ferros fundidos
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Ferros fundidos 1
O ferro fundido (fofo) material fundido de maior
consumo no país e no mundo.
Apresenta atributos não encontrados em nenhum
outro material e também é um dos metais mais
baratos que se dispõe.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 2
Vantagens:
Ferros fundidosFerros fundidos
• Baixo ponto de fusão
• Apresenta contração baixa
• Excelente usinabilidade
• Propriedades mecânicas bem definidas
Ferros fundidos 3
Os ferros fundidos ligas de ferro, carbono
(2,5 a 4,0%) e silício (1 a 3%).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 4
Os ferros fundidos se caracterizam por apresentar
reação eutética durante sua solidificação em
decorrência, as temperaturas de fusão são bem
mais baixas que a de outras ligas ferrosas,
podendo se utilizar para sua fusão equipamentos e
processos diferenciados em relação ao aço.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 5
Diagrama de equilíbrio ferro carbono
As transformações responsáveis pela formação
dos constituintes das ligas ferro-carbono, onde os
ferros fundidos se incluem, é estudada e
analisada, a partir do diagrama de equilíbrio ferro-
carbono.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 6
O diagrama de fase a seguir não é um diagrama de
equilíbrio completo, pois é representado somente até
6,7% de carbono, porque forma com o ferro o composto
Fe3C que contém 6,67% de carbono.
Ligas com mais de 4,0 a 4,5% de carbono, apresentam
pouco ou nenhum interesse comercial, devido à alta
dureza e fragilidade que elas apresentam.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 7
Esse diagrama não é um diagrama de equilíbrio
verdadeiro, pois a cementita não é uma fase de
equilíbrio. A grafita é mais estável que a cementita e
sob condições adequadas, a cementita se decompõe,
formando grafita.
Em aços comuns essa decomposição nunca é
observada, porque a nucleação da cementita no ferro
supersaturado de carbono ocorre mais facilmente que
a nucleação da grafita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 8
O diagrama ferro-carbono se caracteriza por três
pontos principais:
Ponto peritético com 0,16% de carbono a 1493 0C;
Ponto eutético com 4,3% de carbono a 1147 0C;
Ponto eutetóide com 0,8% de carbono a 723 0C.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 9
Ponto Peritético
Ponto Eutetóide
Ponto Eutético
Ferros fundidos 10
A transformação peritética ocorre a temperaturas
elevadas e em aços de baixo teor de carbono. Todas
as composições desta fase passam, em seguida, pelo
campo monofásico CFC. Assim, os efeitos sobre a
estrutura à temperatura ambiente são secundários e
normalmente são desprezados.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 11
A solução sólida cúbica de face centrada CFC, ou fase
(gama), é chamada de austenita. Todas as ligas
contendo menos que 2,06% de C passam pela região
austenítica no resfriamento.
As ligas contendo menos que 2,06% de carbono são
arbitrariamente chamadas de aços (maioria dos aços
contém menos que 1,0% de carbono).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 12
Ferros fundidos ligas com mais de 2% de
carbono, porém considera-se que os ferros fundidos
comerciais não são ligas binárias ferro-carbono, pois
elas contêm teores relativamente elevados de outros
elementos, principalmente o silício. Em geral os
ferros fundidos são ligas ternárias de ferro-carbono-
silício.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 13
Alotropia do ferro puro
1- Temperatura de Fusão a 15380C
2- Entre 15380C a 13940C, o ferro solidifica de acordo
com o reticulado CCC (ferro delta - ).
3- A 13940C o ferro delta () sofre uma redisposição
espontânea e forma-se um novo reticulado CFC, (ferro
gama - ) que permanece estável até 9120C.
4- A 9120C o ferro sofre uma nova transformação, com
um novo rearranjo atômico CCC, (ferro alfa - ), não
havendo mais transformações até a temperatura
ambiente.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 14
Constituintes das ligas ferro-carbono metaestáveis
Ferrita ou ferro alfa ():
Ferros fundidosFerros fundidos
Estrutura CCC menores espaçamentos interatômicos e
pronunciadamente alongados, não podem acomodar com
facilidade os átomos de carbono solubilidade de carbono
é cerca de 0,008% a temperatura ambiente, e 0,23% a 727 0C.
Ferrita mole e dúctil, com limite de resistência abaixo de
32 Kgf/mm2 e dureza Brinell em torno de 90 HB.
Ferros fundidos 15
Ferro puro – grãos de ferrita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 16
Austenita ou ferro gama (): forma estável do ferro
puro entre 910 ºC e 14000C.
Estrutura CFC, com espaços interatomicos maiores,
mas são menores que o átomo de carbono, de forma
que a dissolução de carbono na austenita introduz
deformações na estrutura, impedindo que todos os
interstícios sejam preenchidos simultaneamente,
ficando a solubilidade máxima de carbono em 2,0% em
peso (8,7% em átomos).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 17
Ferrita delta ou ferro delta (): acima de 1400 0C, a
austenita deixa de ser a forma mais estável, voltando a
estrutura ser CCC. Este constituinte não apresenta
importância no estudo dos aços.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 18
Cementita ou carbeto de ferro: é o excesso de carbono
em relação ao limite de solubilidade formando uma
segunda fase.
Possui reticulado ortorrômbico com 12 átomos de ferro e
4 de carbono por célula, correspondendo isso a 6.67% de
carbono.
