Olá a todos, sejam bem-vindos a mais um material…..
Nesta semana vamos falar sobre os ferros fundidos, um dos materiais mais populares e um dos mais antigos que conhecemos. O ferro fundido é tão popular que muitos o conhecem como FOFO.
O ferro fundido pode ser definido como uma liga metálica composta basicamente de ferro, carbono e silício, que contêm acima de 2,11% em peso de carbono (C) e até 3% em peso de silício (Si). A solidificação do ferro fundido envolve uma reação eutética, ou seja, uma transformação em que o líquido, ao ser resfriado, se transforma em duas fases sólidas distintas. O FOFO também permite a adição de outros elementos em menores quantidades, mas com capacidade de modificar suas propriedades mecânicas.
De uma forma bem similar aos aços, os ferros fundidos podem ser hipoeutéticos, eutéticos e hipereutéticos, sendo que a composição eutética possui aproximadamente 4,3% em peso de carbono. Se a taxa de resfriamento do líquido fundido for elevada, a transformação eutética dará origem a uma microestrutura baseada em austenita e a cementita:
𝐿 → 𝛾 + 𝐹e3𝐶
A cementita formada no processo anterior é uma fase metaestável. É possível, contudo, obter a grafita no lugar da cementita. Para tanto, basta garantir que a taxa de resfriamento durante o processo de solidificação do líquido seja lenta, de forma a promover a nucleação e o crescimento da fase mais estável.
𝐿 → 𝛾 + 𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑡𝑎
O aumento na concentração do Silício (Si) na liga também pode favorecer a formação da grafita. Essas informações podem ser obtidas pela leitura e interpretação do diagrama de fases do sistema Fe-C. Podemos definir um diagrama de fases como um mapa que relaciona as fases presentes em um determinado sistema, formado por um ou mais componentes. De forma geral, o diagrama de fases relaciona as fases presentes em equilíbrio para uma dada composição química e temperatura.
O diagrama de equilíbrio permite entender o que ocorre com um material, quando o submetemos a um aquecimento até seu ponto de fusão. Também podemos compreender como deverá ocorrer a evolução da microestrutura do material durante seu resfriamento, verificando todas as transformações de fase envolvidas neste processo.
É sempre importante lembrar que: compreender a microestrutura de um material é um grande passo para entender suas propriedades e possíveis aplicações!
Alguns elementos ao serem adicionados nos ferros fundidos alteram significativamente suas propriedades. Vamos conhecer alguns desses elementos e suas principais mudanças:
Adição de fósforo (P) no ferro fundido funciona como um elemento grafitizante, em teores de até 0,06%, sendo solúvel em ferro. O fósforo em teores acima de 0,06%, é fortemente segregado durante a solidificação, aumentando o risco da formação de eutéticos ricos em fósforo.
Adição do Silício (Si) faz com que ocorra um aumento na temperatura do eutético estável e a queda na temperatura do eutético metaestável. O silício representa um dos elementos mais importantes dos ferros fundidos, impactando diretamente na sua estrutura e como consequência nas propriedades mecânicas. Uma liga com alto teor de carbono, com elevada concentração de silício promove uma rápida decomposição da cementita, promovendo a formação da grafita, impedindo a formação da cementita durante a solidificação e transformação pró-eutetóide (ROSARIO, 2012).
Adição de manganês (Mn) atua como um neutralizante do enxofre, evitando a formação de escória e borra. O manganês também pode atuar na formação de uma estrutura perlítica nos ferros fundidos (ROSARIO, 2012).
Classificação dos Ferros Fundidos
A estrutura de um ferro fundido é composta por partículas de grafita dispersas em sua matriz, sendo assim as propriedades mecânicas, como por exemplo, resistência à fratura, ductilidade, resistência ao desgaste entre outras fica atrelado à sua disposição na microestrutura. A classificação dos ferros fundidos se baseia no formato e na composição da grafita, sendo apresentados a seguir de acordo com o livro “Propriedades Mecânicas dos Ferros Fundidos” (Wilson Luiz Guesser 2º edição, ed Blucher).
Ferro Fundido Branco: No FOFO branco praticamente todo o carbono se apresenta na forma combinada de carboneto de ferro (Fe3C), apresentando uma superfície de fratura clara. Suas propriedades estão relacionadas com a alta quantidade de cementita, com isso o ferro fundido branco possui elevada dureza e resistência ao desgaste, como contraponto, sua usinabilidade acaba sendo prejudicada, ou seja, esses materiais são muito difíceis de se usinar, mesmo com os melhores materiais de corte. A quantidade correta de carbono e silício, aliada ao controle da velocidade de resfriamento é o que garante sua produção.
Imagens retiradas de notas de aulas: Profº Dr Waldek Wladimir Bose Filho
Ferros Fundidos Cinzentos: O FOFO cinzento apresenta a grafita em forma de veios, parecendo partículas isoladas. Sua matriz pode ser ferrítica, porém sendo mais comum uma matriz perlítica, apresenta uma faixa de limite de resistência de 100 a 400 MPa, não possuí grande alongamento. Seu uso é voltado para componentes sujeitos a fadiga. Também possui grande capacidade em absorver vibrações, sendo usado como base para máquinas e até bloco de motores.
