Ferros fundidos. Apresenta atributos não encontrados em nenhum outro material e também é um dos metais mais baratos que se dispõe.

Transcrição

1 O ferro fundido (fofo) material fundido de maior consumo no país e no mundo. Apresenta atributos não encontrados em nenhum outro material e também é um dos metais mais baratos que se dispõe. Ferros fundidos 1

2 Vantagens: Baixo ponto de fusão Apresenta contração baixa Excelente usinabilidade Propriedades mecânicas bem definidas Ferros fundidos 2

3 Os ferros fundidos ligas de ferro, carbono (2,5 a 4,0%) e silício (1 a 3%). Ferros fundidos 3

4 Os ferros fundidos se caracterizam por apresentar reação eutética durante sua solidificação em decorrência, as temperaturas de fusão são bem mais baixas que a de outras ligas ferrosas, podendo se utilizar para sua fusão equipamentos e processos diferenciados em relação ao aço. Ferros fundidos 4

5 Diagrama de equilíbrio ferro carbono As transformações responsáveis pela formação dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os ferros fundidos se incluem, é estudada e analisada, a partir do diagrama de equilíbrio ferrocarbono. Ferros fundidos 5

6 O diagrama de fase a seguir não é um diagrama de equilíbrio completo, pois é representado somente até 6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto Fe 3 C que contém 6,67% de carbono. Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam pouco ou nenhum interesse comercial, devido à alta dureza e fragilidade que elas apresentam. Ferros fundidos 6

7 Esse diagrama não é um diagrama de equilíbrio verdadeiro, pois a cementita não é uma fase de equilíbrio. A grafita é mais estável que a cementita e sob condições adequadas, a cementita se decompõe, formando grafita. Em aços comuns essa decomposição nunca é observada, porque a nucleação da cementita no ferro supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que a nucleação da grafita. Ferros fundidos 7

8 O diagrama ferro-carbono se caracteriza por três pontos principais: Ponto peritético com 0,16% de carbono a C; Ponto eutético com 4,3% de carbono a C; Ponto eutetóide com 0,8% de carbono a C. Ferros fundidos 8

9 Ponto Peritético Ponto Eutético Ponto Eutetóide Ferros fundidos 9

10 A transformação peritética ocorre a temperaturas elevadas e em aços de baixo teor de carbono. Todas as composições desta fase passam, em seguida, pelo campo monofásico CFC. Assim, os efeitos sobre a estrutura à temperatura ambiente são secundários e normalmente são desprezados. Ferros fundidos 10

11 A solução sólida cúbica de face centrada CFC, ou fase γ (gama), é chamada de austenita. Todas as ligas contendo menos que 2,06% de C passam pela região austenítica no resfriamento. As ligas contendo menos que 2,06% de carbono são arbitrariamente chamadas de aços (maioria dos aços contém menos que 1,0% de carbono). Ferros fundidos 11

12 Ferros fundidos ligas com mais de 2% de carbono, porém considera-se que os ferros fundidos comerciais não são ligas binárias ferro-carbono, pois elas contêm teores relativamente elevados de outros elementos, principalmente o silício. Em geral os ferros fundidos são ligas ternárias de ferro-carbonosilício. Ferros fundidos 12

13 Alotropia do ferro puro 1- Temperatura de Fusão a C 2- Entre C a C, o ferro solidifica de acordo com o reticulado CCC (ferro delta - δ). 3- A C o ferro delta (δ) sofre uma redisposição espontânea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferro gama - γ) que permanece estável até C. 4- A C o ferro sofre uma nova transformação, com um novo rearranjo atômico CCC, (ferro alfa -α ), não havendo mais transformações até a temperatura ambiente. Ferros fundidos 13

14 Constituintes das ligas ferro-carbono metaestáveis Ferrita ou ferro alfa (α): Estrutura CCC menores espaçamentos interatômicos e pronunciadamente alongados, não podem acomodar com facilidade os átomos de carbono solubilidade de carbono é cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a C. Ferrita mole e dúctil, com limite de resistência abaixo de 32 Kgf/mm 2 e dureza Brinell em torno de 90 HB. Ferros fundidos 14

15 Ferro puro grãos de ferrita. Ferros fundidos 15

16 Austenita ou ferro gama (γ): forma estável do ferro puro entre 910 ºC e C. Estrutura CFC, com espaços interatomicos maiores, mas são menores que o átomo de carbono, de forma que a dissolução de carbono na austenita introduz deformações na estrutura, impedindo que todos os interstícios sejam preenchidos simultaneamente, ficando a solubilidade máxima de carbono em 2,0% em peso (8,7% em átomos). Ferros fundidos 16

17 Ferrita delta ou ferro delta (δ): acima de C, a austenita deixa de ser a forma mais estável, voltando a estrutura ser CCC. Este constituinte não apresenta importância no estudo dos aços. Ferros fundidos 17

18 Cementita ou carbeto de ferro: é o excesso de carbono em relação ao limite de solubilidade formando uma segunda fase. Possui reticulado ortorrômbico com 12 átomos de ferro e 4 de carbono por célula, correspondendo isso a 6.67% de carbono. Dada a proporção de átomos de ferro e carbono de 3 para 1 no reticulado cristalino é usualmente representada como Fe 3 C. Ferros fundidos 18

