Aula 3 - Ferros Fundidos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE ESCOLA DE ENGENHARIA

PROCESSOS METALÚRGICOS

Ferros Fundidos

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Metals Handbook

Classificação das

Ligas não ferrosas

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3

• Mais de 90% dos materiais metálicos empregados no mundo

correspondem a ligas ferrosas

• Grande variedade de microestruturas e propriedades

• Correspondem basicamente a duas categorias de materiais do

sistema ferro-carbono: os aços e os ferros fundidos.

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4

• Contêm 0,05 – 2,0 % C, podem distinguir-se quanto à sua

composição: aços ao carbono, aços de baixa liga (menor que

5%) e aços de alta liga.

• Aços ligados: quantidades significativas de um ou mais

elementos de liga (Mn, Mo, Cr, V, W) cujo objetivo é a

obtenção de características especiais.

• Ligas Binárias:

microestruturas – Diagrama Fe-C

% C (em peso) 0,008

Fe puro

2,03 6,67

aço

ferro fundido

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• Ferros fundidos são ligas de ferro e carbono, e normalmente

silício, com teores de C acima de 2,11%.

• A maioria dos ferros fundidos comerciais apresentam

teores de carbono até 4,5%.

• O silício está quase sempre presente, e contém outros

elementos, residuais de processo ou propositalmente

adicionados.

• Normalmente produzidos a partir do ferro-gusa refundido e

sucatas com processos específicos para reduzir teores de

elementos indesejáveis como fósforo e enxofre.

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• Peças de geometria complicada

• Peças onde a deformação plástica é inadmissível

• Resistência ao desgaste

• Isolamento de vibrações

• Componentes de grandes dimensões

06.04.2016

Vantagens Desvantagens

Baixo ponto de fusão (quando comparado aos aços)

Normalmente frágil

Versatilidade de propriedades e aplicações Domínio elástico não-linear Elevada dureza Baixa soldabilidade

Boa resistência à corrosão Usinagem

Boa resistência ao desgaste Deformação plástica impossível à temperatura ambiente

Baixa ductilidade

Ferros Fundidos

Aplicações

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• O forno cubilô

• ferro-gusa, sucata de aço e de ferro

fundido,

calcário

(para

separar

as

impurezas), ferro-silício, ferro-manganês

e coque, como combustível.

• Ele funciona sob o princípio da

contra-corrente (como o alto-forno), ou seja, a

carga metálica e o coque descem e os

gases sobem, O metal fundido

deposita-se no fundo, onde é escoado pela bica (

uma calha de vazamento ).

• Forno elétrico

• Forno por indução

Obtenção

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Obtenção

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06.04.2016

Energia - Absorção

de Vibrações

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• Austenita: ferro gama, estável acima de 727°C. Possui

estrutura cristalina CFC, boa resistência mecânica e

apreciável tenacidade.

• Ferrita: ferro alfa, CCC, possui baixa dureza e baixa

resistência à tração, mas excelente resistência ao

impacto e elevado alongamento

.

Microconstituintes

Aços e FoFos

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24

• Cementita: carboneto de ferro (Fe

₃

C), apresenta

estrutura cristalina ortorrômbica. É um constituinte

muito duro e frágil.

• Perlita: agregado lamelar de ferrita e cementita.

Constituinte eutetóide dos aços. Possui propriedades

intermediárias entre a ferrita e a cementita.

• Ledeburita: constituinte eutético dos fofo brancos.

Glóbulos de perlita + matriz de cementita. Bastante

duro e frágil.

Microconstituintes

Aços e FoFos

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25

• Martensita: Obtida por TT. Estrutura cristalina

tetragonal

de

CC.

Formada

por

mecanismo

cisalhamento. Elevada Dureza

• Bainita: Obtida por TT.

- Superior: Abaixo da temperatura de formação da

perlita. Dureza relativamente baixa (40-45 HRC)

- Inferior: Próximo a temperatura de formação da

martensita. Dureza elevada (aprox. dureza da

martensita 50-60 HRC)

Microconstituintes

Aços e FoFos

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

Fofos são as ligas do sistema

Fe-C

nas quais o conteúdo de

C

excede o

limite de solubilidade da

austenita

na

temperatura do eutético (

2,11%C

)

.



A maioria dos ferros fundidos

contém no mínimo 2% de C, mais Si

(entre 1 e 3%) e S, podendo ou não

haver outros elementos de liga.



Nesta faixa de concentrações, a

temperatura

de

fusão

é

substancialmente mais baixa do que

a dos aços. Isto facilita o processo

de fundição e moldagem.



Suas

propriedades

mudam

radicalmente

em

função

da

concentração

de

C

e

outras

impurezas

(Si, Mg e Ce) e do

tratamento térmico.

