Usinabilidade dos Materiais

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Tecnologia Mecânica III

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O que é aço?

Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono, com percentagens deste último variáveis entre 0,008 e 2,11%. Distinguem-se dos ferros fundidos, que também são ligas de ferro e carbono, mas com teor de carbono entre 2,06% e 6,67%.

A diferença fundamental entre ambos é que os aços, pela sua

ductibilidade, são facilmente deformáveis por forja, laminação e extrusão, enquanto que peças em ferros fundidos são fabricadas pelo processo de

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Além dos componentes principais indicados, os aços incorporam outros

elementos químicos, alguns prejudiciais, provenientes da sucata, do

mineral ou do combustível empregue no processo de fabricação, como o

enxofre e o fósforo. Outros são adicionados intencionalmente para

melhorar algumas características do aço para aumentar a sua resistência,

ductibilidade,dureza ou outra, ou para facilitar algum processo de fabrico, como usinabilidade, é o caso de elementos de liga como o níquel, o

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No aço comum o teor de impurezas (elementos além do Ferro e do

Carbono) estará sempre abaixo dos 2%. Acima dos 2 até 5% de outros elementos já pode considerado aço de baixa-liga, acima de 5% é

considerado de alta-liga. O Enxofre e o Fósforo são elementos prejudicais ao aço pois acaba por intervir nas suas propriedades físicas deixando o aço quebradiço. Dependendo das exigências cobradas, o controle sobre as

impurezas pode ser menos rigoroso ou então podem pedir o uso de um antisulfurante como o magnésio e outros elementos de liga benéficos. O aço inoxidável é um aço de alta-liga com teores de cromo e de níquel

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O aço é actualmente a mais importante liga metálica, sendo empregue de forma intensiva em numerosas aplicações tais como máquinas,

ferramentas, em construção, etc . Entretanto, a sua utilização está

condicionada a determinadas aplicações devido a vantagens técnicas que oferecem outros materiais como o alumínio no transporte por sua maior leveza e na construção por sua maior resistência a corrosão, o cimento

(mesmo combinado com o aço) pela sua maior resistência ao fogo, e os

materiais cerâmicos em aplicações que necessitem de elevadas temperaturas.

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Na ciência dos materiais, dureza é a propriedade característica de um

material sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos.

Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da capacidade de um material "riscar ou penetrar" o outro,

Ductilidade: Propriedade que tem o material de sofrer deformação permanente por tração, sem que ocorra a sua ruptura

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Usinabilidade

Definição: De um modo geral, é o grau de

dificuldade de se usinar um determinado material. As propriedades do material que podem afetar

a usinabilidade de um material são:  Dureza

 Taxa de encruamento  Resistência a tração  Ductilidade

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Usinabilidade

Dureza / Resistência a tração



 Dificulta a usinabilidade

 Aumenta os esforços de corte

Ductilidade



 Melhora a usinabilidade

 Favorece a formação dos cavacos  Diminui os esforços de corte

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Usinabilidade

Condutividade térmica



 Melhora a usinabilidade

 Diminui o calor gerado na região de corte

Dentre os tipos de materiais mais usinados, os que têm maior condutividade térmica são:

1. Os alumínios

2. Os aços não ligados 3. Os aços ligados

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Usinabilidade

Dificulta a usinagem

 Dificulta a formação de cavacos  Aumenta os esforços de corte

 Tendências a formação de aresta postiça

Nota:

Quando metais são deformados plasticamente, eles aumentam sua resistência. A esse fenômeno dá-se o nome de encruamento.

Aços carbono tem baixa taxa de encruamento.

Aços inox. Auteníticos tem alta taxa de encruamento.

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Usinabilidade

Mas a usinabilidade não depende somente das

condições intrínsecas do material (fatores metalúrgicos) mas depende também de:

 Condições de usinagem

 Características da ferramenta  Condições de refrigeração

 Tipo de operação (corte intermitente ....)  Etc....

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Usinabilidade

É comum de se pensar no meio produtivo que a usinabilidade é uma propriedade intrinsecamente ligada à dureza do material da peça e à sua

resistência mecânica.

Assim, segundo este raciocínio, um material

mole é de boa usinabilidade e um material duro de baixa usinabilidade.

Verdadeiro ou falso ?

Falso

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Usinabilidade

Embora a dureza e a resistência mecânica sejam

fatores importantes de influência na usinabilidade de um material, outros fatores importantes também

devem ser levados em consideração como:  a quantidade de inclusões e aditivos para melhorar a usinabilidade.

 a quantidade de partículas duras.

 a micro estrutura.

 a tendência ao empastamento do cavaco na superfície de saída da ferramenta, etc...

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Usinabilidade

Por exemplo:

Comparando os dois aços inox. - Aço 303

- Aço 316

Mesma dureza

Porém o aço 303 tem maior usinabilidade que o 316 porque ele possui sulfeto de managanês que melhora a usinabilidade.