19 Comparado a ferrita e austenita, a cementita é muita dura, cerca de 67HRC ou 900 HV. A cementita quando presente, associada a ferrita em partícula finas, aumenta muito a resistência do aço, pois inibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase dúctil ferrita. Ferros fundidos 19

20 Perlita com as lamelas de cementita em um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X. Ferros fundidos 20

21 Perlita: abaixo da temperatura eutetóide as fases estáveis são a ferrita e a cementita. A 0,8% de carbono, ocorre uma reação, que envolve a formação simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita de composição eutetóide, resultando em uma mistura das fases ferrita e cementita denominada de perlita. Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de Fe 3 C e ferrita sendo a ferrita a fase contínua. A perlita contém 12% de cementita e 88% de ferrita. Ferros fundidos 21

22 α γ Fe 3 C γ γ γ Fe 3 C γ γ 1-Nucleação inicial da cementita. 2- Nucleação de lamelas de ferrita ao lado da cementita. 3- Crescimento lateral e para frente da cementita. γ γ Fe 3 C γ γ 4- Novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores. 5- Crescimento da nova colônia. Ferros fundidos 22

23 Ledeburita: constituinte eutético formado no resfriamento a partir do equilíbrio das fases austenita de um lado e Fe 3 C de outro. Continuando o resfriamento a temperatura de C, a austenita se transforma em perlita, resultando em uma estrutura constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de cementita. Ferros fundidos 23

24 Perlita formada pela transformação da austenita primária. Cementita (Fe 3 C). Ferros fundidos 24

25 Cementita (Fe 3 C). Perlita. Ferros fundidos 25

26 Tipos de ferros fundidos Ferro fundido branco Característica: Apresenta fratura de coloração branca Carbono combinado na forma de Fe 3 C Solidificação pelo diagrama metaestável Constituintes principais: ledeburita, cementita e perlita. Elevada dureza Resistência ao desgaste Ferros fundidos 26

27 Por possuir baixo teor de silício não ocorre a grafitização. Aplicações: equipamentos de manuseio de terra, mineração e moagem, rodas de vagões, cilindros coquilhados, revestimentos de moinhos. Ferros fundidos 27

28 Ferros fundidos Ferro fundido branco hipoeutético com as dendritas de perlita (em escuro), pontilhados de ledeburita e áreas brancas de cementita. Ataque: nítrico. 100 X. Ferros fundidos 28

29 Ferro fundido cinzento São os mais usados devido: Excelente usinabilidade Baixo ponto de fusão Boa resistência mecânica Ferros fundidos Boa resistência ao desgaste Capacidade de amortecer vibrações Solidificação pelo diagrama estável (grafita e austenita) Ferros fundidos 29

30 Estrutura do fofo cinzento ferrita, perlita e grafita. Apresenta fratura escura devido a grafita livre formando veios e uma pequena parte se encontra combinada com o ferro na relação de 3 átomos de ferro para 1 átomo de carbono, formando o constituinte cementita. Ferros fundidos 30

31 Grafita é muito mole e se apresenta na forma de lamelas, formando superfícies de separação que farão com que esta liga seja frágil, não apresentando praticamente nenhuma ductilidade. Silício é o principal responsável pela formação da grafita, por isso normalmente os ferros fundidos cinzentos apresentam alto teor deste elemento. Ferros fundidos 31

32 Ferros fundidos 32

33 Ferros fundidos 33

34 A grafita é o constituinte mais importante dos ferros fundidos cinzentos e se forma quase que, exclusivamente, durante a solidificação. Sua morfologia (forma, tamanho e distribuição) e quantidade são responsáveis pelas propriedades deste material. Ferros fundidos 34

35 A morfologia da grafite é normalmente classificada por diversas normas, sendo a mais difundida a classificação da ASTM e DIN. Os ferros fundidos cinzentos apresentam grafita na forma Iamelar e que é classificada em 5 tipos. Ferros fundidos 35

36 Tipo A Ferros fundidos 36

37 Tipo B Ferros fundidos 37

38 Tipo C Ferros fundidos 38

39 Tipo D Ferros fundidos 39

40 Tipo E Ferros fundidos 40

41 A composição química básica do ferro fundido cinzento Carbono 2,50 a 4,00 % Silício 1,00 a 3,00% Manganês 0,20 a 1,00% Fósforo 0,02 a 1,00% Enxofre 0,02 a 0,25 % Ferros fundidos 41

42 Propriedades mecânicas Função da estrutura do ferro fundido Composição química Função Velocidade de resfriamento Dimensões das peças Inoculação Tratamentos térmicos Ferros fundidos 42

43 Tipos Limite de Resistência à Tração Mpa FC FC FC FC FC FC Ferros fundidos 43

44 Perlita Ferrita Grafita Ferro Fundido FC300 fundido em areia grafita tipo A. 500X Ferros fundidos 44

45 Dendritas de ferrita Grafita tipo D em matriz ferrítica. Ferro fundido FC300 coquilhado e recozido. 100X Ferros fundidos 45

46 Ferro Fundido Maleável Ferros fundidos Fofo Branco Fofo Cinzento Fragilidade Fofo Maleável Baixa temperatura de fusão Aço Elevada temperatura de fusão Baixa temperatura de fusão Alta fluidez Alta fluidez Alta resistência mecânica Alta resistência mecânica Ferros fundidos 46