Dada a proporção de átomos de ferro e carbono de 3
para 1 no reticulado cristalino é usualmente representada
como Fe3C.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 19
Comparado a ferrita e austenita, a cementita é muita
dura, cerca de 67HRC ou 900 HV.
A cementita quando presente, associada a ferrita em
partícula finas, aumenta muito a resistência do aço, pois
inibe o escorregamento e evita o cisalhamento da fase
dúctil ferrita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 20
Perlita com as lamelas de cementita em um fundo de ferrita. Ferro com 0,8% de carbono. 500X.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 21
Perlita: abaixo da temperatura eutetóide as fases
estáveis são a ferrita e a cementita. A 0,8% de
carbono, ocorre uma reação, que envolve a formação
simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita
de composição eutetóide, resultando em uma mistura
das fases ferrita e cementita denominada de perlita.
Essa estrutura consiste de plaquetas alternadas de
Fe3C e ferrita sendo a ferrita a fase contínua. A perlita
contém 12% de cementita e 88% de ferrita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 22
1-Nucleação inicial da cementita.
2- Nucleação de lamelas de ferrita ao lado da cementita.
3- Crescimento lateral e para frente da cementita.
4- Novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores.
5- Crescimento da nova colônia.
Fe3C
γγ
α
Fe3Cγγ
γγ
γ
γ
γ γ
Fe3C
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 23
Ledeburita: constituinte eutético formado no
resfriamento a partir do equilíbrio das fases austenita
de um lado e Fe3C de outro. Continuando o
resfriamento a temperatura de 7230C, a austenita se
transforma em perlita, resultando em uma estrutura
constituída de glóbulos de perlita sobre um fundo de
cementita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 24
Perlita formada pela transformação da austenita primária.
Cementita (Fe3C).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 25
Cementita (Fe3C). Perlita.
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Ferros fundidos 26
Tipos de ferros fundidos
Ferro fundido branco
Característica:
Ferros fundidosFerros fundidos
• Apresenta fratura de coloração branca
• Carbono combinado na forma de Fe3C
• Solidificação pelo diagrama metaestável
• Constituintes principais: ledeburita, cementita e
perlita.
• Elevada dureza
• Resistência ao desgaste
Ferros fundidos 27
Por possuir baixo teor de silício não ocorre a
grafitização.
Aplicações: equipamentos de manuseio de terra,
mineração e moagem, rodas de vagões, cilindros
coquilhados, revestimentos de moinhos.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 28
Ferro fundido branco hipoeutético com as dendritas de perlita (em escuro), pontilhados de ledeburita e áreas brancas de cementita. Ataque: nítrico. 100 X.
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Ferro fundido cinzento
São os mais usados devido:
Ferros fundidosFerros fundidos
• Excelente usinabilidade• Baixo ponto de fusão • Boa resistência mecânica
• Boa resistência ao desgaste • Capacidade de amortecer vibrações• Solidificação pelo diagrama estável (grafita e austenita)
Ferros fundidos 30
Estrutura do fofo cinzento ferrita, perlita e grafita.
Apresenta fratura escura devido a grafita livre formando
veios e uma pequena parte se encontra combinada com o
ferro na relação de 3 átomos de ferro para 1 átomo de
carbono, formando o constituinte cementita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 31
Grafita é muito mole e se apresenta na forma de
lamelas, formando superfícies de separação que farão
com que esta liga seja frágil, não apresentando
praticamente nenhuma ductilidade.
Silício é o principal responsável pela formação da
grafita, por isso normalmente os ferros fundidos cinzentos
apresentam alto teor deste elemento.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 32
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 33
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 34
A grafita é o constituinte mais importante dos ferros
fundidos cinzentos e se forma quase que,
exclusivamente, durante a solidificação. Sua
morfologia (forma, tamanho e distribuição) e
quantidade são responsáveis pelas propriedades deste
material.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 35
A morfologia da grafite é normalmente classificada
por diversas normas, sendo a mais difundida a
classificação da ASTM e DIN.
Os ferros fundidos cinzentos apresentam grafita na
forma Iamelar e que é classificada em 5 tipos.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 36
Tipo A
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 37
Tipo B
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 38
Tipo C
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Ferros fundidos 39
Tipo D
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 40
Tipo E
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 41
Carbono 2,50 a 4,00 %
Silício 1,00 a 3,00%
Manganês 0,20 a 1,00%
Fósforo 0,02 a 1,00%
Enxofre 0,02 a 0,25 %
A composição química básica do ferro fundido cinzento
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 42
• Velocidade de resfriamento
Propriedades mecânicas
Função da estrutura do ferro fundido
• Composição química
• Inoculação
• Tratamentos térmicos
• Dimensões das peças
Fu
nçã
o
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 43
Tipos Limite de Resistência à Tração Mpa
FC-100 100
FC-150 150
FC-200 200
FC-250 250
FC-300 300
FC-400 400
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 44
Grafita
Perlita
Ferrita
Ferro Fundido FC300 fundido em areia – grafita tipo “A”. 500X
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 45
Dendritas de ferrita
Grafita tipo “D” em matriz ferrítica.