Imagens retiradas de notas de aulas: Profº Dr Waldek Wladimir Bose Filho
Ferros Fundidos Nodulares: Sua grafita é em forma de nódulos, proporcionando grande ductilidade. Também possui matriz ferrítica e perlítica, muito usada em substituição do FOFO cinzento. Ao passar por tratamentos térmicos de austêmpera produz uma família de FOFOs austemperados, atingindo valores de resistência na ordem de 850 até 1300 MPa. Sua aplicação vai de suportes de molas, a braços de suspensão de veículos.
Imagem retirada do trabalho de conclusão de curso – Guilherme Schroder Comin
Ferros Fundidos Maleáveis: É a primeira família com boa ductilidade. São obtidos por meios de tratamentos térmicos de grafitização produzindo o ferro maleável preto ou pelo processo de descarbonetação produzindo o ferro fundido maleável branco. Porém essa família de FOFOs foi quase que totalmente substituídas pelo ferro fundido nodular, devido as vantagens técnicas e econômicas.
Imagem retirada de notas de aulas: Universidade Federal do Paraná
Ferro Fundido Vermicular: É considerada um avanço tecnológico dos ferros fundidos. Nesta liga, a grafita fica em forma de vermes ou compacta; sua propriedade se assemelha aos FOFOs cinzentos e nodulares. O ferro fundido vermicular também possuem uma matriz ferrítica ou perlítica, ou até mesmo uma combinação dos dois. O FOFO vermicular é usado na produção de blocos de motores a diesel das novas gerações.
Imagem retirada do trabalho de conclusão de curso – Guilherme Schroder Comin
O ferro fundido é muito utilizado na indústria devido ao seu baixo custo de produção e fácil usinabilidade e fundição. No entanto ele não possui boa soldabilidade, já que seu nível de carbono é muito elevado dificultando esse processo. Podemos dizer que uma das principais dificuldades da soldagem é o alto teor de carbono na estrutura da liga, já que isso dificulta que o material absorva as tensões de contração geradas durante a solda.
Nos ferros fundidos os tratamentos térmicos têm os seguintes objetivos:
- Eliminação das tensões residuais;
- Melhora na usinabilidade do material;
- Aumento da tenacidade;
- Aumento de resistência ao desgaste e a fadiga.
Alguns desses tratamentos térmicos são:
Alivio de tensões: Remover tensões geradas em etapas anteriores. Recomendadas para peças que possuem grandes diferenças de espessuras em suas paredes, promovendo alterações de temperatura ao longo da peça.
Recozimento de decomposição de carbonetos: Estruturas brutas de fundição podem ter carbonetos em sua estrutura, impactando na usinabilidade da peça. A temperatura de decomposição desses carbonetos fica na faixa de 850 – 950 ºC.
Normalização: visa obter uma matriz homogênea, com eliminação dos carbonetos maciços, totalmente perlítica, de granulação fina e propriedades correspondentes a uma maior resistência mecânica, aliada a boa tenacidade.
Têmpera e Revenido: A estrutura do ferro fundido se assemelha a dos aços, porém no caso dos FOFOS teremos a presença de carbono livre na forma grafita. Mas por essa semelhança os fofos aceitam o tratamento de têmpera para o aumento de sua resistência, aumentando sua resistência ao desgaste fortemente. Porém nos ferros fundidos, os teores de silício e carbono são mais altos, necessitando de temperaturas de austenitização mais elevadas, bem como tempos mais longos, para que ocorra a total dissolução do carbono na austenita.
A respeito do resfriamento na têmpera, é comum executá-lo em óleo ou ar para os ferros fundidos ligados; não é recomendado o uso de água como meio de resfriamento, pois o choque térmico poderia induzir o aparecimento de fissuras.
O revenido diminui as tensões residuais geradas no processo de têmpera, principalmente para peças de formas complexas. Sua faixa de temperatura e tempo de permanência dependerá do tipo e tamanho do FOFO.
Para aqueles que queiram saber um pouco mais sobre os ferros fundidos, deixaremos alguns links no final do texto.
Com isso finalizamos a discussão de mais um material, espero que tenham gostado, muito obrigado e até o próximo material.
Dicas e referências
- Propriedades Mecânicas dos Ferros Fundidos (Wilson Luiz Guesser 2º edição, ed Blucher)
- Estudo do efeito do cobre e do estanho na formação da perlita e nas propriedades mecânicas do ferro fundido nodular – (trabalho de conclusão de curso – Guilherme Schroder Comin)
- O processo de fundição para fabricação de três tipos de ferro fundidos – ii sitefa – simpósio de tecnologia da Fatec SP
- Soldabilidade em ferro fundido – Perspectivas online – Ciências Exatas e Engenharia
- Vidal, Douglas Ferreira Análise de estrutura e propriedades mecânicas de um ferro fundido nodular em processo de fundição produzido pela técnica de imersão de sino / Douglas Ferreira Vidal. – Campos dos Goytacazes, 2013.
- Análise da microestrutura e propriedades mecânicas de um ferro fundido nodular fe-40015 em função do tempo de vazamento – VI Secitec 2017 – Instituto Federal Catarinense