Centro Universitário Padre Anchieta Controle de Processos Químicos Ciência dos Materiais Prof Ailton. Metais Ferrosos

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1 Metais Ferrosos Equilíbrio Ferro-Carbono Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas, isto é, estruturas cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, chamadas temperaturas de transição. O ferro apresenta 3 variedades, conforme a seguir descrito. Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540 C), o ferro apresenta estrutura cúbica de corpo centrado, chamada de ferro delta (Fe δ). Permanece nesta condição até cerca de 1390ºC e, abaixo desta, transforma-se em ferro gama (Fe γ), com estrutura cúbica de face centrada. Abaixo de 912 C, readquire a estrutura cúbica de corpo centrado, agora chamada de ferro alfa (Fe α). Continuando o resfriamento, a 770 C ocorre o ponto de Curie, isto é, ele passa a ter propriedades magnéticas. Entretanto, isto não se deve a um rearranjo da disposição atômica mas sim à mudança do direcionamento da rotação dos elétrons (spin). Em outras épocas, tal fato não era conhecido e se julgava corresponder a uma variedade alotrópica, chamada de ferro beta. Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrópicas do ferro e a solubilidade do carbono nele variam de forma característica, dependendo da temperatura e do teor de carbono. Isto pode ser visto em forma de gráfico (figura 7.1), chamado diagrama de equilíbrio ferro-carbono. Abaixo, definições dos termos usados para o diagrama: Austenita: é a solução sólida do carbono em ferro gama. Ferrita: é a solução sólida do carbono em ferro alfa. Cementita: o carboneto de ferro (Fe 3 C). Grafita: a variedade alotrópica do carbono (estrutura cristalina hexagonal). Obs: próximas ao ponto marcado com (*), existem na realidade linhas de equilíbrio com o ferro delta, mas não são exibidas por razões: de clareza e de pouco interesse prático. 65

2 Figura 7.1: Diagrama Fé-C A adição do carbono altera as temperaturas de transição das variedades alotrópicas em relação ao ferro puro, dependendo do seu teor. Exemplo: para um aço com cerca de 0,5% C, representado pela linha vertical I no diagrama, o ferro gama contido na austenita começa a se transformar em alfa na interseção com a linha A 3 e está totalmente transformado no cruzamento com a linha A 1, a 727 C, inferior aos 912 C do ferro puro. Importante lembrar que, abaixo de 727 C, não pode haver ferro gama. Somente a variedade alfa está presente. O ponto F corresponde ao máximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto é, 2,11%. É usado na distinção do aço do ferro fundido. A solubilidade do carbono na ferrita é muito pequena (máximo 0,008%) e pode ser considerada nula em muitos casos práticos. 66

3 O ponto E (eutétóide) é a menor temperatura de equilíbrio entre a ferrita e a austenita, correspondendo a cerca de 0,77% C. E os aços podem ser eutetóides, hipoeutetóides ou hipereutetóides. Obs: o termo eutético se refere ao equilíbrio entre fases líquida e sólida. Neste caso, usamos o sufixo óide (= semelhante a) para indicar que o equilíbrio ocorre entre fases sólidas. O teor de carbono afeta o aspecto granulométrico do aço. Um aço com muito pouco carbono (digamos, menos de 0,01%), se resfriado lentamente, deverá apresentar uma aparência razoavelmente uniforme, pois a maior parte será representada pela ferrita Na Figura 7.2a, mostra-se um possível aspecto de uma microfotografia de um aço deste tipo. Agora supomos um aço hipoeutetóide com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical I no diagrama. Quando o resfriamento atinge a interseção com A 3, começa a separação da austenita em austenita e ferrita. Logo acima da linha A 1, haverá ferrita mais austenita, esta última, com o máximo teor de carbono que pode conter (0,77%). Logo abaixo da linha A 1, toda a austenita deverá se transformar em ferrita mais cementita. Entretanto, desde que o processo é rápido, fisicamente a separação se dá em forma de lâminas bastante finas, somente visíveis ao microscópio com elevadas ampliações. Tal estrutura, isto é, a ferrita e a cementita em forma laminar, é chamada de perlita. Na figura 7.2b, a estrutura laminar típica da perlita, observada com elevada ampliação (as linhas escuras correspondem a cementita). figura 7.2: a) ferrita b) perlita 67

