Ferros fundidos FERROS FUNDIDOS

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1 FERROS FUNDIDOS Ferros fundidos 1 Definição: Os ferros fundidos são, basicamente, ligas do sistema ternário Fe-C-Si contendo teores de carbono acima de 2%. Sua microestrutura pode apresentar parte do carbono sob a forma de grafita ou a de cementita (Fe 3 C). Em ambas as formas, os ferros fundidos apresentam ductilidade insuficiente para operações de conformação mecânica. Deste modo, os componentes fabricados em ferros fundidos só podem ser obtidos pelos processos de fundição. Outra caraterística relevante nos ferros fundidos é a sua relativa facilidade de fusão, quando comparado aos aços com baixo teor de carbono. Características importantes: No estado bruto de fundição, suas propriedades mecânicas são definidas pela microestrutura, mais precisamente, pela forma em que o carbono encontra-se combinado: na forma de grafita apresenta dureza baixa, baixa resistência mecânica e boa usinabilidade; na forma de cementita, apresenta dureza elevada, alta resistência mecânica e ao desgaste e baixa tenacidade. Os ferros fundidos são classificados de acordo com a forma em que o carbono se apresenta na microestrutura: ferro fundido branco microestrutura em que todo o C está na forma de cementita (Fe 3 C); ferro fundido mesclado microestrutura em que o C está na forma de cementita, próximo à superfície, e de grafita no núcleo; ferro fundido cinzento microestrutura em que a maior parte do C está na forma de veios de grafita; ferro fundido nodular ou ferro fundido dúctil microestrutura em que a maior parte do C está na forma de grafita esferoidal e ferro fundido vermicular microestrutura em que a maior parte do C está na forma de grafita vermicular, que é uma forma intermediária entre a grafita em veios e a em nódulos. Diagrama de equilíbrio: Tratando-se de ligas Fe-C-Si, o estudo da solidificação dos ferros fundidos é fundamentado no diagrama ternário Fe-C-Si. Entretanto, para teores de Si de até 3%, os cortes pseudobinários do diagrama Fe-Si-C são muito similares ao diagrama Fe-C. De fato, ocorre uma diminuição da quantidade de C do ponto eutético e uma pequena alteração das temperaturas que representam o equilíbrio. Assim a solidificação dos ferros fundidos contendo grafita pode ser estudada com o diagrama estável Fe-C considerando-se ao invés de carbono, uma grandeza denominada carbono equivalente (CE).

2 O carbono equivalente (CE) considera os efeitos do Si e P sobre o ponto eutético do diagrama Fe-C, sua expressão é definida como: % Si + % P CE = % C + 3 A porcentagem de carbono correspondente ao eutético do diagrama estável seria de 4,26%. Entretanto, emprega-se uma aproximação, considerando como eutético aqueles que possuem CE = 4,3%. O estudo da solidificação dos ferros fundidos sem grafita (ferros fundidos brancos) é realizado com o auxílio do diagrama metaestável Fe-Fe 3 C e a dos ferros fundidos contendo grafita com o diagrama estável Fe-C. 2

3 3 Efeito dos elementos de liga: Si, Al e Ni- aumentam a atividade do C, ou seja, favorecem a formação da grafita, ampliando a faixa de temperatura entre os eutéticos estável e metaestável; P e S - são consideradas impurezas e devem ser mantidos em concentrações baixas. O S tem o efeito de segregar para os contornos de grão diminuindo a tenacidade do material. O P combina-se com o Fe e forma uma fase eutética de alta dureza, a esteadita (Fe 3 P); Cr, Mn, V, Mo e W- diminuem a atividade de C, ou seja, favorecem a formação da cementita e carbonetos, diminuindo a faixa entre os eutéticos estável e metaestável; Mn também é adicionado como dessulfurante, visando reduzir os efeitos deletérios do S (combina-se com o S formando inclusões de MnS); Adições de Al, B e Ni possuem efeito grafitizante.

