%, níquel entre 18 e 36% e cromo entre 0 e 5,5%.

101

A ASTM, por intermédio de suas especificações A439-77 e A571-71 e a ASM,

especificam alguns tipos de ferros nodulares de alto teor em liga, como a tabela 189

mostram.

APLICAÇÕES

As aplicações desses materiais são as seguintes:

ASTM A 439-77

- D-2- buchas de hastes de válvulas; válvulas e corpos de bomba, e serviços de

petróleo, água salgada e ambiente cáustico; tubos de escapamento; carcaças de

turbo-alimentadores; componentes de compressores de ar;

- D-2B- carcaças de turbo-alimentadores; cilindros;

- D-2C- anéis de guia de eletrodos;

- D-3- carcaças e bocais de turbo-alimentadores, diafragmas de astes de

válvulas; difusores de compressores de gás;

- D-3 A- anéis de mancais para serviço a alta temperatura, exigindo resistência

ao escoria mento;

- D-4- tubos de escapamento de motores diesel; juntas de tubos de

escapamento;

- D-5 – carcaças de sistemas de guia; anéis de invólucros de turbinas de gás;

- D-5B – espelhos e componentes para estabilidade dimensional de sistemas

óticos; estatores de compressores.

ASTM A 571 – 71

- D-2M – Componentes de compressores, expansores, bombas e outros sistemas de

bombas exigindo uma matriz austenítica estável a – 250ºC;

102

ASTM 5394 – tipo austenitico, componentes que exigem resistência a cerca de 650ºC;

AMS 5395 – Boa fundibilidade e resistência à corrosão; as peças podem ser

fabricadas por soldagem.

Há ainda classes para navios, contendo2,40 a 3,10 C, 1,80 a 3,20 Si, 0,80 a

2,50 Mn, 0,15 a 0,20 P, 18,00 a 23,00 Ni e 0 a 0,50 Cr, com dureza Brinell variando de

175 a 190, limite de resistência à tração de 35 a 38,5 kgf/mm² (340 a 375 MPa), limite

de escoamento de 17,5 a 21,0 kgf/mm² (175 a 210MPs), e alongamento de 20 a 7%,

submetidos a alivio de tenssões a 650ºC (e, se necessário, solução de carbonetos a

950ºC), utilizados para resistência a corrosão, ao calor e ao choque, em hélices e

aplicações diversas em navios. São classes não magnética

Finalmente a tabela 190 mostra as propriedade a diversas temperaturas de

ferros dúcteis ao silício, de matriz tipicamente ferritica, cuja a resistência à oxidação é

boa até cerca de 870ºC. Como a resistência mecânica a alta temperatura cai, introduz-

se cromo e vanádio que reduzem a velocidade de fluência e aumenta os valores de

tensão – ruptura. O molibdênio confere igualmente boas propriedades mecânicas a

altas temperaturas, com pequeno decréscimo da ductilidade e da resistência ao

choque à temperatura ambiente.

CONCLUSÕES

Inicialmente, é preciso lembrar que as propriedades mecânicas dos ferros

fundidos dúcteis contendo nódulos bem formados dependem da estrutura da matriz, o

que é oposto aos ferros fundidos cinzentos, onde a resistência é principalmente

controlada pela forma e tamanho dos veios de grafita.

No processo de produção de ferros nodulares, podem surgir alguns problemas

criando dificuldades, as quais podem afetar a qualidade do material. Alguns desses

problemas são citados a seguir:

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• Flutuação de nódulos de grafita, o que juntamente com o aparecimento de

bolhas em combinação com escória podem produzir um acabamento superficial

inadequado. Esse defeito é causado pelo vazamento de ferro de composição hiper-

eutética e é agravado pela presença de grandes secções, em que a velocidade de

esfriamento é menor;

• Estrias de escória que compreendem compostos de óxido/sulfato/silicato de

magnésio. Sua formação se dá e é agravada pela prática de vazamento, sobretudo

quando se vaza metal mais frio;

• Bordas de grafita escamosa, as quais podem ocorrer nas superfícies das

peças. Se elas não forem removidas por usinagem, podem causar a redução

localizada de propriedades mecânicas;

• Segregação de fósforo, que pode ocorrer devido uma reação molde/metal,

resultante do emprego de catalizadores ácidos em sistemas de moldagem

químicamente aglutinados. O ácido fosfórico é geralmente usado para substituir ácido

sulfônico em situações onde a quantidade de fumaças de dióxido de enxofre e sulfeto

de hidrogênio gerada após a fundição é inaceitável;

• Casca de óxido retida, seguindo-se ao tratamento térmico e retida após a

limpeza a jato. Essa retenção pode ter efeitos adversos na usinabilidade pelo maior

desgaste das ferramentas de corte. Por outro lado, o emprego de um processo mais

forte de limpeza a jato pode reduzir a ductilidade do material, criando-se condições

para uma possível fissuração.

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Ferro Fundido