4 Na figura 7.3a, o aspecto típico, de um aço hipoeutetóide, é visto com uma ampliação menor. As áreas claras representam a ferrita e as escuras, a perlita. Entretanto, a estrutura laminar desta não pode ser observada devido à reduzida ampliação Um aço hipereutetóide (linha II no diagrama, com cerca de 1,5% C, por exemplo) tem, na interseção com A 1, austenita com o máximo teor de carbono (0,77%) e cementita. A mudança brusca abaixo de A 1 faz a austenita se transformar em perlita, e a cementita envolve os grãos de perlita em forma de uma teia conforme Figura 7.3b, fazendo uma espécie de rede de cementita. Um aço eutetóide, isto é, com 0,77% de carbono, deve apresentar somente perlita na sua estrutura granular. O teor de carbono exerce significativa influência nas propriedades mecânicas do aço. Quanto maior, maiores a dureza e a resistência à tração. Entretanto, aços com elevados teores de carbono são prejudicados pela maior fragilidade devido à maior quantidade de cementita, uma substância bastante dura mas quebradiça. É comum o uso da expressão aço doce para aços de baixa dureza, com teores de carbono menores que 0,25%. Figura 7.3: Aço hipoeutetóide FERROS FUNDIDOS Conforme mencionado, ferro fundido é uma liga de aço e carbono com teor deste último acima de 2,11%. Entretanto, um teor considerável de silício está quase sempre presente e, por isso, alguns autores consideram o ferro fundido como uma liga de ferro, 68

5 carbono e silício. Outra característica é a existência de carbono livre, na forma de lamelas ou veios de grafita. De forma similar aos aços, ferros fundidos podem ser hipoeutéticos, eutéticos ou hipereutéticos, com o valor eutético definido pelo ponto de equilíbrio entre a austenita e a cementita (aproximadamente 4,3%, ponto G no diagrama da Figura 7.4). Quando o ferro fundido eutético é solidificado, logo abaixo do ponto G, há formação de uma estrutura com fundo de cementita e glóbulos de austenita, denominada ledeburita. Continuando o resfriamento, abaixo de 727 C não poderá mais existir a austenita e, portanto, a ledeburita será composta por glóbulos de perlita sobre fundo de cementita. Um ferro fundido hipoeutético (linha I na figura 7.4) deve apresentar áreas de perlita, ledeburita e cementita. Um ferro fundido hipereutético (linha II) apresenta cristais de cementita em forma de agulhas sobre fundo de ledeburita. Nos aspectos de componentes de liga e tratamentos térmicos, os ferros fundidos podem ser classificados em: Cinzento: a superfície recém cortada tem aspecto escuro. O silício está presente em proporção considerável e a estrutura contém carbono livre (grafita) em forma de veios ou lamelas. Branco: a superfície recém cortada tem aspecto claro. Devido ao menor teor de silício, a proporção de carbono livre é bastante pequena. Misto: uma mistura, em proporção que depende da aplicação desejada, do ferro fundido cinzento e do branco. Maleável: é o ferro fundido branco que sofre um tratamento térmico específico, formando grafita na forma de nódulos. Nodular: No estado líquido, passa por um tratamento especial para produzir grafita em forma esférica, o que confere uma boa ductilidade. Apesar de apresentarem em geral propriedades mecânicas inferiores às dos aços, elas podem ser consideravelmente modificadas pela adição de elementos de liga e 69

