07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)

Universidade Federal do Paraná

Setor de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecânica

Prof. Rodrigo Perito Cardoso

TM343 Materiais de Engenharia

Ferros fundidos

Prof. Rodrigo Perito Cardoso

Onde estamos?

• Introdução • Revisão dos conceitos de mecanismos de endurecimento e

diagramas de fase • Alumínio e suas ligas

– Classificação das ligas de Al – Tratamentos térmicos das ligas de Alumínio – Metalurgia das ligas de Alumínio

• Ligas ferrosas – Aços e ferros fundidos – Diagramas TTT e TRC – Tratamentos térmicos dos metais ferrosos – Metalurgia dos metais ferrosos – Tratamentos termoquímicos

• Noções de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)

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Roteiro da aula

• Introdução

• Classificação

• Sistema Fe-C-Si

• Ferro fundido cinzento

• Ferro fundido Dúctil (modular)

• Ferro Fundido Maleável

• Ferros Fundidos resistentes à abrasão

• Ferros fundidos resistentes à corrosão e ao calor

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Introdução

• Menor temperaturas de fusão (1130ºC vs 1500ºC do aço)

• Boa fluidez -> Geometrias complexas

• Em geral alta usinabilidade

• Menor custo de produção

• Resistência ao desgaste

• Isolamento de vibrações

• Componentes de dimensões variadas

• Versatilidade de propriedades • Apesar da grande quantidade de materiais disponíveis, em muitas

aplicações os ferros fundidos continuam sendo mais econômicos

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Introdução • Peças de geometria complexa.

• Normalmente a forma principal da pesa não é atingida por usinagem -> usinagem em pontos específicos

• Peças onde a deformação plástica é inadmissível

FERROS FUNDIDOS

•Baixo ponto de fusão (relat. aos aços)

•Elevada dureza e resist. ao desgaste

•Razoável resistência à corrosão

•Versatilidade de propriedades e aplicações

POSITIVAS NEGATIVAS

•Grande fragilidade, logo, baixa

ductilidade

•Deformação plástica impossível

à temperatura ambiente

•Soldagem muito limitada

•Regime elástico não-linear

Ligas ternárias de Ferro, Carbono (2 a 4%) e Silício (1 a 3%)

FERROS FUNDIDOS - Classificação

FF CINZENTO (Gray iron)

FF DÚCTIL ou Nodular (Spheroidal iron)

FF BRANCO (White iron)

FF MALEÁVEL (Malleable iron)

FF VERMICULAR (intermediário entre Cinzento e Nodular)

(Vermicular iron) FF alta Liga

Existe sobreposição de composição

química, pelo que só se distinguem

através do processamento!

Classificação baseada na distribuição

do carbono na estrutura

Bá

sic

os

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Tipos de ferros fundidos

Cinzento

Nodular (dúctil)

Branco Vermicular

maleável

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Ferro Fundido Branco • Obtidos com menos de 1%p de Si

com elevadas taxas de resfriamento

Maioria do carbono forma cementita

• Superfície de uma fratura tem apa-

rência esbranquiçada -> nome

• Extremamente duro e frágil -> aplicado quando a resistência ao desgaste é importante (cilindro de laminação)

• Elevada resistência à compressão

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Ferro Fundido Cinzento

• Teor de carbono entre 2,5 e 4,0%p

• Teor de silício entre 1 e 3%p

• Grafita em forma de flocos em uma matriz ferrítica ou perlítica -> boa usinabilidade

• Se fraturada a superfície tem aparência acinzentada -> daí o nome

• Pouco resistente e frágil sob tração (microestrutura com pontas de flocos pontiagudas -> concentrador de tensão)

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Ferro Fundido Cinzento

• Muito mais resistente e dúctil sob

compressão

• Muito eficientes no amortecimento de energia vibracional (aplicação em bases de máquinas e blocos de motores)

• Elevada resistência

ao desgaste

Aço

Ferro fundido cinzento

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Ferro Fundido Cinzento

• Apresentam alta fluidez na temperatura

de fundição -> permite fundição de formas

complexas e delgadas

• É um dos materiais mais baratos que existe

• Outras microestruturas podem ser obtidas por ajuste de composição e tratamento adequado

• Ex: ↓Si ↑taxa de resfriamento previne a dissociação completa da cementita -> microestrutura com flocos de grafita em uma matriz perlítica

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Ferro Fundido Maleável

• O ferro fundido branco é produto

intermediário para produção do

ferro fundido maleável

• Obtido do ferro fundido branco

mantido muitas horas aquecimento entre

800 e 900 °C (atmosfera controlada) -> taxa de resfriamento para obtenção do ferro fundido branco limita a seção da peça

• Cementita em forma de rosetas em matriz ferrítica ou perlítica (taxa de resfriamento)

• Semelhante ao nodular (resistente, dúctil) -> engrenagens, barras de ligação, conexões, etc.

