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10 - Ferros Fundidos 10.1 - Introdução

Como já foi discutido no capítulo 2, o limite entre aços e ferros fundidos é o teor de 2,07% de C. Portanto, os ferros fundidos são ligas que contém teores de C acima de 2,07%, com ainda presença significativa de Si, Mn, P e S. É claro que existem também as adições de elementos de liga, no entanto isto será abordado em itens subsequentes.

No âmbito dos ferros fundidos tem-se a necessidade de se considerar tanto o diagrama meta-estável como o diagrama estável. As variações microestruturais decorrentes de um ou de outro diagrama possuem suas aplicações práticas específicas em termos de propriedades. Por exemplo, a solidificação metaestável, que resulta em cementita, possui aplicações em componentes que devem resistir a condições abrasivas. Já a solidificação estável, com a formação de grafita lamelar tem suas aplicações em condições onde a condutividade térmica é importante.

Dentro dos ferros fundidos comuns, pode-se observar tanto variações de matriz microestrutural como nos aços, ou seja, presença de ferrita, de perlita, de ambas ou ainda a presença de microestrutura decorrente de tratamentos térmicos como martensita e bainita, assim como também da morfologia e tipo da grafita, como por exemplo grafita lamelar (cinzentos), vermicular ou grafita esferoidal (nodular).

O processo de solidificação dos ferros fundidos pode se processar de três maneiras distintas.

A primeira delas é a solidificação segundo o diagrama estável. Desta forma haverá formação de microestrutura ferrítica ou perlitica dependendo da classe do material e a formação de grafita, que pode ser lamelar, vermicular ou nodular.

A Segunda maneira, é aquela em que o ferro fundido solidifica segundo o diagrama metaestável (diagrama em linhas cheias da figura 10.1.1. Neste caso, ocorre a formação de microestrutura ledeburítica e cementita, sem a presença de grafita.

A outra ocorrência é a situação em que ocorre uma solidificação mista, onde parte segue o diagrama estável e parte o diagrama metaestável, gerando uma microestrutura chamada mesclada, com presença de ledeburita, ferrita e/ou perlita e grafita.

A figura abaixo mostra o diagrama Fe-

C, delineando o diagrama estável e o metaestável.

Fig. 10.1.1 – Diagrama Fe-C. Linhas tracejadas definem o diagrama estável e as linhas cheias o diagrama metaestável.

A figura 10.1.2 mostra esquematicamente as três rotas de solidificação possíveis.

A solidificação irá seguir o diagrama estável ou o metaestável, dependendo de alguns fatores como: - Taxa de solidificação – Quanto maior a taxa de solidificação, maior a tendência à formação de ledeburita, com a solidificação segundo o diagrama metaestável.

- Composição química – Alguns elementos propiciam a formação de ledeburita, ou seja a solidificação segundo o diagrama metaestável, como por exemplo o Cr, que aproxima as linhas do diagrama estável e do metaestável. Outros elementos, como o Si, afastam estas linhas e propiciando a solidificação segundo o diagrama estável. 10.2 – Classificação dos Ferros Fundidos

A classificação dos ferros fundidos pode ser feita, a nível geral, conforme a sua solidificação tenha ocorrido segundo o diagrama estável ou metaestável. Nesta classificação há três tipos de ferros fundidos, que são: 1) Ferros fundidos brancos – Solidificados segundo o diagrama metaestável e aplicados em solicitações de resistência ao desgaste; 2) Ferros fundidos grafíticos – Solidificados segundo o diagrama estável e com aplicação dependente da morfologia da grafita. Os de grafita lamelar (cinzentos) são aplicados onde se necessita condutividade térmica e amortecimento de vibrações e baixos esforços enquanto que os de grafita esferoidal são aplicados em componentes de maior solicitação; 3) Ferros fundidos mesclados – Solidificados parte pelo diagrama estável e parte pelo metaestável. Não possuem aplicações comerciais ou industriais.

A figura 10.2.1 mostra a microestrutura típica de ferros fundidos brancos (ledeburita) e de ferros fundidos grafíticos.

(a)
(b)

Fig. 10.2.1 – Em (a) observa-se uma microestrutura típica de ferro branco – ledeburita – e em (b) um ferro fundido grafítico – cinzento.

Em uma classificação mais específica, os ferro brancos podem ser classificados como coquilhados, onde sua obtenção subentende uma elevada taxa de resfriamento e os ligados ao cromo e níquel, onde a obtenção da microestrutura esta vinculada aos elementos de liga. A figura 10.2.2 mostra a microestrutura de um ferro fundido branco alto cromo. A microesturura consiste de agulhões de cementita em uma matriz de martensita com carbonetos secundários precipitados.

Fig. 10.2.2 – Microestrutura típica de um ferro fundido branco de alto teor de cromo.

No caso dos ferros fundidos grafíticos, a classificação mais específica esta relacionada a morfologia da grafita. Neste caso, os ferros fundidos são: Ferros fundidos cinzentos (grafita lamelar); ferros fundidos vermiculares (grafitas em forma de vermes) e ferros fundidos nodulares (grafitas esferoidais).

A figura 10.2.3 mostra a microestrutura típica de um ferro fundido cinzento e de um nodular.

(a)

(b)

Fig. 10.2.2 – Classificação segundo a morfologia da grafita. Em (a) ferro fundido cinzento (grafita lamelar) e em (b) ferro fundido nodular (grafita esferoidal).

A classificação refinada dos ferros fundidos está relacionada a matriz da microestrutura, que quanto maior o teor de perlita, maior a resistência a tração alcançada.

Assim, os ferros fundidos cinzentos e os nodulares são classificados conforme seu limite de resistência. A tabela 10.2.1 mostra esta classificação dos ferros cinzentos. Tabela 10.2.1 – Classificação dos ferro fundidos cinzentos.