47 Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano) Características: Fratura escura Carbono totalmente combinado (bruto de fusão) Constituída basicamente por ferro, carbono e silício Ferros fundidos 47

48 Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano) Tratamento térmico em atmosfera neutra Decomposição da cementita Ferrita Maleabilização Carbono na forma de grafita compacta Apresenta na sua estrutura grafita compacta, ferrita e perlita. Esta forma compacta da grafita permite uma certa maleabilidade ao ferro fundido. Ferros fundidos 48

49 Ferro fundido maleável de núcleo preto, apresentando nódulos de grafita formados pela decomposição da cementita na temperatura de austenitização. Ataque: picrico. 200 X. Ferros fundidos 49

50 Ferro fundido maleável núcleo preto composição típica Carbono 2,2 a 2,85 % Silício 0,90 a 1,6% Manganês Fósforo Enxofre 0,50% máximo 0,1% máximo 0,20 % máximo Ferros fundidos 50

51 Fundido maleável de núcleo branco (Europeu) Características: Fratura com aspecto prateado claro Sua estrutura é composta de ferrita, perlita, podendo apresentar grafita de recozimento (compacta) no núcleo da peça. Ferros fundidos 51

52 Ferro fundido maleável de núcleo branco (Europeu) Tratamento térmico em atmosfera Oxidante Descarbonetação Decomposição da cementita Ferrita Oxidação do carbono Ferros fundidos 52

53 Ferro fundido maleabilizado de núcleo branco apresentando zona de transição entre a parte central e a região periférica. Observam-se perlita, grafita e inclusões sobre um fundo de ferrita. Ataque: picrico. 160 X. Ferros fundidos 53

54 Ferro fundido maleável núcleo branco composição típica Carbono 3,0 a 3,5 % Silício 0,45 a 0,75% Manganês 0,10 a 0,40% Fósforo Enxofre 0,1% máximo 0,20 % máximo Ferros fundidos 54

55 Ferro Fundido Nodular Ferros fundidos Maior resistência dentre os fofos a grafita se apresenta na forma de nódulos não interrompendo tanto a continuidade da matriz quanto a grafita dos ferros fundidos cinzentos. Este formato da grafita é obtida através da adição de magnésio ou cério ao ferro liquido no momento do vazamento. Propriedades mecânicas melhores até que de alguns tipos de aços ao carbono. Ferros fundidos 55

56 Nódulos de grafita. Fundo de ferrita. Ferro fundido nodular ferrítico. Ataque: nital. 100X Ferros fundidos 56

57 Nódulos de grafita envolvidos pela ferrita. Invólucro de ferrita. Fundo de perlita. Ferro fundido nodular perliítico. Ataque: nital. 250X Ferros fundidos 57

58 Ferros fundidos 58

59 A ABNT classifica este tipo de ferro fundido nos seguintes tipos: FE FE FE FE FE As letras FE indicam ferro grafita esferoidal (nódulos), os três primeiros algarismos indicam a resistência a tração em MPa e os dois últimos algarismos o alongamento em %. Exemplo: FE Ferro esferoidal com 500 MPa de resistência a tração e 7,0% de alongamento mínimo. Ferros fundidos 59

60 A ABNT classifica este tipo de ferro fundido como: FE Alongamento (%) Resistência à tração MPa Ferro Grafita Esferoidal Ferros fundidos 60

61 Ferros Fundidos com grafita compacta Ferro Vermicular Ferros fundidos Apresentam propriedades físicas e mecânicas intermediárias entre os fofos cinzentos e nodulares. São indicadas para aplicações que requeiram elevada resistência mecânica, baixa condutibilidade térmica e alta resistência à fadiga térmica.. Ferros fundidos 61

62 Ferros fundidos 62

63 Ferros fundidos 63

64 Cinzento Vermicular Nodular Ferros fundidos 64

65 Ferros fundidos 65

66 Ferros Fundidos com grafita compacta Ferro Vermicular Ferros fundidos Processos de fabricação Por ser um tipo de fofo ainda recente em escala industrial, vários processos de obtenção de grafita vermicular podem ser utilizados mas que exigem controles extremamente rígidos de processo. Ferros fundidos 66

67 Influência dos elementos químicos Elementos químicos no ferro fundido exercem influência na microestrutura e nas propriedades dos ferros fundidos. Além dos elementos normais como C, Si, Mn, P e S, podem ser adicionados outros elementos aos ferros fundidos para se obter estruturas e propriedades desejadas. Ferros fundidos 67

68 Influência dos elementos químicos Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga Obtido por meio de controle: Composição química Inoculação Velocidade de resfriamento Técnicas de processamento Superaquecimento Temperatura de vazamento etc Ferros fundidos 68

69 Influência dos elementos químicos Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga São ligas de baixo carbono equivalente e com maior tendência ao aparecimento de problemas devido: A menor fluidez A maior contração na solidificação A maior tendência ao aparecimento de carbonetos Ao aparecimento de grafita de super resfriamento e a ferrita associada a ela. Ferros fundidos 69