Ferro fundido FC300 coquilhado e recozido. 100X
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 46
Ferro Fundido Maleável
Ferros fundidosFerros fundidos
Fofo Branco
Fofo Cinzento
Fragilidade
Baixa temperatura
de fusão
Alta fluidez
Aço
Alta resistência mecânica
Elevada temperatura
de fusão
Fofo Maleável
Baixa temperatura
de fusão
Alta fluidez
Alta resistência mecânica
Ferros fundidos 47
Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano)
Características:
Ferros fundidosFerros fundidos
• Fratura escura
• Carbono totalmente combinado (bruto de fusão)
• Constituída basicamente por ferro, carbono e
silício
Ferros fundidos 48
Ferro fundido maleável de núcleo preto (Americano)
Ferros fundidosFerros fundidos
Apresenta na sua estrutura grafita compacta, ferrita e
perlita. Esta forma compacta da grafita permite uma
certa maleabilidade ao ferro fundido.
Tratamento térmico em atmosfera neutra
Maleabilização
Decomposição da cementita
Ferrita
Carbono na forma de grafita compacta
Ferros fundidos 49
Ferro fundido maleável de núcleo preto, apresentando nódulos de grafita formados pela decomposição da cementita na temperatura de austenitização. Ataque: picrico. 200 X.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 50
Ferros fundidosFerros fundidos
Carbono 2,2 a 2,85 %
Silício 0,90 a 1,6%
Manganês 0,50% máximo
Fósforo 0,1% máximo
Enxofre 0,20 % máximo
Ferro fundido maleável núcleo preto composição típica
Ferros fundidos 51
Fundido maleável de núcleo branco (Europeu)
Características:
• Fratura com aspecto prateado claro
• Sua estrutura é composta de ferrita, perlita, podendo
apresentar grafita de recozimento (compacta) no núcleo
da peça.
Ferros fundidosFerros fundidos
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Ferro fundido maleável de núcleo branco (Europeu)
Ferros fundidosFerros fundidos
Tratamento térmico em atmosfera Oxidante
Descarbonetação
Decomposição da cementita
Ferrita
Oxidação do carbono
Ferros fundidos 53
Ferro fundido maleabilizado de núcleo branco apresentando zona de transição entre a parte central e a região periférica. Observam-se perlita, grafita e inclusões sobre um fundo de ferrita. Ataque: picrico. 160 X.
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Ferros fundidosFerros fundidos
Carbono 3,0 a 3,5 %
Silício 0,45 a 0,75%
Manganês 0,10 a 0,40%
Fósforo 0,1% máximo
Enxofre 0,20 % máximo
Ferro fundido maleável núcleo branco composição típica
Ferros fundidos 55
Ferro Fundido Nodular
Maior resistência dentre os fofos a grafita se
apresenta na forma de nódulos não interrompendo
tanto a continuidade da matriz quanto a grafita dos
ferros fundidos cinzentos. Este formato da grafita é
obtida através da adição de magnésio ou cério ao ferro
liquido no momento do vazamento.
Propriedades mecânicas melhores até que de alguns
tipos de aços ao carbono.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 56
Ferro fundido nodular ferrítico. Ataque: nital. 100X
Nódulos de grafita.
Fundo de ferrita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 57
Ferro fundido nodular perliítico. Ataque: nital. 250X
Fundo de perlita.
Nódulos de grafita envolvidos pela ferrita.
Invólucro de ferrita.
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Ferros fundidos 58
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 59
A ABNT classifica este tipo de ferro fundido nos seguintes tipos:
FE 42012FE 50007FE 60003FE 70002FE 80002
As letras FE indicam ferro grafita esferoidal (nódulos), os três primeiros algarismos indicam a resistência a tração em MPa e os dois últimos algarismos o alongamento em %.
Exemplo: FE 50007- Ferro esferoidal com 500 MPa de resistência a tração e 7,0% de alongamento mínimo.
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Ferros fundidos 60
A ABNT classifica este tipo de ferro fundido como:
FE
Ferro Grafita Esferoidal
Resistência à tração MPa
38017
Alongamento (%)
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 61
Ferros Fundidos com grafita compacta – Ferro
Vermicular
Apresentam propriedades físicas e mecânicas
intermediárias entre os fofos cinzentos e nodulares.
São indicadas para aplicações que requeiram elevada
resistência mecânica, baixa condutibilidade térmica e
alta resistência à fadiga térmica.
.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 62
Ferros fundidosFerros fundidos
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Ferros fundidosFerros fundidos
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Cinzento Vermicular Nodular
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Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 66
Ferros Fundidos com grafita compacta – Ferro
Vermicular
Processos de fabricação
Por ser um tipo de fofo ainda recente em escala
industrial, vários processos de obtenção de grafita
vermicular podem ser utilizados mas que exigem
controles extremamente rígidos de processo.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 67
Influência dos elementos químicos
Elementos químicos no ferro fundido exercem influência
na microestrutura e nas propriedades dos ferros
fundidos. Além dos elementos normais como C, Si, Mn,
P e S, podem ser adicionados outros elementos aos
ferros fundidos para se obter estruturas e propriedades
desejadas.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 68
Influência dos elementos químicosFerros fundidosFerros fundidos
Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga
Obtido por meio de controle:
• Composição química
• Técnicas de processamento
Inoculação
Velocidade de resfriamento
Temperatura de vazamento
Superaquecimento
etc
Ferros fundidos 69
Influência dos elementos químicosFerros fundidosFerros fundidos
Fofos de alta resistência sem adição de elementos de liga
São ligas de baixo carbono equivalente e com maior tendência ao aparecimento de problemas devido:
• A menor fluidez
• A maior contração na solidificação
• A maior tendência ao aparecimento de carbonetos
• Ao aparecimento de grafita de super resfriamento e a ferrita associada a ela.
