Ferro Fundido. A.S.D Oliveira

Transcrição

1 Ferro Fundido

2 Ferros fundidos Ligas ferrosas contendo comumente de 2.1%-4% C e 1%-3% Si Ferros fundidos com mais de 4%-4.5%C não são interessantes comercialmente devido à alta fragilidade; São considerados ligas ternárias de Fe-C-Si; Outros elementos como Mn, P e S também se apresentam em teores mais elevados que nos aços;

3 Diagrama Fe-C (Metaestável) C Cementita C Grafita em flocos C Grafita em nódulos

4 0.65 Diagrama de equilíbrio Fe-C 1600 T( C) g Austenite g +L 1153 C L 4.2 wt% C Liquid + Graphite g 800 g + Graphite 740 C Graphite (Fe) C o, wt% C 100

5 Formação da grafita é favorecida por:

6 Formação da grafita é favorecida por: 1. Resfriamento lento; 2. Adição de Si (>1%), pois: É forte grafitizante, tende a decompor a Fe 3 C; A temperatura de transformação eutética aumenta com o % de Si; Amplia a diferença de temperatura entre o eutético estável e o eutético metaestável. 3. Adição de outros elementos grafitizantes como Ni, Al, Cu ( FF especiais); 4. Adição de Inoculantes.

7 Fabricação dos Ferros fundidos A composição torna-os excelentes para FUNDIÇÃO( %C e T); Menos problemas devido a contração na solidificação pois o liquido solidifica todo de uma vez e na formação da grafita gera expansão (devido a menor densidade) O Si aumenta o carbono equivalente da liga (a cada 1% Si e como se a liga tivesse 0,3% a mais de C) C eq = C+ 1/3(Si + P) Exemplo: Liga com 3,6%C e 2,3%Si C.E. = 3,6 + 1/3 (2,3) = 4,3% Liga Eutética!!! A fabricação de ferros fundidos é várias vezes superior a de qualquer outro metal fundido, exceto lingotes e tarugos de aço que serão posteriormente trabalhados.

8 Fabricação dos Ferros fundidos Não podem ser deformados mecanicamente (forjado, laminado, conformados) pois são duros e frágeis seja pela presença excessiva de Fe 3 C ou pela distribuição da grafita. A soldabilidade dos FF também é baixa por causa da facilidade de formação de: a. Martensita; b. Fases de baixo ponto de fusão e trincas a quente; c. FF branco (alto super resfriamento); Além disso, tensões residuais de soldagem combinadas com uma morfologia de grafita concentradora de tensão podem acelerar a nucleação de trincas. Alguns tipos de FF podem ser usinados devido à grafita servir como lubrificante e ter fácil quebra de cavaco.

9 Tipos de ferros fundidos

10 Tipos de ferros fundidos O mais importante é o ferro fundido cinzento Outros tipos incluem: FF branco; FF ductil; FF maleável; FF vermicular. São classificados ou quanto ao aspecto da fratura ou quanto ao formato da grafita. FF dúcteis e maleáveis apresentam composição química similar aos FF cinzento e branco, respectivamente, mas resultam de processamento diferenciado. Podem ter matriz ferritica, perlitica, austenitica ou mistas.

11 FF cinzento Grafita em flocos/veios O que esperar de suas propriedades mecânicas e físicas?

12 FF cinzento Frágil sob tensão trativa Resistência sob compressão Resistência ao desgaste Bom condutor de calor Resistente à fadiga térmica Bom amortecimento de vibrações (Equipamentos e base de equipamentos) Menor propagação do ruído (bloco de motor, disco de freio) Boa usinabilidade

13 FF cinzento Dureza em função da matriz Predominantemente ferritico Perlítico /ferritico (predominantemente perlítico, até 20% de ferrita) Perlítico (até 10% de ferrita)

14 FF cinzento tipos de grafita + inoculantes - inoculantes Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos: Classificação em função do C equivalente e da matriz

15 FF cinzento Algumas aplicações: Bloco de motor, cabeçote, capas de mancais, disco de freios, componentes que precisem de usinagem posterior à fundição.

16 FF nodular/ductil Grafita em nódulos Nodularização pela adição de Mg ou Ce (se combinam com o S e O que impedem a nodularização) O que esperar de suas propriedades mecânicas e físicas? Menor concentração de tensão Maior resistência mecânica e ductilidade que o FF cinzento Pior condução de calor, amortecimento de vibrações e usinabilidade que os FF cinzentos.