Fonte:http://www.mspc.eng.br/ciemat/aco5.asp

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• Tipos:

– Ferro Fundido Branco

– Ferro Fundido Cinzento

– Fratura tem coloração cinza escura – Presença de grafita livre

– Ferro Fundido Dúctil ou Nodular

– Grafita nodular devido à ação do Mg, Ce...

– Ferro Fundido Vermicular

– Ferro Fundido Maleável

– Obtido após tratamento de maleabilização do ferro fundido branco – Grafita na forma de nódulos

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O sistema de classificação dos ferro fundidos varia em função da

morfologia da grafita e da composição química:

Tipo C Si Mn P S Branco 1,8 - 3,6 % 0,5 - 1,9 % 0,25 - 0,8 % 0,06 - 0,2 % 0,06 - 0,2 % Cinzento 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,002 - 1,0 % 0,02 - 0,25 % Nodular ou Dúctil 3,0 - 4,0 % 1,8 - 2,8 % 0,1 - 1,0 % 0,01 - 0,1 % 0,01 - 0,03 % Vermicular ou Grafítico compacto 2,5 - 4,0 % 1,0 - 3,0 % 0,2 - 1,0 % 0,01 - 0,1% 0,01 - 0,03 % Maleável 2,2 - 2,9% 0,9 - 1,9 % 0,15 - 1,2 % 0,02 - 0,2 % 0,02 - 0,2% Fonte:www.infomet.com.br

Ferros Fundidos

Classificação

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• Não possui grafita livre em sua

microestrutura. Neste caso o carbono

encontra-se combinado com o ferro,

resultando em elevada dureza e elevada

resistência a abrasão.

• Praticamente não pode ser usinado. A

peça deve ser fundida diretamente em

suas formas finais ou muito próximo

delas, a fim de que possa ser usinada por

processos de abrasão com pouca

remoção de material.

• É utilizado na fabricação de

equipamentos para a moagem de

minérios, pás de escavadeiras e outros

componentes similares.

Perlita

Cementita

Ferros Fundidos

Branco

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

Para ferros fundidos com

concentrações de Si abaixo de 1%

a elevada taxa de resfriamento

impede a formação de grafita e

quase todo o

C

fica na forma de

cementita

, resultando no

ferro

fundido branco

.



A superfície de fratura tem

aparência esbranquiçada.



Muito duro e muito frágil, sendo

praticamente impossível de

usinar.



Muito resistente a abrasão.



Empregado como cilindro de

laminação.

Longos cristais de cementita sobre um fundo de perlita.

Ferros Fundidos

Branco

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Ferros Fundidos Brancos:

Tipos:

Hipoeutéticos  < 4,3%C (mais utilizados) Eutéticos  = 4,3%C

Hipereutéticos  >4,3%C

Microestruturas: - Hipoeutéticos:

Ferro fundido branco Hipoeutético.

Dendritas de perlita, áreas pontilhadas de ledeburita, áreas brancas de cementita

Ferros Fundidos

Branco Coquilhado

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Ferros Fundidos Brancos:

- Hipereutéticos:

Obs.: notar então a fragilidade dos ferros fundidos brancos devido a grande

quantidade de cementita livre!

Aplicações  Peças ou componentes que necessitem apresentar alta resistência ao desgaste, com pouca ou nenhuma

resistência à tração, torção e ductilidade.

Ferro Fundido branco hipereutético: Cristais alongados de cementita sobre um fundo de ledeburita

Ferros Fundidos

Branco

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Ferros Fundidos

Branco Coquilhado

Suas propriedades básicas são: elevadas dureza e resistência ao desgaste, o que em conseqüência, os tornam difíceis de usinar, mesmo com os melhores materiais de corte

Na produção dos fofos brancos tem-se a adição de alguns elementos de liga: níquel, cromo e molibidênio -estes em combinação, dão resistência ao desgaste e a corrosão –que buscam evitar a grafitização.

Principais aplicações: Cilindros de laminação, rodas de vagões, peças empregadas em equipamentos para britamento de minério e moagem de cimento.

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• Normalmente ligas Fe-C-Si.

• Imediatamente antes do

vazamento o silício é

adicionado ao ferro líquido

para provocar a formação da

grafita na forma de veios,

em um processo conhecido

como inoculação.

Perlita Ferrita Grafita

Ferros Fundidos

Cinzento

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Grafite em forma de veios cercados por ferrita/perlita.

 O nome vem da cor típica de uma

superfície de fratura (fraco e quebradiço sob tração).

 Os veios funcionam como pontos de

concentração de tensão e iniciam fratura sob tração.

 Mais resistente e dúctil sob compressão.

 Ótimo amortecedor de vibrações.

 Resistente ao desgaste, baixa viscosidade quando fundidos, permitindo moldar peças complexas.

 Mais barato de todos os materiais metálicos.

 Utilizado na fabricação de panelas,

pistões, cilindros, discos de embreagem...

Ferro fundido cinzento apresentando perlita, ferrita e veios de grafita.