Ferros fundidos 70
Influência dos elementos químicos
Devido a esses problemas é usual a utilização de
elementos de liga para obtenção de ferros fundidos de
alta resistência com carbono equivalente mais alto.
.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 71
Influência dos elementos químicos
Carbono: é o elemento mais importante do ferro
fundido. É o maior responsável pelas propriedades
mecânicas e de fundição. Com exceção do carbono na
forma de perlita na matriz, o carbono está presente
como grafita em forma de veios. O carbono combinado
em ferros fundidos cinzentos perlíticos, em geral, varia
de 0,5% a 0,8% e o carbono grafítico de 2,0 a 3,0%.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 72
Influência dos elementos químicos
Silício: atua como forte grafitizante tanto na
solidificação como nas transformações no estado
sólido, consequentemente favorece a formação de
grafita na solidificação, reduzindo o coquilhamento e
formação de carbonetos eutéticos nas transformações
no estado sólido. Não é observável na microestrutura,
pois fica em solução sólida na ferrita. É juntamente com
o carbono os que mais afetam a fundibilidade.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 73
Influência dos elementos químicos
Manganês: neutralizador do enxofre. Coloca-se
sempre em excesso ao estequiométrico necessário
para evitar a formação do sulfeto de ferro. Grandes
excessos de manganês agem como promovedor de
carbonetos na solidificação e de perlita na reação
eutetóide.
Em uso normal o teor de manganês varia na faixa 0,55
a 0,75%.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 74
Influência dos elementos químicos
Enxofre: forma sulfetos de ferro que tendem a
segregar para os contornos das células eutéticas,
atuando como fragilizante.É neutralizado pela adição de
manganês.
Contaminação adição do coque nos fornos cubilot.
Nos nodulares neutraliza a ação do magnésio. O teor
deve ser menor 0,03%.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 75
Influência dos elementos químicos
Fósforo: em teores baixos forma “Steadita” que pode
prejudicar as propriedades. Atua como promovedor
fraco de grafita na solidificação e de perlita na reação
eutetóide.
Em Fofos de alta resistência teor abaixo de 0,10%.
Quando se deseja alta fluidez teores maiores que
0,6%.
Acima de 0,20% já tende a diminuir a usinabilidade.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 76
Steadita
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 77
Influência dos elementos químicos
Cromo: pode estar presente como elemento residual
(até 0,10 %).
Para elevar a resistência à tração e a dureza teores
de 0,15 - 1,0%.
Forma carbonetos acima de 0,30% em peças de
seções finas e cantos vivos (utilizar elementos
grafitizantes para contrabalançar seu efeito).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 78
Influência dos elementos químicos
Cromo
Nos Fofos baixa liga, o teor de cromo recomendado
deve produzir uma estrutura completamente perlítica
sem formação de carbonetos livres nos contornos das
células eutéticas ou sob a forma de ledeburita.
Resistência à corrosão dos Fofos Adição de cromo
em teores acima de 1,5%.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 79
Influência dos elementos químicos
Molibdênio: aumenta a resistência à tração, a dureza e
o módulo de elasticidade. É adicionado em teores entre
0,20 - 0,80% .
Os melhores efeitos são obtidos quando o teor de
fósforo é abaixo de 0,10%, (molibdênio, e cromo, tende
a formar um eutético complexo com o fósforo o que
reduz o efeito desse elemento de liga).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 80
Influência dos elementos químicos
Molibdênio:
Possui menor tendência para formar carbonetos que o
cromo, vanádio e tungstênio. Refina a perlita e favorece
a obtenção de estrutura bainítica. Em teores baixos,
quando usado isoladamente, favorece a obtenção de
ferrita na matriz.
Aumenta significativamente a temperabilidade. O
molibdênio é extensamente usado para aumentar as
propriedades a temperaturas elevadas.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 81
Influência dos elementos químicos
Níquel: elemento grafitizante médio, diminuindo a
tendência de formação de carbonetos na solidificação.
Na reação eutetóide atua como perlitizante e como
consequência tende a aumentar a dureza e a
resistência à tração.
Nos Fofos de baixa liga, os teores adicionados estão
entre 0,25 - 3,0%. A faixa mais comum é entre 0,5 -
1,5%, sendo usado principalmente para contrabalançar
o efeito estabilizante do cromo, do molibdênio e do
vanádio. É caro e raramente usado isoladamente.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 82
Influência dos elementos químicos
Cobre: ação grafitizante semelhante ao níquel,
diminuindo a tendência à formação de regiões
coquilhadas. O seu efeito grafitizante em relação ao
silício é de 1 para 4, como consequência, quando se
deseja melhor aproveitar o efeito da adição isolada de
cobre na resistência mecânica, recomenda-se uma
redução no teor de silício de 0,25% para cada 1% de
cobre adicionado.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 83
Influência dos elementos químicos
Cobre:
Como perlitizante é mais eficiente que o níquel,
principalmente para eliminar restos de ferrita permitindo
aumentar a resistência e a dureza. Os teores usuais
estão entre 0,5 a 2%. Em peças grossa até 3%.
Favorável na usinabilidade. Diminui a resistência ao
impacto . Tende a melhorar a resistência à corrosão em
meios contendo enxofre.