6 tratamentos térmicos adequados. E os ferros fundidos podem substituir os aços em muitas aplicações. Em algumas delas, ferros fundidos são mais adequados que aços. Exemplo: estruturas e elementos deslizantes de máquinas são construídos quase sempre em ferro fundido, devido á maior capacidade de amortecer vibrações, melhor estabilidade dimensional e menor resistência ao deslizamento, em razão do poder lubrificante do carbono livre em forma de grafita figura 7.4- ferros fundidos 7.3 EFEITOS DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO As transformações, as quais podem ser vistas no diagrama Fe-C, pressupõem velocidades de resfriamento bastante baixas, de forma que todos os rearranjos atômicos possam se completar. Mudanças importantes podem acontecer se o aço, sob temperatura acima de 727 C, for bruscamente resfriado. As transformações podem não se efetivar totalmente e outras podem ocorrer, afetando sensivelmente as propriedades mecânicas. 70

7 O gráfico da Figura 7.5 é um exemplo aproximado para um aço eutetóide, considerado inicialmente em temperatura na região da austenita (acima de 727 C, linha A) e posteriormente resfriado. Essas curvas são conhecidas como TTT (tempo, temperatura, transformação). Exemplo: se rapidamente resfriado para T = 500 C e mantido nesta temperatura, a transformação da austenita começa em t 0 e termina em t 1. Ou melhor, a curva vermelha marca o início da transformação e a azul, o término. Na parte superior (de 700 até aproximadamente 560 C) há formação de perlita, tanto mais fina (e dura) quanto menor a temperatura. Na parte inferior (de 560 até cerca de 200 C) há formação de bainita (ferrita mais carboneto de ferro fino), de dureza maior que a perlita anterior e, de forma similar, mais dura em temperaturas mais baixas Entretanto, na faixa de 200 C, há formação de uma nova estrutura, a martensita, em forma de agulhas e bastante dura (superior às anteriores). A linha Horizontal M i marca o início e a M f, o fim da transformação. A formação da martensita é o princípio básico da têmpera dos aços, isto é, o tratamento térmico para aumentar a dureza. Entretanto, nem todos os aços admitem têmpera. Em geral, somente com teor de carbono acima de 0,3% e velocidade de resfriamento alta. 71

8 Figura TRATAMENTOS TÉRMICOS A têmpera, rapidamente comentada no tópico anterior, é apenas um dos possíveis tratamentos térmicos. De forma genérica, podemos dizer que os tratamentos térmicos de aços (e também de outros metais) têm o objetivo de proporcionar alterações de propriedades mecânicas, térmicas, químicas, elétricas ou magnéticas para atender os processos de fabricação ou as especificações finais do produto. Há uma variedade de tratamentos para, por exemplo, aumentar dureza e tenacidade, melhorar ductilidade e facilidade de trabalho, remover tensões residuais, refinar estrutura de grãos, aumentar resistência ao desgaste, melhorar resistência à corrosão, etc. A tabela abaixo dá um resumo dos principais tipos de tratamento para aços. 72

9 Tabela 7.1 Recozimento Completo Recozimento Alivio de tensão Esferoidização Normalização Tempera Tempera e Revenido Convencionais Austêmpera Martêmpera Cementação Endurecimento Superficial Nitretação Têmpera superficial Carbo-nitretação RECOZIMENTO E NORMALIZAÇÃO Muitas vezes, devido ao próprio processo de produção ou a trabalhos anteriores como deformações a quente ou a frio, o aço apresenta dureza excessiva ou pouca ductilidade, inadequada para operações como usinagem, dobra e outras O recozimento tem a finalidade de modificar esses aspectos (reduzir dureza, melhorar ductilidade, etc) e também outros como remover gases dissolvidos, homogeneizar estrutura dos grãos, etc. A Figura 7.6 ao lado é o diagrama de transformação da austenita versus tempo do tópico anterior, acrescido da curva de resfriamento típica do recozimento (verde). 73