4 NUCLEAÇÃO DE CÉLULAS EUTÉTICAS A PARTIR DO LÍQUIDO Ferros fundidos 4 Se a nucleação de sólido ocorrer acima da TEE, a solidificação será de acordo com o diagrama estável Fe-C. Se a nucleação de sólido ocorrer abaixo da TEM, ocorrerá a solidificação de acordo com o diagrama metaestável Fe-Fe 3 C. Velocidade de resfriamento durante a solidificação Velocidades elevadas, promovidas pelo resfriamento contra superfícies metálicas (resfriadores ou coquilhas) - aumentam a formação de cementita ou carbonetos (dependendo dos teores de C e Si) Velocidades baixas, promovidas, por exemplo, por resfriamento em areia - aumentam a formação de grafita Curvas de resfriamento realizadas com velocidades crescentes, evidenciando a formação dos ferros fundidos branco, mesclado e cinzento

5 5 Fatores que influem na formação de grafita: Além da composição química e da velocidade de resfriamento, outro fator importante que determina a forma do carbono na microestrutura é a inoculação. A inoculação consiste na adição de uma ante-liga granulada (Fe-Si) no metal líquido para favorecer o aparecimento de núcleos sólidos no metal fundido nos quais a formação da grafita pode começar. O processo de inoculação promove a formação de microestruturas mais homogêneas e uniformes e, consequentemente, propriedades mecânicas mais elevadas. 1. FERRO FUNDIDO BRANCO Definição: são ligas do sistema Fe-C-Si, contendo baixos teores de Si e que apresentam o carbono quase que inteiramente na forma de Fe 3 C, formando um constituinte com a austenita, denominado ledeburita. Apresenta elevada dureza, ductilidade nula e fratura de coloração clara. Composição química típica 1,80 a 3,60% C 0,50 a 1,90% Si 0,25 a 0,80% Mn 0,06 a 0,20% S 0,06 a 0,20% P Efeito dos elementos de liga principais Mn - estabiliza a cementita Ni endurecimento por solução sólida, desloca a curva TTT para a direita Cr, Mo formadores de carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste Propriedades típicas: - elevada dureza - baixa tenacidade - elevada resistência ao desgaste - baixa usinabilidade Fatores que influenciam na obtenção de ferros fundidos brancos: teor de Si é mantido em baixos teores, para evitar a formação da grafita e velocidade de resfriamento - deve ser alta para evitar a formação da grafita a velocidade de resfriamento é função: temperatura de vazamento temperatura da coquilha (molde metálico ou resfriador) espessura da peça na seção coquilhada espessura da coquilha

6 FERRO FUNDIDO BRANCO DE ALTO CROMO É um ferro fundido branco de matriz martensítica que apresenta os carbonetos eutéticos do tipo M 7 C 3 (sendo M= Cr, Fe). Estes carbonetos apresentam dureza elevada (1000 HV a 1800 HV), sendo mais resistentes ao desgaste e tenazes que a ledeburita dos ferros fundidos brancos. Os ferros fundidos brancos de alto cromo apresentam propriedades mecânicas superiores ao ferro fundido branco comum (de matriz perlítica), são elas: a morfologia do eutético que permite obter tenacidade superior aos ferros fundidos brancos comuns; dureza elevada do carboneto M 7 C 3, que favorece a resistência ao desgaste abrasivo; alta temperabilidade, possibilitando-se a obtenção de martensita em componentes de grandes dimensões ; resistência mais elevada ao revenimento, ou seja, a dureza da martensita não sofre grande alteração, se o material for submetido a temperaturas de até 350 C; fundição em areia - sua microestrutura pode ser obtida com velocidades de resfriamento baixas, dispensando o uso de coquilhas; custo final é relativamente baixo;

7 7 As microestruturas dos ferros fundidos de alto cromo (FFAC) apresentam como características principais às quantidades relativas de carbonetos e matriz metálica e a microestrutura da matriz metálica. De maneira geral, aumentando-se o teor de C entre 2 e 3,5% obtêm-se frações crescentes de carbonetos (valores típicos entre 15 e 40%). Quanto a matriz metálica podem ser obtidas: martensíticas, austeníticas e perlíticas e, ocasionalmente, bainíticas. As microestruturas no estado bruto de fundição (sem tratamento térmico) podem ser: austenítica (componentes de pequena espessura ou composição química com alta relação Cr/C e adição de elementos de liga); perlíticas (componentes de grande espessura ou composição química com baixa relação Cr/C) ou misturas destas duas microestruturas. A microestrutura mais freqüentemente utilizada para aplicações de resistência ao desgaste é a martensítica, que se obtêm por meio de tratamentos térmicos de têmpera e revenimento. Em materiais que serão submetidos a solicitações de impacto costuma-se aplicar um tratamento de revenido, geralmente na faixa de 200ºC a 300 C As matrizes com microestruturas perlíticas permitem que o material seja usinado, não sendo adequadas, entretanto, para aplicações onde são exigidas resistência ao desgaste ou corrosão. Esta microestrutura pode ser obtida por tratamento térmico de recozimento.

