ferros fundidos o ferro fundido (fofo) →→→→material fundido de...

Ferros fundidos 1

O ferro fundido (fofo) →→→→ material fundido de maior

consumo no país e no mundo.

Apresenta atributos não encontrados em nenhum

outro material e também é um dos metais mais

baratos que se dispõe.

Ferros fundidosFerros fundidos

Ferros fundidos 2

Vantagens:


• Baixo ponto de fusão

• Apresenta contração baixa

• Excelente usinabilidade

• Propriedades mecânicas bem definidas

Ferros fundidos 3

Os ferros fundidos ⇒⇒⇒⇒ ligas de ferro, carbono

(2,5 a 4,0%) e silício (1 a 3%).


Ferros fundidos 4

Os ferros fundidos se caracterizam por apresentar

reação eutética durante sua solidificação em

decorrência, as temperaturas de fusão são bem

mais baixas que a de outras ligas ferrosas,

podendo se utilizar para sua fusão equipamentos e

processos diferenciados em relação ao aço.


Ferros fundidos 5

Diagrama de equilíbrio ferro carbono

As transformações responsáveis pela formação

dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os

ferros fundidos se incluem, é estudada e

analisada, a partir do diagrama de equilíbrio ferro -

carbono.


Ferros fundidos 6

O diagrama de fase a seguir não é um diagrama de

equilíbrio completo, pois é representado somente até

6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto

Fe3C que contém 6,67% de carbono.

Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam

pouco ou nenhum interesse comercial, devido à alta

dureza e fragilidade que elas apresentam.


Ferros fundidos 7

Esse diagrama não é um diagrama de equilíbrio

verdadeiro, pois a cementita não é uma fase de

equilíbrio. A grafita é mais estável que a cementita e

sob condições adequadas, a cementita se decompõe,

formando grafita.

Em aços comuns essa decomposição nunca é

observada, porque a nucleação da cementita no ferro

supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que

a nucleação da grafita.


Ferros fundidos 8

O diagrama ferro-carbono se caracteriza por três

pontos principais:

Ponto peritético com 0,16% de carbono a 1493 0C;

Ponto eutético com 4,3% de carbono a 1147 0C;

Ponto eutetóide com 0,8% de carbono a 723 0C.


Ferros fundidos 9

Ponto Peritético

Ponto Eutetóide

Ponto Eutético

Ferros fundidos 10

A transformação peritética ocorre a temperaturas

elevadas e em aços de baixo teor de carbono. Todas

as composições desta fase passam, em seguida, pelo

campo monofásico CFC. Assim, os efeitos sobre a

estrutura à temperatura ambiente são secundários e

normalmente são desprezados.


Ferros fundidos 11

A solução sólida cúbica de face centrada CFC, ou fase

γ (gama), é chamada de austenita . Todas as ligas

contendo menos que 2,06% de C passam pela região

austenítica no resfriamento.

As ligas contendo menos que 2,06% de carbono são

arbitrariamente chamadas de aços (maioria dos aços

contém menos que 1,0% de carbono).


Ferros fundidos 12

Ferros fundidos → ligas com mais de 2% de

carbono, porém considera-se que os ferros fundidos

comerciais não são ligas binárias ferro-carbono, pois

elas contêm teores relativamente elevados de outros

elementos, principalmente o silício . Em geral os

ferros fundidos são ligas ternárias de ferro-carbono-

silício.


Ferros fundidos 13

Alotropia do ferro puro

1- Temperatura de Fusão a 15380C

2- Entre 15380C a 13940C, o ferro solidifica de acordo

com o reticulado CCC (ferro delta - δ).

3- A 13940C o ferro delta (δ) sofre uma redisposição

espontânea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferro

gama - γ) que permanece estável até 9120C.4- A 9120C o ferro sofre uma nova transformação, com

um novo rearranjo atômico CCC, (ferro alfa -α ), não havendo mais transformações até a temperatura ambiente.


Ferros fundidos 14

Constituintes das ligas ferro-carbono metaestáveis

Ferrita ou ferro alfa ( αααα):


Estrutura CCC ⇒ menores espaçamentos interatômicos e

pronunciadamente alongados, não podem acomodar com

facilidade os átomos de carbono∴ solubilidade de carbono

é cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a 727 0C.

Ferrita ⇒ mole e dúctil, com limite de resistência abaixo de 32 Kgf/mm2 e dureza Brinell em torno de 90 HB.

Ferros fundidos 15

Ferro puro – grãos de ferrita.


Ferros fundidos 16

Austenita ou ferro gama ( γγγγ): forma estável do ferro

puro entre 910 ºC e 14000C.

Estrutura CFC, com espaços interatomicos maiores,

mas são menores que o átomo de carbono, de forma

que a dissolução de carbono na austenita introduz

deformações na estrutura, impedindo que todos os

interstícios sejam preenchidos simultaneamente,

ficando a solubilidade máxima de carbono em 2,0% em

peso (8,7% em átomos).


Ferros fundidos 17

Ferrita delta ou ferro delta ( δδδδ): acima de 1400 0C, a

austenita deixa de ser a forma mais estável, voltando a

estrutura ser CCC. Este constituinte não apresenta

importância no estudo dos aços.


Ferros fundidos 18

Cementita ou carbeto de ferro : é o excesso de carbono

em relação ao limite de solubilidade formando uma

segunda fase.