10 O processo consiste no aquecimento até temperatura acima da transformação da austenita (linha tracejada preta) e resfriamento lento no próprio forno. A transformação da austenita ocorre na parte superior, produzindo, portanto, perlita de baixa dureza. Este exemplo é para um aço eutetóide. Para um aço hipoeutetóide, há também ferrita e, para um hipereutetóide temos a presença da cementita Figura 7.5 recozimento de um aço eutetóide O tratamento térmico de alívio de tensões é um processo geralmente feito sob temperaturas acima de 500ºC e inferiores à da transformação da austenita e resfriamento ao ar. É usado para eliminar tensões resultantes de operações como deformações a frio e soldas. A normalização é um procedimento similar ao recozimento, mas com resfriamento ao ar. Isso significa uma maior velocidade de resfriamento. A curva verde da Figura 7.6 dá uma idéia aproximada. 74

11 A normalização pode ser usada para obter uma boa ductilidade sem redução significativa da dureza e resistência à tração. Também para facilitar a usinagem e refinar a estrutura dos grãos. É um tratamento comum para aços-liga, antes da usinagem e posteriores tratamentos como têmpera e revenido. Devido à maior velocidade de resfriamento, aços normalizados tendem a ser menos dúcteis e mais duros que os plenamente recozidos, mas as diferenças são significativas para teores acima de 0,5% de carbono figura 7.6: normalização para um aço eutetóide A esferoidização é um processo normalmente usado com aços hipereutetóides. Nesses aços, a perlita é envolvida por uma rede de cementita que dificulta trabalhos de usinagem e outros processos de fabricação. O tratamento consiste em aquecer, manter por um longo tempo a peça em temperatura um pouco abaixo da formação da austenita e resfriar (exemplo: abcd da Figura 7.7). Valores típicos podem ser, por exemplo, 24 h a 700 ºC. Também é possível alternar temperaturas abaixo e acima, como ab123d da mesma figura. 75

12 O resultado é uma estrutura globular de cementita em uma matriz de ferrita, o que facilita a usinagem e outros trabalhos. Essa estrutura é denominada esferoidita e um aspecto micrográfico típico é dado na parte direita da Figura 7.7. Figura 7.7: tratamento de esferoidização. Figura 7.8 exibe parte ampliada do diagrama Fe-C (já visto). Corresponde à faixa dos aços e temperaturas até a formação da austenita. Temos as seguintes definições. Temperatura crítica inferior: temperatura abaixo da qual não existe austenita. Linha A 1. Temperatura crítica superior: temperatura acima da qual todo o material é austenita. Linha A 3 para aços hipoeutetóides e A cm para aços hipereutetóides As faixas do gráfico são apenas indicações aproximadas para as temperaturas de aquecimento, sem compromissos com escalas e valores reais. Podemos observar que a temperatura de normalização é um pouco acima da temperatura crítica superior. Essa situação vale também para o recozimento de aço hipoeutetóide, mas a referência muda para temperatura crítica inferior no caso de hipereutetóide. A esferoidização, em geral somente para este último, ocorre em temperaturas pouco abaixo da crítica inferior, mas pode alternar com temperaturas pouco acima conforme já mencionado. 76

13 Figura TÊMPERA E REVENIDO Conforme visto, a martensita é a estrutura básica formada no processo de têmpera, que tem como resultado um expressivo aumento da dureza do aço. Em razão da posição das linhas de início e fim da transformação (M i e M f ) no diagrama, há necessidade de um rápido resfriamento para que ela ocorra. Na prática, isso é obtido através da imersão da peça em um meio adequado (água ou óleo, por exemplo). Em alguns casos, jatos de ar são suficientes para a operação. A linha verde no diagrama TTT da Figura 7.9 dá uma idéia do processo de têmpera. O resfriamento é a parte esquerda da curva, isto é, da temperatura pouco acima de A até pouco abaixo de M f. Considerando a inércia térmica do metal e a rapidez do resfriamento, concluímos que este não se dá de maneira uniforme. Quanto mais próximo do meio de resfriamento, maior a velocidade. Assim, temos duas curvas extremas, uma para a superfície e outra para a região central. A dureza da martensita e as tensões resultantes das diferenças estruturais provocadas pelas diferentes velocidades de resfriamento resultam em um material bastante 77

