ferro fundido
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CLASSIFICAÇÃO
Os ferros fundidos podem ser classificados em 5 tipos, sendo que apenas no ferro fundido branco (incluindo o ferro fundido branco alta liga) todo carbono encontra-se
combinado como Fe3C ou outro carboneto. Nos demais, é a forma da grafita que vai
determinar o tipo de ferro fundido, assim como suas propriedades (Figura 1).
Ferro fundido branco
+ elemento de liga
Tratamento térmico de maleabilização
Ferro fundido branco alta liga
Ferro fundido maleável
Ferro Fundido Branco (“white cast iron”): é um ferro fundido virtualmente livre de
carbono na forma de grafita; o carbono apresenta-se combinado como cementita (Fe3C)
ou outro carboneto.
Ferro Fundido Cinzento (“gray cast iron”): é um ferro fundido que apresenta todo ou
parte do carbono livre, na forma de veios (ou lamelas) de grafita; uma pequena parte do
carbono pode apresentar-se combinado (Fe3C) formando perlita e, eventualmente, um
pouco de ledeburita (regiões coquilhadas).
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Ferro Fundido Maleável (“malleable cast iron”): é um ferro fundido obtido a partir
do ferro fundido branco tratado termicamente; o carbono livre apresenta-se na forma
de grafita compacta; parte do carbono pode apresentar-se combinado (Fe3C)
formando perlita.
Ferro Fundido Mesclado (ou Coquilhado): é um ferro fundido que apresenta
carbono tanto na forma combinada (ferro fundido branco, normalmente na superfície
da peça) como na forma grafítica (ferro fundido cinzento, no núcleo da peça); este
tipo de material compatibiliza propriedades dos dois tipos de ferros fundidos.
Ferro Fundido Nodular (“ductile cast iron”): é um ferro fundido que apresenta
todo ou parte do carbono livre, na forma de esferóides ou nódulos de grafita, obtidos
diretamente da solidificação; uma pequena parte do carbono pode apresentar-se
combinado (Fe3C) formando perlita e, eventualmente, um pouco de ledeburita
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Figura 1. Microestruturas típicas de ferro fundido. (a) Ferro fundido branco: áreas claras de cementita e perlita; (b) Ferro fundido cinzento ferrítico; (c) Ferro fundido maleável ferrítico; (d) Ferro fundido nodular ferrítico
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EFEITO DA COMPOSIÇÃO QUIMICA E PROCESSO SOBRE O TIPO E MICROESTRUTURA DE FERRO FUNDIDO
+ Estanho F.F.C. Perlítico
+ Têmpera F.F.C. Martensítico
+ Elemento de liga (Cr, Mo, W) F.F. Branco Especial
+ Tratamento Térmico (maleabilização) F.F.Maleável
+ Silício Ferro Fundido Cinzento Ferrítico
Fe + C (> 2,1 %C) Ferro Fundido Branco
+ Estanho F.F.Nodular Perlítico
+ Magnésio F.Fundido Nodular Ferrítico
+ Têmpera F.F.N. Martensítico
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Ferro Fundido Hipoeutético Ferro Fundido Hipereutético
Ferro Fundido Eutético
Aço Ferro Fundido
Figura 3. Diagrama de equilíbrio metaestável Fe - Fe3C
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1) Ferro Fundido Branco Eutético - Figura 4 Reação eutética: L4,3%C 2.1%C + Fe3C6,7%C (ledeburita)
2) Ferro Fundido Branco Hipoeutético (carbono entre 2,1 e 4,3 %C) - Figura 5
3) Ferro Fundido Branco Hipereutético (carbono entre 4,3 e 6,7 %C) – Figura 6
À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C Constituinte: Ledeburita
À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C
Constituintes: Ledeburita e dendritas de perlita
À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C Constituintes: Ledeburita e agulhas primárias
de cementita
SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS BRANCOS
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% Constituinte
100
%Ledeburita
%Cementita primária%Dendrita de perlita
Hipoeutético HipereutéticoEutético
L
+ Fe3C
%CONSTITUINTE DOS FERROS FUNDIDOS BRANCOS
Exemplos de microestruturas:
-Ferro fundido eutético: estrutura constituída por ledeburita
- Ferro fundido hipoeutético: estrutura constituída por ledeburita e dendritas de perlita.
- Ferro fundido hipereutético: estrutura constituída por ledeburita e agulhas de cementita primária.
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Figura 4. Ferro fundido branco eutético. Estrutura: ledeburita. Com ataque. 530 x
Figura 5. Ferro fundido branco hipoeutético. Estrutura: dendritas de perlita e ledeburita. 100 x
Figura 6. Ferro fundido branco hipereutético.Estrutura: Agulhas primárias de cementita e ledeburita. Com ataque. 370 x
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Microestrutura de ferro fundido branco hipoeutético. Ledeburita e dendritas de perlita.
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Além disso, verifica-se que a dureza do carboneto de cromo é maior que a da cementita. Por essa razão, em aplicações onde a resistência ao desgaste é o maior requisito, especifica-se ferro fundido branco de alta liga, cuja microestrutura é mostrada na Figura 7.
