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1 CLASSIFICAÇÃO Os ferros fundidos podem ser classificados em 5 tipos, sendo que apenas no ferro fundido branco (incluindo o ferro fundido branco alta liga) todo carbono encontra-se combinado como Fe 3 C ou outro carboneto. Nos demais, é a forma da grafita que vai determinar o tipo de ferro fundido, assim como suas propriedades (Figura 1). Ferro fundido branco + elemento de liga Tratamento térmico de maleabilização Ferro fundido branco alta liga Ferro fundido maleável Ferro Fundido Branco (“white cast iron”): é um ferro fundido virtualmente livre de carbono na forma de grafita; o carbono apresenta-se combinado como cementita (Fe 3 C) ou outro carboneto. Ferro Fundido Cinzento (“gray cast iron”): é um ferro fundido que apresenta todo ou parte do carbono livre, na forma de veios (ou lamelas) de grafita; uma pequena parte do carbono pode apresentar-se combinado (Fe 3 C) formando perlita e, eventualmente, um pouco de ledeburita (regiões coquilhadas).

Ferro Fundido

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Page 1: Ferro Fundido

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CLASSIFICAÇÃO

Os ferros fundidos podem ser classificados em 5 tipos, sendo que apenas no ferro fundido branco (incluindo o ferro fundido branco alta liga) todo carbono encontra-se

combinado como Fe3C ou outro carboneto. Nos demais, é a forma da grafita que vai

determinar o tipo de ferro fundido, assim como suas propriedades (Figura 1).

Ferro fundido branco

+ elemento de liga

Tratamento térmico de maleabilização

Ferro fundido branco alta liga

Ferro fundido maleável

Ferro Fundido Branco (“white cast iron”): é um ferro fundido virtualmente livre de

carbono na forma de grafita; o carbono apresenta-se combinado como cementita (Fe3C)

ou outro carboneto.

Ferro Fundido Cinzento (“gray cast iron”): é um ferro fundido que apresenta todo ou

parte do carbono livre, na forma de veios (ou lamelas) de grafita; uma pequena parte do

carbono pode apresentar-se combinado (Fe3C) formando perlita e, eventualmente, um

pouco de ledeburita (regiões coquilhadas).

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2

Ferro Fundido Maleável (“malleable cast iron”): é um ferro fundido obtido a partir

do ferro fundido branco tratado termicamente; o carbono livre apresenta-se na forma

de grafita compacta; parte do carbono pode apresentar-se combinado (Fe3C)

formando perlita.

Ferro Fundido Mesclado (ou Coquilhado): é um ferro fundido que apresenta

carbono tanto na forma combinada (ferro fundido branco, normalmente na superfície

da peça) como na forma grafítica (ferro fundido cinzento, no núcleo da peça); este

tipo de material compatibiliza propriedades dos dois tipos de ferros fundidos.

Ferro Fundido Nodular (“ductile cast iron”): é um ferro fundido que apresenta

todo ou parte do carbono livre, na forma de esferóides ou nódulos de grafita, obtidos

diretamente da solidificação; uma pequena parte do carbono pode apresentar-se

combinado (Fe3C) formando perlita e, eventualmente, um pouco de ledeburita

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Figura 1. Microestruturas típicas de ferro fundido. (a) Ferro fundido branco: áreas claras de cementita e perlita; (b) Ferro fundido cinzento ferrítico; (c) Ferro fundido maleável ferrítico; (d) Ferro fundido nodular ferrítico

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EFEITO DA COMPOSIÇÃO QUIMICA E PROCESSO SOBRE O TIPO E MICROESTRUTURA DE FERRO FUNDIDO