Possui reticulado ortorrômbico com 12 átomos de ferro e

4 de carbono por célula, correspondendo isso a 6.67% de

carbono.

Dada a proporção de átomos de ferro e carbono de 3

para 1 no reticulado cristalino é usualmente representada

como Fe3C.


Ferros fundidos 19

Comparado a ferrita e austenita, a cementita é muita

dura, cerca de 67HRC ou 900 HV.

A cementita quando presente, associada a ferrita em

partícula finas, aumenta muito a resistência do aço, pois

inibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase

dúctil ferrita.


Ferros fundidos 20

Perlita com as lamelas de cementitaem um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X.


Ferros fundidos 21

Perlita : abaixo da temperatura eutetóide as fases

estáveis são a ferrita e a cementita. A 0,8% de

carbono, ocorre uma reação, que envolve a formação

simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita

de composição eutetóide, resultando em uma mistura

das fases ferrita e cementita denominada de perlita.

Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de

Fe3C e ferrita sendo a ferrita a fase contínua. A perlita

contém 12% de cementita e 88% de ferrita.


Ferros fundidos 22

1-Nucleação inicial da cementita.

2- Nucleação de lamelas de ferrita ao lado da cementita.

3- Crescimento lateral e para frente da cementita.

4- Novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores.

5- Crescimento da nova colônia.

Fe3Cγγ

α

Fe3Cγγ

γ

γ

γ

γ

γ γ

Fe3C


Ferros fundidos 23

Ledeburita : constituinte eutético formado no

resfriamento a partir do equilíbrio das fases austenita

de um lado e Fe3C de outro. Continuando o

resfriamento a temperatura de 7230C, a austenita se

transforma em perlita, resultando em uma estrutura

constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de

cementita.


Ferros fundidos 24

Perlita formada pela transformação da austenita primária.

Cementita (Fe3C).


Ferros fundidos 25

Cementita (Fe3C). Perlita.


Ferros fundidos 26

Tipos de ferros fundidos

Ferro fundido branco

Característica:


• Apresenta fratura de coloração branca

• Carbono combinado na forma de Fe 3C

• Solidificação pelo diagrama metaestável

• Constituintes principais: ledeburita, cementita e

perlita.

• Elevada dureza

• Resistência ao desgaste

Ferros fundidos 27

Por possuir baixo teor de silício não ocorre a grafitização.

Aplicações: equipamentos de manuseio de terra, mineração e moagem, rodas de vagões, cilindros coquilhados, revestimentos de moinhos.


Ferros fundidos 28

Ferro fundido branco hipoeutético com as dendritas de perlita (em escuro), pontilhados de ledeburita e áreas brancas de cementita. Ataque: nítrico. 100 X.


Ferros fundidos 29

Ferro fundido cinzento

São os mais usados devido:


• Excelente usinabilidade• Baixo ponto de fusão • Boa resistência mecânica

• Boa resistência ao desgaste • Capacidade de amortecer vibrações• Solidificação pelo diagrama estável (grafita e austenita)

Ferros fundidos 30

Estrutura do fofo cinzento → ferrita, perlita e grafita.

Apresenta fratura escura devido a grafita livre formando

veios e uma pequena parte se encontra combinada com o

ferro na relação de 3 átomos de ferro para 1 átomo de

carbono, formando o constituinte cementita.


Ferros fundidos 31

Grafita → é muito mole e se apresenta na forma de

lamelas, formando superfícies de separação que farão

com que esta liga seja frágil, não apresentando

praticamente nenhuma ductilidade.

Silício → é o principal responsável pela formação da

grafita, por isso normalmente os ferros fundidos cinzentos

apresentam alto teor deste elemento.


Ferros fundidos 32


Ferros fundidos 33


Ferros fundidos 34

A grafita é o constituinte mais importante dos ferros

fundidos cinzentos e se forma quase que,

exclusivamente, durante a solidificação. Sua

morfologia (forma, tamanho e distribuição) e

quantidade são responsáveis pelas propriedades

deste material.


Ferros fundidos 35

A morfologia da grafite é normalmente classificada

por diversas normas, sendo a mais difundida a

classificação da ASTM e DIN.

Os ferros fundidos cinzentos apresentam grafita na

forma Iamelar e que é classificada em 5 tipos.


Ferros fundidos 36

Tipo A


Ferros fundidos 37

Tipo B


Ferros fundidos 38

Tipo C


Ferros fundidos 39

Tipo D


Ferros fundidos 40

Tipo E


Ferros fundidos 41

Carbono 2,50 a 4,00 %

Silício 1,00 a 3,00%

Manganês 0,20 a 1,00%

Fósforo 0,02 a 1,00%

Enxofre 0,02 a 0,25 %

A composição química básica do ferro fundido cinzento


Ferros fundidos 42

• Velocidade de resfriamento

Propriedades mecânicas

Função da estrutura do ferro fundido

• Composição química

• Inoculação

• Tratamentos térmicos

• Dimensões das peças

Fun

ção


Ferros fundidos 43

Tipos Limite de Resistência à Tração Mpa

FC-100 100

FC-150 150

FC-200 200

FC-250 250

FC-300 300

FC-400 400


Ferros fundidos 44

Grafita

Perlita

Ferrita

Ferro Fundido FC300 fundido em areia – grafita tipo “A”. 500X


Ferros fundidos 45

Dendritas de ferrita

Grafita tipo “D” em matriz ferrítica.