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Usinabilidade

O índice de usinabilidade (IU):

Um material pode ter um valor de usinabilidade baixo em certas condições de usinagem e um valor maior em outras condições por exemplo. É um valor numérico que serve de comparação. Assim comparando dois materiais, diremos que aquele que tiver um índice de usinabilidade

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Usinabilidade

Com relação aos critérios de usinabilidade

baseados na rugosidade, Pode-se dizer que o alumínio tem uma usinabilidade alta?

Em condições normais de usinagem, o cavaco formado é longo e o acabamento superficial obtido é

Insatisfatório.

Porém, bons acabamento superficiais podem ser

obtidos se a velocidade de corte for suficientemente alta e a geometria da ferramenta adequada.

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Comparação de tempo de vida de fresas

de topo na usinagem de um aço SAE 1045

40 0 200 300 400 100 20 60 80 100 120 TiCN TiAIN TiN Sem cobertura

Velocidade de corte (m/min)

T e m p o d e v id a -D is tâ n c ia (m ) 40 0 200 300 400 100 20 60 80 100 120 TiCN TiAIN TiN Sem cobertura

Velocidade de corte (m/min)

T e m p o d e v id a -D is tâ n c ia (m )

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Usinabilidade

Ensaio de usinabilidade:

Existem diversos métodos para medir a usinabilidade de um material.

O método mais aceito é um ensaio chamado de

longa duração, onde o material ensaiado e o material tomado como padrão, são usinados até o fim da vida da ferramenta ou até um determinado valor de

desgaste da ferramenta (VB ou KT). ) ( 20 ) . ( 20 padrão C ensaiado mat C

V

IU 

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Usinabilidade

Ensaio de usinabilidade:

Existem também os ensaios de curta duração que são utilizados para avaliar outros fatores como:

 Rugosidade

 Força de usinagem  Etc.

Nestes casos normalmente as condições de usinagem são forçadas para justamente para obter o resultado em pouco tempo de ensaio.

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Usinabilidade

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Usinabilidade

das ligas de Alumínio

O alumínio puro é muito fácil de se usinar mas quando ele é ligado a sua usinabilidade se torna baixa.

Por exemplo a liga de alumínio-silício contém

partículas de silício altamente abrasivas e desgastam rapidamente a ferramenta de metal duro.

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Usinabilidade

Importante saber que:

As propriedades mecânicas e térmicas do alumínio puro são fatores decisivos nas características de usinagem de suas ligas.

Você sabia que EAÇO = 3EAlumínio ?

Isto significa que, sob a mesma força de corte, o alumínio se deforma 3 vezes mais do que o aço. Condutibilidade do Al = 2 Aço

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Usinabilidade

Embora algumas ligas de alumínio apresentem uma

resistência equivalente à do aço com baixo carbono em temperatura ambiente, em temperaturas elevadas a sua resistência é bastante reduzida.

O alumínio tem uma elevada condutividade térmica o que faz com que boa parte do calor vai para a peça.

Isto favorece a usinabilidade destas ligas já que a elevação da temperatura é inherente ao processo.

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Usinabilidade

Propriedade positivo: alta condutividade térmica Melhora a usinabilidade.

Propriedade negativa: Baixa dureza

Favorece a formação da APC.

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Usinabilidade

Para que a liga seja um material de boa usinabilidade é

necessario ter uma dureza > 80 HB e a ferramenta deve ser bem afiada sem raio na aresta e com ângulo bastante positivo.

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Usinabilidade

Geometria típica de pastilha para torneamento de Ligas de alumínio.

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Usinabilidade de Ligas de Al.

O material de ferramenta típico para a usinagem de ligas de alumínio (com exceção das ligas de silício) é o metal duro de classe K sem cobertura.

- Temperaturas de corte baixos.

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Classes - Norma ISO

TiC + TaC Materiais de cavacos longos Elevada dureza a quente e resistência ao desgaste WC + Co Materiais de cavacos curtos Resistente ao mecanismo de cratera Faixa intermediária

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Usinabilidade de Ligas de Al.

A classe K é recomendada pois, as temperaturas de Corte são mais baixas e por isso, a formação do

Desgaste de cratera via procsso difusivo não é um Problema.

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Elementos de liga Influência na usinabilidade

Sn,Bi e Pb Atuam com lubrificante e como fragilizador do cavaco

Fe, Mn, Cr e Ni

Combinam entre si ou com o Al. e/ou com o Si para formarem partículas duras que favorecem a quebra do cavaco e que, em grande quantidade,

tem efeito abrasivo sobre a ferramenta.

Mg Em teores pequenos (cerca de 0.3%) aumenta a dureza do cavaco e diminua o coeficiente de atrito entre cavaco e ferramenta.

