Tópico 1. Os Ferros Fundidos
Um dos melhores exemplos de modificações produzidas por tratamentos térmicos (1) na microestrutura das ligas metálicas são os ferros fundidos. De maneira genérica os ferros fundidos são definidos como uma classe de ligas ferrosas Fe-Si-C com teores de carbono acima de 2,11%p. O silício é proveniente, em geral, da própria matéria-prima e fica retido no ferro durante o processo. Classificam-se os ferros fundidos comerciais como aqueles materiais com teores de carbono no intervalo (3,0-4,5)%p de carbono (C) e com outros elementos de liga presentes. O diagrama de fases , apresentado na Figura 9.n, mostra que as ligas dentro dessa faixa de composições apresentam ponto de fusão relativamente baixo ( 1200°C).
Como foi observado no Tópico 9.7, a cementita é um composto metaestável que, sob certas circunstâncias especiais, se decompõe em ferrita e grafita:
(9.3)
No diagrama de equilíbrio da Figura 9.n para o ferro e o carbono, a abscissa se estende até 100%p . O diagrama de fases , apresentado na Figura 9.f, e o diagrama de equilíbrio completo para o ferro e o carbono Figura 9.n, são virtualmente idênticos no lado rico em ferro.
A formação da grafita nos ferros fundidos é regulada pela composição e pela taxa de resfriamento. Concentrações de silício (Si) maiores que, aproximadamente, 1%p promovem a grafitização (formação da grafita). Taxas de resfriamento muito baixas durante a solidificação também favorecem a formação da grafita.
Se a grafita é a única fase rica em carbono que se forma, as fases obtidas são as descritas pelas linhas tracejadas no diagrama da Figura 9.o. Esta compara esquematicamente as várias microestruturas do ferro fundido obtidas pela variação da composição e do tratamento térmico. Por outro lado, poderá ocorrer a formação de se a liga for resfriada mais rapidamente. Se as velocidades de resfriamento forem tais que a grafita se forma apenas em temperaturas mais altas, o diagrama de equilíbrio para o ferro e o carbono e o diagrama de fases devem ser usados
Os tipos mais comuns de ferros fundidos são os ferros fundidos cinzento, nodular (ou dúctil),
branco e maleável.
Figura 9.n - Diagrama de equilíbrio completo para o ferro e o carbono.
Figura 9.o - As várias microestruturas do ferro fundido obtidas pela variação da composição e do tratamento térmico.
Tópico 2. Ferro Fundido Cinzento
Para os ferros fundidos cinzentos os teores de carbono variam entre 2,5 e 4,0%p, e os teores de silício variam entre 1,0 e 3,0%p. Um ferro fundido com um alto teor de silício ( 2%p Si) sofre grafitização tão imediatamente que a cementita ( ) nunca se forma. Durante a solidificação surgem lamelas ou flocos de grafita no metal. Para a maioria dos ferros fundidos, a grafita existe na forma de flocos, que são normalmente circundados por uma matriz de ferrita ou de perlita. Durante a fratura, a trinca se propaga de uma lamela para outra, devido a pouca resistência da grafita; o nome ferro fundido cinzento advém da aparência acinzentada da superfície de fratura. Na temperatura eutetóide, a austenita se transformará em perlita e a estrutura resultante, com veios de grafita em uma matriz perlítica, será denominada ferro fundido cinzento perlítico. Se a velocidade de resfriamento for extremamente lenta ao passar pela temperatura eutetóide, a austenita se transformará em grafita e ferrita, e a estrutura, com veios de grafita em uma matriz ferrítica, será denominada ferro fundido cinzento ferrítico. No entanto, usualmente prevalecem as velocidades de resfriamento intermediárias, das quais resultam as microestruturas híbridas. Um exemplo disso ocorre nos ferros fundidos cinzentos, resfriados a uma velocidade entre “moderada” e “baixa”. A perlita se decompõe apenas parcialmente e a estrutura resultante é uma matriz perlítica, com veios de grafita envolvidos por ferrita. Essa microestrutura está mostrada esquematicamente na Figura 9.p.
O ferro fundido cinzento é comparativamente fraco e frágil, com ductilidade quase desprezível, quando submetido à tração, pois as extremidades das lamelas ou flocos de grafita são afiadas e pontiagudas, e podem servir como pontos de concentração de tensões quando uma tensão de tração externa é aplicada. Mas os ferros cinzentos são eficientes no amortecimento de energia vibracional, sendo indicados para aplicações expostas a vibrações, tais como as estruturas de base para máquinas e equipamentos pesados. O efeito do amortecimento vibracional para o aço e o ferro cinzento é apresentado de forma qualitativa na animação da Figura 9.q.