Ferro fundido FC300 coquilhadoe recozido. 100X


Ferros fundidos 46

Ferro Fundido Maleável


Fofo Branco

Fofo Cinzento

Fragilidade

Baixa temperatura

de fusão

Alta fluidez

Aço

Alta resistência mecânica

Elevada temperatura

de fusão

Fofo Maleável

Baixa temperatura

de fusão

Alta fluidez

Alta resistência mecânica

Ferros fundidos 47

Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano)

Características:


• Fratura escura

• Carbono totalmente combinado (bruto de fusão)

• Constituída basicamente por ferro, carbono e

silício

Ferros fundidos 48

Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano)


Apresenta na sua estrutura grafita compacta, ferrita e

perlita. Esta forma compacta da grafita permite uma

certa maleabilidade ao ferro fundido.

Tratamento térmico em atmosfera neutra

Maleabilização

Decomposição da cementita

Ferrita

Carbono na forma de grafita compacta

Ferros fundidos 49

Ferro fundido maleável de núcleo preto, apresentando n ódulos de grafita formados pela decomposição da cementita na tem peratura de austenitização. Ataque: picrico. 200 X.


Ferros fundidos 50


Carbono 2,2 a 2,85 %


Manganês 0,50% máximo

Fósforo 0,1% máximo

Enxofre 0,20 % máximo

Ferro fundido maleável núcleo preto composição típica

Ferros fundidos 51

Fundido maleável de núcleo branco (Europeu)

Características:

• Fratura com aspecto prateado claro

• Sua estrutura é composta de ferrita, perlita, podendo

apresentar grafita de recozimento (compacta) no núcleo

da peça.


Ferros fundidos 52

Ferro fundido maleável de núcleo branco (Europeu)


Tratamento térmico em atmosfera Oxidante

Descarbonetação

Decomposição da cementita

Ferrita

Oxidação do carbono

Ferros fundidos 53

Ferro fundido maleabilizado de núcleo branco apresentand o zona de transição entre a parte central e a região periférica. Ob servam-se perlita, grafita e inclusões sobre um fundo de ferrita. Ataque: picrico. 160 X.


Ferros fundidos 54


Carbono 3,0 a 3,5 %


Manganês 0,10 a 0,40%

Fósforo 0,1% máximo

Enxofre 0,20 % máximo

Ferro fundido maleável núcleo branco composição típica

Ferros fundidos 55

Ferro Fundido Nodular

Maior resistência dentre os fofos → a grafita se

apresenta na forma de nódulos não interrompendo

tanto a continuidade da matriz quanto a grafita dos

ferros fundidos cinzentos. Este formato da grafita é

obtida através da adição de magnésio ou cério ao ferro

liquido no momento do vazamento.

Propriedades mecânicas melhores até que de alguns

tipos de aços ao carbono.


Ferros fundidos 56

Ferro fundido nodular ferrítico. Ataque: nital. 100X

Nódulos de grafita.

Fundo de ferrita.


Ferros fundidos 57

Ferro fundido nodular perliítico. Ataque: nital. 250X

Fundo de perlita.

Nódulos de grafita envolvidos pela ferrita.

Invólucro de ferrita.


Ferros fundidos 58


Ferros fundidos 59

A ABNT classifica este tipo de ferro fundido nos seguintes tipos:

FE 42012FE 50007FE 60003FE 70002FE 80002

As letras FE indicam ferro grafita esferoidal (nódulos), os três primeiros algarismos indicam a resistência a tração em MPa e os dois últimos algarismos o alongamento em %.

Exemplo: FE 50007- Ferro esferoidal com 500 MPa de resistência a tração e 7,0% de alongamento mínimo.


Ferros fundidos 60

A ABNT classifica este tipo de ferro fundido como:

FE

Ferro Grafita Esferoidal

Resistência à tração MPa

38017

Alongamento (%)


Ferros fundidos 61

Ferros Fundidos com grafita compacta – Ferro

Vermicular

Apresentam propriedades físicas e mecânicas

intermediárias entre os fofos cinzentos e nodulares.

São indicadas para aplicações que requeiram elevada

resistência mecânica, baixa condutibilidade térmica e

alta resistência à fadiga térmica.

.


Ferros fundidos 62


Ferros fundidos 63


Ferros fundidos 64

Cinzento Vermicular Nodular


Ferros fundidos 65


Ferros fundidos 66

Ferros Fundidos com grafita compacta – Ferro

Vermicular

Processos de fabricação

Por ser um tipo de fofo ainda recente em escala

industrial, vários processos de obtenção de grafita

vermicular podem ser utilizados mas que exigem

controles extremamente rígidos de processo.


Ferros fundidos 67

Influência dos elementos químicos

Elementos químicos no ferro fundido exercem

influência na microestrutura e nas propriedades dos

ferros fundidos. Além dos elementos normais como C,

Si, Mn, P e S, podem ser adicionados outros elementos

aos ferros fundidos para se obter estruturas e

propriedades desejadas.