70 Influência dos elementos químicos Devido a esses problemas é usual a utilização de elementos de liga para obtenção de ferros fundidos de alta resistência com carbono equivalente mais alto.. Ferros fundidos 70

71 Influência dos elementos químicos Carbono: é o elemento mais importante do ferro fundido. É o maior responsável pelas propriedades mecânicas e de fundição. Com exceção do carbono na forma de perlita na matriz, o carbono está presente como grafita em forma de veios. O carbono combinado em ferros fundidos cinzentos perlíticos, em geral, varia de 0,5% a 0,8% e o carbono grafítico de 2,0 a 3,0%. Ferros fundidos 71

72 Influência dos elementos químicos Silício: atua como forte grafitizante tanto na solidificação como nas transformações no estado sólido, consequentemente favorece a formação de grafita na solidificação, reduzindo o coquilhamento e formação de carbonetos eutéticos nas transformações no estado sólido. Não é observável na microestrutura, pois fica em solução sólida na ferrita. É juntamente com o carbono os que mais afetam a fundibilidade. Ferros fundidos 72

73 Influência dos elementos químicos Manganês: neutralizador do enxofre. Coloca-se sempre em excesso ao estequiométrico necessário para evitar a formação do sulfeto de ferro. Grandes excessos de manganês agem como promovedor de carbonetos na solidificação e de perlita na reação eutetóide. Em uso normal o teor de manganês varia na faixa 0,55 a 0,75%. Ferros fundidos 73

74 Influência dos elementos químicos Enxofre: forma sulfetos de ferro que tendem a segregar para os contornos das células eutéticas, atuando como fragilizante.é neutralizado pela adição de manganês. Contaminação adição do coque nos fornos cubilot. Nos nodulares neutraliza a ação do magnésio. O teor deve ser menor 0,03%. Ferros fundidos 74

75 Influência dos elementos químicos Fósforo: em teores baixos forma Steadita que pode prejudicar as propriedades. Atua como promovedor fraco de grafita na solidificação e de perlita na reação eutetóide. Em Fofos de alta resistência teor abaixo de 0,10%. Quando se deseja alta fluidez teores maiores que 0,6%. Acima de 0,20% já tende a diminuir a usinabilidade. Ferros fundidos 75

76 Steadita Ferros fundidos 76

77 Influência dos elementos químicos Cromo: pode estar presente como elemento residual (até 0,10 %). Para elevar a resistência à tração e a dureza teores de 0,15-1,0%. Forma carbonetos acima de 0,30% em peças de seções finas e cantos vivos (utilizar elementos grafitizantes para contrabalançar seu efeito). Ferros fundidos 77

78 Influência dos elementos químicos Cromo Nos Fofos baixa liga, o teor de cromo recomendado deve produzir uma estrutura completamente perlítica sem formação de carbonetos livres nos contornos das células eutéticas ou sob a forma de ledeburita. Resistência à corrosão dos Fofos Adição de cromo em teores acima de 1,5%. Ferros fundidos 78

79 Influência dos elementos químicos Molibdênio: aumenta a resistência à tração, a dureza e o módulo de elasticidade. É adicionado em teores entre 0,20-0,80%. Os melhores efeitos são obtidos quando o teor de fósforo é abaixo de 0,10%, (molibdênio, e cromo, tende a formar um eutético complexo com o fósforo o que reduz o efeito desse elemento de liga). Ferros fundidos 79

80 Influência dos elementos químicos Molibdênio: Possui menor tendência para formar carbonetos que o cromo, vanádio e tungstênio. Refina a perlita e favorece a obtenção de estrutura bainítica. Em teores baixos, quando usado isoladamente, favorece a obtenção de ferrita na matriz. Aumenta significativamente a temperabilidade. O molibdênio é extensamente usado para aumentar as propriedades a temperaturas elevadas. Ferros fundidos 80

81 Influência dos elementos químicos Níquel: elemento grafitizante médio, diminuindo a tendência de formação de carbonetos na solidificação. Na reação eutetóide atua como perlitizante e como consequência tende a aumentar a dureza e a resistência à tração. Nos Fofos de baixa liga, os teores adicionados estão entre 0,25-3,0%. A faixa mais comum é entre 0,5-1,5%, sendo usado principalmente para contrabalançar o efeito estabilizante do cromo, do molibdênio e do vanádio. É caro e raramente usado isoladamente. Ferros fundidos 81

82 Influência dos elementos químicos Cobre: ação grafitizante semelhante ao níquel, diminuindo a tendência à formação de regiões coquilhadas. O seu efeito grafitizante em relação ao silício é de 1 para 4, como consequência, quando se deseja melhor aproveitar o efeito da adição isolada de cobre na resistência mecânica, recomenda-se uma redução no teor de silício de 0,25% para cada 1% de cobre adicionado. Ferros fundidos 82

83 Influência dos elementos químicos Cobre: Como perlitizante é mais eficiente que o níquel, principalmente para eliminar restos de ferrita permitindo aumentar a resistência e a dureza. Os teores usuais estão entre 0,5 a 2%. Em peças grossa até 3%. Favorável na usinabilidade. Diminui a resistência ao impacto. Tende a melhorar a resistência à corrosão em meios contendo enxofre. Pode ser usado isolado ou como combinação, por exemplo, Cu-Cr, Cu-Mo e Cu-Cr-Mo. Ferros fundidos 83