+ Estanho F.F.C. Perlítico

+ Têmpera F.F.C. Martensítico

+ Elemento de liga (Cr, Mo, W) F.F. Branco Especial

+ Tratamento Térmico (maleabilização) F.F.Maleável

+ Silício Ferro Fundido Cinzento Ferrítico

Fe + C (> 2,1 %C) Ferro Fundido Branco

+ Estanho F.F.Nodular Perlítico

+ Magnésio F.Fundido Nodular Ferrítico

+ Têmpera F.F.N. Martensítico

Page 5: Ferro Fundido

5

Ferro Fundido Hipoeutético Ferro Fundido Hipereutético

Ferro Fundido Eutético

Aço Ferro Fundido

Figura 3. Diagrama de equilíbrio metaestável Fe - Fe3C

Page 6: Ferro Fundido

6

1) Ferro Fundido Branco Eutético - Figura 4 Reação eutética: L4,3%C 2.1%C + Fe3C6,7%C (ledeburita)

2) Ferro Fundido Branco Hipoeutético (carbono entre 2,1 e 4,3 %C) - Figura 5

3) Ferro Fundido Branco Hipereutético (carbono entre 4,3 e 6,7 %C) – Figura 6

À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C Constituinte: Ledeburita

À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C

Constituintes: Ledeburita e dendritas de perlita

À temperatura ambiente: Fases: e Fe3C Constituintes: Ledeburita e agulhas primárias

de cementita

SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS BRANCOS

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7

% Constituinte

100

%Ledeburita

%Cementita primária%Dendrita de perlita

Hipoeutético HipereutéticoEutético

L

+ Fe3C

%CONSTITUINTE DOS FERROS FUNDIDOS BRANCOS

Exemplos de microestruturas:

-Ferro fundido eutético: estrutura constituída por ledeburita

- Ferro fundido hipoeutético: estrutura constituída por ledeburita e dendritas de perlita.

- Ferro fundido hipereutético: estrutura constituída por ledeburita e agulhas de cementita primária.

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8

Figura 4. Ferro fundido branco eutético. Estrutura: ledeburita. Com ataque. 530 x

Figura 5. Ferro fundido branco hipoeutético. Estrutura: dendritas de perlita e ledeburita. 100 x

Figura 6. Ferro fundido branco hipereutético.Estrutura: Agulhas primárias de cementita e ledeburita. Com ataque. 370 x

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9

Microestrutura de ferro fundido branco hipoeutético. Ledeburita e dendritas de perlita.

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Além disso, verifica-se que a dureza do carboneto de cromo é maior que a da cementita. Por essa razão, em aplicações onde a resistência ao desgaste é o maior requisito, especifica-se ferro fundido branco de alta liga, cuja microestrutura é mostrada na Figura 7.

Ferro Fundido Maleável

Como mostrado na Figura 2, o ferro fundido maleável é obtido a partir do ferro fundido branco, através de tratamento térmico. Durante o ciclo térmico, a altas temperaturas, ocorre decomposição dos carbonetos e o carbono precipita puro, dando origem a um aglomerado irregular.

Quanto à matriz metálica, esta pode ser ferrítica (Figura 1.c), perlítica ou martensítica, dependendo do resfriamento aplicado ao material após o patamar a altas temperaturas, em função obviamente dos objetivos.

Ferro Fundido Branco de Alta Liga

Como o carboneto Fe3C é muito duro, quanto maior sua quantidade na estrutura

(conseqüência do maior teor de carbono), maior a resistência ao desgaste do material.

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Figura 7. Microestrutura de um ferro fundido

branco alta liga (alto cromo) hipoeutético.

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12Figura 9. Diagrama de equilíbrio estável Fe-Grafita

Ferro Fundido Hipoeutético Ferro Fundido Hipereutético

Ferro Fundido Eutético

Condições:

- ligas Fe – C, porém a presença de Si é indispensável para que ocorra a grafitização.

- resfriamento lento.

SOLIDIFICAÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS

As análises da solidificação e transformação no estado sólido dos ferros fundidos cinzentos são feitas utilizando o diagrama de equilíbrio Fe-C estável ferro-grafita.