14 duro mas frágil, com reais possibilidades de trincas ou deformações, a depender do nível dessas tensões Figura 7.9- têmpera e revenido convencionais Em peças de pequenas dimensões ou seções, esses efeitos podem ser algumas vezes tolerados, mas são bastante prejudiciais ou inaceitáveis na maioria dos casos. O revenido é um tratamento posterior à têmpera, que consiste em elevar a temperatura até certo nível e manter por algum tempo, conforme restante da curva verde da Figura 7.9. O resultado é um alívio das tensões internas e redução da dureza, tanto maior quanto maiores a temperatura e o tempo de revenido. Podemos dizer, portanto, que a operação de revenido "ajusta" a dureza desejada da peça. Se a dureza diminui, a ductilidade aumenta e, por conseqüência, a resistência ao impacto. Na Figura 7.10, a variação aproximada desses parâmetros versus temperatura de revenido para aço com 0,45% C. 78

15 Figura Relação entre a dureza e a absorção de energia por impacto A temperatura de aquecimento para a têmpera deve estar um pouco acima de um determinado nível A, indicado na Figura 7.9. Esse valor deve ser tal que a estrutura do aço, antes de iniciar o resfriamento, seja formada basicamente pela austenita. No caso de aços hipereutetóides, a presença de alguma cementita não traz maiores conseqüências. Portanto, o nível A pode ser a temperatura crítica inferior A 1. Aços hipoeutetóides contêm ferrita logo acima de A 1, o que produz um endurecimento incompleto. Para esses aços, o nível A deve ser a temperatura crítica superior, linha A 3 no diagrama Fe-C. Figura 7.11 A Figura 7.11a dá o aspecto micrográfico típico da martensita obtida após o resfriamento. Notar a estrutura agulheada. Em 7.11b temos o aspecto após o revenido. A estrutura é transformada em finos grãos de cementita distribuídos em uma matriz de ferrita. 79

16 A transformação da austenita em martensita não é um processo de difusão. É um rearranjo atômico e a martensita pode ser considerada uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro alfa. A estrutura é tetragonal de corpo centrado, diferente da cúbica de face centrada da austenita A martensita não aparece no diagrama ferro-carbono porque é uma condição metaestável, a qual, pode permanecer indefinidamente sob temperatura ambiente, mas retorna às fases de equilíbrio mediante recozimento. A martensita e outras fases ou estruturas do sistema ferro-carbono podem coexistir. As temperaturas de início e fim da transformação da martensita (M i e M f da Figura 7.9) variam de acordo com a composição do aço. A Figura 7.12 mostra uma variação típica com o teor de carbono. Elementos de liga também exercem considerável influência. Isso significa que, em alguns aços, a temperatura de término da transformação M f pode ficar abaixo da ambiente. E uma têmpera convencional deixa algum resíduo de austenita, comumente denominada austenita retida. O efeito da austenita retida é uma instabilidade dimensional que pode ser inadmissível para certas aplicações. Há alguns meios para a sua remoção. Um deles é uma segunda etapa de revenido, entre 200 e 300ºC, que transforma o resíduo de austenita em bainita. Outro meio é o uso de refrigeração mecânica ou criogênica (dióxido de carbono, nitrogênio líquido, etc) para efetuar o tratamento subzero, isto é, a redução de temperatura até a transformação completa. Figura

17 MARTÊMPERA Conforme já visto, a têmpera convencional produz tensões internas devido às diferenças de velocidades de transformação entre partes superficiais e interiores. O tratamento posterior de revenido pode contornar o problema, mas pode não ser suficiente em alguns casos. Na martêmpera, a peça é resfriada até uma temperatura um pouco acima do início da transformação da martensita (M i ) por um meio adequado como óleo aquecido ou sal fundido (figura 7.13). Nesse meio, ela é mantida por um tempo suficiente para uniformizar as temperaturas internas e externas. Logo após, ocorre o resfriamento para transformação da martensita. Portanto, a transformação ocorre com alguma uniformidade de temperatura na peça, evitando ou diminuindo a formação de tensões residuais. Notar que a martêmpera não dispensa o tratamento de revenido, pois a estrutura básica é a mesma martensita da têmpera convencional. Naturalmente, devido à etapa adicional, exige mais controle de parâmetros e equipamentos apropriados. Figura 7.13: Martêmpera 81