Ferro Fundido Maleável
Como mostrado na Figura 2, o ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco, através de tratamento térmico. Durante o ciclo térmico, a altas temperaturas, ocorre decomposição dos carbonetos e o carbono precipita puro, dando origem a um aglomerado irregular.
Quanto à matriz metálica, esta pode ser ferrítica (Figura 1.c), perlítica ou martensítica, dependendo do resfriamento aplicado ao material após o patamar a altas temperaturas, em função obviamente dos objetivos.
Ferro Fundido Branco de Alta Liga
Como o carboneto Fe3C é muito duro, quanto maior sua quantidade na estrutura
(conseqüência do maior teor de carbono), maior a resistência ao desgaste do material.
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Figura 7. Microestrutura de um ferro fundido
branco alta liga (alto cromo) hipoeutético.
12Figura 9. Diagrama de equilíbrio estável Fe-Grafita
Ferro Fundido Hipoeutético Ferro Fundido Hipereutético
Ferro Fundido Eutético
Condições:
- ligas Fe – C, porém a presença de Si é indispensável para que ocorra a grafitização.
- resfriamento lento.
SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS
As análises da solidificação e transformação no estado sólido dos ferros fundidos cinzentos são feitas utilizando o diagrama de equilíbrio Fe-C estável ferro-grafita.
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1) Ferro Fundido Cinzento Eutético - Figura 8.a
Reação eutética: L (4,3%C) (2.1%C) + Grafita(100%C) (eutético)
2) Ferro Fundido Cinzento Hipoeutético (carbono entre 2,1 e 4,3 %) - Figura 8.b
3) Ferro Fundido Cinzento Hipereutético (carbono entre 4,3 e 100 %) - Figura 8.c
À temperatura ambiente: Fases: e G Constituinte: Eutético
À temperatura ambiente: Fases: e G Constituintes: Eutético e dendritas de ferrita
À temperatura ambiente: Fases: e G Constituintes: Eutético e veios grosseiros de grafita primária
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%CONSTITUINTE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS
% Constituinte
100
%Eutético
%Grafita primária%Dendrita de ferrita
Hipoeutético HipereutéticoEutético
L
+ G
Exemplos de microestruturas:
-Ferro fundido eutético: estrutura constituída por eutético
- Ferro fundido hipoeutético: estrutura constituída por eutético e dendritas de ferrita.
- Ferro fundido hipereutético: estrutura constituída por eutético e placas de grafita primária.
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Figura 8. Estruturas de Ferro
Fundido Cinzento.
Sem ataque.
a. Eutético;
b. Hipoeutético (dendritas e eutético);
c. Hipereutético (agulhas primárias de
grafita e eutético)
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MATRIZ METÁLICA (descrição válida para os Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares)
1. Ferrita. Ocorre nos ferros fundidos:-brutos de fusão (ferros fundidos com alto teor de Si)
-recozidos (tratados termicamente)
2. Perlita. Ocorre nos ferros fundidos:-brutos de fusão (ferros fundidos com elemento de liga perlitizante)
-normalizados (tratados termicamente)
Obs: Nos ferros fundidos cinzentos e nodulares brutos de fusão a matriz metálica é constituída por ferrita e perlita, com porcentagens variáveis destes constituintes, dependendo da composição, tamanho da peça (velocidade de resfriamento) e processo.
3.Martensita / Martensita Revenida. Ocorre nos ferros fundidos temperados / temperados e revenidos.
4.Carbonetos Eutéticos. Pode ocorrer nos ferros fundidos perlíticos quando há segregação de elementos de liga.
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CLASSIFICAÇÃO DA GRAFITA
A morfologia da grafita tem efeito importante sobre as propriedades dos ferros
fundidos, além de ser a base de sua classificação microestrutural.
Dada as influências da forma, distribuição e tamanho da grafita sobre as
características dos ferros fundidos, foram criadas normas técnicas (ABNT, ASTM
e DIN) para sua classificação; essa classificação é feita com auxílio de exame
metalográfico de amostras polidas, não atacadas.
A norma ABNT NBR 6593, por exemplo, classifica a grafita quanto à forma, tipo de
distribuição e tamanho, conforme mostrado a seguir.
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1) Forma da Grafita (entre I e VI) A grafita pode apresentar as seguintes formas:
I: Lamelar ou em veios (caracteriza os ferros fundidos cinzentos)
II: Esboroada
III: Vermicular (caracteriza os ferros fundidos vermiculares)
IV: Semi-compacta
V: Compacta (caracteriza os ferros fundidos maleáveis)
VI: Nodular ou esferoidal (caracteriza os ferros fundidos nodulares)
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Tipo de Distribuição (entre A e E) - aplicável somente à grafita forma I
A grafita dos ferros fundidos cinzentos pode apresentar os seguintes tipos de distribuição:
tipo A : homogênea, fina, uniforme e ao acaso
tipo B : roseta (finas no centro e disposição radial mais grosseira)
tipo C : veios primários grosseiros envolvidos por veios finos
tipo D : veios finos, interdendríticos, não orientados
tipo E : veios finos, interdendríticos, orientados
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Microestrutura de um ferro fundido nodular. Grafita, ferrita e perlita.
