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Handbook | Aços & Ligas | Aços e Ferros Fundidos | FerrosFundidos Cinzentos

As propriedades desses materiais dependem dos seguintes f atores:

- microestrutura

- composição química

- secção do material

Na microestrutura, a presença de carbono livre ou graf ita é o f ator microestrutural predominante porquemaior sua quantidade, mais mole e menos resistente será o material. Além disso, a f orma da graf ita, adimensão dos veios e a sua distribuição af etam igualmente as propriedades.

Por outro lado, a matriz metálica dos f erros f undidos cinzentos contém f errita e perlita; se a f erritapredominar, a usinabilidade do material é melhor, mas sua resistência mecânica e sua resistência aodesgaste são prejudicadas. Se a perlita f or o constituinte predominante na matriz metálica, os f errosf undidos cinzentos correspondentes apresentarão melhor resistência mecânica. Uma matriz metálicacontendo f errita e perlita em proporções praticamente idênticas proporcionará ao material dureza eresistência mecânica intermediárias.

A introdução de elementos de liga e ou a aplicação de tratamentos térmicos modif icam a microestrutura damatriz metálica, podendo dar origem à perlita f ina ou a uma matriz acicular, típica da martensita, af etando, éclaro, de modo posit ivo as propriedades mecânicas.

No que diz respeito à composição química, os elementos básicos que inf luem nas propriedades mecânicassão o carbono e o silício e, em menor extensão, o f ósf oro. Desses três elementos, o silício é o maisimportante pois, como se viu, é ele o principal responsável pela f ormação de graf ita. O silício melhora aindaa resistência à corrosão e à oxidação a temperaturas elevadas do material.

O ef eito simultâneo do carbono, silício e f ósf oro é representado por uma f órmula já apresentada, a qualdef ine o “carbono equivalente”.

C equivalente = % Ct + % Si + % P

___________

3

Essa equação indica que, na base de porcentagem em peso, os teores de silício e f ósf oro do f errof undido cinzento af etam as propriedades mecânicas, do mesmo modo que seu carbono total, porém,somente de um terço (304).

A f igura 223 (305) mostra uma relação típica entre o carbono equivalente e a resistência à tração de barrasde f erro f undido cinzento de 30 mm de diâmetro.

O f ósf oro deve ser mantido o mais baixo possível, dentro das características dessas ligas.

Fig. 223 – Relação típica entrecarbono equivalente e a

resistência à tração de barra de 30mm de diâmetro de f erro f undido

cinzento.

O enxof re deve ser controlado demodo a evitar-se a f ormação deFeS. Como no caso dos aços,esse controle é f eito pela adiçãode manganês em quantidadesuf iciente para promover af ormação de MnS, em vez de FeS.Para isso, o teor de Mn deve ser, geralmente, 1,7 vezes o teor de S, mais 0,12% Mn.

A adição de elementos de liga será considerada mais adiante.

A secção das peças é outro f ator signif icativo a inf luenciar as propriedades mecânicas dos f errosf undidos cinzentos. Isso devido ao ef eito da velocidade de resf riamento, a qual, se lenta, proporcionamaior quantidade de carbono livre ou graf ita e, se rápida, pode levar à f ormação de f erro f undido brancoou mesclado, com apreciáveis variações nas propriedades mecânicas, principalmente dureza e resistênciaao desgaste. Assim, em peças com secções muito espessas, f undidas em moldes de areia, por exemplo,há tendência de f ormar-se muita graf ita e peças de secções mais f inas, mesmo se f undidas em moldes de

areia, podem apresentar menos graf ita, cuja quantidade diminui ainda mais se os moldes f orem metálicos.

Finalmente, peças f undidas de secções variadas podem apresentar dif erenças na quantidade de graf ita enas dimensões dos seus veios, f icando af etada igualmente a matriz metálica, a qual pode apresentardurezas dif erentes nas áreas entre as secções f inas e as secções espessas.

Em resumo, devido ao ef eito dimensional, as propriedades mecânicas –a resistência à tração em particular– de uma peça de f erro f undido cinzento de análise determinada dependerá do tipo de material do molde edas dimensões das secções.

O conceito de carbono equivalente também pode ser aplicado na variação dimensional. A f igura 224 (306)relaciona a espessura da secção e a resistência à tração com o carbono equivalente, podendo-se notarque os f erros f undidos cinzentos com baixo carbono equivalente são menos sensíveis a variaçõesdimensionais que os de carbono equivalente mais elevado.