Ferros fundidos 68

Influência dos elementos químicosFerros fundidosFerros fundidos

Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga

Obtido por meio de controle:

• Composição química

• Técnicas de processamento

Inoculação

Velocidade de resfriamento

Temperatura de vazamento

Superaquecimento

etc

Ferros fundidos 69

Influência dos elementos químicosFerros fundidosFerros fundidos

Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga

São ligas de baixo carbono equivalente e com maior tendência ao aparecimento de problemas devido:

• A menor fluidez

• A maior contração na solidificação

• A maior tendência ao aparecimento de carbonetos

• Ao aparecimento de grafita de super resfriamento e a ferrita associada a ela.

Ferros fundidos 70


Devido a esses problemas é usual a utilização de

elementos de liga para obtenção de ferros fundidos de

alta resistência com carbono equivalente mais alto.

.


Ferros fundidos 71


Carbono: é o elemento mais importante do ferro

fundido. É o maior responsável pelas propriedades

mecânicas e de fundição. Com exceção do carbono na

forma de perlita na matriz, o carbono está presente

como grafita em forma de veios. O carbono combinado

em ferros fundidos cinzentos perlíticos, em geral, varia

de 0,5% a 0,8% e o carbono grafítico de 2,0 a 3,0%.


Ferros fundidos 72


Silício: atua como forte grafitizante tanto na

solidificação como nas transformações no estado

sólido, consequentemente favorece a formação de

grafita na solidificação, reduzindo o coquilhamento e

formação de carbonetos eutéticos nas transformações

no estado sólido. Não é observável na microestrutura,

pois fica em solução sólida na ferrita. É juntamente com

o carbono os que mais afetam a fundibilidade.


Ferros fundidos 73


Manganês: neutralizador do enxofre. Coloca-se

sempre em excesso ao estequiométrico necessário

para evitar a formação do sulfeto de ferro. Grandes

excessos de manganês agem como promovedor de

carbonetos na solidificação e de perlita na reação

eutetóide.

Em uso normal o teor de manganês varia na faixa 0,55

a 0,75%.


Ferros fundidos 74


Enxofre: forma sulfetos de ferro que tendem a

segregar para os contornos das células eutéticas,

atuando como fragilizante.É neutralizado pela adição

de manganês.

Contaminação→ adição do coque nos fornos cubilot.

Nos nodulares neutraliza a ação do magnésio. O teor

deve ser menor 0,03%.


Ferros fundidos 75


Fósforo: em teores baixos forma “Steadita” que pode

prejudicar as propriedades. Atua como promovedor

fraco de grafita na solidificação e de perlita na reação

eutetóide.

Em Fofos de alta resistência → teor abaixo de 0,10%.

Quando se deseja alta fluidez → teores maiores que

0,6%.

Acima de 0,20% já tende a diminuir a usinabilidade.


Ferros fundidos 76

Steadita


Ferros fundidos 77


Cromo: pode estar presente como elemento residual (até 0,10 %).

Para elevar a resistência à tração e a dureza → teores de 0,15 - 1,0%.

Forma carbonetos acima de 0,30% em peças de seções finas e cantos vivos (utilizar elementos grafitizantes para contrabalançar seu efeito).


Ferros fundidos 78


Cromo

Nos Fofos baixa liga, o teor de cromo recomendado

deve produzir uma estrutura completamente perlítica

sem formação de carbonetos livres nos contornos das

células eutéticas ou sob a forma de ledeburita.

Resistência à corrosão dos Fofos → Adição de cromo

em teores acima de 1,5%.


Ferros fundidos 79


Molibdênio: aumenta a resistência à tração, a dureza e o módulo de elasticidade. É adicionado em teores entre 0,20 - 0,80% .

Os melhores efeitos são obtidos quando o teor de fósforo é abaixo de 0,10%, (molibdênio, e cromo, tende a formar um eutético complexo com o fósforo o que reduz o efeito desse elemento de liga).


Ferros fundidos 80


Molibdênio:

Possui menor tendência para formar carbonetos que o cromo, vanádio e tungstênio. Refina a perlita e favorece a obtenção de estrutura bainítica. Em teores baixos, quando usado isoladamente, favorece a obtenção de ferrita na matriz.

Aumenta significativamente a temperabilidade. O molibdênio é extensamente usado para aumentar as propriedades a temperaturas elevadas.


Ferros fundidos 81


Níquel: elemento grafitizante médio, diminuindo a tendência de formação de carbonetos na solidificação. Na reação eutetóide atua como perlitizante e como consequência tende a aumentar a dureza e a resistência à tração.

Nos Fofos de baixa liga, os teores adicionados estão entre 0,25 - 3,0%. A faixa mais comum é entre 0,5 -1,5%, sendo usado principalmente para contrabalançar o efeito estabilizante do cromo, do molibdênio e do vanádio. É caro e raramente usado isoladamente.


Ferros fundidos 82


Cobre: ação grafitizante semelhante ao níquel, diminuindo a tendência à formação de regiões coquilhadas. O seu efeito grafitizante em relação ao silício é de 1 para 4, como consequência, quando se deseja melhor aproveitar o efeito da adição isolada de cobre na resistência mecânica, recomenda-se uma redução no teor de silício de 0,25% para cada 1% de cobre adicionado.