8 8 2. FERRO FUNDIDO MESCLADO É o ferro fundido branco que, por um efeito da velocidade de resfriamento e/ou de altos teores de Si, apresentam uma microestrutura final composta por ferro fundido branco na superfície (formado pela elevada velocidade de resfriamento) e ferro fundido cinzento no núcleo do componente. branco dureza 44 HRC mesclado 30 HRC cinzento 87 HRB aplicações - equipamentos para mineração e implementos agrícolas - cilindros de laminação - revestimentos de moinhos de bolas para moagem de minério - bolas de moinho - mandíbulas de britadores - eixos cames

9 9 1. FERRO FUNDIDO CINZENTO Definição: é uma liga Fe-C-Si que apresenta uma parcela relativamente grande do carbono na forma livre (grafita em veios formando um esqueleto contínuo). A fratura apresenta coloração escura Composição química típica 3,20 a 3,70% C 1,50 a 2,10% Si 0,3 a 0,80% Mn 0,06 a 0,20% S 0,06 a 0,20% P Características principais: boa resistência mecânica; alta capacidade de amortecer vibrações; excelente usinabilidade; ductilidade nula e tenacidade superior aos ferros fundidos brancos e fácil fusão além de apresentar temperaturas de fusão relativamente baixas, a solidificação dos ferros fundidos cinzento apresenta uma expansão de volume devido a precipitação da grafita. Esta expansão pode superar a contração do líquido, minimizando a quantidade e o volume de massalotes para a alimentação das peças fundidas. De fato, peças de geometria complexa podem ser obtidas com projetos de alimentação simples. Veios de grafita observados em MEV (microscópio eletrônico de varredura):

10 Curvas de resfriamento de ferros fundidos cinzentos e os tipos de grafita resultante 10

11 11 CLASSIFICAÇÃO Segundo as normas ABNT EB-126 e DIN 1691, os ferros fundidos cinzentos são designados por FC (ABNT) ou GG (DIN), seguidos dos algarismos representativos do limite mínimo de resistência à tração em kgf/mm 2 (FC10 a FC 40) A ASTM A48 também classifica os ferros fundidos cinzentos de acordo com a resistência mecânica. Os número 20 à 60 correspondem aos limites de resistência a tração em ksi (1000 lb/pol 2 ) sendo: -classe 20-14,0 kgf/mm 2 (140MPa) -classe 25-17,5 kgf/mm 2 (175 Mpa) -classe 30-21,0 kgf/mm 2 (210 Mpa) -classe 35-24,5 kgf/mm 2 (245 MPa) -classe 40-28,9 kgf/mm 2 (270 MPa) -classe 50-35,0 kgf/mm 2 (340 MPa) -classe 60-42,0 kgf/mm 2 (410 Mpa) A composição química de referência é apresentada abaixo: Classe Composição química [%] ASTM A48 C Si Mn P S 20 3,10 3,80 2,20 2,60 0,50 0,80 0,20 0,80 0,08 0, ,00 3,50 1,90 2,40 0,50 0,80 0,15 0,50 0,08 0, ,90 3,40 1,70 2,30 0,45 0,80 0,15 0,30 0,08 0, ,80 3,30 1,60 2,20 0,45 0,70 0,10 0,30 0,06 0, ,75 3,20 1,50 2,20 0,45 0,70 0,07 0,25 0,05 0, ,55 3,10 1,40 2,10 0,50 0,80 0,07 0,20 0,06 0, ,50 3,00 1,20 2,20 0,50 1,0 0,05 0,20 0,05 0,12