Fig 224 – Ef eito do carbonoequivalente na resistência à tração

do f erro f undido cinzento emf unção da espessura da secção.

A Tabela 162, já mostrada, indica oef eito da secção sobre os valoresde limite de resistência à tração,dureza e resistência à f lexãoestática.

A Tabela 165 representa as propriedades mecânicas dos f erros f undidos cinzentos de acordo com anorma DIN (Os valores de resistência à tração apresentados correspondem a corpos de prova de 30 mmde diâmetro ou secção de peça de aproximadamente 15 mm. Para secções menores, a resistência à traçãoé maior, devido à maior quantidade de perlita presente. Para secções maiores, devido à maior quantidadede f errita presente, a resistência e a dureza são menores. Como os f erros f undidos cinzentos sãomateriais muito pouco dúcteis, o alongamento é insignif icante, geralmente menor que 1% e essecaracterístico não é determinado).

Tabela 165 – Propriedades mecânicas dos ferros fundidos cinzentos, segundo a norma DIN

(Clique na Tabela para ampliá- la)

Como se pode observar peloexame das Tabelas 164 e 165 einclusive da tabela 162 relativa àsnormas brasileiras, em princípio, aspropriedades f undamentais dosf erros f undidos cinzentos são aresistência à tração, resistência àcompressão e dureza.

A resistência à tração é a mais importante e o próprio agrupamento dos f erros f undidos em classes pordiversas normas é f eito com base nos valores de limite de resistência à tração.

A dureza varia, nos f erros f undidos em geral, desde os valores correspondentes a 100 Brinell para osf erros f undidos cinzentos ou de grande usinabilidade até 600 Brinell para f erros f undidos coquilhados. Ainterpretação das determinações de dureza pode levar a julgamentos errôneos sobre a qualidade domaterial, em f ace da presença de grande quantidade de graf ita que se esmaga com f acilidade. Para f errosf undidos com dureza Brinell até 500 recomenda-se o uso do processo Brinell com esf era de 10 mm e cargade 3000 Kg; quando a dureza é superior a 500, recomenda-se o método Rockwell, escala C.

Como no caso dos aços, seria muito útil estabelecer-se uma relação entre a dureza e a resistência àtração dos f erros f undidos, visto que os ensaios de dureza são mais f áceis e rápidos, além de não seremdestrutivos. Contudo, devido às variações de quantidade e f orma dos veios de graf ita, essa relaçãoapresenta-se numa f aixa muito extensa. MACKENZIE (307) estabeleceu relações entre dureza eresistência à tração para f erro f undido cinzento (Fig. 225). As relações para f erro dúctil, f erro maleável eaço também estão indicados na f igura 225.

Fig. 225 – Relações entreresistência à tração e dureza para

f erro f undido cinzento, f erromaleável, f erro nodular e aço.

Enquanto o aço apresenta umarelação f ixa de resistência à traçãopara a dureza Brinell de

aproximadamente 500 para 1 e osf erros dúcteis e maleáveis deaproximadamente 400 para 1, os f erros f undidos cinzentos mostram uma considerável variação, além deexibir amplos limites.

O módulo de elasticidade dos f erros f undidos não é uma constante, o que signif ica que esses materiaisnão obedecem à lei de Hooke – proporcionalidade entre tensão e def ormação. Determina-se esse valorarbitrariamente, como sendo a inclinação da linha que une o ponto de origem da curva tensão-def ormaçãoe o ponto correspondente a ¼ do limite de resistência à tração. O módulo de elasticidade dos f errosf undidos, assim determinado, varia de 7500 a 15500 kgf /mm2 (73575 a 152055 MPa), dependendo, pois, dolimite de resistência à tração do material e do volume, f orma e distribuição da graf ita.

Outra propriedade que se costuma controlar é a resistência à ruptura transversal. No ensaiocorrespondente, os dados obtidos são a carga no centro em kgf e a f lexa correspondente no centro emmm. Geralmente, o valor dessa propriedade aumenta à medida que aumenta a resistência à tração, aopasso que a f lexa diminui, sem que haja correlação exata entre essas duas propriedades.

A resistência à compressão é considerada de importância comercial. O valor da resistência à compressão éde 3 a 4,5 vezes superior ao da resistência à tração. Varia, nos f erros cinzentos, de cerca de 50 kgf /mm2(490 MPa) para cerca de 140 kgf /mm2 (1380 MPa) (308).