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Ferro Fundido Nodular (ou Dúctil)

• Composição próxima ao cinzento

Obtido pela adição de Mg ou Ce

• Grafita se forma em forma de

Nódulos esféricos e não flocos

• Matriz ferrítica ou perlítica, depen-

dendo do tratamento térmico, envolvendo os nódulos de grafita

•Matriz ferrítica obtida por tratamento a 700°C por várias horas

•Mais resistentes e mais dúcteis que os cinzentos - > características próxima aos aços (válvulas, virabrequins, corpos de bombas, engrenagens, etc)

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Ferro Fundido Vermicular

• O mais recente deles

• Si entre 1,7 e 3%p

• C entre 3,1 e 4%p

• Grafita em forma de vermes

(intermediária entre cinzento e nodular)

• Até 20% da grafita pode estar em nódulos (evitar aresta vivas)

• Adição de Mg e/ou Ce em menor quantidade

• Matriz pode ser ferrítica ou perlítica

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Ferro Fundido Vermicular

• Aumento na nodularidade das

partículas leva a maior resistência e

ductilidade

• Propriedades compatíveis com os

Ferros fundidos nodulares e maleáveis

• Em comparação co outros ferros fundidos:

– Maior condutividade térmica

– Maior resistência ao choque térmico

– Menor oxidação em temperaturas elevadas

• Blocos de motores, carcaças de caixa de engrenagem, discos de freio, polias, etc

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Variação de composição e tratamento na microestrutura dos Ferros Fundidos

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Efeito da velocidade de resfriamento

Espessura da peça

http://www.fonderiaboxer.it/prodotti_uk.html

4300 kg de Fofo Cinzento!

32 g de Fofo Cinzento!

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O sistema Fe-C-Si • Si é grafitizante -> ferro fundido pode solidificar no sistema

Fe-Fe3C (resfriamento rápido) ou Fe-Grafita (resfriamento lento)

Si reduz a composição

do eutético e a

solubilidade máxima do

carbono na austenita

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Ferros fundidos cinzentos

• É o mais usado (custo, possibilidade de grande variedade de formas) -> representa aproximadamente 75% da produção de FF

• Flocos de grafita conferem:

– Excelente usibinabilidade

– Boa resistência ao desgaste

– Pode operar sob baixa lubrificação (lubrificante sólido)

– Excelente amortecimento de vibrações

– Propriedades comparáveis aos aços de alta resistência se empregados sob compressão (resistência mecânica, estabilidade dimensional e exigência de alinhamento)

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Ferros fundidos cinzentos

• Casses de ferros fundidos cinzentos:

– Classificados pela tensão limite de resistência (depende principalmente da micro estrutura)

– Norma ASTM

– Pode ser hipoeutético e hipereutético (%C e %Si)

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Ferros fundidos cinzentos

• Solidificação lenta de um ferro fundido hipoeutético

• Em resfriamento lento

• 1- 1250°C início da solidificação de dendritas de austenita

• 2 e 3 precipitação de grafita

• 3-4 rejeição de carbono da austenita que se precipita na grafita existente

• 4 e 5 austenita se transforma em ferrita e o restante do carbono se precipita na grafita já existente

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Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos

• Elementos de maior importância são C e Si

• Elementos grafitizantes (ex:Si) promovem

Fe3C -> 3Fe + C (grafite)

• Elementos estabilizadores de carbonetos impedem a decomposição (ex: Cr, Mn e S)

• Maior teor de Si e C favorece a formação do ferro fundido cinzentos, baixos teores destes elementos favorecem a formação do ferro fundido branco.