84 Influência dos elementos químicos Estanho: atua como forte estabilizador da perlita, sem apresentar tendência para formação de carbonetos na solidificação e sem afetar significativamente a morfologia da grafita. É útil para eliminar as áreas de ferrita que tendem a aparecer junto à grafita de superesfriamento. O seu efeito é mais efetivo em Fofos hipoeutéticos. Ferros fundidos 84

85 Influência dos elementos químicos Estanho: Recomendam-se adições de até 0,10% (em peças espessas 0,15%). Teores crescente eleva a dureza devido a passagem da estrutura de ferrítica-perlítica para perlítica. A resistência à tração atinge um máximo quando a estrutura é 100% perlítica. Teores acima do necessário para produzir estrutura perlítica tendem a reduzir a resistência à tração. Diminui a tenacidade e a resistência ao impacto em teores acima de 0,10%. Ferros fundidos 85

86 Influência dos elementos químicos Antimônio: em teores até 0,05% teria efeito semelhante ao do estanho. Em quantidades acima de 0,05% de Sb, esse elemento tende a reduzir a tenacidade e a resistência ao impacto. Ferros fundidos 86

87 Influência dos elementos químicos Vanádio: tem um efeito similar ao molibdênio. Teores máximos devem ser limitados em torno de 0,20%. Em peças muito espessas pode-se aceitar até 0,50%, caso de deseje evitar a formação de carbonetos. Usualmente, considera-se seu efeito na estabilização de carbonetos 2,5 vezes maior que a do cromo. Na reação eutetóide atua como estabilizador e refinador da perlita. O vanádio tem um efeito favorável nas propriedades a quente do ferro fundido cinzento. Ferros fundidos 87

88 Influência dos elementos químicos Titânio: pode ocorrer como residual ou ser adicionado. Atua como grafitizante em baixos teores e como estabilizador de carbonetos em teores mais elevados. Baixos teores, na faixa 0,05 a 0,20%, promove a grafitização, reduz a tendência ao coquilhamento e refina a grafita. Teores na faixa de 0,15 a 0,20% tende a produzir grafita tipo D, que em geral não é desejável. Ferros fundidos 88

89 Influência dos elementos químicos Titânio: Verifica-se, porém, que em ferros fundidos de carbono equivalente elevado (acima de 4,0) adições de 0,15-0,20% de Ti produzem uma estrutura ferrítica-perlítica com grafita tipo D, que tem propriedades mecânicas superiores que a mesma composição sem adição de titânio. Ferros fundidos 89

90 Influência dos elementos químicos Titânio: O efeito grafitizante de baixos teores de titânio seria devido a um efeito indireto, pela reação do Ti com oxigênio e nitrogênio, que estão sempre presentes nos ferros fundidos. Esses gases favorecem a formação de eutético metaestável (carbonetos eutéticos) e a sua remoção resulta em efeito grafitizante. Ferros fundidos 90

91 Influência dos elementos químicos Alumínio: quase sempre está presente como residual nos ferro-ligas, ou eventualmente em outras matériasprimas. Em baixos teores, menores que 0,25%,tem forte ação grafitizante tanto durante a solidificação como no estado sólido. Em teores elevados (acima de 4%) pode atuar também como estabilizador de carbonetos. Ferros fundidos 91

92 Influência dos elementos químicos Alumínio: Residuais de alumínio tem sido apontado como um dos principais responsáveis indiretos pelo aparecimento de pin-holes em ferros fundidos cinzentos. Estes pinholes, na grande maioria dos casos, são produzidos por hidrogênio e residuais de alumínio favoreceriam a absorção do hidrogênio. Ferros fundidos 92

93 Influência dos elementos químicos Alumínio: Fofos ao alumínio são ligas de ferro-carbono-alumínio, onde o alumínio substitui praticamente o silício. São ligas de alta resistência mecânica, elevada tenacidade e baixíssima tendência ao coquilhamento, o que a indica para fundição de peças em moldes metálicos. Quanto às propriedades mecânicas os Fofos ao alumínio podem ser considerados como um produto intermediário entre Fofo cinzento e Fofo nodular. Ferros fundidos 93

94 Formação da grafita nos ferros fundidos O diagrama Fe-C é de natureza metaestável, a rigor trata-se de um diagrama Fe-Fe 3 C. O equilíbrio estável corresponde à liga ferro-grafita, onde ocorre a decomposição do Fe 3 C em ferro e carbono na forma de grafita. Esta decomposição depende, dentre outros fatores, da velocidade de resfriamento e da composição química Ferros fundidos 94

95 Formação da grafita nos ferros fundidos Ao solidificar um ferro fundido cinzento hipoeutético, resulta, em primeiro lugar, cristais de austenita cuja quantidade aumenta com o decréscimo da temperatura. O líquido residual toma-se mais rico em carbono e silício, que são rejeitados à medida que a proporção de austenita cresce. Ferros fundidos 95

96 Formação da grafita nos ferros fundidos Quando é atingida a temperatura de equilíbrio do eutético estável, seu carbono equivalente é praticamente igual ao eutético (4,3%), ocorrendo uma separação simultânea de austenita e grafita. O eutético estável cresce a partir desses núcleos, sendo que o crescimento se dá com uma frente de solidificação aproximadamente esférica. Cada agregado esférico de austenita e grafita lamelar é chamado de célula eutética ou grão eutético. Ferros fundidos 96

