07-4ferros fundidos(nao revisado)

Universidade Federal do Paraná

Setor de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecânica

Prof. Rodrigo Perito Cardoso

TM343 Materiais de Engenharia

Ferros fundidos


Onde estamos?

• Introdução • Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e

diagramas de fase • Alumínio e suas ligas

– Classificação das ligas de Al – Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio – Metalurgia das ligas de Alumínio

• Ligas ferrosas – Aços e ferros fundidos – Diagramas TTT e TRC – Tratamentos térmicos dos metais ferrosos – Metalurgia dos metais ferrosos – Tratamentos termoquímicos

• Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)


Roteiro da aula

• Introdução

• Classificação

• Sistema Fe-C-Si

• Ferro fundido cinzento

• Ferro fundido Dúctil (modular)

• Ferro Fundido Maleável

• Ferros Fundidos resistentes à abrasão

• Ferros fundidos resistentes à corrosão e ao calor


Introdução

• Menor temperaturas de fusão (1130ºC vs 1500ºC do aço)

• Boa fluidez -> Geometrias complexas

• Em geral alta usinabilidade

• Menor custo de produção

• Resistência ao desgaste

• Isolamento de vibrações

• Componentes de dimensões variadas

• Versatilidade de propriedades • Apesar da grande quantidade de materiais disponíveis, em muitas

aplicações os ferros fundidos continuam sendo mais econômicos


Introdução • Peças de geometria complexa.

• Normalmente a forma principal da pesa não é atingida por usinagem -> usinagem em pontos específicos

• Peças onde a deformação plástica é inadmissível

FERROS FUNDIDOS

•Baixo ponto de fusão (relat. aos aços)

•Elevada dureza e resist. ao desgaste

•Razoável resistência à corrosão

•Versatilidade de propriedades e aplicações

POSITIVAS NEGATIVAS

•Grande fragilidade, logo, baixa

ductilidade

•Deformação plástica impossível

à temperatura ambiente

•Soldagem muito limitada

•Regime elástico não-linear

Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%)

FERROS FUNDIDOS - Classificação

FF CINZENTO (Gray iron)

FF DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron)

FF BRANCO (White iron)

FF MALEÁVEL (Malleable iron)

FF VERMICULAR (intermediário entre Cinzento e Nodular)

(Vermicular iron) FF alta Liga

Existe sobreposição de composição

química, pelo que só se distinguem

através do processamento!

Classificação baseada na distribuição

do carbono na estrutura

Bá

sic

os


Tipos de ferros fundidos

Cinzento

Nodular (dúctil)

Branco Vermicular

maleável


Ferro Fundido Branco • Obtidos com menos de 1%p de Si

com elevadas taxas de resfriamento

Maioria do carbono forma cementita

• Superfície de uma fratura tem apa-

rência esbranquiçada -> nome

• Extremamente duro e frágil -> aplicado quando a resistência ao desgaste é importante (cilindro de laminação)

• Elevada resistência à compressão


Ferro Fundido Cinzento

• Teor de carbono entre 2,5 e 4,0%p

• Teor de silício entre 1 e 3%p

• Grafita em forma de flocos em uma matriz ferrítica ou perlítica -> boa usinabilidade

• Se fraturada a superfície tem aparência acinzentada -> daí o nome

• Pouco resistente e frágil sob tração (microestrutura com pontas de flocos pontiagudas -> concentrador de tensão)



• Muito mais resistente e dúctil sob

compressão

• Muito eficientes no amortecimento de energia vibracional (aplicação em bases de máquinas e blocos de motores)

• Elevada resistência

ao desgaste

Aço

Ferro fundido cinzento



• Apresentam alta fluidez na temperatura

de fundição -> permite fundição de formas

complexas e delgadas

• É um dos materiais mais baratos que existe

• Outras microestruturas podem ser obtidas por ajuste de composição e tratamento adequado

• Ex: ↓Si ↑taxa de resfriamento previne a dissociação completa da cementita -> microestrutura com flocos de grafita em uma matriz perlítica


Ferro Fundido Maleável

• O ferro fundido branco é produto

intermediário para produção do

ferro fundido maleável

• Obtido do ferro fundido branco

mantido muitas horas aquecimento entre

800 e 900 °C (atmosfera controlada) -> taxa de resfriamento para obtenção do ferro fundido branco limita a seção da peça

• Cementita em forma de rosetas em matriz ferrítica ou perlítica (taxa de resfriamento)

• Semelhante ao nodular (resistente, dúctil) -> engrenagens, barras de ligação, conexões, etc.