12 12 APLICAÇÕES Classe ASTM A48 20 (σ R >140 MPA min) 25 (σ R > 172 MPA min) 30 (σ R > 206 MPA min) 35 (σ R >240 MPA min) 40 (σ R > 275 MPA min) 50 (σ R > 344 MPA min) 60 (σ R >413 MPA min) Aplicações Aplicações de baixa responsabilidade :utensílios domésticos; produtos sanitários; bases de máquinas; fundidos ornamentais; carcaças; tampas de poços; tubos centrifugados; conexões Aplicações idênticas às da classe 20, porém com maiores exigências de resistência mecânica elementos construtivos (grelhas, buchas, rotores, carcaças de compressor, tubos e conexões) placas de embreagem; discos de freio; blocos de motor; cabeçotes, pistões hidráulicos; barramentos de máquinas operatrizes; carcaças de motores elétricos aplicações idênticas às da classe 30, porém com maiores exigências de resistência mecânica Aplicações envolvendo tensões mais elevadas, sendo exigidas maior dureza e resistência mecânica. O processo produtivo incorpora a adição de elementos de liga em pequenas quantidades e controles da microestrutura e do processo de inoculação: engrenagens; discos de freio; eixo de comando de válvulas; virabrequins; blocos de motor; cabeçotes; buchas, válvulas; munhões, cilindros e anéis empregados em locomotivas aplicações idênticas às da classe 40 é a classe de maior resistência mecânica, empregando-se, normalmente, a adição de ni, cr e mo. tambores e discos de freio especiais; virabrequins, bielas, cabeçotes, peças de bombas de alta pressão; carcaças de britadores; matrizes de forjamento e estampagem; cilindros hidráulicos, etc.

13 13 2. FERRO FUNDIDO NODULAR Definição: é uma liga Fe-C-Si em que o carbono encontra-se na forma de grafita esferoidal no estado bruto de fundição Composição química típica: 3,2 a 4,1 %C 1,8 a 3,0 %Si 0,1 a 1,0 %Mn 0,005 a 0,020 %S 0,01 a 0,1 %P obs: teores acima de 0,020%S afetam o processo de nodulização da grafita. teores acima de 0,5%P provocam forte fragilização da microestrutura. Características: excelente ductilidade (de até 20% em componentes recozidos); tenacidade superior aos ferros fundidos brancos e cinzentos; limite de escoamento mais alto que os demais ferros fundidos e aços comuns; melhor resistência ao impacto e a fadiga que os ferros fundidos cinzentos; baixa capacidade de absorver vibrações e sua usinabilidade e a resistência ao desgaste dependem, basicamente, da microestrutura da matriz

14 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS NODULARES Ferros fundidos 14 A grafita esferoidal é obtida pela adição de elementos denominados nodulizantes, que modificam o a forma de crescimento da grafita. Os elementos nodulizantes mais comuns na indústria são: o magnésio, o cério, o cálcio e terras raras. Entre estes elementos o Mg é o mais utilizado. Recomendam-se teores entre 0,04% e 0,05% de Mg. No caso de Ce, teores entre 0,02% e 0,04% e no caso de Ca, entre 0,01% e 0,02%. A presença de impurezas, como enxofre, antimônio, chumbo, telúrio ou bismuto, apresenta efeito deletério sobre a nodulização. Existem citações 1 de que teores de Mg de apenas 0,02% seriam suficientes para promover a nodulização da grafita, desde que os teores de impurezas, principalmente S, sejam mantidos baixos. Adições de elementos de liga como o Cr e Ni promovem a estabilização da perlita, aumentando a resistência mecânica e a resistência à corrosão. Algumas aplicações específicas, como anéis de pistão, são empregadas adições de até 0,5% de Mo ou Nb visando a formação de carbonetos que aumentam a resistência ao desgaste. Estas adições também estabilizam a microestrutura e, consequentemente, as propriedades em temperaturas elevadas (~650ºC). O nodulizante é adicionado na forma pura (Mg metálico) ou na forma de anteligas: Ni-20%Mg, Cu-15%Mg ou Fe-Si-Mg. A adição pode ser realizada por meio de sino ou fio, entretanto, na maioria dos processos modernos, a introdução é realizada em fornos pressurizados. O processo de nodulização tem um período definido de eficiência. A permanência do metal em temperaturas elevadas após a nodulização afeta de modo adverso a morfologia da grafita e, consequentemente, as propriedades mecânicas do fundido. Efeito do tempo após a nodulização na microestrutura da grafita

15 15 PROPRIEDADES MECÂNICAS TÍPICAS DOS FERROS FUNDIDOS NODULARES APLICAÇÕES 7 Classe Aplicações ASTM A 395 ASME AS 395 ASTM A 474 SAE AMS 5313 ASTM A 536 SAE J Componentes para bombas hidráulicas; carcaças, válvulas; Componentes de caldeiras e reatores da industria química Equipamentos para processamento de papel que operem em temperaturas de até 230ºC tais como cilindros de secagem Componentes submetidos a choques; válvulas e carcaças de bombas Componentes de máquinas submetidos a impactos e fadiga Virabrequins, engrenagens e buchas de rolamento Apresenta microestrutura martensítica; engrenagens e componentes submetidos a tensões elevadas Pinhões, engrenagens e rolamentos D 4018 Articulações de direção D 4512 calipers e discos de freio D 5506 Virabrequins e engrenagens D 7003 Engrenagens e pinhões DQ & T Balancins