17 FF nodular/ductil Dureza em função da matriz Nodular Ferrítico/Perlítico (Predominantemente ferrítico) Nodular perlitico/ ferritico (50%-50%) Nolular perlítico (predominantemente) Matriz Ferrítica LR: MPa e Al: 10 a 22% Matriz Perlítica LR: Até 900 MPa e Al: 2%

18 FF nodular/ductil Melhores propriedades mecânicas (ductilidade e resistência mecânica) dentre os ferros fundidos Algumas aplicações: tubos centrifugados para saneamento, válvulas para vapor e produtos químicos, eixo de comando de válvulas, virabrequins, engrenagens, coletor de escape, etc.

19 Tipos de ferros fundidos FF cinzentos FF nodulares ferrita perlita Grafita flocos frágeis Grafita nodulos ducteis

20 FF Vermicular Adição de elementos como Pb e Ti que degeneram a grafita Apresentam propriedades físicas e mecânicas intermediárias entre os FF cinzentos e nodulares São indicadas para aplicações que requeiram elevada resistência mecânica, baixa condutibilidade térmica e alta resistência à fadiga térmica Matriz ferrítica ou perlítica

21 Cinzento Vermicular Nodular Propriedade Cinzento Vermicular Nodular LR E Al Dureza Condutividade térmica Amortecimento de vibrações

22 FF Branco <1wt% Si ou coquilhado Solidifica conforme diagrama Fe-C metaestável (Fe 3 C) O que esperar de suas propriedades mecânicas? Duro e frágil (+ cementita) Excelente resistência ao desgaste Não pode ser usinado ou soldado Difícil prevenir FF Branco em peças de espessuras finas Algumas aplicações: Moinhos, martelos, usinas de carvão, moagem de minérios. FF branco Hipoeutético

23 FF Branco Microestrutura Ledeburita: Nódulos de austenita em fundo de Fe 3 C

24 FF Branco

25 Ferro fundido Branco Vs Ferro fundido cinzento Possui o carbono não dissolvido precipitado na forma de carbetos. Microestruturas (perlita e Fe 3 C): - Ledeburita + perlita + cementita - Ledeburita - Ledeburita + cementita Elevadas dureza e resistência ao desgaste, que podem ser melhoradas pela adição de elementos como Cr e Mo. Muito baixas tenacidade e ductilidade. Se %Si for de 1 a 3% e o resfriamento for lento praticamente todo o C não dissolvido na austenita ou ferrita se precipita na forma de grafita em veios ou lamelar. Microestruturas: - grafita + ferrita - grafita + perlita - grafita + ferrita/perlita Material fácil de se fundir Boa usinabilidade Baixa ductilidade e tenacidade, devido ao efeito de entalhe da grafita em veios Resistência à tração entre 28kgf/mm 2 e 42 kgf/mm 2. Resistência à compressão 3x maior. Boa capacidade de amortecimento.

26 FF Maleável Tratamento térmico do FF branco a ºC; Fe 3 C se decompõe em grafita + γ; Grafita aparece/surge em rosetas; O que esperar de suas propriedades mecânicas em relação ao FF branco? Mais ductil; TT de grafitização FF maleável preto (atmosfera neutra - 20h) TT de descarbonetação FF maleável branco (atmosfera oxidante -120 h) (resulta em propriedades similares aos FF nodulares) FF maleável branco tem melhor soldabilidade!

27 FF Maleável FF maleável pretos Matriz Ferrítica, Perlítica ou martensítica LR: MPa e Al: 10 a 2% Algumas aplicações: conexões para tubulações hidráulicas; corrente; suporte de molas; caixas de direção; caixas de diferencial; sapatas de freios; pedais de embreagem e freio; bielas;caixas de engrenagem

28 Processamento de ferros fundidos

29 Ferro Fundido Ferro fundido cinzento perlítico + Mg/Ce ferrítico FERROS FUNDIDOS Ferro fundido nodular perlítico ferrítico + TT Ferro fundido branco Perlita em Fe 3 C Ferro fundido maleável perlítico ferrítico

30 Ferro Fundido

31 Tratamentos térmicos de ferros fundidos

32 Tratamentos térmicos aplicáveis aos ferros fundidos Alívio de tensões ( o C) Não produz modificações microestruturais significativas, somente alívio de tensões (por micro deformações plásticas) oriundas da(o): Fundição (contrações, peças com seções grossas e finas) Desmoldagem a quente Jateamento Usinagem Recozimento de decomposição de carbetos ( o C) Decomposição de carbetos formados em regiões finas da peça. Recozimento ferritizante Provoca a grafitização da perlita. Faz-se ou o recozimento pleno (temperaturas superior eutetóide: C) ou o recozimento subcrítico (inferior eutetóide: C). Pode ou não ser precedido de uma etapa a C para dissolver outros carbetos que estejam presentes.