Si Aumenta a abrasividade da peça - a vida da ferramenta diminui com o aumento do tamanho da fase primário do silício

Cu Forma o intermetálico CuAl2 que fragiliza o cavaco. Zn Na exerce influência na usinabilidade.

Elementos de ligas e suas

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços  Dureza

 Microestrutura

 Presença de Inclusões

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço  Dureza

O fator que prodominantemente afeta a usinabilidade é sem dúvida a dureza.

Aços com baixo carbono - baixa dureza

- alta dutilidade

- tendência a APC

Má usinabilidade (afeta vida e acb)

Aços com elevado carbono - dureza aumentada

- dutilidade diminuida

- não há tendência a APC Usinabilidade melhorada

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço  Dureza

200 HB é um bom valor referencial em termo de dureza.

No entanto

Dureza > 200HB

 Aumenta os esforços de corte  Aumenta o desgaste via

abrasão e difusão

Dureza < 200 HB

 Aumenta a dutilidade  Tendências APC

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço  Microestrutura

A variação da microestrutura ocasionada pelo tratamento Térmico afeta a usinabilidade.

Cementita =

Ferrita + Perlíta.

É uma fase

extremamente abrasiva

.

Martensita =

Carboneto de ferro que se forma na têmpera do aço. (O nome provém de Adolf Martens, engenheiro alemão [1850-1914].)

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço  Microestrutura

1. Quando o material tem uma microestrutura

predominantemente martensitica que é extremamente dura, a vida da ferramenta é reduzida.

2. Quando o teor de cementita que é uma fase

extremamente abrasiva, pois é cheio de carbonetos que são partículas extremamente duras, a vida da ferramenta também é reduzida.

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aço  Presença de Inclusões

São partículas duras presentes no material (óxidos de ferro, Mn, Si etc.).

- Macro inclusões:

Presentes em aços de baixa qualidade. São geradas durante a fabricação no forno. São indesejáveis.

- Micro inclusões:

Presentes em todos os aços.

São desejáveis quando ajudam na remoção rápida do material e na formação do cavaco curto, que retarda o desgaste da ferramenta.

São indesejáveis quando são duras e abrasivas provocando o desgaste rápido da ferramenta.

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Usinabilidade

Fatores que afetam a usinabilidade dos Aços  Presença de elementos de liga

- Alguns elementos de liga têm efeito positivo na usinabilidade Chumbo, Fósforo, Enxofre.

- Alguns outros têm efeito negativo na usinabilidade (duros e abrasivos)

Vanádio, Molibdênio, Tungstênio, Manganês, Níquel, Cobalto, Cromo etc

- O carbono quando presente em teor entre 0.3 e 0.6% tende a melhorar a usinabilidade.

Quando C< 0.3%: material dúctil, formação APC+dificuldade de quebra do cavaco Quando C> 0.6: material duro e abrasivo, desgaste rápido da ferramenta.

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Usinabilidade

AÇO INOX.

Três classes: _{ Ferrítico}(cromo principal elemento)

 Austenítico (série 300) (presença da austenita a Temp. ambiente faz que tem maior deformabilidade podendo ser conformado a frio e a quente )

 Martensítico (400) (presença da austenita a Temp > 723°C)

São ligas ferrosas que possuem um mínimo de 12% Cr para aumentar a resistência à corosão.

Eles contém também outros elementos de liga como o Ni, Cu, Al,Si e Mo.

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Usinabilidade

AÇO INOX. Características Aço Martensítico Muito duro

- Alto teor de carbono

- Formação de partículas duras e abrasivos de

carbonetos de cromo - Gera elevado esforços

de corte

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Usinabilidade

AÇO INOX.

Características

Aço Austenítico

Não muito duro

- Alta taxa de encruamento - Grande zona de

platsicidade

- Formação de cavacos longos que tendem a empastar sobre a

superfície de saída - Formação da APC

Aço Austenítico

- Baixa cond. Térmica(retem calor na região de corte)

- Alta coeficiente de atrito

(aumenta esforços de corte)

- Alta coeficiente de

dilatação térmica (dificuldade de obtenção de tolerâncias apertadas)

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Usinabilidade

AÇO INOX.

Aços inox. normalmente têm uma usinabilidde baixa.

No entanto a usibilidade pode ser melhorada adicionando elementos de liga como o Manganês e o Enxofre que

combatem o encruamento do material durante a usinagem

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Usinabilidade

Indicações gerais sobre condições de usinagem para o torneamento de aços inox. Austeníticos

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Estudo de caso

Influência da Microestrutura na Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis AISI 630 com e sem Adição de Cálcio

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Estudo de caso

Motivação

 Redução de custo de fabricação

- Maior taxa de remoção de material - Maior vida útil da ferramenta

Nota: Sem acarretar prejuízo nas propriedades mecânicas.