97 Cristais de austenita Crescimento dos cristais de austenita Ferros fundidos 97

98 Formação da grafita nos ferros fundidos Nos ferros fundidos cinzentos hipereutéticos, a única diferença é que a primeira fase a precipitar é a grafita hipereutética na forma de lamelas longas, retas e ramificadas e em seguida a sequência de solidificação é praticamente idêntica a dos ferros fundidos hipoeutéticos. Ferros fundidos 98

99 Formação da grafita nos ferros fundidos Abaixo da temperatura de solidificação, tem se dendritas de austenita cujo teor de carbono decresce com a queda da temperatura, formando uma matriz em que estão distribuídas lamelas de grafita. O carbono precipitado da austenita aparece em parte como perlita e parte como grafita livre, dependendo da sua velocidade de resfriamento e do teor de silício, principalmente. Ferros fundidos 99

100 Formação da grafita nos ferros fundidos Ao se ultrapassar a ultima linha do eutetóide, toda a austenita remanescente se transforma em perlita e se o resfriamento for lento pode a perlita se decompor parcialmente em ferrita e grafita, ficando a estrutura constituída de perlita, ferrita e grafita que é a estrutura mais comum em ferros fundidos comerciais. Ferros fundidos 100

101 Formação da grafita nos ferros fundidos Fofos nodulares obtidos pela adição de magnésio ao ferro liquido. O magnésio é vaporizado e o vapor atravessa o ferro líquido, diminuindo seu teor de enxofre, provocando a formação de grafita esferoidal. O magnésio atua como inibidor de curta duração, que retarda a formação inicial de grafita. O fofo cinzento solidifica inicialmente com formação de cementita e logo a seguir cessada a ação do magnésio, a cementita decompõem-se produzindo grafita que se desenvolve por igual em todas as direções, resultando assim numa forma sensivelmente esférica. Ferros fundidos 101

102 Formação da grafita nos ferros fundidos Um ferro fundido nodular hipoeutético inicia sua solidificação com a formação de dendritas de austenita relativamente pobres em carbono. À medida que a temperatura diminui, o líquido residual toma-se mais rico em carbono e silício, que são rejeitados da austenita. Ferros fundidos 102

103 Formação da grafita nos ferros fundidos Após um determinado superesfriamento (citado acima), abaixo da temperatura do eutético estável, começam a se formar os nódulos de grafita no líquido residual rico em carbono e silício. Para ferros fundidos nodulares eutéticos, a solidificação inicia-se após um certo superesfriamento abaixo da temperatura do eutético, com a formação de nódulos de grafita em contato direto com o líquido. Ferros fundidos 103

104 Formação da grafita nos ferros fundidos Uma diferença fundamental que existe entre os nódulos de grafita observados em ligas hipereutéticas em relação aos obtidos em ligas eutéticas e hipoeutéticas, é que nas hipereutéticas os nódulos têm tamanhos bastante diferentes, sendo os nódulos maiores os que se formaram entre as temperaturas de liquidus hipereutéticos e a do eutético, enquanto que os menores são provenientes de reação eutética.. Ferros fundidos 104

105 Obtenção do ferro fundido Introdução Os ferros fundidos são ligas de ferro carbono silício com teores de carbono na ordem de 2,5 a 4,0% e silício. Por essa razão, as temperaturas de fusão são bem mais baixas, podendo se utilizar para sua fusão equipamentos e processos, diferenciados em relação ao aço. Ferros fundidos 105

106 Obtenção do ferro fundido Matérias primas Matérias primas básicas utilizadas na produção de fofos ferro gusa, sucata de aço e ferros ligas. Ferro gusa principal fonte de ferro utilizada na fabricação de ferros fundidos com teor de carbono variando de 3,2 a 4,6% e teor de silício de 0,5 a 3,0%. Apresentam variações de composição química de lote para lote. Os lotes devem ser identificados e separados e o calculo de carga refeito a cada novo lote diminuindo a necessidade de correções de composição química do metal fundido. Ferros fundidos 106

107 Obtenção do ferro fundido Matérias primas Enxofre gusas provenientes de alto forno a carvão vegetal são os que possuem menores teores deste elemento. Impurezas gusas vazadas em areia apresentam maior teor de impurezas que os vazados em maquinas de lingotar. Sucata de aço está condicionado ao tipo de ferro fundido que se quer obter. É o principal responsável pelo diminuição dos teores de carbono do fofo. Seu uso varia de l0 a 50% do peso da carga. Ferros fundidos 107

108 Obtenção do ferro fundido Matérias primas Ferros ligas são utilizados na produção dos ferros fundidos para corrigir teores ou adicionar elementos do ferro fundido e para inocular a liga para aumentar a grafitização. Ferros fundidos 108

109 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Obtenção dos ferros fundidos em fornos cubilot ou em fornos elétricos a arco elétrico e a indução. Ferros fundidos 109