Pode ser usado isolado ou como combinação, por
exemplo, Cu-Cr, Cu-Mo e Cu-Cr-Mo.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 84
Influência dos elementos químicos
Estanho: atua como forte estabilizador da perlita, sem
apresentar tendência para formação de carbonetos na
solidificação e sem afetar significativamente a
morfologia da grafita.
É útil para eliminar as áreas de ferrita que tendem a
aparecer junto à grafita de superesfriamento. O seu
efeito é mais efetivo em Fofos hipoeutéticos.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 85
Influência dos elementos químicos
Estanho:
Recomendam-se adições de até 0,10% (em peças
espessas 0,15%).
Teores crescente eleva a dureza devido a passagem da
estrutura de ferrítica-perlítica para perlítica. A
resistência à tração atinge um máximo quando a
estrutura é 100% perlítica. Teores acima do necessário
para produzir estrutura perlítica tendem a reduzir a
resistência à tração.
Diminui a tenacidade e a resistência ao impacto em
teores acima de 0,10%.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 86
Influência dos elementos químicos
Antimônio: em teores até 0,05% teria efeito
semelhante ao do estanho. Em quantidades acima de
0,05% de Sb, esse elemento tende a reduzir a
tenacidade e a resistência ao impacto.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 87
Influência dos elementos químicos
Vanádio: tem um efeito similar ao molibdênio. Teores
máximos devem ser limitados em torno de 0,20%. Em
peças muito espessas pode-se aceitar até 0,50%, caso
de deseje evitar a formação de carbonetos.
Usualmente, considera-se seu efeito na estabilização
de carbonetos 2,5 vezes maior que a do cromo. Na
reação eutetóide atua como estabilizador e refinador da
perlita. O vanádio tem um efeito favorável nas
propriedades a quente do ferro fundido cinzento.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 88
Influência dos elementos químicos
Titânio: pode ocorrer como residual ou ser adicionado.
Atua como grafitizante em baixos teores e como
estabilizador de carbonetos em teores mais elevados.
Baixos teores, na faixa 0,05 a 0,20%, promove a
grafitização, reduz a tendência ao coquilhamento e
refina a grafita. Teores na faixa de 0,15 a 0,20% tende
a produzir grafita tipo D, que em geral não é desejável.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 89
Influência dos elementos químicos
Titânio:
Verifica-se, porém, que em ferros fundidos de carbono
equivalente elevado (acima de 4,0) adições de 0,15 -
0,20% de Ti produzem uma estrutura ferrítica-perlítica
com grafita tipo D, que tem propriedades mecânicas
superiores que a mesma composição sem adição de
titânio.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 90
Influência dos elementos químicos
Titânio:
O efeito grafitizante de baixos teores de titânio seria
devido a um efeito indireto, pela reação do Ti com
oxigênio e nitrogênio, que estão sempre presentes nos
ferros fundidos. Esses gases favorecem a formação de
eutético metaestável (carbonetos eutéticos) e a sua
remoção resulta em efeito grafitizante.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 91
Influência dos elementos químicos
Alumínio: quase sempre está presente como residual
nos ferro-ligas, ou eventualmente em outras matérias-
primas.
Em baixos teores, menores que 0,25% ,tem forte ação
grafitizante tanto durante a solidificação como no
estado sólido.
Em teores elevados (acima de 4%) pode atuar também
como estabilizador de carbonetos.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 92
Influência dos elementos químicos
Alumínio:
Residuais de alumínio tem sido apontado como um dos
principais responsáveis indiretos pelo aparecimento de
“pin-holes” em ferros fundidos cinzentos. Estes “pin-
holes”, na grande maioria dos casos, são produzidos
por hidrogênio e residuais de alumínio favoreceriam a
absorção do hidrogênio.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 93
Influência dos elementos químicos
Alumínio:
Fofos ao alumínio são ligas de ferro-carbono-alumínio,
onde o alumínio substitui praticamente o silício. São
ligas de alta resistência mecânica, elevada tenacidade
e baixíssima tendência ao coquilhamento, o que a
indica para fundição de peças em moldes metálicos.
Quanto às propriedades mecânicas os Fofos ao
alumínio podem ser considerados como um produto
intermediário entre Fofo cinzento e Fofo nodular.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 94
Formação da grafita nos ferros fundidos
O diagrama Fe-C é de natureza metaestável, a rigor
trata-se de um diagrama Fe-Fe3C. O equilíbrio estável
corresponde à liga ferro-grafita, onde ocorre a
decomposição do Fe3C em ferro e carbono na forma de
grafita.
Esta decomposição depende, dentre outros fatores, da
velocidade de resfriamento e da composição química
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 95
Formação da grafita nos ferros fundidos
Ao solidificar um ferro fundido cinzento hipoeutético,
resulta, em primeiro lugar, cristais de austenita cuja
quantidade aumenta com o decréscimo da temperatura.