Figura 9.p - Microestrutura esquemática do ferro fundido cinzento perlítico comercial. A decomposição parcial da perlita adjacente aos flocos de grafita produz regiões de ferrita circundando os flocos de perlita.·.
Figura 9.q - Animação qualitativa comparando o efeito do amortecimento para o aço e o ferro fundido cinzento.
3 - Propriedades dos ferros fundidos cinzentos
As propriedades desses materiais dependem dos seguintes fatores: - microestrutura
- composição química - secção do material
Na microestrutura, a presença de carbono livre ou grafita é o fator microestrutural predominante porque maior sua quantidade, mais mole e menos resistente será o material. Além disso, a forma da grafita, a dimensão dos veios e a sua distribuição afetam igualmente as propriedades.
Por outro lado, a matriz metálica dos ferros fundidos cinzentos contém ferrita e perlita; se a ferrita predominar, a usinabilidade do material é melhor, mas sua resistência mecânica e sua resistência ao desgaste são prejudicadas. Se a perlita for o constituinte predominante na matriz metálica, os ferros fundidos cinzentos correspondentes apresentarão melhor resistência mecânica. Uma matriz metálica contendo ferrita e perlita em proporções praticamente idênticas proporcionará ao material dureza e resistência mecânica intermediárias.
A introdução de elementos de liga e ou a aplicação de tratamentos térmicos modificam a microestrutura da matriz metálica, podendo dar origem à perlita fina ou a uma matriz acicular, típica da martensita, afetando, é claro, de modo positivo as propriedades mecânicas.
No que diz respeito à composição química, os elementos básicos que influem nas propriedades mecânicas são o carbono e o silício e, em menor extensão, o
fósforo. Desses três elementos, o silício é o mais importante, pois, como se viu, é ele o principal responsável pela formação de grafita. O silício melhora ainda a resistência à corrosão e à oxidação a temperaturas elevadas do material.
O efeito simultâneo do carbono, silício e fósforo é representado por uma fórmula já apresentada, a qual define o “carbono equivalente”.
C equivalente = % Ct + % Si /3+ % P/3
Essa equação indica que, na base de porcentagem em peso, os teores de silício e fósforo do ferro fundido cinzento afetam as propriedades mecânicas, do mesmo modo que seu carbono total, porém, somente de um terço.
A figura 223 mostra uma relação típica entre o carbono equivalente e a resistência à tração de barras de ferro fundido cinzento de 30 mm de diâmetro.
O fósforo deve ser mantido o mais baixo possível, dentro das características dessas ligas.
Fig. 223 – Relação típica entre carbono equivalente e a resistência à tração de barra de 30 mm de diâmetro de ferro fundido cinzento.
O enxofre deve ser controlado de modo a evitar-se a formação de FeS. Como no caso dos aços, esse controle é feito pela adição de manganês em quantidade suficiente para promover a formação de MnS, em vez de FeS. Para isso, o teor de Mn deve ser, geralmente, 1,7 vezes o teor de S, mais 0,12% Mn.
A adição de elementos de liga será considerada mais adiante.
A secção das peças é outro fator significativo a influenciar as propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos. Isso devido ao efeito da velocidade de resfriamento, a qual, se lenta, proporciona maior quantidade de carbono livre ou grafita e, se rápida, pode levar à formação de ferro fundido branco ou mesclado, com apreciáveis variações nas
propriedades mecânicas, principalmente dureza e resistência ao desgaste. Assim, em peças com secções muito espessas, fundidas em moldes de areia, por exemplo, há tendência de formar-se muita grafita e peças de secções mais finas, mesmo se fundidas em moldes de areia, podem apresentar menos grafita, cuja quantidade diminui ainda mais se os moldes forem metálicos.
Finalmente, peças fundidas de secções variadas podem apresentar diferenças na
metálica, a qual pode apresentar durezas diferentes nas áreas entre as secções finas e as secções espessas.
Em resumo, devido ao efeito dimensional, as propriedades mecânicas – a resistência à tração em particular – de uma peça de ferro fundido cinzento de análise determinada dependerá do tipo de material do molde e das dimensões das secções.