Ferro Fundido Nodular (ou Dúctil)

• Composição próxima ao cinzento

Obtido pela adição de Mg ou Ce

• Grafita se forma em forma de

Nódulos esféricos e não flocos

• Matriz ferrítica ou perlítica, depen-

dendo do tratamento térmico, envolvendo os nódulos de grafita

•Matriz ferrítica obtida por tratamento a 700°C por várias horas

•Mais resistentes e mais dúcteis que os cinzentos - > características próxima aos aços (válvulas, virabrequins, corpos de bombas, engrenagens, etc)


Ferro Fundido Vermicular

• O mais recente deles

• Si entre 1,7 e 3%p

• C entre 3,1 e 4%p

• Grafita em forma de vermes

(intermediária entre cinzento e nodular)

• Até 20% da grafita pode estar em nódulos (evitar aresta vivas)

• Adição de Mg e/ou Ce em menor quantidade

• Matriz pode ser ferrítica ou perlítica


Ferro Fundido Vermicular

• Aumento na nodularidade das

partículas leva a maior resistência e

ductilidade

• Propriedades compatíveis com os

Ferros fundidos nodulares e maleáveis

• Em comparação co outros ferros fundidos:

– Maior condutividade térmica

– Maior resistência ao choque térmico

– Menor oxidação em temperaturas elevadas

• Blocos de motores, carcaças de caixa de engrenagem, discos de freio, polias, etc


Variação de composição e tratamento na microestrutura dos Ferros Fundidos


Efeito da velocidade de resfriamento

Espessura da peça

http://www.fonderiaboxer.it/prodotti_uk.html

4300 kg de Fofo Cinzento!

32 g de Fofo Cinzento!


O sistema Fe-C-Si • Si é grafitizante -> ferro fundido pode solidificar no sistema

Fe-Fe3C (resfriamento rápido) ou Fe-Grafita (resfriamento lento)

Si reduz a composição

do eutético e a

solubilidade máxima do

carbono na austenita


Ferros fundidos cinzentos

• É o mais usado (custo, possibilidade de grande variedade de formas) -> representa aproximadamente 75% da produção de FF

• Flocos de grafita conferem:

– Excelente usibinabilidade

– Boa resistência ao desgaste

– Pode operar sob baixa lubrificação (lubrificante sólido)

– Excelente amortecimento de vibrações

– Propriedades comparáveis aos aços de alta resistência se empregados sob compressão (resistência mecânica, estabilidade dimensional e exigência de alinhamento)



• Casses de ferros fundidos cinzentos:

– Classificados pela tensão limite de resistência (depende principalmente da micro estrutura)

– Norma ASTM

– Pode ser hipoeutético e hipereutético (%C e %Si)



• Solidificação lenta de um ferro fundido hipoeutético

• Em resfriamento lento

• 1- 1250°C início da solidificação de dendritas de austenita

• 2 e 3 precipitação de grafita

• 3-4 rejeição de carbono da austenita que se precipita na grafita existente

• 4 e 5 austenita se transforma em ferrita e o restante do carbono se precipita na grafita já existente


Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos

• Elementos de maior importância são C e Si

• Elementos grafitizantes (ex:Si) promovem

Fe3C -> 3Fe + C (grafite)

• Elementos estabilizadores de carbonetos impedem a decomposição (ex: Cr, Mn e S)

• Maior teor de Si e C favorece a formação do ferro fundido cinzentos, baixos teores destes elementos favorecem a formação do ferro fundido branco.


Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos

• S e Mn

– Relação entre %Mn e %S deve ser respeitada para evitar a formação de FeS

– Se não ligados formando MnS, promovem a formação de perlita (estabilizadores de carbonetos)

• P

– Pode formar eutético de baixo ponto de fusão (~950°C) -> “steadita”

– Se presente em grande quantidade aumenta a dureza a fragilidade e reduz a usinabilidade. Também aumenta a resistência ao desgaste, assim pode ser interessante am algumas aplicações


Grafitização na solidificação

• Flocos de diversas formas e tamanhos se formam

– Flocos grandes e aleatoriamente orientados são formados sob baixa taxa de nucleação e solidificação

– Flocos pequenos são formados sob elevada taxa de nucleação (super-resfriamento intermediário) e quando há tempo para a grafitização

– Elevado super-resfriamento impede a grafitização

• Inoculação

– Influencia fortemente a microestrutura

– Inoculação reduz o super-resfriamento


Microestrutura • Propriedades definidas pela matriz (pouca influencia dos

flocos de grafita) -> fortemente influenciada pela taxa de solidificação

Classe 20

Matriz essencialmente ferrítica

Pouca perlita

Resfriamento lento

Classe 30

Mistura de ferríta e perlita

Resfriamento moderado


Propriedades

• Propriedades mecânicas

– Depende diretamente da microestrutura e logo da taxa de solidificação

– Quanto mais C e Si menor a resistência

– Propriedades superiores obtidas com adição de Cr, Ni e Mo

– A rede de flocos de grafite é comunicante o que gera os baixos valores de resistência


Propriedades

• Resistência ao desgaste

– Resistentes ao desgaste por deslizamento -> efeito lubrificante da grafita + retenção de óleo no local dos flocos

• Usinabilidade

– Apresenta a melhor usinabilidade entre os ferros fundidos


Propriedades

• Amortecimento de vibrações

– Absorção de energia devido à microestrutura


Ferros fundidos Nodulares

• Grafita dispersa em nódulos esféricos -> como fundido apresenta a estrutura da olho de boi



• Apresente baixo ponto de fusão, boa fludez e fundibilidade, excelente usinabilidade e resistência ao desgaste

• Isso aliado a elevada resistência mecânica tenacidade, ductilidade e trabalhabilidade a quente

Classes segunda as

propriedades

mecânicas



• Solidificação de ferros fundidos nodulares

– Adição de Mg (~0,1%) -> desoxida e desulfuriza o metal líquido

– O e S são responsáveis pela formação de flocos

– Estrutura da matriz depende da taxa de resfriamento e do tratamento térmico



• Efeito da composição na estrutura e propriedades

– C e Si controlam a densidade de nódulos

– S deve ser mantido abaixo de 0,03%, se essa concentração for superior deve-se adicionar mais Mg

– P manter inferior a 0,1% para evitar a steadita

– Impurezas de Pb, Ti, Al, Sb, Zr podem promover a formação de flocos

– Cr, B, Sn, V estabilizam perlita e carbonetos



• Tratamento térmico e microestrutura

– Propriedades podem ser variadas entre 420 e 840MPa por tratamento térmico -> variação da microestrutura

– Alivio de tenções

• De tensões residuais da fundição

• Entre 530 e 675°C por 1h + 1h por plogada de seção




– Recozimento pleno

• Para obter a melhor usinabilidade

• 780°C 6h resfriado ao forno -> decompõe a maioria da perlita

– Normalização e revenimento

• Usado para obter elevada resistência

• 1h a 900°C e resfriado ao ar -> seguido de revenimento 1h a 560°C

– Têmpera e revenimento

• Têmpera em óleo,martempera ou austempera



• Propriedades

– Vantagens de processamento dos ferros fundidos

– Propriedades similares aos aços

– Resistência ao desgaste

• Nódulos ajudam a retenção de óleo

• Equivalente ao ferro fundido cinzento

– Usinabilidade

• Próximo ao ferro fundido cinzento



• Propriedades mecânicas

Grafita não forma uma rede -> nódulos isolados


Ferro fundido maleável

• Estrutura obtida por tratamento térmico do ferro fundido branco (recozimento)