O líquido residual toma-se mais rico em carbono e
silício, que são rejeitados à medida que a proporção de
austenita cresce.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 96
Formação da grafita nos ferros fundidos
Quando é atingida a temperatura de equilíbrio do
eutético estável, seu carbono equivalente é
praticamente igual ao eutético (4,3%), ocorrendo uma
separação simultânea de austenita e grafita. O eutético
estável cresce a partir desses núcleos, sendo que o
crescimento se dá com uma frente de solidificação
aproximadamente esférica. Cada agregado esférico de
austenita e grafita lamelar é chamado de célula eutética
ou grão eutético.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 97
Cristais de austenita
Crescimento dos cristais de austenita
Ferros fundidos 98
Formação da grafita nos ferros fundidos
Nos ferros fundidos cinzentos hipereutéticos, a única
diferença é que a primeira fase a precipitar é a grafita
hipereutética na forma de lamelas longas, retas e
ramificadas e em seguida a sequência de solidificação
é praticamente idêntica a dos ferros fundidos
hipoeutéticos.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 99
Formação da grafita nos ferros fundidos
Abaixo da temperatura de solidificação, tem se
dendritas de austenita cujo teor de carbono decresce
com a queda da temperatura, formando uma matriz em
que estão distribuídas lamelas de grafita. O carbono
precipitado da austenita aparece em parte como perlita
e parte como grafita livre, dependendo da sua
velocidade de resfriamento e do teor de silício,
principalmente.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 100
Formação da grafita nos ferros fundidos
Ao se ultrapassar a ultima linha do eutetóide, toda a
austenita remanescente se transforma em perlita e se o
resfriamento for lento pode a perlita se decompor
parcialmente em ferrita e grafita, ficando a estrutura
constituída de perlita, ferrita e grafita que é a estrutura
mais comum em ferros fundidos comerciais.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 101
Formação da grafita nos ferros fundidos
Fofos nodulares obtidos pela adição de magnésio ao ferro liquido. O magnésio é vaporizado e o vapor atravessa o ferro líquido, diminuindo seu teor de enxofre, provocando a formação de grafita esferoidal.
O magnésio atua como inibidor de curta duração, que retarda a formação inicial de grafita. O fofo cinzento solidifica inicialmente com formação de cementita e logo a seguir cessada a ação do magnésio, a cementita decompõem-se produzindo grafita que se desenvolve por igual em todas as direções, resultando assim numa forma sensivelmente esférica.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 102
Formação da grafita nos ferros fundidos
Um ferro fundido nodular hipoeutético inicia sua
solidificação com a formação de dendritas de austenita
relativamente pobres em carbono. À medida que a
temperatura diminui, o líquido residual toma-se mais
rico em carbono e silício, que são rejeitados da
austenita.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 103
Formação da grafita nos ferros fundidos
Após um determinado superesfriamento (citado acima),
abaixo da temperatura do eutético estável, começam a
se formar os nódulos de grafita no líquido residual rico
em carbono e silício.
Para ferros fundidos nodulares eutéticos, a solidificação
inicia-se após um certo superesfriamento abaixo da
temperatura do eutético, com a formação de nódulos de
grafita em contato direto com o líquido.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 104
Formação da grafita nos ferros fundidos
Uma diferença fundamental que existe entre os nódulos
de grafita observados em ligas hipereutéticas em
relação aos obtidos em ligas eutéticas e hipoeutéticas,
é que nas hipereutéticas os nódulos têm tamanhos
bastante diferentes, sendo os nódulos maiores os que
se formaram entre as temperaturas de liquidus
hipereutéticos e a do eutético, enquanto que os
menores são provenientes de reação eutética.
.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 105
Obtenção do ferro fundido
Introdução
Os ferros fundidos são ligas de ferro carbono silício
com teores de carbono na ordem de 2,5 a 4,0% e
silício. Por essa razão, as temperaturas de fusão são
bem mais baixas, podendo se utilizar para sua fusão
equipamentos e processos, diferenciados em relação
ao aço.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 106
Obtenção do ferro fundido
Matérias primas
Matérias primas básicas utilizadas na produção de fofos ferro gusa, sucata de aço e ferros ligas.
Ferro gusa principal fonte de ferro utilizada na fabricação de ferros fundidos com teor de carbono variando de 3,2 a 4,6% e teor de silício de 0,5 a 3,0%. Apresentam variações de composição química de lote para lote. Os lotes devem ser identificados e separados e o calculo de carga refeito a cada novo lote diminuindo a necessidade de correções de composição química do metal fundido.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 107
Obtenção do ferro fundido
Matérias primas
Enxofre gusas provenientes de alto forno a carvão vegetal são os que possuem menores teores deste elemento.
Impurezas gusas vazadas em areia apresentam maior teor de impurezas que os vazados em maquinas de lingotar.
Sucata de aço está condicionado ao tipo de ferro
fundido que se quer obter. É o principal responsável
pelo diminuição dos teores de carbono do fofo. Seu uso
varia de l0 a 50% do peso da carga.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 108
Obtenção do ferro fundido
Matérias primas
Ferros ligas são utilizados na produção dos ferros
fundidos para corrigir teores ou adicionar elementos do
ferro fundido e para inocular a liga para aumentar a
grafitização.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 109
Obtenção do ferro fundidoEquipamentos de fusão
Obtenção dos ferros fundidos em fornos cubilot ou
em fornos elétricos a arco elétrico e a indução.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 110
Obtenção do ferro fundidoEquipamentos de fusão
Forno cubilot
Equipamento de fusão empregado para a produção de
ferros fundidos que utiliza como matéria prima o ferro
gusa, sucata de aço, calcário (para separar
impurezas) e, como combustível, o coque.
Operacionalmente o forno não permite flexibilidade de
produção e tão pouco controle rigoroso de composição
química e temperatura de vazamento.