O conceito de carbono equivalente também pode ser aplicado na variação dimensional. A figura 224 relaciona a espessura da secção e a resistência à tração com o carbono equivalente, podendo-se notar que os ferros fundidos cinzentos com baixo carbono equivalente são menos sensíveis a variações dimensionais que os de carbono equivalente mais elevado.
Fig 224 – Efeito do carbono equivalente na resistência à tração do ferro fundido cinzento em função da espessura da secção.
A Tabela 162, já mostrada, indica o efeito da secção sobre os valores de limite de resistência à tração, dureza e resistência à flexão estática.
A Tabela 165 representa as propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos de acordo com a norma DIN (Os valores de resistência à tração apresentados correspondem a corpos de prova de 30 mm de diâmetro ou secção de peça de aproximadamente 15 mm. Para secções menores, a resistência à tração é maior, devido à maior quantidade de perlita presente. Para secções maiores, devido à maior quantidade de ferrita presente, a
resistência e a dureza são menores. Como os ferros fundidos cinzentos são materiais muito pouco dúcteis, o alongamento é insignificante, geralmente menor que 1% e esse
característico não é determinado).
Como se pode observar pelo exame das Tabelas 164 e 165 e inclusive da tabela 162 relativa às normas brasileiras, em princípio, as propriedades fundamentais dos ferros fundidos cinzentos são a resistência à tração, resistência à compressão e dureza.
A resistência à tração é a mais importante e o próprio agrupamento dos ferros fundidos em classes por diversas normas é feito com base nos valores de limite de resistência à tração.
A dureza varia, nos ferros fundidos em geral, desde os valores correspondentes a 100 Brinell para os ferros fundidos cinzentos ou de grande usinabilidade até 600 Brinell para ferros fundidos coquilhados. A interpretação das determinações de dureza pode levar a julgamentos errôneos sobre a qualidade do material, em face da presença de grande quantidade de grafita que se esmaga com facilidade. Para ferros fundidos com dureza Brinell até 500 recomenda-se o uso do processo Brinell com esfera de 10 mm e carga de 3000 Kg; quando a dureza é superior a 500, recomenda-se o método Rockwell, escala C. Como no caso dos aços, seria muito útil estabelecer-se uma relação entre a dureza e a resistência à tração dos ferros fundidos, visto que os ensaios de dureza são mais fáceis e rápidos, além de não serem destrutivos. Contudo, devido às variações de quantidade e forma dos veios de grafita, essa relação apresenta-se numa faixa muito extensa.
MACKENZIE estabeleceu relações entre dureza e resistência à tração para ferro fundido cinzento (Fig. 225). As relações para ferro dúctil, ferro maleável e aço também estão indicados na figura 225.
Fig. 225 – Relações entre resistência à tração e dureza para ferro fundido cinzento, ferro maleável, ferro nodular e aço.
Enquanto o aço apresenta uma relação fixa de resistência à tração para a dureza Brinell de aproximadamente 500 para 1 e os ferros dúcteis e maleáveis de
aproximadamente 400 para 1, os ferros fundidos cinzentos mostram uma considerável variação, além de exibir amplos limites.
O módulo de elasticidade dos ferros fundidos não é uma constante, o que significa que esses materiais não obedecem à lei de Hooke – proporcionalidade entre tensão e deformação. Determina-se esse valor arbitrariamente, como sendo a inclinação da linha que une o ponto de origem da curva tensão-deformação e o ponto correspondente a ¼ do limite de resistência à tração. O módulo de
elasticidade dos ferros fundidos, assim determinado, varia de 7500 a 15500 kgf/mm2 (73575 a 152055 MPa), dependendo, pois, do limite de resistência à tração do material e do volume, forma e distribuição da grafita.
Outra propriedade que se costuma controlar é a resistência à ruptura transversal. No ensaio correspondente, os dados obtidos são a carga no centro em kgf e a flexa correspondente no centro em mm. Geralmente, o valor dessa propriedade aumenta à medida que aumenta a resistência à tração, ao passo que a flexa diminui, sem que haja correlação exata entre essas duas propriedades.
A resistência à compressão é considerada de importância comercial. O valor da resistência à compressão é de 3 a 4,5 vezes superior ao da resistência à tração. Varia, nos ferros cinzentos, de cerca de 50 kgf/mm2 (490 MPa) para cerca de 140 kgf/mm2 (1380 MPa).