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Efeito da composição química na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos

• S e Mn

– Relação entre %Mn e %S deve ser respeitada para evitar a formação de FeS

– Se não ligados formando MnS, promovem a formação de perlita (estabilizadores de carbonetos)

• P

– Pode formar eutético de baixo ponto de fusão (~950°C) -> “steadita”

– Se presente em grande quantidade aumenta a dureza a fragilidade e reduz a usinabilidade. Também aumenta a resistência ao desgaste, assim pode ser interessante am algumas aplicações

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Grafitização na solidificação

• Flocos de diversas formas e tamanhos se formam

– Flocos grandes e aleatoriamente orientados são formados sob baixa taxa de nucleação e solidificação

– Flocos pequenos são formados sob elevada taxa de nucleação (super-resfriamento intermediário) e quando há tempo para a grafitização

– Elevado super-resfriamento impede a grafitização

• Inoculação

– Influencia fortemente a microestrutura

– Inoculação reduz o super-resfriamento

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Microestrutura • Propriedades definidas pela matriz (pouca influencia dos

flocos de grafita) -> fortemente influenciada pela taxa de solidificação

Classe 20

Matriz essencialmente ferrítica

Pouca perlita

Resfriamento lento

Classe 30

Mistura de ferríta e perlita

Resfriamento moderado

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Propriedades

• Propriedades mecânicas

– Depende diretamente da microestrutura e logo da taxa de solidificação

– Quanto mais C e Si menor a resistência

– Propriedades superiores obtidas com adição de Cr, Ni e Mo

– A rede de flocos de grafite é comunicante o que gera os baixos valores de resistência

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Propriedades

• Resistência ao desgaste

– Resistentes ao desgaste por deslizamento -> efeito lubrificante da grafita + retenção de óleo no local dos flocos

• Usinabilidade

– Apresenta a melhor usinabilidade entre os ferros fundidos

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Propriedades

• Amortecimento de vibrações

– Absorção de energia devido à microestrutura

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Ferros fundidos Nodulares

• Grafita dispersa em nódulos esféricos -> como fundido apresenta a estrutura da olho de boi

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Ferros fundidos Nodulares

• Apresente baixo ponto de fusão, boa fludez e fundibilidade, excelente usinabilidade e resistência ao desgaste

• Isso aliado a elevada resistência mecânica tenacidade, ductilidade e trabalhabilidade a quente

Classes segunda as

propriedades

mecânicas

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Ferros fundidos Nodulares

• Solidificação de ferros fundidos nodulares

– Adição de Mg (~0,1%) -> desoxida e desulfuriza o metal líquido

– O e S são responsáveis pela formação de flocos

– Estrutura da matriz depende da taxa de resfriamento e do tratamento térmico

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Ferros fundidos Nodulares

• Efeito da composição na estrutura e propriedades

– C e Si controlam a densidade de nódulos

– S deve ser mantido abaixo de 0,03%, se essa concentração for superior deve-se adicionar mais Mg

– P manter inferior a 0,1% para evitar a steadita

– Impurezas de Pb, Ti, Al, Sb, Zr podem promover a formação de flocos

– Cr, B, Sn, V estabilizam perlita e carbonetos

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Ferros fundidos Nodulares

• Tratamento térmico e microestrutura

– Propriedades podem ser variadas entre 420 e 840MPa por tratamento térmico -> variação da microestrutura

– Alivio de tenções

• De tensões residuais da fundição

• Entre 530 e 675°C por 1h + 1h por plogada de seção

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Ferros fundidos Nodulares

• Tratamento térmico e microestrutura

– Recozimento pleno

• Para obter a melhor usinabilidade

• 780°C 6h resfriado ao forno -> decompõe a maioria da perlita

– Normalização e revenimento

• Usado para obter elevada resistência

• 1h a 900°C e resfriado ao ar -> seguido de revenimento 1h a 560°C

– Têmpera e revenimento

• Têmpera em óleo,martempera ou austempera

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Ferros fundidos Nodulares

• Propriedades

– Vantagens de processamento dos ferros fundidos

– Propriedades similares aos aços

– Resistência ao desgaste

• Nódulos ajudam a retenção de óleo

• Equivalente ao ferro fundido cinzento

– Usinabilidade

• Próximo ao ferro fundido cinzento

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Ferros fundidos Nodulares

• Propriedades mecânicas

Grafita não forma uma rede -> nódulos isolados

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Ferro fundido maleável

• Estrutura obtida por tratamento térmico do ferro fundido branco (recozimento)