Ferros fundidos 83


Cobre:

Como perlitizante é mais eficiente que o níquel, principalmente para eliminar restos de ferrita permitindo aumentar a resistência e a dureza. Os teores usuais estão entre 0,5 a 2%. Em peças grossa até 3%.Favorável na usinabilidade. Diminui a resistência ao impacto . Tende a melhorar a resistência à corrosão em meios contendo enxofre.

Pode ser usado isolado ou como combinação, por exemplo, Cu-Cr, Cu-Mo e Cu-Cr-Mo.


Ferros fundidos 84


Estanho: atua como forte estabilizador da perlita, sem

apresentar tendência para formação de carbonetos na

solidificação e sem afetar significativamente a

morfologia da grafita.

É útil para eliminar as áreas de ferrita que tendem a

aparecer junto à grafita de superesfriamento. O seu

efeito é mais efetivo em Fofos hipoeutéticos.


Ferros fundidos 85


Estanho: Recomendam-se adições de até 0,10% (em peças espessas 0,15%). Teores crescente eleva a dureza devido a passagem da estrutura de ferrítica-perlítica para perlítica. A resistência à tração atinge um máximo quando a estrutura é 100% perlítica. Teores acima do necessário para produzir estrutura perlítica tendem a reduzir a resistência à tração.

Diminui a tenacidade e a resistência ao impacto em teores acima de 0,10%.


Ferros fundidos 86


Antimônio: em teores até 0,05% teria efeito semelhante ao do estanho. Em quantidades acima de 0,05% de Sb, esse elemento tende a reduzir a tenacidade e a resistência ao impacto.


Ferros fundidos 87


Vanádio: tem um efeito similar ao molibdênio. Teores máximos devem ser limitados em torno de 0,20%. Em peças muito espessas pode-se aceitar até 0,50%, caso de deseje evitar a formação de carbonetos. Usualmente, considera-se seu efeito na estabilização de carbonetos 2,5 vezes maior que a do cromo. Na reação eutetóide atua como estabilizador e refinador da perlita. O vanádio tem um efeito favorável nas propriedades a quente do ferro fundido cinzento.


Ferros fundidos 88


Titânio: pode ocorrer como residual ou ser adicionado.

Atua como grafitizante em baixos teores e como

estabilizador de carbonetos em teores mais elevados.

Baixos teores, na faixa 0,05 a 0,20%, promove a

grafitização, reduz a tendência ao coquilhamento e

refina a grafita. Teores na faixa de 0,15 a 0,20% tende

a produzir grafita tipo D, que em geral não é desejável.


Ferros fundidos 89


Titânio:

Verifica-se, porém, que em ferros fundidos de carbono

equivalente elevado (acima de 4,0) adições de 0,15 -

0,20% de Ti produzem uma estrutura ferrítica-perlítica

com grafita tipo D, que tem propriedades mecânicas

superiores que a mesma composição sem adição de

titânio.


Ferros fundidos 90


Titânio:

O efeito grafitizante de baixos teores de titânio seria

devido a um efeito indireto, pela reação do Ti com

oxigênio e nitrogênio, que estão sempre presentes nos

ferros fundidos. Esses gases favorecem a formação de

eutético metaestável (carbonetos eutéticos) e a sua

remoção resulta em efeito grafitizante.


Ferros fundidos 91


Alumínio: quase sempre está presente como residual

nos ferro-ligas, ou eventualmente em outras matérias-

primas.

Em baixos teores, menores que 0,25% ,tem forte ação

grafitizante tanto durante a solidificação como no

estado sólido.

Em teores elevados (acima de 4%) pode atuar também

como estabilizador de carbonetos.


Ferros fundidos 92


Alumínio:

Residuais de alumínio tem sido apontado como um dos

principais responsáveis indiretos pelo aparecimento de

“pin-holes” em ferros fundidos cinzentos. Estes “pin-

holes”, na grande maioria dos casos, são produzidos

por hidrogênio e residuais de alumínio favoreceriam a

absorção do hidrogênio.


Ferros fundidos 93


Alumínio:

Fofos ao alumínio são ligas de ferro-carbono-alumínio,

onde o alumínio substitui praticamente o silício. São

ligas de alta resistência mecânica, elevada tenacidade

e baixíssima tendência ao coquilhamento, o que a

indica para fundição de peças em moldes metálicos.

Quanto às propriedades mecânicas os Fofos ao

alumínio podem ser considerados como um produto

intermediário entre Fofo cinzento e Fofo nodular.


Ferros fundidos 94

Formação da grafita nos ferros fundidos

O diagrama Fe-C é de natureza metaestável, a rigor trata-se de um diagrama Fe-Fe3C. O equilíbrio estável corresponde à liga ferro-grafita, onde ocorre a decomposição do Fe3C em ferro e carbono na forma de grafita.Esta decomposição depende, dentre outros fatores, da velocidade de resfriamento e da composição química


Ferros fundidos 95


Ao solidificar um ferro fundido cinzento hipoeutético, resulta, em primeiro lugar, cristais de austenita cuja quantidade aumenta com o decréscimo da temperatura. O líquido residual toma-se mais rico em carbono e silício, que são rejeitados à medida que a proporção de austenita cresce.