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Estudo de caso

A adição de cálcio provoca uma modificação da natureza e

da morfologia das inclusões e é uma técnica já conhecida pelas aciarias modernas.

O cálcio é adicionado geralmente em forma de fios de Ca-Si

durante o refino do aço líquido, transformando as

inclusões de alumina em aluminatos de cálcio.

Enquanto as inclusões de alumina são duras e abrasivas, com ponto de fusão de 2045oC, compostos do sistema

SiO₂-CaO-Al₂O₃, apresentam ponto de fusão bem mais

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Estudo de caso

A formação de tais compostos gera inclusões globulares, geralmente envolvida por uma camada de sulfetos de cálcio e de manganês e conferem melhoria de

usinabilidade, principalmente a altas velocidades de

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Estudo de caso

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização dos ensaios de usinabilidade foi utilizado

um torno CNC de 5,6 kW de potência e rotação máxima

de 4000 rpm. A ferramenta de corte utilizada foi um

inserto de metal duro, intercambiável, ISO

WNMG-06T308-TF-IC907, com cobertura PVD de TiAlN, comprimento da aresta de corte de 6,52 mm, espessura de 3,9 mm;raio de ponta de 0,8 mm e ângulo de saída de 13°. Porta ferramenta ISO PWLNR 20X20-K-08, ângulo de posição 90° e ângulo de folga 6°.

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Estudo de caso

2 A rugosidade da peça usinada foi medida com um rugosímetro Taylor/Robson “Surtronic 3”, digital de 0,01µm e o desgaste da ferramenta foi medido com o auxílio de um microscópio.

Os materiais ensaiados foram os aços inoxidáveis AISI 630 convencional e modificado com adição de cálcio (AISI 630UF), não endurecidos, ambos com dureza aproximada de 33 HRC, com as principais composições químicas apresentadas na tabela 1.

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Estudo de caso

Aço C Cr Ni Cu Ca P S

AISI 630 0.07 16 4.6 3.6 0.001 0.019 0.007 AISI 630 UF 0.07 16 4.5 3.4 0.003 0.016 0.022

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2 Parâmetros de corte

3 Vc = 250 m/min, ap = 1,0 mm, avanço f = 0,25 mm.

4 Em cada caso, após duas passadas da ferramenta ao longo da peça, foi retirada a pastilha para avaliação e medição do desgaste máximo de flanco (VB_Bmáx) e da rugosidade.

2 Como critério de fim de vida foi adotado VB_Bmáx = 0,3 mm ou tempo de corte = 25 minutos, prevalecendo o que ocorresse primeiro, ou seja, os ensaios eram finalizados quando ocorresse qualquer um dos casos, salvo acidentes de percurso como trincas ou lascamento da pastilha, os quais finalizaram automaticamente o ensaio.

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RESULTADOS

Os resultados serão apresentados em dois subtítulos:

- a usinabilidade dos aços em relação ao desgaste da ferramenta de corte e acabamento superficial.

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Até o fim de vida da aresta de corte , preestabelecida em VB=0.30 mm, o aço modificado proporcionou um aumento de produtividade de 15 a 20%.

Desgaste x Lc - Vc=250 m/min 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 00:05:25 00:06:20 00:07:11 00:07:58 00:08:41 Tempo (min) V B m á x ( m m ) 630 UF 630 Com

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O acabamento superficial do aço modificado foi cerca de 30% melhor.

Rugosidade x Lc - Corte a Seco, Vc=250 m/minn

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 308 594 859 1102 Comprimento de Corte - Lc (m) R a ( m ic ro n ) 630 UF Vc=250 m/min 630 CON Vc=250 m/min

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Microestrutura do aço convencional

Microestrutura do aço modificado

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1 Após usinagem, não houve alteração nas propriedades mecânicas dos 2 materiais que pudesse ser atribuída a presença de Calcio e Enxofre.

2 A melhoria da usinabilidade observada no aço modificado foi promovida pela presença de um maior número de inclusões bem próximas entre elas e que contribuiram para a propagação das microfissuras responsáveis pela quebra do cavaco.

Conclusões do Estudo

3 A formação de cavacos descontínuos (curtos) no aço modificado, proporcionou um menor desgaste da ferramenta e contribui para a melhoria do acabamento superficial (rugosidade).

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Usinabilidade do Ferro

Fundido

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Usinabilidade do Ferro

Fundido

Ferros fundidos são ligas ferro-carbono

com porcentagem de carbono entre

2 e 4%, contendo ainda outros elementos

de liga como o silício, o manganês,

o fósforo e o enxofre, além do níquel,

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Usinabilidade do Ferro

Fundido

Principais propriedades:

 Boa rigidez  Resistência à compressão  Baixo ponto de fusão

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Usinabilidade dos Diversos

Tipos de Ferro Fundido

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cinzento Maleável Nodular Branco