16 16 Microestrutura bruta de fundição: Microestrutura após recozimento

17 Microestrutura após nitretação Ferros fundidos 17 Microestruturas obtidas após têmpera e revenimento Referências bibliográficas 1- Metalurgia dos ferros fundidos cinzentos e nodulares. SANTOS; A., B.,S.; Castello Branco, C. H. Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT Aços e Ferros fundidos. CHIAVERINI, V., ABM, Efeito da porcentagem de carbonetos e da microestrutura da matriz metálica sobre a resistência ao desgaste de ferros fundidos branco de alto cromo -Ensaios em moinhos de bola. ALBERTIN,E., Tese apresentada a Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1993

18 Lista de exercícios Ferros fundidos Ferros fundidos Utilizando o diagrama Fe-Fe 3 C (equilíbrio metaestável), determine as quantidades dos constituintes presentes a 800ºC e na temperatura ambiente para os seguintes ferros fundidos brancos: a)- ferro fundido branco hipoeutético com 3,0%C b)- ferro fundido branco de composição eutética c)- ferro fundido branco hipereutético com 5,0% 2. Amostras de um ferro fundido contendo 3,6% de C, 2,0% de Si, 0,4% de Mn, 0,1% de P e 0,1% de S foram resfriadas a partir do líquido com três velocidades (curvas 1, 2 e 3). Pergunta-se: a)- Quais os tipos de ferros fundidos resultantes destes resfriamentos? b)- Qual a microestrutura obtida na amostra resfriada com a velocidade 1? c) Qual seria o efeito da adição de 1,2% de Cr nestas amostras? TEE TEM 32ºC

19 19 3. Porque a presença de grafita do tipo C na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos é indesejável? 4. No diagrama Fe-C (estável) a reação eutética ocorre para na composição de 4,30% de C. Entretanto, os ferros fundidos cinzentos e nodulares são, basicamente, ligas do sistema ternário Fe-C-Si. Para que possamos utilizar o diagrama Fe-C no lugar do ternário Fe-C-Si foi definida uma expressão para o cálculo do carbono equivalente no diagrama Fe-C: % Si % P Carbono Equivalente : CE = % C Com base nesta expressão determine se a composição dos ferros fundidos cinzentos a seguir é eutética, hipoeutética ou hipereutética: a)- 3,6% de C, 2,0% de Si, 0,4% de Mn, 0,1% de P e 0,1% de S b)- 3,0% de C, 1,8% de Si, 0,4% de Mn, 0,1% de P e 0,1% de S c)- 3,7% de C, 2,3% de Si, 0,4% de Mn, 0,1% de P e 0,1% de S d)- o ferro fundido do item c pode apresentar grafita do tipo C? 5. Elaborar um lista com os tratamentos térmicos que podem ser empregados para aumentar a resistência ao desgaste dos ferros fundidos que contêm grafita? 6. Qual tipo de ferro fundido teria maior probabilidade de sofrer trincas após um tratamento de têmpera em água, cinzento ou nodular? Justifique sua resposta. 7. Explique a porque os ferros fundidos cinzentos e brancos não apresentam ductilidade e os nodulares apresentam ductilidade máxima por volta de 20%? 8. Experimentos de têmpera em óleo em amostras de ferro fundido nodular (CE = 4,2%) foram conduzidos para duas temperaturas de austenitização: 820ºC e 950ºC. Pergunta-se: a)- Qual o teor de C da austenita nos dois casos? b)- Qual a microestrutura após o tratamento nos dois casos c)- Qual a temperatura mais indicada? 9. Ao receber um lote de peças fundidas em ferros fundido nodular, você verificou a ocorrência de grafitas degeneradas (parte em nódulos, parte em veios) em uma amostra representativa do lote. Os resultados dos ensaios mecânicos foram: Propriedade Resultados Valor especificado Dureza [HB] Resistência a tração mín. [MPa] Limite de escoamento mín. [MPa] Alongamento mín. Os resultados de composição química estão de acordo com a especificação. Apresente uma explicação para o fenômeno e quais as ações corretivas que você tomaria.