Ferros fundidos 96


Quando é atingida a temperatura de equilíbrio doeutético estável, seu carbono equivalente épraticamente igual ao eutético (4,3%), ocorrendo uma separação simultânea de austenita e grafita. O eutéticoestável cresce a partir desses núcleos, sendo que o crescimento se dá com uma frente de solidificação aproximadamente esférica. Cada agregado esférico de austenita e grafita lamelar é chamado de célula eutéticaou grão eutético.


Ferros fundidos 97

Cristais de austenita

Crescimento dos cristais de austenita

Ferros fundidos 98


Nos ferros fundidos cinzentos hipereutéticos, a única diferença é que a primeira fase a precipitar é a grafita hipereutética na forma de lamelas longas, retas e ramificadas e em seguida a sequência de solidificação é praticamente idêntica a dos ferros fundidos hipoeutéticos.


Ferros fundidos 99


Abaixo da temperatura de solidificação, tem se dendritas de austenita cujo teor de carbono decresce com a queda da temperatura, formando uma matriz em que estão distribuídas lamelas de grafita. O carbono precipitado da austenita aparece em parte como perlitae parte como grafita livre, dependendo da sua velocidade de resfriamento e do teor de silício, principalmente.


Ferros fundidos 100


Ao se ultrapassar a ultima linha do eutetóide, toda a

austenita remanescente se transforma em perlita e se o

resfriamento for lento pode a perlita se decompor

parcialmente em ferrita e grafita, ficando a estrutura

constituída de perlita, ferrita e grafita que é a estrutura

mais comum em ferros fundidos comerciais.


Ferros fundidos 101


Fofos nodulares → obtidos pela adição de magnésio ao ferro liquido. O magnésio é vaporizado e o vapor atravessa o ferro líquido, diminuindo seu teor de enxofre, provocando a formação de grafita esferoidal.

O magnésio atua como inibidor de curta duração, que retarda a formação inicial de grafita. O fofo cinzento solidifica inicialmente com formação de cementita e logo a seguir cessada a ação do magnésio, a cementitadecompõem-se produzindo grafita que se desenvolve por igual em todas as direções, resultando assim numa forma sensivelmente esférica.


Ferros fundidos 102


Um ferro fundido nodular hipoeutético inicia sua solidificação com a formação de dendritas de austenitarelativamente pobres em carbono. À medida que a temperatura diminui, o líquido residual toma-se mais rico em carbono e silício, que são rejeitados da austenita.


Ferros fundidos 103


Após um determinado superesfriamento (citado acima), abaixo da temperatura do eutético estável, começam a se formar os nódulos de grafita no líquido residual rico em carbono e silício.

Para ferros fundidos nodulares eutéticos, a solidificação inicia-se após um certo superesfriamento abaixo da temperatura do eutético, com a formação de nódulos de grafita em contato direto com o líquido.


Ferros fundidos 104


Uma diferença fundamental que existe entre os nódulos de grafita observados em ligas hipereutéticas em relação aos obtidos em ligas eutéticas e hipoeutéticas, é que nas hipereutéticas os nódulos têm tamanhos bastante diferentes, sendo os nódulos maiores os que se formaram entre as temperaturas de liquidushipereutéticos e a do eutético, enquanto que os menores são provenientes de reação eutética.

.


Ferros fundidos 105

Obtenção do ferro fundido

Introdução

Os ferros fundidos são ligas de ferro carbono silício com teores de carbono na ordem de 2,5 a 4,0% e silício. Por essa razão, as temperaturas de fusão são bem mais baixas, podendo se utilizar para sua fusão equipamentos e processos, diferenciados em relação ao aço.


Ferros fundidos 106


Matérias primas

Matérias primas básicas utilizadas na produção de fofos → ferro gusa, sucata de aço e ferros ligas.

Ferro gusa → principal fonte de ferro utilizada na fabricação de ferros fundidos com teor de carbono variando de 3,2 a 4,6% e teor de silício de 0,5 a 3,0%. Apresentam variações de composição química de lote para lote. Os lotes devem ser identificados e separados e o calculo de carga refeito a cada novo lote diminuindo a necessidade de correções de composição química do metal fundido.


Ferros fundidos 107


Matérias primas

Enxofre → gusas provenientes de alto forno a carvão vegetal são os que possuem menores teores deste elemento.

Impurezas → gusas vazadas em areia apresentam maior teor de impurezas que os vazados em maquinas de lingotar.

Sucata de aço → está condicionado ao tipo de ferro fundido que se quer obter. É o principal responsável pelo diminuição dos teores de carbono do fofo. Seu uso varia de l0 a 50% do peso da carga.


Ferros fundidos 108


Matérias primas

Ferros ligas → são utilizados na produção dos ferros fundidos para corrigir teores ou adicionar elementos do ferro fundido e para inocular a liga para aumentar a grafitização.


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Obtenção do ferro fundidoEquipamentos de fusão

Obtenção dos ferros fundidos → em fornos cubilot ou em fornos elétricos a arco elétrico e a indução.


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Forno cubilot

Equipamento de fusão empregado para a produção de ferros fundidos que utiliza como matéria prima o ferro gusa, sucata de aço, calcário (para separar impurezas) e, como combustível, o coque .

Operacionalmente o forno não permite flexibilidade de produção e tão pouco controle rigoroso de composição química e temperatura de vazamento.

Sistema duplex → uso do forno cubilot + forno de indução.