• Normalmente com matriz ferrítica (pode ser perlítica e martensítica)

• Especificados pela mínima tensão limite de resistência

• Inserir tabela 8.6




– Ferro fundido maleável ferrítico

• Recozimento-> transforma FF branco em maleável

• Tratamento chamando maleabilização, etapas: – Nucleação da graftita-> ocorre no aquecimento

– Patamar entre 870 e 950°C -> eliminação de carbonetos massivos -> transformação em grafita

– Resfriamento lento para evitar a formação de perlita




– Ferro fundido maleável perlítico (maior resistência e menor ductilidade)

• Tratamento chamando maleabilização-> 13h a 970°C e resfriamento ao ar

• Estrutura martensítica pode ser obtida sob resfriamento em óleo -> revenido entre 260 e 730°C



• Propriedades

– Resistência e ductilidade podem ser variadas variando a estrutura da matriz

– Larga faixa de propriedades possíveis como os nodulares

– Elevado grau de homogeneidade já que todo FF maleável é tratado termicamente


Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão

• Ferro fundido coquilhado

– Produz uma superfície de ferro fundido branco, resistente à corrosão e um núcleo tenaz (FF cinzento)

– Obtido usando moldes metálicos ou de grafite

• Ferro fundido branco

– Se não ligados apresentem matriz de perlita fina

– Adicionando elementos de liga pode ter matriz martensítica ou bainítica



• Ferro fundido branco ao cromo

– Adicionando entre 1 e 4% para aumentar a resistência à abrasão

– Forte formador de carbonetoes e tende a suprimir a grafitização

– Se adicionado entre 12 e 35% melhora resistência à oxidação e à abrasão



• Ferro fundido branco níquel-cromo

– Ni e Cr aumentam a resistência mecânica, à oxidação e a corrosão

– Níquel -> grafitizante

– Cr -> formador de carbonetos

– Dosados para contrabalançar os efeitos

– 2%Ni + 1%Cr refina a perlita

– 3,25%Ni + 1,25%Cr produz matriz martensítica

– 4,2%Ni + 2%Cr produz matriz austenítica -> se transforma em martensita em operação


Ferros fundidos ligados resistentes à corrosão

• Ferro fundido alto silício (14-17%)

– Extremamente resistente a ataque ácido

– Resistente a ácido sulfúrico em ebulição

– Pobre propriedades mecânicas

• Ferro fundido alto cromo (20-35%)

– Resistente a ácido nítrico e soluções salinas, oxidação e abrasão

– Melhores propriedades mecânicas que os alto Si

• Ferro fundido alto níquel (14-30%)

– Matriz austenítica -> resistentes a meios pouco ácidos e a meios básicos

– Elevada tenacidade (CFC)


Ferros fundidos ligados resistentes ao calor

Adição de Cr, Ni, Mo, Al

Acima de 425°C perde resistência mecânica e sofre crescimento (expansão pela formação adicional de grafita e oxidação após transformação da grafita em CO)

• Ferro fundido ao cromo (resiste até 980°C)

• Ferro fundido alto silício (eleva a transformação de ferrita em austenita a 900°C evita expansão devido à transformação de fase)

• Ferro fundido alto níquel (resiste até 815°C em atmosferas oxidantes, em resença de enxofre resiste até 500°C) -> maior tenacidade que os outros


Ferros fundidos nodular austemperado

• Combina resistência mecânica e ao desgaste de aços e com baixo custo e flexibilidade de projeto

• Tratamento térmico

– Austenitizado entre 870 e 930°C

– Resfriado em banho de sal entre 320 e 370°C

– Após o tempo de tratamento ‘é resfriado a Tamb

– Obtêm então estrutura bainitica


É importante lembrar

• Diferença entre os diferentes tipos de ferros fundidos (Microestrutura - propriedade)

– Cinzento

– Branco

– Nodular

– Maleável

• Influencia do resfriamento e do tratamento térmico

07-4ferros fundidos(nao revisado)

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