18 AUSTEMPERA A peça aquecida é resfriada até uma temperatura pouco acima do início da formação de martensita (M i ). O meio de resfriamento é normalmente um banho de sais fundidos, por exemplo, uma mistura de nitrato de sódio e de potássio (figura 7.14) A peça é mantida nesta temperatura (em geral, entre 300 e 400ºC) pelo tempo suficiente para transformar toda a austenita em bainita e, em seguida, resfriada ao ar. Em razão da temperatura constante na fase de transformação, este tratamento é classificado de isotérmico. As diferenças básicas em relação à têmpera convencional: transformação em bainita no lugar da martensita e ausência do revenido. Algumas vantagens da austêmpera são: ausência da etapa de revenido. características de deformação e tendência a trincas melhores que as da martêmpera. para durezas semelhantes, resistências ao impacto maiores que as obtidas com têmpera convencional ou com martêmpera. Entretanto, o método apresenta algumas limitações. As seções devem ser resfriadas de forma a evitar formação de perlita. Na prática, isso limita a espessura das seções a valores na faixa de 5 a 6 mm para aços-carbono. Alguns aços-liga permitem seções maiores, mas o tempo da transformação se torna excessivamente longo. Figura 7.14: austêmpera 82

19 7.5 FERROS FUNDIDOS Ferros fundidos são ligas de ferro e carbono com teores deste último acima de 2,11%. O silício está quase sempre presente e contém outros elementos, residuais de processo ou propositalmente adicionados A maioria dos ferros fundidos comerciais apresenta teores de carbono até 4%. Portanto, no diagrama Fe-C da Figura 7.15, podemos considerá-los na faixa de (I) até (II). Na linguagem do dia-a-dia, a expressão "ferro fundido" é associada ao ferro fundido cinzento, que é o mais antigo tipo conhecido e produzido. Assim, uma característica desse tipo (resistente mas quebradiço) é às vezes considerada válida para todos os ferros fundidos, o que não tem fundamento. Há tipos com propriedades mecânicas completamente diversas. Este tópico não tem o propósito de dar informações completas sobre os processos de produção, mas apenas alguns dados aproximados para a compreensão das variedades comuns do material. Figura 7.15: Diagrama Fé-C 83

20 Na Tabela 7.2, consideramos as transformações a partir da fase líquida (a) do diagrama da Figura 7.15 até a fase sólida (c), do material no estado final. Os desenhos das estruturas microscópicas são meramente ilustrativos e aproximados Usamos os símbolos abaixo para os constituintes diversos, alguns dos quais podem ser vistos com mais detalhes no tópico sobre o equilíbrio ferro-carbono. α: ferrita (solução sólida de carbono em ferro alfa). γ: austenita (solução sólida em ferro gama). GE: grafita em forma de esferóides. GL: grafita livre. GV: grafita em forma de veios. P: perlita (ferrita + cementita, Fe 3 C, laminar). No item 1, a elevada velocidade de resfriamento (além dos ajustes dos teores de carbono e silício) impede a formação de grafita e quase todo o carbono fica na forma de cementita, resultando no ferro fundido branco. Nos itens 02 e 03, velocidades menores de resfriamento permitem a grafitização na forma de veios, produzindo ferros fundidos cinzentos. Os ferros fundidos dúcteis ou nodulares (itens 04 e 05) têm composição semelhante á dos cinzentos, mas a grafita tem forma esferoidal pela ação de agentes como o magnésio ou cério e baixos teores de enxofre. Os ferros fundidos maleáveis (itens 06 e 07) são produzidos a partir do branco. Por isso, a região (a) da tabela é vazia. As peças, de ferro fundido branco, são submetidas a aquecimento prolongado, que pode ser na presença de um meio adequado. A grafita resultante tem forma livre. Há também o ferro fundido mesclado, o qual é obtido mediante ajuste da velocidade de resfriamento e de outros parâmetros, de forma que a camada superficial é tipo branco e a camada interior é cinzenta. Isso proporciona elevada dureza superficial e menor fragilidade da peça. 84