Ferros fundidos 111


Operação do forno cubilot

Funcionamento baseado no princípio da contra corrente.

Carga metálica → sucata metálica de fundição (canais, alimentadores, peças quebradas) e sucata em geral, ferro gusa de alto forno, sucata de aço, adições de ferro silício e ferro manganês.


Ferros fundidos 112

Carcaça metálica

Porta de carregamento

Anel de vento

VentaneirasPrincipio da contra corrente

Tijolos refratários

Produção de 1 à 50 t/h


Ferros fundidos 113


Fornos elétricos

Permite o controle da temperatura do banho, bem como

condições favoráveis para oxidação e adições de

elementos de liga permitindo a obtenção de ferros

fundidos com características excepcionais e alta

qualidade.


Ferros fundidos 114


Forno a arco

Ocorre a transformação da energia elétrica em energia térmica. A corrente elétrica passa por transformadores e é levado aos eletrodos de grafite, por meio de terminais e cabos flexíveis. Os eletrodos penetram no forno através da abóbada e o arco é formado entre os eletrodos e a carga metálica, por meio do qual serão fundidos os materiais e ou mantido líquido o banho metálico.


Ferros fundidos 115


Forno de Indução

O processo de aquecimento difere dos outros

processos de fusão do aço pelo fato de que o calor não

é transmitido à carga pela irradiação, e sim produzido

no interior da mesma.


Ferros fundidos 116


Forno de Indução

Forno de Indução a canal

Consistem de um núcleo, uma bobina (primário) e um

secundário formado pelo banho metálico, que com o

formato de uma calha circular, circunda o núcleo e a

bobina primária.


Ferros fundidos 117



A fusão é obtida ao se fazer passar pela bobina uma corrente alternada de alta voltagem, será feito circular no banho metálico uma corrente induzida de menor voltagem, porém de maior intensidade. A secção pequena e o grande comprimento do banho na calha de fusão apresentam uma grande resistência a passagem da corrente elétrica, a qual se transforma em calor e causa o aquecimento da carga.


Ferros fundidos 118



Desvantagens:

• Manter uma poça de material fundido após a fusão;

• Manutenção do canal difícil;

• Erosão do revestimento e arraste de pequenos fragmentos para o metal líquido;


Ferros fundidos 119



Vantagens:

• Menor consumo de energia;

• Menor investimento inicial ;

• Boa rentabilidade em serviço contínuo;

Não é indicado para o trabalho com metal sólido sendo

mais adequado para manutenção de banho líquido

(sistema duplex).


Ferros fundidos 120

Metal fundido

Canal

Núcleo de ferroBobina

Canal

Refratário


Ferros fundidos 121


Forno de Indução a cadinho

A carga metálica desempenha o papel de secundário

do circuito. O enrolamento primário é constituído por

uma bobina de tubos de cobre resfriados à água,

colocados no interior da carcaça do forno. A câmara de

aquecimento é um cadinho refratário ou é constituída

de revestimento refratário socado no lugar, de natureza

ácida.


Ferros fundidos 122


Forno de Indução a cadinho


Vantagens:

• Trabalha com qualquer tipo de sucata;

• Flexibilidade na troca de ligas uma após

a outra fusão intermitente;

• Curto período de fusão;

Ferros fundidos 123

Ferros fundidosFerros fundidosPlataforma

RefratárioTampa

Bica

Cabo de força e refrigeração

Pedestal e cilindro hidráulico de elevação

BobinaMetal Líquido

Ferros fundidos 124

Ferros fundidosFerros fundidosVariáveis de processo

Escória

Forno cubilot ⇒ indicação das condições de operação

e qualidade do ferro fundido.

Constituída de:

Al 203

SiO2

CaO

Refratário

Areia da fundição, cinzas, refratário

Calcário

Ferros fundidos 125


Escória

Ácida

Básica

SiO2 CaO

<<<<

>>>>

SiO2 CaO

Fios

longos

Fios

Curtos

Ferros fundidos 126


Características a observar Observações

Calmo Viscosidade boa, operação normal.Fluxo

Agitado Escória espumosa, operação irregular.

Ácido Fios longos.Basicidade Básico Fios curtos.

Preta Escória ruim, condições extremamenteoxidantes.

Marrom escuro Escória ruim, condições oxidantes.

Verde garrafa Operação normal.

Verde tingido deamarelo

Operação normal, mas com excesso demanganês.

Cor

Marrom Escória ruim com excesso de calcário.

Ferros fundidos 127


Superaquecimento

É aquecer o metal líquido de 100 a 150°C acima da temperatura de vazamento de 5 à 15 minutos.

Destruir ou diminuir os núcleos de solidificação

instáveis ⇒⇒⇒⇒ Homogeneização do banho

Ferros fundidos 128


Inoculação

Adicionar compostos grafitizantes no metal líquido momentos antes do

vazamento.

Promover a formação da grafita na solidificação.