O limite de f adiga varia aparentemente de modo linear, em relação à resistência à tração, na proporção de0,40 a 0,45 (309). Assim, os f erros f undidos cinzentos comuns apresentarão limites de f adiga entre cercade 6 kgf /mm2 (60 MPa) para cerca de 17,5 kgf /mm2 (175 MPa), adotado, nesses casos, o ensaio de f adigacorrespondente a tensões de dobramento em ciclos totalmente reversíveis.

As propriedades de resistência à tração e limite de f adiga são af etadas pela elevação da temperatura.

A f igura 226 (310) mostra o caso particular do limite de f adiga, num ensaio realizado num f erro f undidocinzento ligeiramente ligado. Verif ica-se a queda abrupta da propriedade a partir da temperatura deaproximadamente 420°C.

Essa queda é particularmente importante quando se considerar que muitas peças de f erro f undido têmaplicações importantes em condições de tensões cíclicas e temperaturas elevadas.

Fig. 226 – Efeito da temperaturano comportamento à fadiga num

ferro fundido com 2,84% C, 1,50%

Si, 1,05% Mn, 0,07% P, 0,12% S,0,31% Cr, 0,20% Ni e 0,37% Cu.

A resistência ao choque f oiconsiderada, durante muito tempo,uma propriedade secundária, por sero f erro f undido cinzento comum ummaterial f rágil. Os tipos maismodernos, entretanto, mostramvalores relativamente altos paraessa propriedade. Assim é que f errosf undidos convenientemente ligados(com Ni e Mo, por exemplo, embaixos teores), apresentandovalores para limite de resistência aochoque variando de 7 kgf a 14 kgf(68,7 a 137,3 J)(308).

Uma propriedade típica dos f erros f undidos cinzentos é sua capacidade de amortecimento. Def ine-se“capacidade de amortecimento” como “habilidade de um metal absorver vibrações, resultantes de tensõescíclicas, por f ricção interna, transf ormando a energia mecânica em calor”. O ensaio usual, devido a Foeppl-Pertz (308) conduz a gráf icos, como os representados na Fig.227, os quais mostram a duração relativa aum impulso vibratório torcional conf erido a corpos de prova de f erro f undido e de aço. A importância dessapropriedade reside no f ato de que esse material tem grande aplicação em máquinas-f erramentas,sobretudo nas suas bases. A maior capacidade de amortecimento do f erro f undido, em relação ao aço, éatribuída aos veios de graf ita, os quais, por não apresentarem resistência mecânica, constituem espéciesde vazios na estrutura do material, o que permite def ormação plástica do material localizado ao redor dosveios, sob tensões nominais menores que em outros casos.

Fig. 227 – Capacidade deamortecimento do f erro f undidoem comparação com a do aço,pelo método de ensaio Foeppl-

Pertz.

Outra propriedade característicado f erro f undido cinzento é ausinabilidade. Os f erros f undidoscinzentos mais comumente

produzidos apresentam umaestrutura em que a matriz éf errít ica ou f errít ico-perlít ica. Alémda inf luência evidente dos veios degraf ita – quantidade, distribuição etamanho – a própria matriz ou aporcentagem relativa de f errita eperlita presentes é f atorimportante na usinabilidade do material, como a Fig.228 (308) demonstra (308).

Fig. 228 – Ef eitos da estrutura navelocidade prática de torneamento.

A resistência ao desgaste do f errof undido cinzento é igualmenteconsiderada uma característicaimportante, o que é, aliás,comprovado na prática pelo seuemprego usual em peças móveis de máquinas. Um dos f atores f avoráveis ao comportamento do f errof undido cinzento quanto à resistência ao desgaste é a alta usinabilidade do material. Assim, as peçascorrespondentes podem ser produzidas economicamente dentro de rigorosas tolerâncias dimensionais, oque contribui para diminuir o atrito entre partes e diminuir a ação de desgaste. O f ator principal, entretanto,está relacionado com a presença de graf ita livre, que tende a adicionar ao material característicoslubrif icantes, contribuindo igualmente para diminuir o atrito entre as partes de contato e evitar o f enômenode engripamento, o qual, por sua vez, pode levar à possibilidade de, pelo calor desenvolvido, ocorrer umasoldagem localizada, com conseqüente arrancamento de partículas, tornando novamente a superf ícieáspera.

Aparentemente, a melhor estrutura para o f erro f undido cinzento, sob o ponto de vista de resistência aodesgaste, é a matriz 100% perlít ica e graf ita do tipo A (308), ou seja, veios irregulares e desorientados. Opior f erro f undido seria o que apresenta matriz f errít ica associada com graf ita dendrít ica, t ipo D ou E.