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No projeto de um produto a ser fabricado em ferro fundido, a especificação do
material é feita em termos de resistência à tração.
A norma ABNT NBR 6589 (e ASTM A 48) permite classificar os ferros fundidos
cinzentos através da resistência à tração. Nesta norma são descritos os
procedimentos para obtenção do corpo de provas, assim como o desenho para
usinagem.
Os ferros fundidos cinzentos e nodulares são classificados com base nos resultados de ensaio de tração de corpos de provas padronizados. Esta forma de classificar é bastante diferente do aço, cujo sistema principal de classificação é baseado no resultado de análise química.
Realizar análise química em amostras de peças de ferro fundido pode ser um trabalho infrutífero, pois não existe norma para comparação. Composições químicas encontradas em livros, manuais e normas internas de usuários tem
função apenas orientativa.
VIII. CLASSIFICAÇÃO POR PROPRIEDADE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES
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De forma similar os ferros fundidos nodulares são classificados de acordo com a norma ABNT NBR 6916 (e ASTM A 536). No ensaio de tração são medidos o limite de resistência e o alongamento. Os resultados obtidos são comparados
com os valores tabelados da norma (Tabela 2) e feita a classificação. O ferro fundido cinzento tem suas classes variando entre 100 e 400 MPa de resistência à tração enquanto os ferros fundidos nodulares variam de 380 a 800 MPa. Este fato demonstra a importância da forma da grafita nas propriedades mecânicas dos ferros fundidos.
É importante lembrar que o corpo de provas não pode ser extraído de uma peça,
através de usinagem, pois a maior ou menor massa da peça faz com que esta
resfrie com diferentes velocidades, alterando sua microestrutura e falseando o
resultado obtido, prejudicando a classificação.
É importante frisar que o corpo de provas deve ser fundido isolado das peças que serão produzidas, mas utilizando o metal líquido da mesma corrida. Uma vez usinado, o corpo de provas é tracionado e o resultado é comparado com os valores tabelados
na norma (Tabela 1) para realização do enquadramento.
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ClasseD(A)
(mm)D(B)
(mm)
Limite deresistência
à tração(valor mínimo)
(Mpa)
Dureza Brinell(valor máximo)
(HB)
FC100 30 20,0 100 201
FC150
13203045
8,012,520,032,0
230180150110
241223212201
FC200
13203045
8,012,520,032,0
280230200160
255235223217
FC250
13203045
8,012,520,032,0
330280250210
269248241229
FC300203045
12,520,032,0
330300260
269262248
FC350203045
12,520,032,0
380350310
-277269
FC4003045
20,032,0
400360
--
(A)Diâmetro da barra de ensaio no estado bruto de fundição. A barra de ensaio de diâmetro 30 mm se considera como normal e as de diâmetros 13 mm, 20 mm e 45 mm como auxiliares.
(B)Diâmetro do corpo de prova usinado.
Nota: Os valores de limite de resistência à tração podem exceder no máximo 110 MPa, os valores indicados na Tabela, com exceção da classe FC100 que poderá exceder no máximo 50 MPa.
Tabela 1. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos
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sse
Limite deresistência à
tração mínimo(MPa)
Limite deescoamento
(0,2%) mínimo(MPa)
Alongamentoem 5d(%A)
Faixaaproximada dedureza Brinell
Microestruturapredominante
FE 38017FE 42012FE 50007FE 60003FE 70002FE 80002
380420500600700800
240280350400450550
17,012,07,03,02,02,0
140-180150-200170-240210-280230-300240-312
FerríticaFerrítica
Fer.-perlíticaPerlíticaPerlíticaPerlítica
Tabela 2. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares
Referências bibliográficas:
1. Callister Jr., W.D. - Materials science and engineering – an introduction - Willey.,19942. Colpaert, H. – Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns – Ed. Edgard Blucher, 1969 3. Elliott, R - Cast iron technology - Butterworths, 19884. Kolososki, J. - Curso de metalografia dos ferrosos – SOLVER Tecnologia, 2000, S.Paulo 5. Krauss, G. – Steels: Heat Treatment and Processing Principles – ASM International, 1997.6. Pieske, A. – Ferros fundidos de alta qualidade - Soc. Educacional Tupy, Joinville, 1985.
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EFEITOS DO SILÍCIO
1. Desloca as linhas do diagrama de equilíbrio Fe – C (Figura 9). Exemplo: desloca o ponto eutético para a esquerda segundo a equação: % Carbono Equivalente = %CE = %C + 1/3 x %Silício
2. Provoca grafitização (inibe a formação de cementita e o carbono precipita puro)
Figura 9. Seção vertical do diagrama Fe-C-Si com 2 %Si.