O limite de fadiga varia aparentemente de modo linear, em relação à resistência à tração, na proporção de 0,40 a 0,45. Assim, os ferros fundidos cinzentos comuns apresentarão limites de fadiga entre cerca de 6 kgf/mm2 (60 MPa) para cerca de 17,5 kgf/mm2 (175 MPa), adotado, nesses casos, o ensaio de fadiga
correspondente a tensões de dobramento em ciclos totalmente reversíveis. As propriedades de resistência à tração e limite de fadiga são afetadas pela elevação da temperatura.
A figura 226 (310) mostra o caso particular do limite de fadiga, num ensaio realizado num ferro fundido cinzento ligeiramente ligado. Verifica-se a queda abrupta da propriedade a partir da temperatura de aproximadamente 420°C. Essa queda é particularmente importante quando se considerar que muitas peças de ferro fundido têm aplicações importantes em condições de tensões cíclicas e temperaturas elevadas.
Fig. 226 – Efeito da temperatura no comportamento à fadiga num ferro fundido com 2,84% C, 1,50% Si, 1,05% Mn, 0,07% P, 0,12% S, 0,31% Cr, 0,20% Ni e 0,37% Cu.
A resistência ao choque foi considerada, durante muito tempo, uma propriedade secundária, por ser o ferro fundido cinzento comum um material frágil. Os tipos mais modernos, entretanto, mostram valores relativamente altos para essa
propriedade. Assim é que ferros fundidos convenientemente ligados (com Ni e Mo, por exemplo, em baixos teores), apresentando valores para limite de resistência ao choque variando de 7 kgf a 14 kgf (68,7 a 137,3 J)(308).
Uma propriedade típica dos ferros fundidos cinzentos é sua capacidade de
amortecimento. Define-se “capacidade de amortecimento” como “habilidade de um metal absorver vibrações, resultantes de tensões cíclicas, por fricção interna, transformando a energia mecânica em calor”. O ensaio usual, devido a Foeppl-Pertz (308) conduz a gráficos, como os representados na Fig.227, os quais
mostram a duração relativa a um impulso vibratório torcional conferido a corpos de prova de ferro fundido e de aço. A importância dessa propriedade reside no fato de que esse material tem grande aplicação em máquinas-ferramentas, sobretudo nas suas bases. A maior capacidade de amortecimento do ferro fundido, em relação ao aço, é atribuída aos veios de grafita, os quais, por não apresentarem resistência mecânica, constituem espécies de vazios na estrutura do material, o que permite deformação plástica do material localizado ao redor dos veios, sob tensões nominais menores que em outros casos.
Fig. 227 – Capacidade de amortecimento do ferro fundido em comparação com a do aço, pelo método de ensaio Foeppl-Pertz.
Outra propriedade característica do ferro fundido cinzento é a usinabilidade. Os ferros fundidos cinzentos mais comumente produzidos apresentam uma estrutura em que a matriz é ferrítica ou ferrítico-perlítica. Além da influência evidente dos veios de grafita – quantidade, distribuição e tamanho – a própria matriz ou a porcentagem relativa de ferrita e perlita presentes é fator importante na usinabilidade do material, como a Fig.228, demonstra.
Fig. 228 – Efeitos da estrutura na velocidade prática de torneamento.
A resistência ao desgaste do ferro fundido cinzento é igualmente considerada uma característica importante, o que é, aliás, comprovado na prática pelo seu emprego usual em peças móveis de máquinas. Um dos fatores favoráveis ao
comportamento do ferro fundido cinzento quanto à resistência ao desgaste é a alta usinabilidade do material. Assim, as peças correspondentes podem ser produzidas economicamente dentro de rigorosas tolerâncias dimensionais, o que contribui para diminuir o atrito entre partes e diminuir a ação de desgaste. O fator principal, entretanto, está relacionado com a presença de grafita livre, que tende a adicionar ao material característicos lubrificantes, contribuindo igualmente para diminuir o atrito entre as partes de contato e evitar o fenômeno de engripamento, o qual, por sua vez, pode levar à possibilidade de, pelo calor desenvolvido, ocorrer uma soldagem localizada, com conseqüente arrancamento de partículas, tornando novamente a superfície áspera.
Aparentemente, a melhor estrutura para o ferro fundido cinzento, sob o ponto de vista de resistência ao desgaste, é a matriz 100% perlítica e grafita do tipo A, ou seja, veios irregulares e desorientados. O pior ferro fundido seria o que apresenta matriz ferrítica associada com grafita dendrítica, tipo D ou E.