Ferros fundidos 129

Microestrutura de um ferro fundido cinzento sem inoculação. 100X


Ferros fundidos 130

Microestrutura de um ferro fundido cinzento com inoculação. 100X


Ferros fundidos 131

Grupo de inoculantes Inoculantes

Grafita

Silício metálico

Ferro-silício 50%

Ferro-silício 75%

• Tipo “A”

• Tipo “B”

Ferro-silício 85%

Inoculantes grafitizantes

comuns

Ca-Si

Ca-Si-Ti

Ca-Si-Mn

Ca-Si-Mn-C

Fe-Si-Zr

Fe-Si-Zr-Ca

Ca-Si-Ba

Fe-Si-Mn-Zr-Ba

Si-Mn-Ca-Ba

Inoculantes grafitizantes

especiais

Si-Terras raras

Fe-Cr

Cr-Si-MnInoculantes estabilizadores

perlitizantesCr-Si-Mn-C

Ferros fundidos 132


InoculaçãoSua eficiência depende:

Composição química do ferro base

Carbono

∴∴∴∴

Grafitização⇒⇒⇒⇒

Em ligas hipoeutéticas >>>> Quantidade de inoculante que

nas ligas hipereutéticas

Ferros fundidos 133


Teor de impurezas

Variáveis de processo


Oxigênio em excesso Consumo de inoculante>>>>

Os inoculantes são excelentes desoxidantes?

Ferros fundidos 134



Temperatura de inoculação

Temperatura elevada

Temperatura baixa

Destruição dos centros efetivos

para nucleação da grafita

Dissolução incompleta dos

inoculantes

Ferros fundidos 135



Mais eficiente quanto maior a quantidade de inocula nte?

Quantidade de inoculante

Existe um limite a partir do qual o aumento de inoc ulantenão atuará eficientemente.

Excesso provoca mais escória, riscos de inclusões e porosidades no produto.

Ferros fundidos 136



Limpeza do banho

Antes da inoculação Preparação do banho

Remoção da escória

O inoculante é desoxidante e seria consumido na desoxidação da escória não ocorrendo a grafitização .

Ferros fundidos 137



Fading

Tempo de atuação do inoculante

Importância Controlar o tempo decorrido entre a inoculação e o início da solidificação.

Formação de carbonetos

Ferros fundidos 138



Granulometria

Partículas pequenas Facilmente oxidadas

Partículas grandes Demorada dissolução

Tamanho das partículas entre 0,7 a 2,8 mm.

Ferros fundidos 139



Técnica de inoculação

Depende

Quantidade de inoculantes

Número de inoculações

Tipo de inoculante

Granulometria

Ferros fundidos 140



Técnica de inoculação

Inoculação durante a transferência do metal do forno para a panela de vazamento, no jorro de metal.

Ferros fundidos 141


Nodularização

Elementos nodularizantes

Magnésio - mais utilizado

Cério

Cálcio

Ferros fundidos 142


Nodularização

Técnicas de nodularização

Simples transferência

FeSiMg adicionado ao fundo da panela e

recoberta com sucata de aço para retardar a

reação.

Ferros fundidos 143


Técnicas de nodularização

Sandwich

A panela de vazamento possui um degrau no fundo onde é colocado o FeSiMg e recoberta com sucata de aço para retardar a reação.

Variáveis de processo

Nodularização

Ferros fundidos 144


Nodularização

Simples transferência Sandwich

Ferros fundidos 145


Nodularização

Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização:

Composição química

O teor de enxofre é crítico pois o magnésio éum excelente dessulfurante. Quando o teor de enxofre é alto deve-se proceder a tratamentos de dessulfuração antes da nodularização.

Ferros fundidos 146


Nodularização


Temperatura do banho

Temperatura muito alta acentua a perda por oxidação e volatilização.

Temperatura muito baixa poderá causar cementitalivre na estrutura.

Ferros fundidos 147


Nodularização


Temperatura do banho

Recomendam-se temperaturas de tratamento em torno de 1480 a 1520ºC.

Ferros fundidos 148


Nodularização


Temperatura de vazamento

Acima de 1370 0C, pois abaixo disso tenderá a haver formação de carbonetos eutéticos.

Temperaturas mais elevadas provocara uma maior tendência de reação metal molde, e a formação de microporosidades.

Ferros fundidos 149


Nodularização


Panela de vazamento

A área de superfície da panela deve ser a menor possível.

Minimizar as perdas por oxidação e volatilização.

Ferros fundidos 150


Variação do teor de Mg com o tempo para nodularizaçãoem panela com H/D = 1 (série A) e H/D = 2 (série B)

Ferros fundidos 151

Porcentagem dos elementos dos materiais de acerto e rendimento em fornos de indução

Material Elementos Porcentagem Rendimento

Carbono 97 Mín. 0,97Material deeletrodo Enxôfre 0,4 Max -

Carbono 65 Min. 0,97Babaçu

Enxôfre 0,1 Max -

Carbono 65 Mín. 0,97Moinha de coque

Enxôfre 1 Max. -

Cromo 50 – 60 1

Carbono 05 – 07 0,97Ferro cromo(alto cromo)

Silício 1,5 - 3 0,75

Manganês 74 – 76 1Ferro manganês(alto carbono) Carbono 06 – 07 0,97

Ferro Silício Silício 42 – 48 0,75

Sucata de cobre Cobre 99 Min. 1

Molibdênio 55 - 70 1Ferro molibdênio(alto carbono) Carbono 2,5 Max. 0,97

Magnésio 8 - 10 0,33FeSiMg

Silício 43 - 48 0,75

Ferros fundidos 152


Ferros fundidos 153


ferros fundidos o ferro fundido (fofo) →→→→material fundido de...

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