Sistema duplex uso do forno cubilot + forno de
indução.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 111
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Operação do forno cubilot
Funcionamento baseado no princípio da contra
corrente.
Carga metálica sucata metálica de fundição (canais,
alimentadores, peças quebradas) e sucata em geral,
ferro gusa de alto forno, sucata de aço, adições de ferro
silício e ferro manganês.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 112
Carcaça metálica
Porta de carregamento
Anel de vento
VentaneirasPrincipio da contra corrente
Tijolos refratários
Produção de 1 à 50 t/h
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 113
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Fornos elétricos
Permite o controle da temperatura do banho, bem como
condições favoráveis para oxidação e adições de
elementos de liga permitindo a obtenção de ferros
fundidos com características excepcionais e alta
qualidade.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 114
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno a arco
Ocorre a transformação da energia elétrica em energia
térmica. A corrente elétrica passa por transformadores
e é levado aos eletrodos de grafite, por meio de
terminais e cabos flexíveis. Os eletrodos penetram no
forno através da abóbada e o arco é formado entre os
eletrodos e a carga metálica, por meio do qual serão
fundidos os materiais e ou mantido líquido o banho
metálico.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 115
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução
O processo de aquecimento difere dos outros
processos de fusão do aço pelo fato de que o calor não
é transmitido à carga pela irradiação, e sim produzido
no interior da mesma.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 116
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução
Forno de Indução a canal
Consistem de um núcleo, uma bobina (primário) e um
secundário formado pelo banho metálico, que com o
formato de uma calha circular, circunda o núcleo e a
bobina primária.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 117
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução a canal
A fusão é obtida ao se fazer passar pela bobina uma
corrente alternada de alta voltagem, será feito circular
no banho metálico uma corrente induzida de menor
voltagem, porém de maior intensidade. A secção
pequena e o grande comprimento do banho na calha de
fusão apresentam uma grande resistência a passagem
da corrente elétrica, a qual se transforma em calor e
causa o aquecimento da carga.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 118
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução a canal
Desvantagens:
• Manter uma poça de material fundido após a fusão;
• Manutenção do canal difícil;
• Erosão do revestimento e arraste de pequenos fragmentos para o metal líquido;
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 119
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução a canal
Vantagens:
• Menor consumo de energia;
• Menor investimento inicial ;
• Boa rentabilidade em serviço contínuo;
Não é indicado para o trabalho com metal sólido sendo
mais adequado para manutenção de banho líquido
(sistema duplex).
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 120
Metal fundido
Canal
Núcleo de ferroBobina
Canal
Refratário
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 121
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução a cadinho
A carga metálica desempenha o papel de secundário
do circuito. O enrolamento primário é constituído por
uma bobina de tubos de cobre resfriados à água,
colocados no interior da carcaça do forno. A câmara de
aquecimento é um cadinho refratário ou é constituída
de revestimento refratário socado no lugar, de natureza
ácida.
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 122
Obtenção do ferro fundido
Equipamentos de fusão
Forno de Indução a cadinho
Ferros fundidosFerros fundidos
Vantagens:
• Trabalha com qualquer tipo de sucata;
• Flexibilidade na troca de ligas uma após
a outra fusão intermitente;
• Curto período de fusão;
Ferros fundidos 123
Ferros fundidosFerros fundidosPlataforma
RefratárioTampa
Bica
Cabo de força e refrigeração
Pedestal e cilindro hidráulico de elevação
BobinaMetal Líquido
Ferros fundidos 124
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Escória
Forno cubilot indicação das condições de operação e
qualidade do ferro fundido.
Constituída de:
Al203
SiO2
CaO
Refratário
Areia da fundição, cinzas, refratário
Calcário
Ferros fundidos 125
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Escória
Ácida
Básica
SiO2 CaO
SiO2 CaO
Fios
longos
Fios
Curtos
Ferros fundidos 126
Ferros fundidosFerros fundidos
Características a observar Observações
Calmo Viscosidade boa, operação normal.Fluxo
Agitado Escória espumosa, operação irregular.
Ácido Fios longos.Basicidade Básico Fios curtos.
PretaEscória ruim, condições extremamenteoxidantes.
Marrom escuro Escória ruim, condições oxidantes.
Verde garrafa Operação normal.
Verde tingido deamarelo
Operação normal, mas com excesso demanganês.
Cor
Marrom Escória ruim com excesso de calcário.
Ferros fundidos 127
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Superaquecimento
É aquecer o metal líquido de 100 a
150°C acima da temperatura de
vazamento de 5 à 15 minutos.
Destruir ou diminuir os núcleos de solidificação
instáveis Homogeneização do banho
Ferros fundidos 128
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Adicionar compostos grafitizantes no
metal líquido momentos antes do
vazamento.
Promover a formação da grafita na solidificação.
