07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)
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Universidade Federal do Paraná
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
TM343 Materiais de Engenharia
Ferros fundidos
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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
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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%)
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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
![Page 31: 07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022051417/55cf96f7550346d0338ef725/html5/thumbnails/31.jpg)
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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
![Page 34: 07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022051417/55cf96f7550346d0338ef725/html5/thumbnails/34.jpg)
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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
![Page 35: 07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022051417/55cf96f7550346d0338ef725/html5/thumbnails/35.jpg)
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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
![Page 43: 07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022051417/55cf96f7550346d0338ef725/html5/thumbnails/43.jpg)
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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
![Page 44: 07-4Ferros Fundidos(Nao Revisado)](https://reader033.fdocumentos.tips/reader033/viewer/2022051417/55cf96f7550346d0338ef725/html5/thumbnails/44.jpg)
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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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Prof. Rodrigo Perito Cardoso
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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Prof. Rodrigo Perito Cardoso
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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Prof. Rodrigo Perito Cardoso
É importante lembrar
• Diferença entre os diferentes tipos de ferros fundidos (Microestrutura - propriedade)
– Cinzento
– Branco
– Nodular
– Maleável
• Influencia do resfriamento e do tratamento térmico