21 Tabela 7.2 Item Resfriam Região Região Região Nome Estrutura (a) (b) (c) 01 Rápido γ + líquido γ + Fe 3 C P + Fe 3 C Ferro fundido branco 02 Médio γ + líquido γ + GV P + GV Ferro fundido cinzento perlítico 03 Lento γ + líquido γ + GV α + GV Ferro fundido cinzento ferrítico 04 Médio γ + líquido γ + GS P + GE Ferro fundido dúctil perlítico 05 Lento γ + líquido γ + GS α + GE Ferro fundido dúctil ferrítico 06 Rápido - γ + GL P + GL Ferro fundido maleável perlítico 07 Lento - γ + GL α + GL Ferro fundido maleável ferrítico 85

22 Rigorosamente, os ferros fundidos deveriam ser estudados como ligas Fe-C-Si. Entretanto, o uso de diagramas de três elementos é um tanto complexo e, na prática, é adotado um conceito aproximado mais simples. Considera-se que o silício produz efeito similar a um teor de carbono equivalente C e de carbono dado pela fórmula C e = %C + (1/3) %Si. Esta igualdade é representada pela reta a do gráfico da Figura 7.16 ao lado. Para a reta b temos igualdade similar com o coeficiente (1/6) em vez de (1/3). E as faixas usuais de teores para aços e ferros fundidos são dadas no mesmo gráfico. Exemplo: um ferro com 3,6%C e 2,3%Si pode ser considerado equivalente a um com 3,2%C e 3,5%Si. Em geral, podemos dizer que o silício favorece a formação de grafita no ferro fundido FERRO FUNDIDO BRANCO A superfície recém cortada tem aparência clara devido à ausência de grafite, uma vez que quase todo o carbono está na forma de carboneto. É extremamente duro e resistente ao desgaste, mas é quebradiço e de difícil usinagem, mesmo com as melhores ferramentas. Em peças, suas aplicações são limitadas a casos onde a dureza e as resistências à abrasão 86

23 são fundamentais, como cilindros de laminação, matrizes de estampagem, etc. Em geral, é usado na forma mesclada, conforme visto no primeiro tópico desta página. Neste caso, alguns elementos de liga, como níquel, cromo e molibdênio, podem ser adicionados para controlar a profundidade da camada e melhorar a resistência ao desgaste e à oxidação. Uma composição típica de ferro fundido branco é 3-3,6% C, 0,8% Si, 1,3% Mn, 3,3-5% Ni, 1,4-4% Cr, 1% Mo, 0,15% S, 0,3% P. Usado também para produzir ferro maleável, conforme já mencionado FERRO FUNDIDO CINZENTO Assim denominado devido ao aspecto da superfície recém cortada apresenta em função da existência, conforme visto no primeiro tópico, de veios de grafita sobre matriz de perlita ou de ferrita (também pode ser uma combinação de ambas). Os veios de grafita exercem significativa influência no comportamento mecânico. Eles produzem aumentos localizados de tensões, que podem iniciar pequenas deformações plásticas sob tensões relativamente baixas na peça e trincas sob esforços maiores. Como resultado, uma peça de ferro fundido cinzento não tem, na prática, comportamento elástico, mas dispõe de um elevado fator de amortecimento de vibrações, característica importante no caso de máquinas operatrizes. Em, geral, a resistência a corrosão do ferro fundido cinzento é sensivelmente melhor do que a dos aços carbono, devido à maior quantidade de carbono livre e de cementita, que são componentes catódicos. O ferro fundido, embora se cubra fé uma camada de ferrugem, tem excelente comportamento em contato com a atmosfera, com o solo, águas neutra ou alcalina. No contato com todos esses meios corrosivos, a ferrugem do ferro fundido cinzento progride bem mais devagar do que as dos aços carbono. Existem tubulações enterradas, de ferro fundido, com mais de 300 anos em condições de uso Os resíduos da corrosão do ferro fundido não são tóxicos, mas podem, freqüentemente alterar a cor e o gosto dos fluidos de trabalho. 87