Ferros Fndidos

Branco Coquilhado

Ferros Fundidos

Cinzento

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Ferros Fundidos

Cinzento

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE ESCOLA DE ENGENHARIA PROCESSOS METALÚRGICOS

Ferros Fundidos

Cinzento

Principais Aplicações:

• Anéis de pistão, • produtos sanitários,

• tampas de poços de inspeção, • tubos, conexões, carcaças de

compressores,

• rotores, pistões hidráulicos, • engrenagens,

• eixos de comandos de válvulas, • virabrequins,

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• O carbono (grafita) está livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal resultando em uma ductilidade superior ao cinzento.

• A presença das esferas ou nódulos de grafita mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional.

• Custo: ligeiramente maior que o ferro fundido cinzento, devido às estreitas faixas de composição química.

• Antes do vazamento são efetuados os tratamentos de inoculação e nodularização através da adição de Mg, Ce ou terras raras para promover a esferoidização da grafita.

– Mg no fundo da panela: reação violenta. O Mg retarda a formação da grafita, proporcionando um crescimento à partir da cementita.

– Logo após adiciona-se Si.

• Utilização:

– confecção de peças que necessitem de maior resistência a impacto em relação aos ferros fundidos cinzentos, além de maior resistência à tração e resistência ao escoamento, característica que os ferros fundidos cinzentos comuns não possuem à temperatura ambiente.

Ferros Fundidos

Ductil - Nodular

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• Para obter a melhor combinação de

resistência mecânica, alta ductilidade

e tenacidade, as matérias primas

devem

ter

baixos

teores

de

contaminantes.

• É nodular devido à ação do magnésio,

em aproximadamente 0,04%, como

modificador da grafita.

• Composição química típica:

– C: 3,4-4% – Si : 2-3% – Mn: 0,1-0,8% – P <0,01% – S <0,02% – Mg: 0,04-0,06% Ferrita Grafita

Ferros Fundidos

Ductil - Nodular

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

A adição de Mg ou Ce ao Fe

Cinzento faz com que o

grafite se

forme em nódulos esféricos

e

não em veios.



Esta microestrutura leva a

muito

maior

ductilidade

e

resistência, se aproximando das

propriedades dos aços.



Esta microestrutura lembra a

de

um

material

compósito.

Neste caso, o grafite em nódulos

dá resistência e a matriz de

perlita ou ferrita dá ductilidade.



Usado em válvulas, corpos de

bombas, engrenagens,...

Ferro fundido nodular perlítico: perlita, ferrita e nódulos de grafita.

Ferros Fundidos

Ductil - Nodular

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Ferros Fundidos

Ductil - Nodular

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• Caracterizado pelo fato da grafita

apresentar-se em “escamas”, ou seja,

com a forma de plaquetas ou estrias,

motivo pelo qual tem sido também

designado por “quasi-escama”.

• É um produto que, como o FoFo

nodular, exige adição de elementos

especiais como terras raras, com um

elemento adicional, como o titânio,

que reduz a formação de grafita

esferoidal.

• Considerado um FoFo intermediário

entre o cinzento e o nodular.

Ferros Fundidos

Vermicular

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

Possui melhor resistência mecânica, tenacidade, ductilidade, menor

oxidação a temperaturas elevadas e melhor acabamento por usinagem

que o ferro fundido cinzento.



Possui maior condutibilidade térmica

, maior resistência ao choque

térmico, maior capacidade de amortecimento e melhor fundibilidade.



Aplicações típicas: base para grandes motores a diesel, alojamentos de

caixas de engrenagens, suportes de rolamentos, rodas dentadas para

correntes articuladas, engrenagens excêntricas, moldes para lingotes,

coletores de descarga de motores e discos de freio.

Ferros Fundidos

Vermicular

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• Processo de produção:

– Obtido por tratamento térmico

de maleabilização em altas

temperaturas por longos

tempos à partir de um ferro

fundido branco.

• Propriedades mecânicas:

– Ficam entre as do nodular e do

cinzento;

– Média resistência mecânica à

tração, média ductilidade (para

um fofo que possui em geral

muito baixa ductilidade) e

resiliência

, boa resistência à

compressão.

Ferros Fundidos

Maleável

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

O ferro fundido maleável é obtido a partir

do branco. Se reaquecido a »800°C por

dezenas de

horas (em atmosfera neutra

para evitar

oxidação) a cementita se

decompõe formando grafita na forma de

cachos ou

rosetas circundadas por uma

matriz de ferrita ou de perlita, dependendo

da taxa de resfriamento.



Microestrutura similar a um ferro fundido

nodular - que explica a relativamente alta

resistência mecânica e boa ductilidade

(maleabilidade).



Aplicações:

hastes

de

conexão,

engrenagens de transmissão, conexões de

tubos e partes de válvulas para linha férrea,

marinha e outros.

Ferro fundido maleável mostrando ferrita e nódulos esboroados de grafita