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1) Ferro Fundido Cinzento Eutético - Figura 8.a

Reação eutética: L (4,3%C) (2.1%C) + Grafita(100%C) (eutético)

2) Ferro Fundido Cinzento Hipoeutético (carbono entre 2,1 e 4,3 %) - Figura 8.b

3) Ferro Fundido Cinzento Hipereutético (carbono entre 4,3 e 100 %) - Figura 8.c

À temperatura ambiente: Fases: e G Constituinte: Eutético

À temperatura ambiente: Fases: e G Constituintes: Eutético e dendritas de ferrita

À temperatura ambiente: Fases: e G Constituintes: Eutético e veios grosseiros de grafita primária

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%CONSTITUINTE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS

% Constituinte

100

%Eutético

%Grafita primária%Dendrita de ferrita

Hipoeutético HipereutéticoEutético

L

+ G

Exemplos de microestruturas:

-Ferro fundido eutético: estrutura constituída por eutético

- Ferro fundido hipoeutético: estrutura constituída por eutético e dendritas de ferrita.

- Ferro fundido hipereutético: estrutura constituída por eutético e placas de grafita primária.

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Figura 8. Estruturas de Ferro

Fundido Cinzento.

Sem ataque.

a. Eutético;

b. Hipoeutético (dendritas e eutético);

c. Hipereutético (agulhas primárias de

grafita e eutético)

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MATRIZ METÁLICA (descrição válida para os Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares)

1. Ferrita. Ocorre nos ferros fundidos:-brutos de fusão (ferros fundidos com alto teor de Si)

-recozidos (tratados termicamente)

2. Perlita. Ocorre nos ferros fundidos:-brutos de fusão (ferros fundidos com elemento de liga perlitizante)

-normalizados (tratados termicamente)

Obs: Nos ferros fundidos cinzentos e nodulares brutos de fusão a matriz metálica é constituída por ferrita e perlita, com porcentagens variáveis destes constituintes, dependendo da composição, tamanho da peça (velocidade de resfriamento) e processo.

3.Martensita / Martensita Revenida. Ocorre nos ferros fundidos temperados / temperados e revenidos.

4.Carbonetos Eutéticos. Pode ocorrer nos ferros fundidos perlíticos quando há segregação de elementos de liga.

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CLASSIFICAÇÃO DA GRAFITA

A morfologia da grafita tem efeito importante sobre as propriedades dos ferros

fundidos, além de ser a base de sua classificação microestrutural.

Dada as influências da forma, distribuição e tamanho da grafita sobre as

características dos ferros fundidos, foram criadas normas técnicas (ABNT, ASTM

e DIN) para sua classificação; essa classificação é feita com auxílio de exame

metalográfico de amostras polidas, não atacadas.

A norma ABNT NBR 6593, por exemplo, classifica a grafita quanto à forma, tipo de

distribuição e tamanho, conforme mostrado a seguir.

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1) Forma da Grafita (entre I e VI) A grafita pode apresentar as seguintes formas:

I: Lamelar ou em veios (caracteriza os ferros fundidos cinzentos)

II: Esboroada

III: Vermicular (caracteriza os ferros fundidos vermiculares)

IV: Semi-compacta

V: Compacta (caracteriza os ferros fundidos maleáveis)

VI: Nodular ou esferoidal (caracteriza os ferros fundidos nodulares)

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Tipo de Distribuição (entre A e E) - aplicável somente à grafita forma I

A grafita dos ferros fundidos cinzentos pode apresentar os seguintes tipos de distribuição:

tipo A : homogênea, fina, uniforme e ao acaso

tipo B : roseta (finas no centro e disposição radial mais grosseira)

tipo C : veios primários grosseiros envolvidos por veios finos

tipo D : veios finos, interdendríticos, não orientados

tipo E : veios finos, interdendríticos, orientados

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Microestrutura de um ferro fundido nodular. Grafita, ferrita e perlita.

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No projeto de um produto a ser fabricado em ferro fundido, a especificação do

material é feita em termos de resistência à tração.

A norma ABNT NBR 6589 (e ASTM A 48) permite classificar os ferros fundidos

cinzentos através da resistência à tração. Nesta norma são descritos os

procedimentos para obtenção do corpo de provas, assim como o desenho para

usinagem.

Os ferros fundidos cinzentos e nodulares são classificados com base nos resultados de ensaio de tração de corpos de provas padronizados. Esta forma de classificar é bastante diferente do aço, cujo sistema principal de classificação é baseado no resultado de análise química.