110 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno cubilot Equipamento de fusão empregado para a produção de ferros fundidos que utiliza como matéria prima o ferro gusa, sucata de aço, calcário (para separar impurezas) e, como combustível, o coque. Operacionalmente o forno não permite flexibilidade de produção e tão pouco controle rigoroso de composição química e temperatura de vazamento. Sistema duplex uso do forno cubilot + forno de indução. Ferros fundidos 110

111 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Operação do forno cubilot Funcionamento baseado no princípio da contra corrente. Carga metálica sucata metálica de fundição (canais, alimentadores, peças quebradas) e sucata em geral, ferro gusa de alto forno, sucata de aço, adições de ferro silício e ferro manganês. Ferros fundidos 111

112 Carcaça metálica Tijolos refratários Porta de carregamento Anel de vento Ventaneiras Principio da contra corrente Produção de 1 à 50 t/h Ferros fundidos 112

113 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Fornos elétricos Permite o controle da temperatura do banho, bem como condições favoráveis para oxidação e adições de elementos de liga permitindo a obtenção de ferros fundidos com características excepcionais e alta qualidade. Ferros fundidos 113

114 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno a arco Ocorre a transformação da energia elétrica em energia térmica. A corrente elétrica passa por transformadores e é levado aos eletrodos de grafite, por meio de terminais e cabos flexíveis. Os eletrodos penetram no forno através da abóbada e o arco é formado entre os eletrodos e a carga metálica, por meio do qual serão fundidos os materiais e ou mantido líquido o banho metálico. Ferros fundidos 114

115 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução O processo de aquecimento difere dos outros processos de fusão do aço pelo fato de que o calor não é transmitido à carga pela irradiação, e sim produzido no interior da mesma. Ferros fundidos 115

116 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução Forno de Indução a canal Consistem de um núcleo, uma bobina (primário) e um secundário formado pelo banho metálico, que com o formato de uma calha circular, circunda o núcleo e a bobina primária. Ferros fundidos 116

117 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução a canal A fusão é obtida ao se fazer passar pela bobina uma corrente alternada de alta voltagem, será feito circular no banho metálico uma corrente induzida de menor voltagem, porém de maior intensidade. A secção pequena e o grande comprimento do banho na calha de fusão apresentam uma grande resistência a passagem da corrente elétrica, a qual se transforma em calor e causa o aquecimento da carga. Ferros fundidos 117

118 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução a canal Desvantagens: Manter uma poça de material fundido após a fusão; Manutenção do canal difícil; Erosão do revestimento e arraste de pequenos fragmentos para o metal líquido; Ferros fundidos 118

119 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução a canal Vantagens: Menor consumo de energia; Menor investimento inicial ; Boa rentabilidade em serviço contínuo; Não é indicado para o trabalho com metal sólido sendo mais adequado para manutenção de banho líquido (sistema duplex). Ferros fundidos 119

120 Metal fundido Canal Núcleo de ferro Bobina Canal Refratário Ferros fundidos 120

121 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução a cadinho A carga metálica desempenha o papel de secundário do circuito. O enrolamento primário é constituído por uma bobina de tubos de cobre resfriados à água, colocados no interior da carcaça do forno. A câmara de aquecimento é um cadinho refratário ou é constituída de revestimento refratário socado no lugar, de natureza ácida. Ferros fundidos 121

122 Obtenção do ferro fundido Equipamentos de fusão Forno de Indução a cadinho Vantagens: Trabalha com qualquer tipo de sucata; Flexibilidade na troca de ligas uma após a outra fusão intermitente; Curto período de fusão; Ferros fundidos 122

123 Bica Ferros fundidos Plataforma Refratário Tampa Pedestal e cilindro hidráulico de elevação Bobina Metal Líquido Cabo de força e refrigeração Ferros fundidos 123

124 Variáveis de processo Escória Forno cubilot indicação das condições de operação e qualidade do ferro fundido. Constituída de: Al SiO 2 CaO Refratário Areia da fundição, cinzas, refratário Calcário Ferros fundidos 124

125 Variáveis de processo Escória Ácida SiO 2 > CaO Fios longos Básica SiO 2 < CaO Fios Curtos Ferros fundidos 125

126 Características a observar Observações Fluxo Calmo Agitado Viscosidade boa, operação normal. Escória espumosa, operação irregular. Basicida Ácido Fios longos. de Básico Fios curtos. Cor Preta Marrom escuro Verde garrafa Verde tingido de amarelo Marrom Escória ruim, condições extremamente oxidantes. Escória ruim, condições oxidantes. Operação normal. Operação normal, mas com excesso de manganês. Escória ruim com excesso de calcário. Ferros fundidos 126

127 Variáveis de processo Superaquecimento É aquecer o metal líquido de 100 a 150 C acima da temperatura de vazamento de 5 à 15 minutos. Destruir ou diminuir os núcleos de solidificação instáveis Homogeneização do banho Ferros fundidos 127

128 Variáveis de processo Inoculação Adicionar compostos grafitizantes no metal líquido momentos antes do vazamento. Promover a formação da grafita na solidificação. Ferros fundidos 128