• Normalmente com matriz ferrítica (pode ser perlítica e martensítica)

• Especificados pela mínima tensão limite de resistência

• Inserir tabela 8.6

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Ferro fundido maleável

• Tratamento térmico e microestrutura

– Ferro fundido maleável ferrítico

• Recozimento-> transforma FF branco em maleável

• Tratamento chamando maleabilização, etapas: – Nucleação da graftita-> ocorre no aquecimento

– Patamar entre 870 e 950°C -> eliminação de carbonetos massivos -> transformação em grafita

– Resfriamento lento para evitar a formação de perlita

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Ferro fundido maleável

• Tratamento térmico e microestrutura

– Ferro fundido maleável perlítico (maior resistência e menor ductilidade)

• Tratamento chamando maleabilização-> 13h a 970°C e resfriamento ao ar

• Estrutura martensítica pode ser obtida sob resfriamento em óleo -> revenido entre 260 e 730°C

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Ferro fundido maleável

• Propriedades

– Resistência e ductilidade podem ser variadas variando a estrutura da matriz

– Larga faixa de propriedades possíveis como os nodulares

– Elevado grau de homogeneidade já que todo FF maleável é tratado termicamente

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Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão

• Ferro fundido coquilhado

– Produz uma superfície de ferro fundido branco, resistente à corrosão e um núcleo tenaz (FF cinzento)

– Obtido usando moldes metálicos ou de grafite

• Ferro fundido branco

– Se não ligados apresentem matriz de perlita fina

– Adicionando elementos de liga pode ter matriz martensítica ou bainítica

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Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão

• Ferro fundido branco ao cromo

– Adicionando entre 1 e 4% para aumentar a resistência à abrasão

– Forte formador de carbonetoes e tende a suprimir a grafitização

– Se adicionado entre 12 e 35% melhora resistência à oxidação e à abrasão

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Ferros fundidos ligados resistentes à abrasão

• Ferro fundido branco níquel-cromo

– Ni e Cr aumentam a resistência mecânica, à oxidação e a corrosão

– Níquel -> grafitizante

– Cr -> formador de carbonetos

– Dosados para contrabalançar os efeitos

– 2%Ni + 1%Cr refina a perlita

– 3,25%Ni + 1,25%Cr produz matriz martensítica

– 4,2%Ni + 2%Cr produz matriz austenítica -> se transforma em martensita em operação

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Ferros fundidos ligados resistentes à corrosão

• Ferro fundido alto silício (14-17%)

– Extremamente resistente a ataque ácido

– Resistente a ácido sulfúrico em ebulição

– Pobre propriedades mecânicas

• Ferro fundido alto cromo (20-35%)

– Resistente a ácido nítrico e soluções salinas, oxidação e abrasão

– Melhores propriedades mecânicas que os alto Si

• Ferro fundido alto níquel (14-30%)

– Matriz austenítica -> resistentes a meios pouco ácidos e a meios básicos

– Elevada tenacidade (CFC)

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Ferros fundidos ligados resistentes ao calor

Adição de Cr, Ni, Mo, Al

Acima de 425°C perde resistência mecânica e sofre crescimento (expansão pela formação adicional de grafita e oxidação após transformação da grafita em CO)

• Ferro fundido ao cromo (resiste até 980°C)

• Ferro fundido alto silício (eleva a transformação de ferrita em austenita a 900°C evita expansão devido à transformação de fase)

• Ferro fundido alto níquel (resiste até 815°C em atmosferas oxidantes, em resença de enxofre resiste até 500°C) -> maior tenacidade que os outros

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Ferros fundidos nodular austemperado

• Combina resistência mecânica e ao desgaste de aços e com baixo custo e flexibilidade de projeto

• Tratamento térmico

– Austenitizado entre 870 e 930°C

– Resfriado em banho de sal entre 320 e 370°C

– Após o tempo de tratamento ‘é resfriado a Tamb

– Obtêm então estrutura bainitica

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É importante lembrar

• Diferença entre os diferentes tipos de ferros fundidos (Microestrutura - propriedade)

– Cinzento

– Branco

– Nodular

– Maleável

• Influencia do resfriamento e do tratamento térmico