Realizar análise química em amostras de peças de ferro fundido pode ser um trabalho infrutífero, pois não existe norma para comparação. Composições químicas encontradas em livros, manuais e normas internas de usuários tem

função apenas orientativa.

VIII. CLASSIFICAÇÃO POR PROPRIEDADE DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTOS E NODULARES

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De forma similar os ferros fundidos nodulares são classificados de acordo com a norma ABNT NBR 6916 (e ASTM A 536). No ensaio de tração são medidos o limite de resistência e o alongamento. Os resultados obtidos são comparados

com os valores tabelados da norma (Tabela 2) e feita a classificação. O ferro fundido cinzento tem suas classes variando entre 100 e 400 MPa de resistência à tração enquanto os ferros fundidos nodulares variam de 380 a 800 MPa. Este fato demonstra a importância da forma da grafita nas propriedades mecânicas dos ferros fundidos.

É importante lembrar que o corpo de provas não pode ser extraído de uma peça,

através de usinagem, pois a maior ou menor massa da peça faz com que esta

resfrie com diferentes velocidades, alterando sua microestrutura e falseando o

resultado obtido, prejudicando a classificação.

É importante frisar que o corpo de provas deve ser fundido isolado das peças que serão produzidas, mas utilizando o metal líquido da mesma corrida. Uma vez usinado, o corpo de provas é tracionado e o resultado é comparado com os valores tabelados

na norma (Tabela 1) para realização do enquadramento.

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ClasseD(A)

(mm)D(B)

(mm)

Limite deresistência

à tração(valor mínimo)

(Mpa)

Dureza Brinell(valor máximo)

(HB)

FC100 30 20,0 100 201

FC150

13203045

8,012,520,032,0

230180150110

241223212201

FC200

13203045

8,012,520,032,0

280230200160

255235223217

FC250

13203045

8,012,520,032,0

330280250210

269248241229

FC300203045

12,520,032,0

330300260

269262248

FC350203045

12,520,032,0

380350310

-277269

FC4003045

20,032,0

400360

--

(A)Diâmetro da barra de ensaio no estado bruto de fundição. A barra de ensaio de diâmetro 30 mm se considera como normal e as de diâmetros 13 mm, 20 mm e 45 mm como auxiliares.

(B)Diâmetro do corpo de prova usinado.

Nota: Os valores de limite de resistência à tração podem exceder no máximo 110 MPa, os valores indicados na Tabela, com exceção da classe FC100 que poderá exceder no máximo 50 MPa.

Tabela 1. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos

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sse

Limite deresistência à

tração mínimo(MPa)

Limite deescoamento

(0,2%) mínimo(MPa)

Alongamentoem 5d(%A)

Faixaaproximada dedureza Brinell

Microestruturapredominante

FE 38017FE 42012FE 50007FE 60003FE 70002FE 80002

380420500600700800

240280350400450550

17,012,07,03,02,02,0

140-180150-200170-240210-280230-300240-312

FerríticaFerrítica

Fer.-perlíticaPerlíticaPerlíticaPerlítica

Tabela 2. Propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares

Referências bibliográficas:

1. Callister Jr., W.D. - Materials science and engineering – an introduction - Willey.,19942. Colpaert, H. – Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns – Ed. Edgard Blucher, 1969 3. Elliott, R - Cast iron technology - Butterworths, 19884. Kolososki, J. - Curso de metalografia dos ferrosos – SOLVER Tecnologia, 2000, S.Paulo 5. Krauss, G. – Steels: Heat Treatment and Processing Principles – ASM International, 1997.6. Pieske, A. – Ferros fundidos de alta qualidade - Soc. Educacional Tupy, Joinville, 1985.

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EFEITOS DO SILÍCIO

1. Desloca as linhas do diagrama de equilíbrio Fe – C (Figura 9). Exemplo: desloca o ponto eutético para a esquerda segundo a equação: % Carbono Equivalente = %CE = %C + 1/3 x %Silício

2. Provoca grafitização (inibe a formação de cementita e o carbono precipita puro)

Figura 9. Seção vertical do diagrama Fe-C-Si com 2 %Si.