33 Tratamentos térmicos aplicáveis aos ferros fundidos Normalização ( o C) Objetiva aumentar a resistência mecânica ou homogeneizar as propriedades mecânicas da peça. Efetua-se a austenitização total ou parcial seguida de resfriamento ao ar. Produz uma matriz total ou parcialmente perlítica. Pode ser seguida de recozimento subcrítico para esferoidização da perlita. Têmpera e revenido ( C) Objetiva aumentar a resistência mecânica. Faz-se a austenitização e resfriamento em óleo. A temperabilidade pode ser aumentada com adição de elementos de liga como Mn, Ni e Mo. Para promover a homogeinização da temperatura e evitar formação de trincas podese resfriar o aço até temperaturas maiores que M s e posteriormente deixar a peça resfriar ao ar (martêmpera). O revenido é feito entre C e deve-se cuidar para evitar a precipitação de grafita secundária que reduz a resistência mecânica.

34 Tratamentos térmicos aplicáveis aos ferros fundidos Tempera Recozimento Normalização

35 Microestruturas de ferros fundidos nodulares: a) Ferrítico (como fundido) b) Ferrítico-perlítico c) Ferrítico (recozido) d) Temperado e revenido para 255HB

36 Microestruturas de ferros fundidos nodulares: ferrítico perlítico martensítico

37 Tratamento térmico de austêmpera Austêmpera (Austempered Ductile Iron) Faz-se a austenitização seguida de resfriamento rápido até a temperatura de austêmpera de forma que a austenita fique super saturada em carbono. Com o tempo, parte da austenita começa a se transformar em ferrita. A austenita remanescente fica mais rica em C e se estabiliza. Obtendo assim uma estrutura austeno-ferritica (Ausferrita). Se o tempo de permanência na temperatura de austêmpera for muito curto, o C não consegue difundir e estabilizar a austenita e no resfriamento irá se formar martensita. Se o tempo for muito elevado irão precipitar carbetos na austenita super saturada e a austenita ira se transformar em bainita, resultanto em redução da tenacidade, alongamento e resistência ao impacto. Com esse TT consegue-se alta ductibilidade, tenacidade, resistência à tração, resistência abrasão e a fadiga. LR: de 850 Mpa a 1600 Mpa e Al: de 2 a 11%

38 Tratamento térmico de austêmpera

39 Microestruturas austemperadas (ADI) T = 260 o C Estrutura acicular fina, com as seguintes propriedades: L.R. = 1585 MPa, L.E.=1380 MPa, Alongamento = 3%, dureza = 475HV, Energia absorvida no ensaio de impacto (sem entalhe) = 54J T = 370 o C Estrutura acicular grossa, com as seguintes propriedades: L.R. = 1035 MPa, L.E.= 825 MPa, Alongamento = 11%, dureza = 321 HV, Energia absorvida no ensaio de impacto (sem entalhe) = 130J

40 Propriedades dos FF nodulares austemperados (Em comparação com os FF nodulares comuns)

41 Propriedades dos FF nodulares austemperados (Em comparação com os FF nodulares comuns)

42 Comparação entre ferros fundidos e aços

43 Composição dos FF vs composição dos aços Correlação dos teores de C e de Si presente nos aços e FF (a maioria dos aços apresenta baixo %Si e os FF elevado %Si).

44 Propriedades dos Ferro fundidos vs aços

45 Propriedades dos Ferro fundidos vs aços

46 Propriedades dos Ferro fundidos vs aços

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48 Recapitulando! 1. FF são usados em geral para: Resistência ao desgaste Isolamento de vibrações Componentes de grandes dimensões Peças de geometria complicada Peças onde a deformação plástica é inadmissível 2. Composição 3. Fabricação (fundição, conformação, soldagem e usinagem) 4. Tipos de fofos e propriedades 5. Processamento 6. Tratamento térmico (alívio de tensões, recozimento solubilização de carbetos e de ferritização, normalização, têmpera e revenido, austêmpera)