129 Microestrutura de um ferro fundido cinzento sem inoculação. 100X Ferros fundidos 129

130 Microestrutura de um ferro fundido cinzento com inoculação. 100X Ferros fundidos 130

131 Grupo de inoculantes Inoculantes Grafita Silício metálico Ferro-silício 50% Inoculantes grafitizantes Ferro-silício 75% comuns Tipo A Tipo B Ferro-silício 85% Ca-Si Ca-Si-Ti Ca-Si-Mn Ca-Si-Mn-C Fe-Si-Zr Inoculantes grafitizantes Fe-Si-Zr-Ca especiais Ca-Si-Ba Fe-Si-Mn-Zr-Ba Si-Mn-Ca-Ba Si-Terras raras Fe-Cr Inoculantes estabilizadores Cr-Si-Mn perlitizantes Cr-Si-Mn-C Ferros fundidos 131

132 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Composição química do ferro base Carbono Grafitização Em ligas hipoeutéticas > Quantidade de inoculante que nas ligas hipereutéticas Ferros fundidos 132

133 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Teor de impurezas Oxigênio em excesso > Consumo de inoculante? Os inoculantes são excelentes desoxidantes Ferros fundidos 133

134 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Temperatura de inoculação Temperatura elevada Destruição dos centros efetivos para nucleação da grafita Temperatura baixa Dissolução incompleta dos inoculantes Ferros fundidos 134

135 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Quantidade de inoculante Mais eficiente quanto maior a quantidade de inoculante? Existe um limite a partir do qual o aumento de inoculante não atuará eficientemente. Excesso provoca mais escória, riscos de inclusões e porosidades no produto. Ferros fundidos 135

136 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Limpeza do banho Antes da inoculação Preparação do banho Remoção da escória O inoculante é desoxidante e seria consumido na desoxidação da escória não ocorrendo a grafitização. Ferros fundidos 136

137 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Fading Tempo de atuação do inoculante Importância Controlar o tempo decorrido entre a inoculação e o início da solidificação. Formação de carbonetos Ferros fundidos 137

138 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Granulometria Partículas pequenas Facilmente oxidadas Partículas grandes Demorada dissolução Tamanho das partículas entre 0,7 a 2,8 mm. Ferros fundidos 138

139 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Técnica de inoculação Quantidade de inoculantes Depende Número de inoculações Tipo de inoculante Granulometria Ferros fundidos 139

140 Variáveis de processo Inoculação Sua eficiência depende: Técnica de inoculação Inoculação durante a transferência do metal do forno para a panela de vazamento, no jorro de metal. Ferros fundidos 140

141 Variáveis de processo Nodularização Elementos nodularizantes Magnésio - mais utilizado Cério Cálcio Ferros fundidos 141

142 Variáveis de processo Nodularização Técnicas de nodularização Simples transferência FeSiMg adicionado ao fundo da panela e recoberta com sucata de aço para retardar a reação. Ferros fundidos 142

143 Variáveis de processo Nodularização Técnicas de nodularização Sandwich A panela de vazamento possui um degrau no fundo onde é colocado o FeSiMg e recoberta com sucata de aço para retardar a reação. Ferros fundidos 143

144 Variáveis de processo Nodularização Simples transferência Sandwich Ferros fundidos 144

145 Variáveis de processo Nodularização Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização: Composição química O teor de enxofre é crítico pois o magnésio é um excelente dessulfurante. Quando o teor de enxofre é alto deve-se proceder a tratamentos de dessulfuração antes da nodularização. Ferros fundidos 145

146 Variáveis de processo Nodularização Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização: Temperatura do banho Temperatura muito alta acentua a perda por oxidação e volatilização. Temperatura muito baixa poderá causar cementita livre na estrutura. Ferros fundidos 146

147 Variáveis de processo Nodularização Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização: Temperatura do banho Recomendam-se temperaturas de tratamento em torno de 1480 a 1520ºC. Ferros fundidos 147

148 Variáveis de processo Nodularização Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização: Temperatura de vazamento Acima de C, pois abaixo disso tenderá a haver formação de carbonetos eutéticos. Temperaturas mais elevadas provocara uma maior tendência de reação metal molde, e a formação de microporosidades. Ferros fundidos 148

149 Variáveis de processo Nodularização Fatores a serem considerados nas técnicas de nodularização: Panela de vazamento A área de superfície da panela deve ser a menor possível. Minimizar as perdas por oxidação e volatilização. Ferros fundidos 149

150 Variação do teor de Mg com o tempo para nodularização em panela com H/D = 1 (série A) e H/D = 2 (série B) Ferros fundidos 150

151 Porcentagem dos elementos dos materiais de acerto e rendimento em fornos de indução Material Elementos Porcentagem Rendimento Material de Carbono 97 Mín. 0,97 eletrodo Enxôfre 0,4 Max - Babaçu Carbono 65 Min. 0,97 Enxôfre 0,1 Max - Carbono 65 Mín. 0,97 Moinha de coque Enxôfre 1 Max. - Ferro cromo (alto cromo) Cromo Carbono ,97 Silício 1,5-3 0,75 Ferro manganês Manganês (alto carbono) Carbono ,97 Ferro Silício Silício ,75 Sucata de cobre Cobre 99 Min. 1 Ferro molibdênio Molibdênio (alto carbono) Carbono 2,5 Max. 0,97 FeSiMg Magnésio ,33 Silício ,75 Ferros fundidos 151

152 Ferros fundidos 152

153 Ferros fundidos 153