24 Podemos resumir algumas das vantagens do ferro fundido cinzento: elevada capacidade de amortecimento de vibrações. usinagem facilitada pelos veios de grafita, que favorecem a quebra de cavacos e a durabilidade das ferramentas. razoavelmente resistente à corrosão de vários ambientes comuns (superior aos açoscarbono). boa fluidez, facilitando a fundição de peças complexas. boas características de deslizamento a seco devido à presença da grafita. baixo custo de produção. Temos agora algumas das desvantagens: estruturalmente, os veios de grafita atuam como espaços vazios, reduzindo a resistência mecânica. Normalmente, tensão máxima de trabalho recomendada cerca de 1/4 da tensão de ruptura. Carga máxima de fadiga cerca de 1/3 da resistência à fadiga. é quebradiço, pouco resistente a impactos. características de usinagem variam com as dimensões da seção da peça. Faixas típicas de composições: 2,5-4% C, 1-3% Si, 0,3-1% Mn, 0,05-0,25% S, 0,1-1% P. Limites de resistência à tração variam de 140 a 410 MPa. Podem receber elementos de liga e serem tratados termicamente para melhores propriedades mecânicas, térmicas ou químicas (corrosão). A tabela 7.3 contém dados resumidos de algumas classes segundo ASTM. 88

25 Tabela 7.3 Classe C % Si % Mn % S % P % Resist traç MPa 20 3,1-3,8 2,2-2,6 0,5-0,8 0,08-0,13 0,2-0, ,0-3,5 1,9-2,4 0,5-0,8 0,08-0,13 0,1-0, ,9-3,4 1,7-2,3 0,4-0,8 0,08-0,12 0,1-0, ,8-3,3 1,6-2,2 0,4-0,7 0,06-0,12 0,1-0, ,7-3,2 1,5-2,2 0,4-0,7 0,05-0,12 0,1-0, ,5-3,1 1,4-2,1 0,5-0,8 0,06-0,12 0,1-0, ,5-3,0 1,2-2,2 0,5-1,0 0,05-0,12 0,1-0, FERRO FUNDIDO DUCTIL (NODULAR) O ferro fundido dúctil é amplamente empregado por apresentar um bom compromisso entre custos e propriedades mecânicas, algumas delas próximas dos aços. A ductilidade é claramente vista pelos valores de alongamento, entre 18% e 25%. Limites de resistência à tração podem ser tão altos quanto 81kg/mm 2. Outra característica importante é a baixa contração na solidificação, o que facilita a produção e reduz o custo de peças fundidas. Faixas típicas de composições são: 3,2-4% C, 1,8-3% Si, 0,1-1% Mn, 0,005-0,02% S, 0,01-0,1% P. Tratamentos térmicos podem ser aplicados (alívio de tensões, recozimento, normalização, têmpera e revenido, têmpera superficial, austêmpera). Elementos de liga como: níquel, molibdênio ou cromo; podem ser usados para aumentar dureza e outras propriedades. 89

26 Algumas aplicações: válvulas para vapor e produtos químicos, cilindros para papel, virabrequins, engrenagens, etc FERRO FUNDIDO MALEÁVEL Conforme já visto, o ferro fundido maleável é obtido a partir do branco. A ductilidade não é das mais altas, algo na faixa de 10%. Grosso modo, podemos dizer que apresenta valores entre os do ferro fundido cinzento e os do aço. Algumas vantagens são a facilidade de usinagem e a boa resistência ao choque. Mas apresenta uma certa contração na solidificação, o que, exige cuidado na fundição para evitar falha. Faixas de composições típicas são: 2-2,8% C, 0,9-1,6% Si, 0,5% max Mn, 0,1% max S, 0,2% max P. Algumas aplicações: conexões para tubulações, sapatas de freios, caixas de engrenagens, cubos de rodas, bielas, etc. 90

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