A tabela 10.2.2 mostra a classificação dos ferros fundidos nodulares.

Tabela 10.2.2 – Classificação dos ferro fundidos nodulares.

Observa-se que quanto maior a classe do ferro fundido, maior a quantidade de matriz perlítica.

Um conceito importante nos ferros fudidos é o conceito de carbono equivalente, que descreve a influência de elementos como Si e P no ponto eutético do diagrama ferro carbono. A definição de ferros fundidos hipo-eutéticos, eutéticos e hipereutéticos é baseada não no teor de carbono, mas sim no carbono equivalente que se calcula pela formula abaixo. %CE = %C + 1/3(%Si + % P)

Quanto menor o carbono equivalente, maior a classe do material e menores são a quantidade e o tamanho das grafitas.

10.3 Ferros Fundidos Brancos.

Os ferros fundidos brancos, conforme já citado, podem ser fabricados de duas formas básicas. A primeira delas é a que consiste em buscar uma elevada taxa de resfriamento forçando a solidificação segundo o diagrama metaestável. Nestes casos é típico buscar pequenos ajustes de composição química que venham a favorecer a formação de coquilhamento, como por exemplo baixar os teores de C e Si e se for o caso adicionar baixos teores de elementos coquilhantes. Uma segunda maneira de produzir ferro branco é atuar intensivamente na composição química do material, fabricando os ferros fundidos branco de alto cromo.

No primeiro caso, os ferros fundidos são chamados de coquilhados. Nestes casos, em peças de grandes espessuras não se obtém ferro branco em toda a seção da peça, mas sim na superfície e em locais onde ser queira gerar uma microestrutura resistente ao desgaste. São obstidas camadas endurecidas através da produção ferro branco na superfície das peças.

As propriedades dos ferros fundidos brancos são: elevada dureza e resistência ao desgaste e são de difícil usinagem.

Para o controle da velocidade de resfriamento, são empregadas as chamadas coquilhas, que são moldes ou partes do molde metálicos, promovendo alta extração de calor e consequentemente propiciando a solidificação metaestável.

Devido às taxas de resfriamento elevadas e em muitos casos localizadamente, gera-se um elevado nível de tensões residuais nas peças. Desta forma, normalmente se realizam tratamentos térmicos de alívio de tensões, uniformizando-se também a estrutura dendrítica típica de peças fundidas.

Como citado anteriormente, elementos como Cr, Mo e Ni são empregados para regular a profundidade de coquilhamento. A figura 10.3.1 mostra uma microestrutura típica de ferro branco coquilhado, sem elementos de liga presentes.

Fig. 10.3.1 – Microestrutura típica de ferro fundido branco coquilhado, sem elementos de liga.

Nota-se o pronunciado crescimento dendrítico preferencial que é típico nestes materiais pelo fato de que a solidificação é forçada em uma direção. A microestrutura consiste de agulhões de cementita e perlita grossa com ferrita.

O maior interesse nos ferros fundidos brancos, no entanto, está nos ferros de alta liga ao Cr, Ni e Mo. Estes são chamados de ferros fundidos brancos alta liga.

Estes são materiais desenvolvidos para aplicações de elevada solicitação em desgaste abrasivo e por impacto, associados com temperaturas elevadas.

A tabela 10.3.1 mostra as composições e as propriedades mecânicas desta classe de materiais designados pela norma ASTM A 532.

A figura 10.3.2 mostra uma microestrutura típica de um ferro fundido de alta liga, contendo 2,6% de carbono total, 1,5% de Si, 1.1% de Mn, 14,3% de Cr e 3,0% Mo. Aquecido entre 1040 e 1060o C e resfriados ao ar. A estrutura é composta de carbonetos eutéticos M7C3 em, matriz de martensita com finos carbonetos M3C dispersos.

Fig. 10.3.2 – Microestrutura típica de ferro fundido de alta liga, contendo Cr e Mo.

Nesta classe de materiais estão incluídos os ferros fundidos conhecido como Ni- Hard, que são ligados ao Ni e possuem elevada dureza. A microestrutura destes materiais consiste em austenita com martensita em uma matriz de carbonetos M3C. A morfologia contendo pontilhado em um fundo branco (figura 10.3.3 – a) é tipicamente de ledeburita.

(b)

109 Fig. 10.3.3 – Microestrutura típica de ferro fundido ligado ao Ni, Ni-Hard.

Tabela 10.3.1 – Composição química e propriedades mecânicas dos ferros fundidos de alta liga. Classificação segundo ASTM A 532.

Como pode ser observado na tabela acima, de cima para baixo, os teores de elementos de liga vai aumentando. Para a classe I, os elementos de liga são Ni e Cr que vão subindo de cima para baixo. Na classe I, o elemento de liga principal é o cromo e o Mo, sendo que o teor de Cr aumenta também de cima para baixo até chegar na classe I onde se tem 25% de Cr. Em princípio, a aplicação destes materiais está ligada a um compromisso entre elevada resistência ao desgaste com tenacidade e a temperaturas elevadas. Assim, os materiais da classe I, em cima da tabela, possuem melhores tenacidades que os materiais a baixo na tabela, no entanto, as maiores resistências ao desgaste em maiores temperaturas estão nas classes I e I.

10.4 - Ferros Fundidos Cinzentos

Os ferros fundidos cinzentos são caracterizados, conforme citado, pela presença de grafita na forma lamelar interligada, que pode estar envolta de uma matriz ferrítica, perlítica ou ferrítico-perlítica. São pouco usuais e não comuns a presença de martensita ou bainita nestes materiais, no entanto para casos específicos, tais matrizes podem estar presentes.

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