Ferros fundidos 129
Microestrutura de um ferro fundido cinzento sem inoculação. 100X
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 130
Microestrutura de um ferro fundido cinzento com inoculação. 100X
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 131
Grupo de inoculantes Inoculantes
Grafita
Silício metálico
Ferro-silício 50%
Ferro-silício 75%
Tipo “A”
Tipo “B”
Ferro-silício 85%
Inoculantes grafitizantes
comuns
Ca-Si
Ca-Si-Ti
Ca-Si-Mn
Ca-Si-Mn-C
Fe-Si-Zr
Fe-Si-Zr-Ca
Ca-Si-Ba
Fe-Si-Mn-Zr-Ba
Si-Mn-Ca-Ba
Inoculantes grafitizantes
especiais
Si-Terras raras
Fe-Cr
Cr-Si-MnInoculantes estabilizadores
perlitizantesCr-Si-Mn-C
Ferros fundidos 132
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Composição química do ferro base
Carbono
Grafitização
Em ligas hipoeutéticas Quantidade de inoculante que
nas ligas hipereutéticas
Ferros fundidos 133
Ferros fundidosFerros fundidos
Teor de impurezas
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Oxigênio em excesso Consumo de inoculante
Os inoculantes são excelentes desoxidantes?
Ferros fundidos 134
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Temperatura de inoculação
Temperatura elevada
Temperatura baixa
Destruição dos centros efetivos
para nucleação da grafita
Dissolução incompleta dos
inoculantes
Ferros fundidos 135
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Mais eficiente quanto maior a quantidade de inoculante?
Quantidade de inoculante
Existe um limite a partir do qual o aumento de inoculante não atuará eficientemente.
Excesso provoca mais escória, riscos de inclusões e porosidades no produto.
Ferros fundidos 136
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Limpeza do banho
Antes da inoculação Preparação do banho
Remoção da escória
O inoculante é desoxidante e seria consumido na desoxidação da escória não ocorrendo a grafitização.
Ferros fundidos 137
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Fading
Tempo de atuação do inoculante
Importância Controlar o tempo decorrido entre a inoculação e o início da solidificação.
Formação de carbonetos
Ferros fundidos 138
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Granulometria
Partículas pequenas Facilmente oxidadas
Partículas grandes Demorada dissolução
Tamanho das partículas entre 0,7 a 2,8 mm.
Ferros fundidos 139
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Técnica de inoculação
Depende
Quantidade de inoculantes
Número de inoculações
Tipo de inoculante
Granulometria
Ferros fundidos 140
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Inoculação
Sua eficiência depende:
Técnica de inoculação
Inoculação durante a transferência do metal do forno para a panela de vazamento, no jorro de metal.
Ferros fundidos 141
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Elementos nodularizantes
Magnésio - mais utilizado
Cério
Cálcio
Ferros fundidos 142
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Técnicas de nodularização
Simples transferência
FeSiMg adicionado ao fundo da panela e
recoberta com sucata de aço para retardar a
reação.
Ferros fundidos 143
Ferros fundidosFerros fundidos
Técnicas de nodularização
Sandwich
A panela de vazamento possui um degrau no fundo onde é colocado o FeSiMg e recoberta com sucata de aço para retardar a reação.
Variáveis de processo
Nodularização
Ferros fundidos 144
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Simples transferência Sandwich
Ferros fundidos 145
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Fatores a serem considerados nas técnicas de
nodularização:
Composição química
O teor de enxofre é crítico pois o magnésio é um excelente dessulfurante. Quando o teor de enxofre é alto deve-se proceder a tratamentos de dessulfuração antes da nodularização.
Ferros fundidos 146
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Fatores a serem considerados nas técnicas de
nodularização:
Temperatura do banho
Temperatura muito alta acentua a perda por oxidação e volatilização.
Temperatura muito baixa poderá causar cementita livre na estrutura.
Ferros fundidos 147
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Fatores a serem considerados nas técnicas de
nodularização:
Temperatura do banho
Recomendam-se temperaturas de tratamento em torno de 1480 a 1520ºC.
Ferros fundidos 148
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Fatores a serem considerados nas técnicas de
nodularização:
Temperatura de vazamento
Acima de 13700C, pois abaixo disso tenderá a haver formação de carbonetos eutéticos.
Temperaturas mais elevadas provocara uma maior tendência de reação metal molde, e a formação de microporosidades.
Ferros fundidos 149
Ferros fundidosFerros fundidos
Variáveis de processo
Nodularização
Fatores a serem considerados nas técnicas de
nodularização:
Panela de vazamento
A área de superfície da panela deve ser a menor possível.
Minimizar as perdas por oxidação e volatilização.
Ferros fundidos 150
Ferros fundidosFerros fundidos
Variação do teor de Mg com o tempo para nodularização em panela com H/D = 1 (série A) e H/D = 2 (série B)
Ferros fundidos 151
Porcentagem dos elementos dos materiais de acerto e rendimento em fornos de indução
Material Elementos Porcentagem Rendimento
Carbono 97 Mín. 0,97Material deeletrodo Enxôfre 0,4 Max -
Carbono 65 Min. 0,97Babaçu
Enxôfre 0,1 Max -
Carbono 65 Mín. 0,97Moinha de coque
Enxôfre 1 Max. -
Cromo 50 – 60 1
Carbono 05 – 07 0,97Ferro cromo(alto cromo)
Silício 1,5 - 3 0,75
Manganês 74 – 76 1Ferro manganês(alto carbono) Carbono 06 – 07 0,97
Ferro Silício Silício 42 – 48 0,75
Sucata de cobre Cobre 99 Min. 1
Molibdênio 55 - 70 1Ferro molibdênio(alto carbono) Carbono 2,5 Max. 0,97
Magnésio 8 - 10 0,33FeSiMg
Silício 43 - 48 0,75
Ferros fundidos 152
Ferros fundidosFerros fundidos
Ferros fundidos 153
Ferros fundidosFerros fundidos
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